1、1三.基本內容 一.基本要求 二.重點與難點 四.例題分析第三章第三章: :直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性 2第一章節內容第一章節內容第二章節內容第二章節內容第三章節內容第三章節內容第四章節內容第四章節內容第五章節內容第五章節內容第六章節內容第六章節內容3一一. .基本要求基本要求 1.在了解直流電動機的基本結構的基礎上，著重掌握直流電動在了解直流電動機的基本結構的基礎上，著重掌握直流電動機的基本工作原理，特別應掌握轉矩方程式、電動方程式和電機的基本工作原理，特別應掌握轉矩方程式、電動方程式和電壓平衡方程式；壓平衡方程式；2.掌握直流電動機的機械特性，特別是人為機械特性；掌握

2、直流電動機的機械特性，特別是人為機械特性；3.掌握直流電動機啟動、調速和制動的各種方法以及各種方法掌握直流電動機啟動、調速和制動的各種方法以及各種方法的優缺點和應用場所；的優缺點和應用場所；4.學會用機械特性的四個象限來分析直流電動機的運行狀態；學會用機械特性的四個象限來分析直流電動機的運行狀態；5.學會根據他勵直流電動機的銘牌技術數據，確定電動機啟動學會根據他勵直流電動機的銘牌技術數據，確定電動機啟動等運行特性。等運行特性。4二.重點與難點 1.重點重點(1).由于機械特性是根據轉矩、電勢、電壓平衡方程式推導出來由于機械特性是根據轉矩、電勢、電壓平衡方程式推導出來的，而機械特性又是分析啟動、

3、調速和制動特性的依據，所以的，而機械特性又是分析啟動、調速和制動特性的依據，所以機械特性是電動機內容的重中之重；機械特性是電動機內容的重中之重；(2).他勵直流電動機的啟動特性；他勵直流電動機的啟動特性；(3).他勵直流電動機的調壓調速特性。他勵直流電動機的調壓調速特性。2.難點難點(1).本章較難理解的內容是電流、電勢的換向過程和電動機的制本章較難理解的內容是電流、電勢的換向過程和電動機的制動過程；電動機在各種運轉狀態下電磁轉矩動過程；電動機在各種運轉狀態下電磁轉矩 、負載轉矩、負載轉矩 、轉速轉速 、電樞電流、電樞電流 和電勢和電勢 等符號的確定。等符號的確定。TLTnaIE5q 引引 言

4、言 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。 由于直流拖動控制系統在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統。6 直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起動轉矩，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起動轉矩較大，因此，對調速要求較高的生產機械或者需要較較大，因此，對調速要求較高的生產機械或者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電

5、動機驅動。大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動機驅動。7NSNS 直流電機由定直流電機由定子子(磁極磁極)、轉子、轉子(電樞電樞)和機座等和機座等部分構成。部分構成。8定子定子 :產生主磁場并起支承作用。產生主磁場并起支承作用。由永久磁鐵做成。由永久磁鐵做成。磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，磁極上繞線圈，線圈中通過直流電， 形成電磁鐵。形成電磁鐵。磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁1)1)主磁極：包括主磁極鐵心和套在上面的勵磁繞組，主磁極：包括主磁極鐵心和套在上面的勵磁繞組，其任務是產生主磁場。其任務是產生主磁場。2)2)換向極：它是用來改善電樞電

6、流的換向性能。換向極：它是用來改善電樞電流的換向性能。3)3)機座：它一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋并作為整個機座：它一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋并作為整個電機的支架，另一方面也是電機磁路的一部分。電機的支架，另一方面也是電機磁路的一部分。4) 電刷裝置：它包括電刷及電刷座，它們固定在定子上。電刷裝置：它包括電刷及電刷座，它們固定在定子上。9產生感應電勢或產生機械轉矩實現能量轉換。產生感應電勢或產生機械轉矩實現能量轉換。 由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1) 電樞鐵心：它是主磁通磁路的一部分。電樞鐵心：它是主磁通磁路的一部分。2) 電樞繞組：它是直

