直流电动机结构、原理及启动等

2.4 电磁转矩
一、电磁转矩
T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米） 由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。 18
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线 圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
+ U –
换向片
N
F E I
I
E F
S
15
电刷
+ U
–
换向片
N
F E I I E F
S
根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为：
E K En
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
U E I a Ra E K EΦn T KTΦI a
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
Ra U T 即： n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ 21
Ra U T n n0 n 其中 n0 ，n 2 K EΦ KT K EΦ
K EΦ

Ra T 2 KT K EΦ
34
2
T
Ra U T 220 0.5 14 n 2 K EΦ K E KTΦ 2 0.143 0.1431.13 2 1538 .46 21.66 1516 .8(r / min)
（2） =0.8 N 时
220 0.5 n 14 2 0.8 0.143 0.1431.13 0.8 1923 33.84 1889 (r / min)
N
F E
I I
E F
–
换向片
S
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
8
直流发电机
用右手定则判
感应电动势Ea的方向
E + Ia
N
E
电枢绕组
U
– 感应电动势 S 输出电压
电阻Ra
E K En
U E I a Ra
9
二、 直流电机的构成
35
三、改变转子电阻调速
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T TL T0
TL： 负载转矩
T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
19
E K En
例： 设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为： TL T n Ia
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
10
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。 2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
26
一、改变磁通（调磁）
1.原理
以他励电动机为例说明直 流电动机的调速方法。
If Uf
Ia
M U
他励
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
其中： =K If
可知，n 和 有关，在 U 一定的情况下，改 变 可改变 n 。在励磁回路中串上电阻Rf，改变 Rf大小调节励磁电流，从而改变 的大小。
E
E K En
U E I a Ra
最后达到新的平衡点。
T KTΦI a
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
20
2.5 机械特性
电机的电磁转矩和转速间的关系 以他励和串励电机为例说明。
If Uf
Ia
一、 他励电动机的机械特性
他励电动机和并励电动机的特性一样。
M U 他励
n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。） 根据 n-T 公式 画出特性曲线 n0 nN n
U E I a Ra
n
T
E K EΦn T KTΦI a
TN
当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 22 特性。
4
2.1 概述
与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用 和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。
直流电机的优点：
（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
If Uf
Ia
M U
31 他励
二、改变电枢电压调速
1.特性曲线
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
由转速特性方程知： n0 调电枢电压U，n0 n ' 0 变化，斜率不变， n0" n
电 压 降 低
所以调速特性是一
组平行曲线。
If
Ia
T
Uf
E U I a Ra 220 0.5 12.4 K EΦ 0.143 n nN 1500 PN 2.2 TN 9550 9550 14Nm nN 1500 Ra U TN KTΦI a
K TN 14 E KTΦ 1.13 I a 12.4
n
Φn KU Φ T KE
If
M
U
M
U
M
并励
串励
复励
12
不同励磁方式的直流电机有着不
同的特性。一般情况直流电动机的主
要励磁方式是并励式、串励式和复励 式，直流发电机的主要励磁方式是他
励式、并励式和和复励式。
13
1、串励：启动和过载能力较大，转速随负载变 化明显。空载转速过高，俗称“飞车”。
2、并励：转速基本恒定，一般用于转速变化较 小的负载。
5
2.2 工作原理
电刷
一、 工作原理
+
U –
换向片
N I I S
直流电源
电刷
换向器
线圈
6
电刷
+
N
F
I I
U –
换向片
F
S
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
7
电刷
+ U
n0 ' ' n0 ' n0
TL
T
T
25
直流电动机的调速
与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价
格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。
直流电动机调速的主要优点是： （1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上
（调速比等于最大转速和最小转速之比）。
Ra U n T 2 K EΦ KT K EΦ
， n
1
Φ2
29
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
调速过程: U一定,则
Rf
Ia
其中： =K If
E
n Ia T
If Uf Ia

E
最后达到新的平衡 T K ΦI T a T =TL
3、复励：以并励为主的复励电机具有较大转矩， 转速变化不大，多用于机床等。以串励为主 的复励电机具有接近串励电机特性，但无 “飞车”危险。 4、他励：励磁回路单独供电的电机，用于需要 If If Ia M U M U U 宽调速的系统 M
Uf
M U 并励
他励
串励
复励
14
电枢电动势及电压平衡关系
一、 电枢中的感应电动势
E K EΦn K E K Φ I a n
2 暂时 KT KΦ I a T > TL
M U
30 他励
U E I a Ra
3.减小 调速的特点：
（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调， 受机械本身强度所限，n不能太高。 （2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制方便。
11
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If Uf
Ia
M U U 他励
16
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
电动机
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 Ra + + U E I a Ra Ia M E U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – –
以上两公式反映的概念： (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 E K En (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 U E K EΦn， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。 17
流
f
流
压
Uf=110V
固定
U=0~110V 可调
33
例：已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A
Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求： （1）TL=0.5TN 时, n=? 解：（1） TL=0.5TN 时 （2） =0.8 N 时, n=?
E K E n U I a Ra
M U 他励
32
2.改变电枢电压调速的特点
（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过UN，，而 n U，所以调速只能向下调。 （2）可得到平滑、无级调速。 （3）调速幅度较大。
来自百度文库
220V~ 压
改变电枢电压调速方案举例： If Ra UIa n T n n0 n 其中 n0 ， 2 整 KT K E调 K Φ Φ 变 整 E 220V~ U M U
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。 设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则
E K EΦn K E K Φ I a n T K T ΦI a K T K Φ I a U E I a Ra
n KT U KE Ra KΦT K E KΦ
KT U KE
Ra KΦT K E KΦ
T 24
直流电动机特性类型的选择:
T KTΦI a
(1) 恒转矩的生产机械(负载转矩TL不随转速而变， 要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。 (2) 恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比）， 要选软特性电机拖动。如：电气机车等。 n n
其中： =K If
If Uf
Ia
概念：改变磁通调速的方法— 减小磁通，n只能上调。
M U 他励
28
2.特性的变化
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
n
n0 ' ' n0 ' n0
TL 因为： n0
Rf 增 减 加 小
（
）
T
1
Φ
2
U
Ia M
n
串励
T
据此公式做出 T-n 曲线
23
串励特性： (1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态， 但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。
(2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 n 软机械特性。
n
27
Ra U n T n n0 n 其中 n0 ， 2 K EΦ KT K EΦ
If的调节有两种情况： • Rf If n ，但在额定情况下， 已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。 • Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方 法。
直流电动机
1
调速系统的连接图
晶闸管触发器
直流电动 机 电压放大 器
电压比较 器
直流测速发电 2 机
控制 对象
（一）转速负反馈调速系统
1、 系统组成
+ +
+
Id Ud
+
-
U*n ∆Un
-
A
Uc
UPE
-
M
-
Un
+
+
+
n
反馈 装置 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
Utg
TG
2.1 概述 2.2 工作原理 2.3 电枢电动势及电压平衡关系 2.4 电磁转矩 2.5 机械特性 2.6 直流电动机的调速 2.7 直流电动机的使用和额定值