1、機電控制技術第二章 直流電動機7/22/2022機電控制技術目 錄2.1 直流電動機的基本結構及工作原理2.2 直流電動機的分類及銘牌參數2.3 直流電動機的基本公式2.4 直流電動機的運行特性2.5 直流電動機的啟動2.6 直流電動機的制動2.7 直流電動機的調速2.8 直流電動機的使用7/22/2022機電控制技術直流電動機因其良好的啟動性能和調速性能而得到廣泛應用。本章將詳細介紹直流電動機的基本結構、工作原理、工作特性以及他勵直流電動機的啟動、制動、調速等實用技術。2.1 直流電動機的基本結構及工作原理2.1.1 直流電動機的基本結構 各種型號的直流電動機的基本結構都是一樣的，都可以分為

2、定子部分（即靜止部分）和轉子部分（即旋轉部分）。定子部分包括機座、主磁極、換向極、電刷裝置和端蓋等；轉子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組和換向器等。定子部分與轉子部分之間存在一定的間隙，這個間隙稱為空氣隙。直流電動機的基本結構如圖2-1所示。7/22/2022機電控制技術7/22/2022機電控制技術 1.定子部分換向極可用來改善直流電動機的換向性能。它主要由換向極鐵芯和換向極繞組構成。換向極鐵芯一般用整塊鋼制成，如換向要求較高，則用11.5 mm厚的硅鋼板沖片疊壓而成。換向極繞組中流過的是電樞電流。換向極裝在相鄰兩個主磁極之間，且用螺釘固定在機座上。1）機座3）換向極2）主磁極機座既可以固定主磁極

3、、換向極、端蓋等部件，又是直流電動機磁路的一部分（磁軛）。機座一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，具有良好的導磁性能和機械強度。主磁極的作用是產生氣隙磁場。它一般由主磁極鐵芯和主磁極繞組（勵磁繞組）構成。主磁極鐵芯一般由11.5 mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。主磁極繞組中通入直流電流。整個磁極用螺釘固定在機座上。 7/22/2022機電控制技術電刷裝置與換向器配合可以把轉動的電樞繞組電路和外電路連接并把電樞繞組中的交流量轉變為電刷端的直流電。電刷的個數一般等于主磁極的個數。如圖2-2所示為直流電動機的電刷裝置。4）電刷裝置7/22/2022機電控制技術2.轉子部分換向器是由多個擠壓在一起的梯形銅片構成

4、的，片與片之間用一層薄云母絕緣，電樞繞組各元件的始端和末端與換向片按一定規律連接。如圖2-3所示為換向器的組成結構。1）電樞鐵芯3）換向器2）電樞繞組電樞鐵芯是直流電動機磁路的一部分，其外圓周開槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵芯一般用兩邊涂有0.5 mm厚的絕緣漆的硅鋼板沖片疊壓而成。電樞鐵芯固定在轉軸或轉子支架上。當電樞鐵芯較長時，為加強冷卻，可將其沿軸向分成數段，且段與段之間應留有通風孔。用帶絕緣的銅導線繞成一個個的線圈元件，嵌放在電樞鐵芯的槽中，各線圈元件按一定的規律連接到相應的換向片上，這些元件就組成了電樞繞組。7/22/2022機電控制技術7/22/2022機電控制技術2.1.2 直流電

5、動機的工作原理 為了更好理解直流電動機的工作原理，下面以直流電動機的簡化模型來進行說明，如圖2-4所示為直流電動機工作原理的模型示意圖。7/22/2022機電控制技術2.2 直流電動機的分類及銘牌參數2.2.1 直流電動機的分類 直流電動機按連接方式可分為他勵直流電動機和自勵直流電動機。1.他勵直流電動機 他勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，這類直流電動機是由其他直流電源對勵磁繞組進行供電的，其接線方式如圖2-5所示。7/22/2022機電控制技術2.自勵直流電動機 自勵直流電動機可分為并勵直流電動機、串勵直流電動機和復勵直流電動機。1）并勵直流電動機并勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞

