直流电机的工作原理及特性

电刷盒
转子结构图
电枢绕组
电枢铁心
换向器 转轴
（二） 转子(电枢)部分
1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件，
产生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的
交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势
KeN U N I N Ra / nN
3.16
（3）求理想空载转速 n0 U N /KeN
（4）求额定转矩
TN
PN
9.55 PN nN
3.17
TN KtN I N 9.55KeN I N
2、人为机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
人为机械特性就是指供电电压U或磁通Φ不 是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时 的机械特性，亦称人为特性。
机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的 重要依据。
机械特性分固有机械特性和人为机械特性。
一、他励电动机的机械特性
机械特性方程的推导
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
KT
n0 n
n0---理想空载转速（T=0）
具有一段启动电阻的他励电动机 Ist U N /Ra Rst 1.5～2I N
具有三段启动电阻的他励电动机
原则 1. T1(I1)≤2TN 2. T2(I2)基本相
同
T1 1.6～2TN T2 1.1～1.2TN
3·5 直流他励电动机的调速特性
一、速度调节与速度变化
速度调节与速度变化
电机的工作原理是建立在电磁感应定律、 电磁力定律、电路定律等基本理论之上。
2、法拉第电磁感应定律
设有一个匝数为ω的线圈放在磁场中，不论什 么原因，例如线圈的移动、转动或磁场强度 发生变化等，造成与线圈相交链的磁通Φ随时 间发生变化，这时线圈内部会感应出电势， 这种现象叫电磁感应。
3、右手定则
起动性能和调速性能好，过载能力大 ； 3、直流发电机主要应用场合：
供给直流电动机、电解、电镀等所需的直流电能 4、主要缺点：
结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格 昂贵，运行可靠性差
3·1 直流电机的基本结构和工作原理
结构要点：定子、转子、换向器 原理要点：电磁感应定律、电磁力定律、
电路定律以及电势方程、转矩方程、电压 方程 分类：直流电机按照励磁方式的不同分为 他励、并励、串励、复励四种
转换为对外引出的方向不变的直流电动势。
电枢铁心钢片、换向器
二．直流电机的基本工作原理
建立在电磁力和电磁感应的基础上
1、电机的能量转换
电机是转换能量形态的一种机械。 1、发电机将机械能转换成电能。 2、电动机将电能转换成机械能。 3、变压器将一种电压等级的电能转变成 另一种电压等级的电能。
应电势E 由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电
压的方向相反，称为反电势
三、电动势和电磁转矩
1. 电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。
E Ke n
式中：E — 感应电动势（V）； Φ — 一对磁极的磁通（Wb）； n — 电枢转速（r/min）； Ke — 与电机结构有关的常数
方向: 直流发电机——总是与电流的方向相同，常称为
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，但作用正好相反。
电机运行 方式
发电机
E与I的方 向
相同
E的作用
电源电动 势
电动机 相反 反电动势
T的性质
阻转矩 驱动转
矩
转矩之间的 关系
T1=T+ T0
T= TL+ T0
电路方程
发电机 E U I a Ra 电动机 U E I a Ra
刷之间的直流电势E 接负载后，电枢中产生电流 i 载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁
转矩T 原动机克服T的作用将机械能转变成电能
（二）直流电动机的工作原理
直流电动机基本工作原理
电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体
载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T
电枢在电磁转矩T作用下旋转 旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感
3.13
△n—速度降
n=f(T)
T0
（一）他励电动机的机械特性表达式
直流电动机的机械特性的一般表达式
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
机械特性曲线及其方程
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
（二）机械特性硬度
1、定义 2、分类
dT dn
T n
100%
(1)绝对硬特性( )
(2)硬特性( ＞10) (3)软特性( <10)
三、复励电动机的机械特性
他励
复励 串励
• 具有他励和串励电动机的性质
他励磁通φes=70%总磁通 串励磁通φs=30%总磁通
例题1
一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势 E中＝的E电1，阻如均负不载变转，矩问TL减=常弱数励，磁外使加转电速压上和升电到枢新电的路稳 态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还 是等于E1?
