电机学课件--清华大学

7.2.2 工作原理
一、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
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。
电刷
FE
+
N IE
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
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。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
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
电机学课件--清华大学
第七章 电动机
§7.2 直流电动机
7.2.1 概述
7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机
7.2.1 概述
（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。
E Ia T >> T0 n飞车
If
Ia
Uf M U
他励
措施：
他励直流电动机一定要有失磁保护。 一般在励磁绕组加失压继电器或欠 流继电器。当失压或欠流时，自动 切断电枢电源U。
2.反转
电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。
改变直流电机转向的方法： （1）改变励磁电流的方向。 （2）或改变电枢电流的方向。
一、 电枢中的感应电动势
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
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为：
EKEn
KE：与电机结构有关的常数
1.启动
启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则
Iast
UN Ra
IaN
Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。
限制Iast的措施： （1）启动时在电枢回路串电阻。 （2）启动时降低电枢电压。
注意：
直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通， 不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：
nKUEΦKTK RaEΦ2T
nK U EΦKEK Ra TΦ2T 202 .124 030.104. 51 3.13 124
15.3 48 6 2.166 15.1 8(r6/min)
（2） =0.8 N 时
n 220
0.5
14
0.80.1430.1431.130.82
19233.84188(r9/min)
n
根据 n-T 公式 画出特性曲线
nnN0
n
TN
T
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
特性。
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 KEΦn KE KΦIan T KTΦIa KT KΦIa2 n
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。
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
TTL 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
软机械特性。
n
T
直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）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。
7.2.6 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：
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
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。
二、改变电枢电压调速
1.特性曲线
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势
为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。
（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，
则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满
足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。
If
Ia
一、 他励电动机的机械特性
Uf M U
他励电动机和并励电动机的特性一样。
U E IaRa
E
K
Φn
E
T K T ΦI a
他励
nKUEΦKTK RaEΦ2T
即：nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
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。）
U
F
I
–
S
换向片
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。
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
电阻Ra
–
S
感应电动势
输出电压
EKEn UE IaRa
二、 直流电机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 机座
（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）。
下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。
一、改变磁通（调磁）
1.原理
If
Ia
Uf M U
他励
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
其中： =K If
由该式可知，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
改变电枢电压调速方案举例：
If
Ia
变整
整
220V~ 压 流
Uf M U
流
调 压
220V~
Uf=110V U=0~110V
固定
可调
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=? （2） =0.8 N 时, n=?
上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而
改变 的大小。
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
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。
3.制动
制动的所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动
（1）反接制动
+U –
运行
电阻 R 的作用 是限制电源反
R
If
接制动时电枢Hale Waihona Puke Baidu
的电流过大。
M
Uf
制动
（2）能耗制动 — 电枢断电后立即接入一个电阻。
–U+
停车时，电枢从
If Uf
K
M
运行 制动
电源断开,接到电 阻上，这时：由 于惯性电枢仍保 持原方向运动，
U E IaRa
U Ia M
串励
n KTU Ra
T
KE KΦT KEKΦ
据此公式做出 T-n 曲线
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
自学
直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组 各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小 区别。
（1）绕组的阻值范围
• 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。
• 他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。
• 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。
（2）绕组的符号
始端
S1 T1 B1 C1 H1 BC1 Q1
解：（1） TL=0.5TN 时
EK E nU IaR a
Φ K E E nU n I N aR a2
2 0 .5 0 1.4 2 0 .1 1500
4
T TN N 9 KTΦ 5In P a5N N0 951 5 2.5 2 0 010N 4 m
KTΦTIN a
141.13 12.4
转矩自动调整，以实现新的平衡。
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
n
E
T
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
T KTΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
7.2.5 机械特性
机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，
下边以他励和串励电机为例说明。
U EEK EK E nΦ，n
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。
7.2.4 电磁转矩 一、电磁转矩 T KTΦIa
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）
KT
Ra
KEΦ2
T
由转速特性方程知： 调电枢电压U，n0 变化，斜率不变，
所以调速特性是一
组平行曲线。
n n0 n0' n0"
电 压 降 低
T
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。
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
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。
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：
概念：改变磁通调速的方法— 减小磁通，n只能上调。
2.特性的变化
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
n
nn0n0'
' '
0
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1 Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
调速过程: U一定,则
末端
S2 T2 B2 C2 H2 BC2 Q2
绕组名称
电枢绕组 他励绕组 并励绕组 串励绕组 换向极绕组 补偿绕组 启动绕组
二、额定值
1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。
2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的 直流电压。（例：110V，220V，440V）
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
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系
R
感应电动势方向
也不变，电动机
变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相 同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。
(3) 发电回馈制动
特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下 nn0（ n0理想空载转速），这 时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从 而限制电机转速过分升高。
4.连接
三、改变转子电阻调速
nn0n 其中
n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
KEΦ2
T
在电枢中串入电阻，
使 n 、 n0不变，即
电机的特性曲线变陡
n n0
（斜率变大），在相
同力矩下，n
Ra Ra + R
T
这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。
7.2.7 直流电动机的使用和额定值
一、使用