第一章直流电机

第一章直流电机 • 直流电机概述 • 直流电机的基础知识 • 直流电机的基本方程 • 电动机的机械特性 • 直流电动机的拖动 • 直流电动机的电气控制 • 直流电机的故障分析及维护

直流电机概述 • 电机的定义电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。 • 拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机； • 做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机。 • 直流电机的优点 • 调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 • 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 • 易于控制。 • 直流电机的应用 • 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。 • 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 • 家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。

直流电机的基本知识 • 直流电机的工作原理 • 直流电机的结构与分类 • 直流电机的铭牌数据 • 直流电机的电枢电势和电磁转距 • 直流电机的磁场和换向

直流电机的工作原理 • 直流电动机的工作原理 • 直流发电机的工作原理 • 直流电机的可逆原理在直流电机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电机，既可作电动机运行又可作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。

电刷 N + F U I F – S I 换向片直流电源线圈电刷换向器直流电动机的工作原理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。

E E Ia N + U – S 直流发电机的工作原理用右手定则判感应电动势Ea的方向

直流电机的结构与分类 • 直流的结构 • 定子作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。 • 转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。 • 直流电动机的分类按它励磁绕组在电路中联接方式（即励磁方式）可分为他励、并励、串励和复励四种。 • 他励电动机——励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。 • 并励电动机——励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电。 • 串励电动机——励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源。 • 复励电动机——有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联。

直流电机的结构 机座磁极励磁绕组转子

直流电机的铭牌数据 凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。 • 额定电压 UN（ V）在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。 • 额定电流IN（A）在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。 • 额定功率（额定容量）PN（kW）电机在额定情况下允许输出的功率。 • 额定转速nN（r／min）在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。 • 额定效率ηN输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率

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 KE：与电机结构有关的常数 Ia：电枢绕组中的电流  ：磁通 n：电动机转速直流电机的电枢电势和电磁转距 • 感应电势电枢通入电流后，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）。根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为： • 电磁转矩

直流电机的磁场和换向 • 直流电机的磁场直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机的电枢电势和电磁转矩。 • 直流电机的空载磁场 • 直流电机负载时的磁场 • 直流电机的电枢反应 • 直流电机的换向换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。 • 改善换向的方法 • 安装换向极 • 正确选用电刷

（a）两极（b）四极 (a)磁通分布 (b)磁密分布曲线直流电机的空载磁场 • 直流电机的磁路 • 直流电机的空载磁场

（a）电枢磁场 （b）电枢磁动势和磁场的分布直流电机负载时的磁场电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，它将产生一个电枢磁势。电机的气隙磁场是由主极磁势和电枢磁势共同建立的。

直流电机负载时的合成磁场 直流电机的电枢反应负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。负载时的合成磁场如图所示。 • 电枢反应的性质 • 气隙磁场发生畸变。 • 对主磁场有去磁作用。

直流电机的基本方程 • 电压平衡方程式 • 转距平衡方程式 • 功率平衡方程式

Ra + + Ia E M U U：外加电压 Ra:绕组电阻 – – 电压平衡方程式 • 因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。以上公式反映的概念： (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。

TL：负载转矩 T0：空载转矩转距平衡方程式电磁转矩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。

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电动机的机械特性 表征电动机运行状态的两个主要物理量是转速n和电磁转矩T。电动机的机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩T之间的关系，即n=f (T)。 • 直流电动机的固有机械特性固有机械特性是指电动机的工作电压、励磁磁通为额定值、电枢回路中没有串附加电阻时的机械特性。 • 直流电动机的人为机械特性为了满足生产机械加工工艺的要求，例如起动、调速和制动等到各种工作状态的要求，还需要人为地改变电动机的参数，如电枢电压、电枢回路电阻和励磁磁通，相应得到的机械特性即是人为机械特性。

其中，直流电动机的固有机械特性 • 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。） • 固有机械特性曲线

n n0 nN  n T TN 固有机械特性曲线当 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。

直流电动机的人为机械特性 • 电枢回路串电阻R的人为机械特性 • 改变电枢电压的人为机械特性 • 减弱磁通的人为机械特性

n n0 Ra Ra+R1 Ra+R2 0 T 电枢回路串电阻R的人为机械特性电枢加额定电压UN，励磁磁通Ф＝ФN，电枢回路串入电阻R后的人为机械特性方程式为电枢串入不同电阻R时的人为机械特性曲线如图所示电枢回路串电阻的人为机械特性有下列特点： 1）理想空载转速n0与固有机械特性的相同，即电枢回路串入的电阻R改变时，n0不变。 2）特性斜率β与电枢回路串入的电阻有关，R增大，β也增大。故电枢回路串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射形直线。

n n0 n01 UN n02 U1 U2 0 T 改变电枢电压的人为机械特性保持励磁磁通Ф＝ФN，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特性的方程为改变电枢电压的人为机械特性如图所示改变电枢电压的人为机械特性特点如下： 1）理想空载转速n0与电枢电压U成正比，即n0∝U，且U为负时，n0也为负。 2）特性斜率不变，与固有机械特性相同。因而改变电枢电压U的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。

n n02 Φ2 n01 Φ1 n0 ΦN 0 T 减弱磁通的人为机械特性电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，励磁回路串入调节电阻使磁通Φ减弱。减弱磁通Φ的人为机械特性方程为其特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率β则与励磁磁通的平方成反比。随着磁通Φ的减弱β增大，机械特性变软。不同励磁磁通的人为机械特性如图所示。对于一般电机，当Ф＝ФN时，磁路已经饱和，再增加磁通已不容易，所以人为机械特性一般只能在Ф＝ФN的基础上减弱磁通。