作用
发电机：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。 在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机 的电磁转矩T及空载损耗转矩T0相平衡。
电动机：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同， 使电枢转动。
在等速转动时，电动机的电磁转矩T必须与机 械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。
空载特性 E f (I f )
外特性U=f(I)
U U0 U N 100% 3.6
UN
大约为5%～10%
三、并励发电机
，
U E I a Ra
Ia (E U ) / Ra
If U /Rf
I U/R
Ia I If I
并励发电机的工作原理
并励发电机的电压建立的条件
1、发电机的磁极要有剩磁。 2、起始励磁电流所产生的磁场的方向与
解：两个已知条件，一个是负载转矩TL＝常数；一个是从一 个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是 稳态值。
TL T KtIa C Ia
E U Ia Ra U C Ra C
Ia E
E E1
注意：从 E Ken 不能判断E是如何变化的
例题2
例、一台他励直流电动机，其功率 PN=5.5KW、 UN=220V、 IN=31A、nN=1500r/min,忽略损耗，认为
应避免的现象
1、过载 2、飞车现象
n
UN
K e
Ra
Ke Kt 2
T
n0
KT
二、串励电动机的机械特性
第一段
软特性
CIa T KtIa Kt 2 / C
CT / Kt
3.19
代入
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
n
n UN
Ra
Ke CT / Kt KeC
U N Ra C1 T C2
0.132V / r min 1
(2)求n0 n0 U N /KeN 220 / 0.132 1667r /N nN
9.55 5.5103 1500
35N m
3·4 直流他励电动机的启动特性
E Ke n
U E Ia Ra
启动时n=0 E=0
固有机械特性曲线的绘制步骤
（1）估算电枢电阻Ra
PN U N I N PN
U N IN NU N IN
1N U N I N
I
2 a
Ra
0.50～0.75 1 N
U N I N
Ra
0.50～0.75
1
PN UNI
N
UN IN
固有机械特性曲线的绘制步骤
（2）计算Ke N
额定条件下反电势 EN KeN nN U N I N Ra
启动电流
I st U N / R 10～20I N
启动电流过大的危害
1）不利于换向； 2）易损坏可控硅； 3）产生较大的动态冲击，易损坏机械设 备； 4）对电网产生危害。
通常规定启动电流IST=（1.5~2.0）IN
限制启动电流常用的两种方法
（IST=U/Ra） 降压启动 在电枢回路内串接外加电阻启动
速度调节-----在一定的负载下，人为改变参数，从而改变电 动机稳定转速。负载不变 速度变化-----由于负载发生变化而引起电动机转速改变。特 性不变
如果磁场是恒定的，但线圈与磁场之间有相 对运动，引起与线圈相交链的磁通发生变化， 因而在线圈中感应出电势，则称这种电势为 运动电势。
e Blv
e 四指方向
v 母指方向
4、电磁力定律
载流导体在磁场中受到力的作用，由于这种 力是由于磁场和电流的相互作用产生的，故 称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则 作用在导体上的电磁力为：
剩磁磁场的方向相同，这样，磁场才能 加强。 3、合适的电阻Rf，当Rf过大时，电压就 建立不起来。
并励发电机的外特性
四、复励发电机
优点：在正常运行范围内，其端电压变化不 大。
3·3 直流电动机的机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
机械特性是直流电动机最重要的运行特性。
机械特性反映了电机转速与转矩之间的关系。
3·2 直流发电机
一．直流发电机的分类
1、他励直流发电机：励磁绕组由外电源提 供电流
2、自励发电机：励磁电流为电枢电流或为 电枢电流的一部分，可分为：
并励直流发电机 串励直流发电机 复励直流发电机
直流发电机的分类
他励 串励
并励 复励
二、他励发电机
E U IaRa Ia (E U ) / Ra Ia I I U /R U0 E Ken
机电传动控制
第3章 直流电机的工作原理及特性
本章要求
掌握直流电机的基本工作原理及特性，特 别是直流电动机的机械特性；
掌握直流电动机启动、调速和制动的各种 方法以及各种方法的优缺点和应用场所。
电机
利用电磁作用原理进行能量转换的机械装 置
直流电机
1、进行直流电能与机械能 之间的转换 2、直流电动机主要应用场合：
f 母指方 向 左手定则
i 四指方 向
f Bli
5、电路定律
在电路里，对任何一个回路，若沿某一方 向环绕回路一周，则回路内所有电势的代 数和等于所有电压降的代数和。
e u
（一）直流发电机的工作原理
直流发电机基本工作原理
原动机驱动电枢在磁场中旋转 电枢线圈的有效边切割磁力线 电枢线圈中产生感应电势 e 交变的感应电势在换向器的作用下变换成电
额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制
电机近似的固有机械特性。
解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0， n0）(TN,,nN)
(1)估算Ra
Ra
0.51
PN UNI
N
UN IN
0.51
5.5103
220
31
0.71
KeN U N IaN Ra / nN 220 31 0.71/1500
3、机械特性硬度的选择
（三）机械特性的分类
固有特性（自然特性）：指在额定条件下的机械
特性。
n
U
K e
Ra
K e K t
2
T
n0
n
人为特性：指上式中供电电压或磁通不是额定值、 电枢回路内接有外加电阻时的机械特性
1、固有机械特性
一般就用理想空载点（0，n0） 和额定运行点（TN，nN） 近似地来作出直线。
电动机有三种人为机械特性。
1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性
2）改变电枢电压U时的人为特性
3）改变磁通Φ时的人为特性
电枢回路串接附加电阻时的人为特性
n
UN
K e N
Ra Rad
K
e
K
2
tN
T
n0
KT
改变电枢电压U时的人为特性
n
U
KeN
Ra
Ke KtN2
T
n0
KT
改变磁通Φ时的人为特性
一、直流电机的基本结构
直流电机的组成
1、定子：产生磁场、支撑电机 2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进
行能量转换
（一） 定子部分 换向 极
1．主磁极：产生主磁场。 主磁极铁心 励磁绕组 2、换向极：改善换向 3、机座
固定 主磁路的一部分 4、电刷装置 引入或引出直流电压和直流电流
主磁极
3.20
C1 Ke C / Kt C2 KeC
第二段 Φ ＝C
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
n
串励电动机的机械特性相关分析
1． 硬度 2． 优点
1）串励电动机负载的大小对电动机的转速影响较大 2）起动时的励磁电流大
3、注意事项
（1）不容许空载运行。 （2）反转运行不能用改变电源极性的方式。
电源电动势。 直流电动机——总是与电流的方向相反，常称为
反电动势。
2．电磁转矩TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。
大小： T Kt Ia
式中：T ——电磁转矩（N·m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke