直流电动机

U N Ea U N Ce Øn Ia Ra Ra
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• 全压启动的主要危害 • 转子绕组绝缘损坏，甚至烧断绕组；换向火花增大，烧坏 换向器；对电源造成很大的冲击，波及同一电网上的其他 设备。另外，直接起动时的起动转矩为Tst=Cm Ø Ist • 由于起动电流Ist本身很大，所以起动转矩也很大，较大的 起动转矩对电动机的机械传动部分产生很大的冲击力，造 成机械性损伤。因此，只有容量很小的电机，才采用全压 起动。稍大容量的电动机起动时必须采取措施限制起动电 流。
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图1-8 直流电机的励磁方式 a) 他励 b)并励 c)串励 d)积复励 e)差复励
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1.2.2 直流电机的铭牌
• 为了保证电机安全而有效地运行，电机制造厂都对它所生产的电机 工作条件加以规定。电机按制造工厂规定条件工作的情况，叫额定 工作情况。表征电机额定工作情况的各种数据叫做额定值。这些数 据都列在电机的铭牌上，是使用和选择电机的依据，因此使用前一 定要做详细了解。某直流电机的铭牌数据见表1-1。

P p 2 1 P P 1 2 p
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• P1=P2+ pcua + pj + pFe + pad= P2 +Σp
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1.3.2 直流电动机的机械特性
• 电动机的机械特性主要是描述电动机的转速n与其电磁转 矩Te之间的关系，通常用n＝f(Te)曲线表示。 1．他励电动机的机械特性 Ra U n T 2 e Ce CeCT 2．他励直流电动机的固有机械特 性 在U＝UN，Ø＝ØN和Rad=0的条 件下，电动机的机械特性称为固有 机械特性。根据固有特性的定义， 可得固有特性方程式为 UN Ra n T n0 Te 2 e Ce ØN CeCmØN
Ce ØN CeCm ØN
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3）改变磁通Ø时的人为机械特性 一般电动机在额定磁通下 运行时，电动机的磁路已接近饱和，因此，改变磁通实际上 只能减弱磁通。在U＝UN，R=Ra，减弱磁通时的人为机械 UN Ra 特性方程式为 n Te
Ce Ø CeCm Ø2
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Te Te
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4. 直流电机的转子电动势
每根导体的感应电动势
转子电动势
e BLv
Ea Cen
F BIL
5. 直流电机的电磁转矩
每根导体所受的电磁力 电磁转矩
Te CmI a
Cm 9.55Ce
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对同一台电动机
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• [例1-1] 一台直流发电机的额定数据如下：PN＝200kW， UN＝230V，nN＝1450r /min，ηN＝90％，求该发电机的额 定电流和输入功率各为多少? • 解：
PN U N I N
IN
PN 200103 A 869.6 A UN 230
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• 2．降压起动 从上边的分析可知，电动机起动瞬间，n=0， Ea=0，Ia=U／Ra。如果降低电源电压，就可以减小起动电 流。随着转速的上升，反电动势Ea逐渐增大，将电源电压 逐步升到额定值，使电动机达到额定转速。在整个起动过 程中，利用自动控制装置，使电压连续升高，保持转子电 流为最大允许电流，从而使系统在较大的加速转矩下迅速 起动。这是一种比较理想的起动方法。 • 减压起动的优点是既限制了起动电流，起动过程又平稳、 能量损耗小。缺点是必须有单独的可调压直流电源、起动 设备复杂、初期投资大，多用于要求经常起动的场合和大 中型电动机的起动，实际使用的直流伺服系统多采用这种 起动方法。目前，广泛应用的是大功率半导体器件所组成 的可控整流电源，它不仅可以用于直流电动机的调速，而 且还可用于降压起动。
1—刷握 2—电刷 3—压紧 弹簧 4—汇流条
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5. 转子铁心
转子铁心是电机主磁路的一部分。 为了减少损失，提高电机的效率， 铁心一般用硅钢片叠压而成。
6. 转子绕组
转子绕组使直流电机结构中重要 而复杂的部分，感应电动势、电 流和电磁转矩的产生、机械能和 电能的相互转换都在这里进行
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第1章 直流电机
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目录
• 1.1 直流电机的结构和工作原理 • 1.2 直流电机的励磁方式和铭牌
• 1.3 直流电动机的基本平衡方程式和机械特性
• 1.4 直流电动机的起动和反转 • 1.5 直流电动机的调速 • 1.6 直流电动机的制动
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1.1 直流电机的结构和工作原理
• 1.1.1 直流电机的结构
• 直流电机主要由定子和转子(电枢)两大部分构成。 • 定子的主要作用是产生主磁场并作为机械支撑，它主要由 主磁极、换向磁极、机座和电刷装置组成。转子的作用是 产生感应电动势和电磁转矩，它主要由转子铁心、转子绕 组、换向器、转轴和风扇组成。直流电机的径向示意图如 图1-1所示。
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3. 机座
机座通常由铸钢或厚钢板焊成。 它有两个作用： 一是用来固定主磁极、换向极和端盖； 二是作为磁路的一部分。机座中有磁 通经过的部分称为磁轭。
4. 电刷装置
电刷装置的作用是用来固定电刷， 并使电刷与旋转的换向器保持滑 动接触，将转子绕组与外电路接 通，使电流经电刷输入转子或从 转子输出。
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• 1.1.2 直流电机的工作原理 • 1．直流发电机的工作原理
（1）需要原动力； （2）右手定则； （3）A极始终为正； （4）为外部提供电能；
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• 2．直流电动机工作原理