6、組并聯，其接線方式如圖2-6所示。7/22/2022機電控制技術2）串勵直流電動機串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后，接在直流電源上，其接線方式如圖2-7所示。3）復勵直流電動機復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，其接線方式如圖2-8所示。7/22/2022機電控制技術2.2.2 直流電動機的銘牌參數 直流電動機的銘牌參數主要包含以下幾項：（1）額定功率（2）額定電壓（3）額定電流（4）額定轉速（5）額定轉矩（6）額定效率（7）絕緣等級是指直流電動機在額定狀態下工作時所能輸出的功率。指直流電動機在額定狀態下工作時出線端的電壓值。是指對應額定功率和額定電壓時的電流值。是指功率、電壓和電

7、流都為額定值時的轉速。反映了輸出額定功率和額定轉速之間的關系是直流電動機在額定狀態下工作時，輸出功率與輸入功率之比指直流電動機各絕緣部分所用絕緣材料的等級7/22/2022機電控制技術2.3 直流電動機的基本公式2.3.1 直流電動機的感應電動勢和電磁轉矩 對直流電動機的電樞繞組電路進行分析，可得直流電動機電樞繞組感應電動勢的表達式為式中， Ce為直流電動機的感應電動勢常數，是一個與直流電動機的結構有關的常數；為直流電動機的磁通(Wb)；n為直流電動機的轉速(r/min)。 由式(2-4)可知，若要改變Ea的大小，可以改變 （由直流電動機的勵磁電流If決定）或n的大小。若要改變Ea的方向，可以

8、改變 的方向或直流電動機的旋轉方向。(2-4)7/22/2022機電控制技術2.3.2 直流電動機感應電動勢平衡方程 如圖2-9所示為一臺直流電動機轉子的等效電路圖，外加直流電樞電壓為Ua，在電樞回路中產生的電樞電流為Ia，勵磁繞組由外加勵磁電源供給，根據直流電動機的工作原理可知，載流導體在磁場中受到電磁力的作用而使電樞旋轉，這時在電樞繞組中產生感應電動勢Ea，由于Ea方向和Ua的方向相反，所以將Ea稱為反電動勢。這時感應電動勢平衡方程的表達式為7/22/2022機電控制技術2.3.3 直流電動機的功率平衡方程 直流電動機在帶動負載旋轉的過程中將對負載做功，輸出一定的機械功率P2。電動機的輸入

9、功率為直流電源提供的功率P1。由于在定子和轉子電路和磁路中存在一定的功率損耗，此外，空氣阻力和磨擦力等的阻力轉矩也要損失一定的功率，因而輸入功率P1并不能完全轉換為輸出功率P2 。若用 表示總的損耗功率，根據能量守恒定律，輸入功率P1應該等于輸出功率P2和總的損耗功率之和，即7/22/2022機電控制技術2.3.4 直流電動機的轉矩平衡方程7/22/2022機電控制技術2.4直流電動機的運動特性 2.4.1 直流電動機的工作特性 直流電動機的工作特性是指直流電動機的轉速特性、電磁轉矩特性和效率特性，即在保持額定電壓UN、額定勵磁電流IfN或勵磁調節不變的情況下，直流電動機的轉速n、電磁轉矩Te

10、m和效率隨輸出功率變化的特性，可以用曲線n=f(P2)、Tem=f(P2)和=f(P2)來表示。但在實際應用中，由于電樞電流Ia較易測量，且Ia的變化趨勢與P2相近，并隨P2的增大而增大，變化趨勢相近，故也可將工作特性用曲線n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、= f(Ia)來表示。 直流電動機的工作特性一般可通過負載試驗來測取，也可通過電磁計算求出。求取工作特性的目的在于檢驗直流電動機在額定運行情況下的主要技術性能是否滿足有關技術標準所規定的保證值的要求，同時也可以了解直流電動機的主要技術性能隨負載變化的情況，以便用戶合理選用直流電動機。 7/22/2022機電控制技術 1.他勵(并勵)直流電

11、動機的工作特性曲線2. 串勵直流電動機的工作特性曲線7/22/2022機電控制技術 2.4.2 直流電動機的機械特性1.他勵（并勵）直流電動機的機械特性 1）固有機械特性 通常將大的機械特性稱為軟特性，將小的機械特性稱為硬特性。他勵（并勵）直流電動機固有機械特性曲線如圖2-12所示，此時R=Ra，且Ra較小，因而相應也較小，故他勵（并勵）直流電動機固有機械特性較硬。7/22/2022機電控制技術 2）人為機械特性 他勵（并勵）直流電動機包含以下3種人為機械特性： （1）電樞回路中串入電阻時的人為機械特性。當電樞回路中串入電阻Rs時，U=UN、=N、R=Ra+ Rs ，此時的人為機械特性與固有特

