第三章直流电动机工作原理及特性-资料重点
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T Kt Ia (3.2)
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的 驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须 与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。
电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机 的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
1．发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理 图如图所示：
作为发电机运行时：导体在磁场内 作切割磁力线运动，导体中便感应出电 动势。
E Ke n (3.1)
2．电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图 如图所示：
作为电动机运行时：带电导体在磁 场中要受到电磁力（矩）的作用。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理
一、直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图所示：
根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换 向器三大部分。
定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与 电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的 50%～75%。
Δ PN＝输入功率－输出功率 ＝U NIN PN
＝UN IN NUN IN ＝(1 N )UN IN Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1 N )U N I N
式中：N
PN UNIN
是额定运行条件下电动机的效率，且此时
时, If为定值，即磁通为定值。
对应的机械特性如图所示：
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转
速，用n0表示。
根据机械特性可知：
U
n0 Ke
2. 转速降落
3. 机械特性硬度
n0
n
Ra
K e K m
2
T
为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，
其定义为：
dT Δ T 100%
二、基本的工作原理 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化
为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联 在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：
1— 主磁极：励磁绕组上加上直 流电压，励磁绕组上有励磁电流 通过，使定子铁心产生固定磁场， 即定子的主要作用是产生主磁场。
2—电枢绕组：在固定的磁场中 旋转，主要作用是产生感应电动 势或产生机械转矩，实现能量的 转换。 3—电刷
4—换向片
3、4—换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转， 主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电 刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为 电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方 向不变，以产生恒定的电磁转矩。
第三章 直流电机的工作原理及特性 重点掌握： • 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及 它们的使用场所。
电机分交流和直流两种。
直流电机—工作电压或输出的电压为直流； 交流电机—工作电压为交流。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机—将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能。
大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。
2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一 起供电。如图（b）所示。
四、直流电动机的分类 3．串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源
一起供电。如图（c）所示：
4．复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并 联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示:
Ia IN
故得
Ra
(0.5
~
0.75)(1
PN UNIN
)UN IN
(2) 求KeN
从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时， 虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：
电机运行 E与I的方
方式
向
E的作用
TM的性质
转矩之间的 关系
发电机 电动机
相同 相反
电源电动势 阻转矩 反电动势 驱动转矩
T1=TM+ T0 TM= TL+ T0
四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 1．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的
E ——感应电势（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ra ——电枢回路内阻（Ω）
∵ E Ke n、T Km Ia ∴U Ke n IaRa
即：n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
……转速特性
n
U
Ke
Ra
K e K m
2
T
……机械特性
由他励电动机的特性可知：
励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的 大小无关，它的大小只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定
即:
n
UN
KeN
Ra
K e K m N 2
T
是一条直线。
直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求 出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。
通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额 定电流IN和额定转速 nN。
固有机械特性的计算步骤如下。
(1) 估算电枢电阻Ra
3．2 直流他励电动机的机械特性 一、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介 绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。
如图所示为直流他励电动机的原理电路图。
电枢回路部分 励磁回路部分
U E IaRa 式中: U ——外加电枢电压（V）；
dn Δ n
即转矩变化与所引起的转速 变化的比值，称为机械特性的硬 度。
根据值的不同，可将电
动机机械特性分为三类。
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
Baidu Nhomakorabea
dT Δ T 100%
dn Δ n
二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压
UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的 驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须 与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。
电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机 的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
1．发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理 图如图所示：
作为发电机运行时：导体在磁场内 作切割磁力线运动，导体中便感应出电 动势。
E Ke n (3.1)
2．电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图 如图所示：
作为电动机运行时：带电导体在磁 场中要受到电磁力（矩）的作用。
3．1 直流电机的基本结构和工作原理
一、直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图所示：
根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换 向器三大部分。
定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与 电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的 50%～75%。
Δ PN＝输入功率－输出功率 ＝U NIN PN
＝UN IN NUN IN ＝(1 N )UN IN Ia2Ra (0.5 ~ 0.75)(1 N )U N I N
式中：N
PN UNIN
是额定运行条件下电动机的效率，且此时
时, If为定值，即磁通为定值。
对应的机械特性如图所示：
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转
速，用n0表示。
根据机械特性可知：
U
n0 Ke
2. 转速降落
3. 机械特性硬度
n0
n
Ra
K e K m
2
T
为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，
其定义为：
dT Δ T 100%
二、基本的工作原理 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化
为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联 在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：
1— 主磁极：励磁绕组上加上直 流电压，励磁绕组上有励磁电流 通过，使定子铁心产生固定磁场， 即定子的主要作用是产生主磁场。
2—电枢绕组：在固定的磁场中 旋转，主要作用是产生感应电动 势或产生机械转矩，实现能量的 转换。 3—电刷
4—换向片
3、4—换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转， 主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电 刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为 电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方 向不变，以产生恒定的电磁转矩。
第三章 直流电机的工作原理及特性 重点掌握： • 了解直流电机的基本结构及工作原理； • 掌握直流电动机的机械特性； • 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； • 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及 它们的使用场所。
电机分交流和直流两种。
直流电机—工作电压或输出的电压为直流； 交流电机—工作电压为交流。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机—将电能转换为机械能； 直流发电机—将机械能转换为电能。
大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。
2. 并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一 起供电。如图（b）所示。
四、直流电动机的分类 3．串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源
一起供电。如图（c）所示：
4．复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并 联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示:
Ia IN
故得
Ra
(0.5
~
0.75)(1
PN UNIN
)UN IN
(2) 求KeN
从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时， 虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：
电机运行 E与I的方
方式
向
E的作用
TM的性质
转矩之间的 关系
发电机 电动机
相同 相反
电源电动势 阻转矩 反电动势 驱动转矩
T1=TM+ T0 TM= TL+ T0
四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类： 1．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的
E ——感应电势（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ra ——电枢回路内阻（Ω）
∵ E Ke n、T Km Ia ∴U Ke n IaRa
即：n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
……转速特性
n
U
Ke
Ra
K e K m
2
T
……机械特性
由他励电动机的特性可知：
励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的 大小无关，它的大小只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定
即:
n
UN
KeN
Ra
K e K m N 2
T
是一条直线。
直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求 出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。
通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额 定电流IN和额定转速 nN。
固有机械特性的计算步骤如下。
(1) 估算电枢电阻Ra
3．2 直流他励电动机的机械特性 一、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介 绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。
如图所示为直流他励电动机的原理电路图。
电枢回路部分 励磁回路部分
U E IaRa 式中: U ——外加电枢电压（V）；
dn Δ n
即转矩变化与所引起的转速 变化的比值，称为机械特性的硬 度。
根据值的不同，可将电
动机机械特性分为三类。
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
Baidu Nhomakorabea
dT Δ T 100%
dn Δ n
二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压
UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)