7、流電機產生感應電動勢及電磁轉矩以實現電樞繞組：它是直流電機產生感應電動勢及電磁轉矩以實現 能量轉換的關鍵部分。能量轉換的關鍵部分。3) 換向器：它的作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流換向器：它的作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流電動勢轉換成電刷間的直流電動勢；對電動機而言則是將外加電動勢轉換成電刷間的直流電動勢；對電動機而言則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交流電流。的直流電流轉換為電樞繞組的交流電流。10 直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機UUfIaM+_+_IffR

8、stRIaUM+_IffR stR+_IE11UIa+_IfM復勵復勵U+_IMIa12133.1.4 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理IU+SbNacd 直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯接，無論如圖所示。由于換向片和電源固定聯接，無論線圈怎樣轉動，總是線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里極有效邊的電流方向向里, N極有效邊的電流方向向外。電動機電極有效邊的電流方向向外。電動機電樞樞繞組通電繞組通電后中受力后中受力(左手定則左手定則)按順時針方向旋轉按順時針方向旋轉。U+U+電刷電刷換向片

9、換向片U+IFFTn換向器作用：換向器作用：將外部直流電將外部直流電轉換成內部的轉換成內部的直流電，以保直流電，以保持轉矩方向不持轉矩方向不變。變。14U+EETnSbNdFFacII換向片換向片電刷電刷KE: 與電機結構有關的常數與電機結構有關的常數n: 電動機轉速電動機轉速 ：磁通磁通E= KE n15U+EETnSbNdFFacII換向片換向片電刷電刷aaaaRInKRIEUE RaIaE+UM161702TTT 設外加電樞電壓設外加電樞電壓 U 一定，一定，T=T2 (平衡平衡)，此時，此時，若若T2突然增加，則調整過程為突然增加，則調整過程為達到新的平衡點達到新的平衡點(Ia 、 P

10、入入 ) 。T2 n Ia T E nKEE aaaREUI aIKTT 18總結總結:電機運電機運行方式行方式E和和I的的方方 向向E的作用的作用T的性質的性質轉矩之間的轉矩之間的 關關 系系發電機發電機 相相 同同電源電動勢電源電動勢阻轉矩阻轉矩T1=T+ T0電動機電動機 相相 反反反電動勢反電動勢 驅動轉矩驅動轉矩 T=TL+T0193.3 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性aaRIEU 勵磁繞組與電樞并聯勵磁繞組與電樞并聯由圖可求得由圖可求得aaREUI ffRUI aafIIII 由上分析可知：由上分析可知： 當電源電壓當電源電壓U和勵磁回路的電阻和勵磁回路的電阻Rf一定時一

11、定時, 勵勵磁電流磁電流If和磁通和磁通則則IaUM+_IffR stR+_IE203.3 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性nnn 0TKKRnET2a KUnE 0令：令：TKKRKUnETE2a 即：并勵電動機的磁通即：并勵電動機的磁通 aaaI IT TTEKnKERIEU 由以下公式由以下公式IaUM+_IffR stR+_IE21轉轉速速降降:2aTKKRnET 理理想想空空載載轉轉速速:0KUnE 式中：式中：nnTKKRKUnETE 02an0nNTN動畫動畫n0T22（1）求）求n0：n0=（2）求求TN：TN=9.55 根據根據(0，n0)和（和（TN ，nN）兩點，

12、就可以繪出兩點，就可以繪出n=(T).2、人為機械特性：人為機械特性： 就是指改變電動機的參數（就是指改變電動機的參數（U，R）值所形成的機械特性。值所形成的機械特性。1）電樞回路中串接附加電阻時的人為機械特性。）電樞回路中串接附加電阻時的人為機械特性。2）改變電樞電壓）改變電樞電壓U時的人為特性（時的人為特性（UUN） n0-nNeNKUNnPNTKKRKunNteaNe2TKKRRKUnNteadaNeN223TKKRRKUnNteadaNeN2243）改變磁通改變磁通時的人為特性（時的人為特性（N） 注意：注意：當磁通過分削弱后，如果負載轉矩不變，將使電動機當磁通過分削弱后，如果負載轉矩