（1）需要电源； （2）左手定则； （3）电磁力始终自左到右； （4）为外部提供机械能；
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P 1
N
PN
160 kW 177 .8kW 0.9
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1.3 直流电动机的基本平衡方程式和机 械特性
• 1.3.1 直流电动机的基本平衡方程式
• • • • • • 1．电动势、转矩平衡方程式 U=Ea+IaRa Te=Tc=TL+T0 2．功率平衡方程式 P1= Pm +pcua Pm = P2+p0
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3. 直流电动机的可逆性
同一台直流电机，通过改变外界条件，可当发电机 运行，也可当电动机运行。
当用原动机拖动转子旋转即输入机械功率时，在电 刷两端就会输出直流电能，此时电机作发电机运行；
当在电刷两端接直流电源即输入直流电能时，电机 将通过转子拖动生产机械旋转从而输出机械能，电 机又作电动机运行。
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改变电压时的人为机械特性
改变磁通时的人为机械特性
1.4 直流电动机的起动和反转
• 1.4.1 直流电动机的起动
• 所谓电动机的起动，是指电动机接通电源后，转速由零上 升到稳定转速的过程。对直流电动机起动的要求是，要在 保证起动转矩足够大的前提下，尽量减小起动电流。 • 直流电动机的起动方法有：全压起动，转子回路串电阻起 动和降压起动。 • 1．全压起动 全压起动就是直流电动机在额定电压下直接 起动。起动时，转子电流为
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7. 换向器
换向器是由多个相互绝缘的换向 片组成，如图所示。 换向器的作用： 在直流电动机中，它将电刷两端 的直流电转换为绕组内的交流电； 在直流发电机中，它将绕组内的 交变电动势转换为电刷两端的直 流电压。
8. 转轴
转轴是支撑转子铁心和输出（或 输入）机械转矩的部件，它必须 具有足够的刚度和强度，以保证 负载时气隙均匀及不断裂。
概述
• 直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机是 可逆的，即一台直流电机既可作为发电机运行，又可作为 电动机运行。当用作发电机时，将机械能转换为电能；当 用作电动机时，将电能转换为机械能。直流发电机和直流 电动机在结构上没有差别。 • 直流电动机和交流电动机相比，具有良好的起动性能和调 速性能，因此广泛应用于对调速性能要求较高的机械设备 上，如矿井卷扬机、挖掘机、大型机床、电力机车、船舶 推进器、纺织及造纸机械等。
P 1
N
PN
200 kW 222.2kW 0.9
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• [例1-2] 一台直流电动机额定数据如下：PN＝160kW， UN=220V，nN＝1500r/min，ηN＝90％，求额定电流和输 入功率各为多少?
• 解：
PN N U N I N
IN PN 160103 A 808A NU N 0.9 220
1.2 直流电机的励磁方式和铭牌
• 1.2.1 直流电机的励磁方式
• 根据励磁方式的不同，直流电机分为他励和自励两类。他励直流电机 的励磁绕组与转子绕组之间无电的联系，由独立电源给励磁绕组供电， 如图l-8a所示。自励直流电机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组 与转子绕组的联结关系，又可以分为并励、串励和复励三种。并励直 流电机的励磁绕组与转子绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是转子 电路两端的电压，如图1-8b所示。对并励直流电动机I＝Ia+If，并励直 流发电机Ia＝I+If。串励直流电机的励磁绕组与转子绕组串联，如图18c所示，这种直流电动机的励磁电流就是转子电流，即If＝Ia。复励 直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与转子绕组并联，称为 并励绕组，另一个与转子绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组 若产生的磁动势方向相同称为积复励，否则称为差复励，两种联结方 式分别如图1-8d、e所示。
直流电动机 型号 结构类型 功率 电压 电流 转速 标准编号 30kW 220V 160.5A 750r/min JB1104-68 Z3-95 产品编号 励磁方式 励磁电压 工作方式 绝缘等级 重量 出厂日期 7009 他励 220V 连续 定子B转子B 685kg 年 月
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他励直流电动机的固有机械特性 上一页 下一页 返回
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3．他励直流电动机的人为机械特性 在固有机械特性方程 式中，当电压U、磁通Ø 、转子回路电阻中任意一个参数 改变而获得的特性，称为直流电动机的人为机械特性。 1）转子回路串接电阻Rad时的人为机械特性 在U＝UN， Ø ＝Ø N，R=Ra+Rad，即在保持电压及磁通不变的条件下， 转子回路串接电阻Rad时，人为机械特性方程式为
UN Ra Rad n T 2 e Ce ØN CeCm ØN
TeN Te
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• 2）改变转子电压时的人为机械特性 在Ø ＝Ø N，R=Ra的 条件下，改变转子电压U时的人为机械特性方程式为 • Ra U n Te n0 Te 2
1－极靴 2－转子齿 3－转子 槽 4－励磁绕组 5－主磁极 6－磁轭 7－换向 极 8－换向极绕组 9－转子绕组 10－转子铁心 11－地脚
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1. 主磁极
主磁极的作用建立主磁场，它主 要由主磁极铁心和绕组组成。
2. 换向磁极
换向磁极的作用是产生附件磁场， 用以改善换向，使电动机运行时 电刷不产生有害的火花。它由换 向极铁心和换向极绕组组成。
直流电机的额定值主要有： • 1.额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定运行状态下的输 出功率，以W为单位，若>1KW或1MW时，则以KW、 MW为单位。 • 2.额定电压UN：指额定运行状况下，直流发电机的输出电 压或者直流电动机的输入电压，单位为V • 3.额定电流IN：额定负载时允许电机长期输入（电动机） 或输出（发电机）的电流，单位为A • 4.额定转速nN：电机在额定电压和额定负载时的旋转速度， 单位为 r / min