直流电动机的拖动 • 直流电动机的起动和反转 • 直流电动机的调速 • 直流电动机的制动

直流电动机的起动和反转 • 起动的要求起动最初，起动电流Is较大，因为此时n= 0，Ea＝0。如果电枢电压为额定电压UN，因为Ra很小，则起动电流可达额定电流的10~20倍。这样大的起动电流会使换向恶化，产生严重的火花；与电枢电流成正比的电磁转矩过大，对生产机械产生过大的冲击力。因此起动时需限制起动电流的大小。 • 起动的方法 • 电枢回路串电阻起动 • 降压起动 • 直流电动机的反转由电磁转矩公式可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个： • 保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接。 • 保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接。

n n0 KM2 KM1 KM3 G F Ra E + + RS3 C r1 r3 r2 D M RS2 Uf A U B RS1 _ KM 0 _ TN Ts2 Q Ts1 T a)接线图 b)机械特性电枢回路串电阻起动 • 电枢回路串电阻起动的接线图 • 电枢回路串电阻起动的工作原理对应于起动电流Is1的起动转矩为Ts1，因Ts1＞TL，电动机开始起动。起动过程的机械特性如图所示，工作点由起动点Q沿电枢总电阻为Rs1的人为特性上升，电枢电动势随之增大，电枢电流和电磁转矩则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至Is2和Ts2 (图中A点)，为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程。此时闭合KM1，切除r1。此时的电流Is2称为切换电流。当r1被断掉后，电枢回路总电阻变为Rs2=Ra+r2+r3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电动机的机械特性由图中曲线1上的A点平移到曲线2上的B点。再依此切除起动电阻r2、r3，电动机的工作点就从B点到D点，最后稳定运行在自然机械特性的G点，电动机的起动过程结束。

n nN n0 UN 0 TL TS1 Q T 降压起动 • 当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1>TL时，电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要的加速转矩，起动过程的机械特性如图所示

直流电动机的调速 • 调速及其指标 • 调速范围（D）是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。 • 静差率（又称相对稳定性）（δ）是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。 • 调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（φ）。φ值越接近1则平滑性越好。 • 调速的经济性是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。 • 调速时电动机的容许输出是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。 • 调速方法 • 电枢串电阻调速 • 降低电枢电压调速 • 减弱磁通调速

n Ra n0 Ra +R T 电枢串电阻调速 • 原理在电枢中串入电阻，使 n 、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，n • 特点电枢回路串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低。所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢电路串电阻调速，设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。 • 适用场合这种调速方法适用于调速性能要求不高的中、小型电机。

n 电压降低 n0 n0' n0" T 降低电枢电压调速 • 原理由转速特性方程知：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。 • 特点 • 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。 • 可得到平滑、无级调速。 • 调速幅度较大。 • 适用场合这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。

n （减小） Rf 增加  T TL 减弱磁通调速 • 原理 • 机械特性曲线 • 特点 • 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。 • 调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。 • 适用场合弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节。

Rf    Ia E  Ia  暂时 T> TL E T  n 减弱磁通调速的工作原理 • 减弱磁通调速的工作原理 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。 • 减弱磁通调速的过程

直流电动机的制动 • 制动的概念电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。 • 制动的分类 • 机械制动 • 电磁的制动 • 电气制动的方法 • 能耗制动 • 反接制动 • 回馈制动

U – + 运行 K If 制动 Uf M R 能耗制动 • 接线图 • 原理停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，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。这种制动是把贮存在系统中的动能变换成电能，消耗在制动电阻中，故称为能耗制动。 • 特点能耗制动的机械特性是一条电枢电压为零、电枢串电阻的人为机械特性。改变制动电阻的大小，可以得到不同斜率的特性曲线。Rz越小，特性曲线的斜率越小，曲线就越平，制动转矩就越大，制动作用就越强。

U – + 运行 R If M Uf 制动反接制动 • 分类 • 电枢反接制动 • 倒拉反接制动 • 电枢反接制动接线图电枢反接制动原理制动时加到电枢绕组两端的电压极性与电动机正转时相反。因旋转方向未变，磁场方向未变，感应电势方向也不变。电枢电流为负值，表明其方向与正转时相反。由于电流方向改变，磁通方向未变，因此电磁转矩方向改变了。电磁转矩与转速方向相反，产生制动作用使转速迅速下降。这种因电枢两端电压极性的改变而产生的制动，称为电枢反接制动。 • 特点电枢反接制动的最初瞬时，作用在电枢回路的电压（U+Ea）≈2U，因此必须在电枢电压反接的同时在电枢回路中串入制动电阻Rz，以限制过大的制动电流。

返回回馈制动 • 原理当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，此时n>n0，使得Ea>U，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。 • 特点回馈制动时，n>n0，Ia和T均为负值，所以它的机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线向第二象限的延伸。电枢回路串电阻将使特性曲线的斜率增大。

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