13、不變，將使電動機電流大大增加而嚴重過載。若輕載或空載則電動機的轉速又會升電流大大增加而嚴重過載。若輕載或空載則電動機的轉速又會升得過高，造成飛車。得過高，造成飛車。25有一并勵電動機，其額定數據如下：有一并勵電動機，其額定數據如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知并已知Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 試求試求: (1) 額定電流額定電流I , 額定額定 電樞電流電樞電流Ia及及額定勵磁電流額定勵磁電流If ; (2) 損耗功率損耗功率 PaCu , 及及 PO ; (3) 額定轉矩額定轉矩T; (4) 反電動勢反電動勢E。解：解：(

14、1) P2是輸出功率，額定輸入功率為是輸出功率，額定輸入功率為KW19.2684. 02221PPA2381101019.2631UPI額定電流額定電流額定勵磁電流額定勵磁電流A45 .27110ffRuI額定電樞電流額定電樞電流A2344238faIII26（2）電樞電路銅損）電樞電路銅損W219023404. 02a2aaCuIRPW44045 .272f2ffCuIRP勵磁電路銅損勵磁電路銅損總損失功率總損失功率W4190220002619021PPP空載損耗功率空載損耗功率W200021904190aCu0PPPm.N210100022955095502nPT（3）額定轉矩）額定轉矩（

15、4）反電動勢）反電動勢V6 .10023404. 0110aaIRUE27二、串勵電動機的機械特性二、串勵電動機的機械特性第一段，負載輕時，第一段，負載輕時，=C Ia ，T=KtIa= Kt或或C2tKCT21CRTCUCKRKCTKUnaNeateN 上式表明：這時機械特性曲線具有雙曲線形狀，上式表明：這時機械特性曲線具有雙曲線形狀，n軸是它的軸是它的一條漸近線，一條漸近線，n0趨于無窮大。趨于無窮大。主要特點：主要特點：Ia=If , 勵磁電流就是它的電樞電流。勵磁電流就是它的電樞電流。28 第二段，負載較重時，第二段，負載較重時，=常數，機械特性曲線常數，機械特性曲線近似于一條直線。近

16、似于一條直線。 串勵電機的兩個優點：串勵電機的兩個優點： 1）當負載大時，電動機轉速較低，當負載輕時，轉速又很快）當負載大時，電動機轉速較低，當負載輕時，轉速又很快上升。上升。 2）啟動時勵磁電流大，因為）啟動時勵磁電流大，因為=CIa，T=KtIa。在電網或電動機容許啟動為一定值時，串勵電動機的啟動轉矩較在電網或電動機容許啟動為一定值時，串勵電動機的啟動轉矩較他勵電動機要大。他勵電動機要大。串勵電動機絕不允許空載運行。串勵電動機絕不允許空載運行。使其反轉的兩種方法：使其反轉的兩種方法： A.改變電樞繞組的接線極性改變電樞繞組的接線極性 B.改變勵磁繞組的接線極性改變勵磁繞組的接線極性293.

17、4 他勵電動機的起動與反轉他勵電動機的起動與反轉太大會使換向器產生嚴重的火花太大會使換向器產生嚴重的火花, ,燒壞換向器；燒壞換向器；NaaNast)2010(IRUI 0nKEE1. 起動問題：起動問題：(1) 起動電流大起動電流大(2) 起動轉矩大起動轉矩大 起動時，起動轉矩為起動時，起動轉矩為(1020)TN , 造成機械沖造成機械沖擊，使傳動機構遭受損壞。擊，使傳動機構遭受損壞。tasIT 302. .起動方法起動方法NstaNast) 0 . 26 . 1 (IRRUI 直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通接通, ,不能讓它斷開不能讓它

18、斷開, ,而且起動時要滿勵磁。否則，而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生事故：磁路中只有很少的剩磁，可能產生事故：aastNstRIUR aNastst) 0 . 26 . 1 (RIRIUaaRIKUne31 (3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴重的機械損傷，而且因電受嚴重的機械損傷，而且因電電流過大而將繞組電流過大而將繞組燒壞燒壞。（ E Ia T T0 n 飛車）飛車）32例：例：串勵的單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流串勵的單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流兩者的方向同時改變時而轉向不變的原理，采用特兩者的方

19、向同時改變時而轉向不變的原理，采用特別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。電源供電均可。因為電磁轉矩：因為電磁轉矩：3334 最大轉矩最大轉矩 T1=(1.62.0)TN 切換轉矩切換轉矩 T2=(1.11.2)TN353.5 直流他勵電動機的調速特性直流他勵電動機的調速特性一一.調速的概念調速的概念:(1)調速的概念調速的概念:當當TL不變時，改變電動機的參數引起速度的變化。不變時，改變電動機的參數引起速度的變化。(2)調速即速度調節調速即速度調節,它和速度變化的區別它和速度變化的區別(3)調速的方法調速的方法: (4)調速指標

20、調速指標:二二.改變電樞回路改變電樞回路 外串電阻的方法外串電阻的方法原理介紹原理介紹:這種調節方法的特點這種調節方法的特點: 1).設備簡單、操作方便。設備簡單、操作方便。2).電機在空載時，改變電樞所電機在空載時，改變電樞所串聯的電阻基本上沒有調速作用。串聯的電阻基本上沒有調速作用。3).調速方向是從基速向下調速方向是從基速向下調調(指調速結果均比基速低）指調速結果均比基速低）eKIRUn36他勵直流電動機的調速v調速調速指標指標：1、調速范圍、調速范圍D：minmaxnnD 2、靜差率（相對穩定性）、靜差率（相對穩定性）S：指負載變化時，指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩定性好

21、。轉速變化的程度，轉速變化小，穩定性好。%100%100000nnnnnSNNS越小，相對穩定性越好；S與機械特性硬度和n0有關。37他勵直流電動機的調速vD與S相互制約：)1 (maxmaxmin0maxminmaxSnSnnSnnnnnnnDNNNN S S越小，越小，D D越小，相對穩定性越好；越小，相對穩定性越好；在保證一定的在保證一定的S S指標的前提下，要擴大指標的前提下，要擴大D D，須減少須減少nn，即提高機械特性的硬度。即提高機械特性的硬度。38他勵直流電動機的調速v3、調速的平滑性、調速的平滑性：v 在一定的調速范圍內，調速的級數越多，調在一定的調速范圍內，調速的級數越多，

22、調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數 ：1iinn 越接近1，平滑性越好，當 時，稱為無級調速，即轉速可以連續調節。調速不連續時，級數有限，稱為有級調速。14、調速的經濟性、調速的經濟性：主要指調速的投資、運行主要指調速的投資、運行效率及維修費用等。效率及維修費用等。394).低速時特性斜率大，靜差率大，穩定性不好。低速時特性斜率大，靜差率大，穩定性不好。5).輕載時調速范圍不大。輕載時調速范圍不大。6).所串電阻只能分檔調節，不能連續調節。所串電阻只能分檔調節，不能連續調節。7).調速中調速中=N，若，若Ia=IN,則則T=KTIa屬恒轉矩調速屬恒轉

23、矩調速.8).低速時電能損耗大低速時電能損耗大.40三、改變電動機電樞供三、改變電動機電樞供電電壓電電壓U調速調速 原理介紹：只能向原理介紹：只能向下調速，（從下調速，（從UN向下）向下）特點：特點： 1）電源可以連續調節，）電源可以連續調節，可實現無級調速可實現無級調速 2）調速中各曲線的硬）調速中各曲線的硬度相同。度相同。 3）調速范圍大；）調速范圍大； 4）轉速屬于下調；）轉速屬于下調； 5）低速時電能損失不）低速時電能損失不大。大。 6）恒轉矩調速，）恒轉矩調速，T=KTNIN=TN 7）需要專門供電的調）需要專門供電的調壓電源。壓電源。41四、改變電動機的主磁通四、改變電動機的主磁通

24、原理介紹：原理介紹：注意：磁通不能調得太低注意：磁通不能調得太低42TKKRKUnETE2a aaaREUI Rf E I n Ia E T nKEE aIKTT 43(1)調速平滑，可得到無級調速；但只能向上調，受調速平滑，可得到無級調速；但只能向上調，受 機械本身強度所限，機械本身強度所限，n不能太高。不能太高。(2) 調速設備簡單，經濟，電流小，便于控制。調速設備簡單，經濟，電流小，便于控制。(3) 機械特性較硬，穩定性較好。機械特性較硬，穩定性較好。(4) 對專門生產的調磁電動機對專門生產的調磁電動機, ,其調速幅度可達其調速幅度可達, 例如例如5302120 r/min及及3101

25、240 r/min 。(1) (2) 443.6直流他勵電動機的制動特性直流他勵電動機的制動特性 制動：制動：T與與n方向相反方向相反 電動：電動：T與與n方向相同方向相同 制動狀態所處的外部條件和能量傳遞情況分為：反制動狀態所處的外部條件和能量傳遞情況分為：反饋制動、反接制動和能耗制動三種。饋制動、反接制動和能耗制動三種。45一、反饋制動一、反饋制動特點：特點： 1、nn0 2、T與與n的方向相反的方向相反4647二、反接制動二、反接制動改變改變U或或E的方向電機運行于反接制動狀態。的方向電機運行于反接制動狀態。改變改變U: 電源反接制動電源反接制動48改變改變E: 倒拉反接制動倒拉反接制動

26、491、電源反接制動、電源反接制動2、倒拉反接制動、倒拉反接制動缺點是：缺點是：1）若對）若對TL大小估計不足，本應下降的重物向上升方大小估計不足，本應下降的重物向上升方向運動。向運動。 2）特性硬度小，較小的轉矩波動引起較大的轉速波動。）特性硬度小，較小的轉矩波動引起較大的轉速波動。3)損耗比較大。損耗比較大。三、三、能耗制動能耗制動 能耗制動的優點：能耗制動的優點： 1）不像電源反接制動那樣存在著電動機反向啟動的危險。）不像電源反接制動那樣存在著電動機反向啟動的危險。 2）下放重物時不會出現倒拉反接制動那樣因對）下放重物時不會出現倒拉反接制動那樣因對TL的大小估的大小估計錯誤而引起重物上升

27、的事故，運行速度也較反接制動穩定。計錯誤而引起重物上升的事故，運行速度也較反接制動穩定。505152四四. .例題分析例題分析例例3-2 Z2-22型并勵電動機，額定功率型并勵電動機，額定功率PN=2.2kW，額定電壓額定電壓UN=220V，額定電流額定電流IN=12.2A，額定轉速額定轉速nN=3000r/min，最最大勵磁功率大勵磁功率PfN=68.2W。試求：試求：（1）最大勵磁電流）最大勵磁電流IaN；（2）額定運行時的電樞電流額定運行時的電樞電流IaN；（3）額定轉矩額定轉矩TN；（4）額定運行時的效率額定運行時的效率N。53（2）額定運行時的電樞電流）額定運行時的電樞電流 （3）額定轉矩）額定轉矩 （4）額定運行時的效率）額定運行時的效率 AAIIIfNNaN89.11)31. 02 .12(mNmNnPTNNN730001022.255.955.93%82%1002 .12220102 . 2%100%100)()(31NNNNNIUPPPN從電源輸入的電功率額定輸入功率軸上輸出的機械功率額定輸出功率AAUPINfNfN31.02202.68解：（解：（1）最大勵磁電流）最大勵磁電流54例例3-5 一臺直流他勵電動機，其額定數據如下：一臺直流他勵電動機，其額定數據如下：PN=2