12、性機械相比，理想空載轉速n0不變，但相應增大，如圖2-13所示?？梢?，電樞回路串入電阻后，在同樣大小的負載下，直流電動機的轉速將下降，在低速穩定運行。7/22/2022機電控制技術 （2）降低電源電壓時的人為機械特性。當降低電源電壓時，Rs=0、=N，由于直流電動機的電源電壓一般以額定電壓UN為上限，因此，電源電壓通常只能在低于額定電壓UN的范圍內變化。 此時的人為機械特性與固有機械特性相比，不變，但理想空載轉速n0隨電源電壓的降低成正比降低，因此，降低電源電壓時的人為機械特性曲線是低于固有機械特性曲線的一組平行直線，如圖2-14所示。7/22/2022機電控制技術 （3）減弱磁通時的人為機械

13、特性7/22/2022機電控制技術 2.自勵直流電動機的機械特性 1）串勵直流電動機的機械特性 由于串勵直流電動機的負載電流、電樞電流和勵磁電流三者相同，因而調節電源電壓或電樞電阻的同時，勵磁電流也將隨之變化。 對于固有機械特性，當電磁轉矩Tem增大時，電樞電流Ia增大，這時電樞電阻引起的壓降IaRa和磁通均隨之增大。 當電源電壓保持不變，電樞回路串入的調節電阻RJ逐漸增大時，串勵直流電動機的人為機械特性曲線如圖2-16所示。當RJ從零開始逐漸增大時，該人為機械特性曲線向下移動，很快增大，其機械特性越發變軟。7/22/2022機電控制技術2）復勵直流電動機的機械特性復勵直流電動機的機械特性介于

14、并勵直流電動機的機械特性和串勵直流電動機的機械特性之間，當并勵繞組起主要作用時，其機械特性就接近于并勵直流電動機的機械特性；當串勵繞組起主要作用時，其機械特性就接近于串勵直流電動機的機械特性。7/22/2022機電控制技術2.5 直流電動機的啟動一般對直流電動機的啟動有如下要求： （1）啟動轉矩足夠大(TstTL)，這樣他勵直流電動機才能順利啟動。 （2）啟動電流Ist要限制在一定的范圍內。 （3）啟動設備操作方便、啟動時間短、運行可靠、成本低廉。2.5.1 他勵直流電動機的直接啟動 直接啟動就是在他勵直流電動機的電樞上直接加以額定電壓的啟動方式，啟動開始瞬間，由于機械慣性，他勵直流電動機的轉

15、速n=0，電樞繞組中產生的反電動勢Ea=Cen=0。由直流電動機感應電動勢的平衡方程可知啟動電流為由式（2-7）可知，啟動轉矩為7/22/2022機電控制技術 2.5.2 他勵直流電動機的電樞回路串入電阻啟動 電樞回路串入電阻啟動，即啟動時在電樞回路中串入電阻，以減小啟動電流Ist，從而保證足夠的啟動轉矩，待他勵直流電動機啟動后，再逐漸切除串入電阻。如圖2-18所示為他勵直流電動機電樞回路串入電阻啟動的接線圖和機械特性曲線。7/22/2022機電控制技術 2.5.3 他勵直流電動機的降低電源電壓啟動 降低電源電壓啟動，即在啟動前將電源電壓降低，以減小啟動電流Ist，待他勵直流電動機啟動后，再逐

16、漸提高電源電壓，使啟動轉矩維持在一定數值，以保證他勵直流電動機按加速度升速。他勵直流電動機降低電源電壓啟動的接線圖和機械特性曲線如圖2-19所示。這種啟動方法需要專用電源，投資較大，但啟動電流小、啟動平穩、轉矩容易控制，而且啟動能耗小，是一種較好的啟動方法。7/22/2022機電控制技術2.6 直流電動機的制動以他勵直流電動機的制動為例進行說明，他勵直流電動機的制動是指在他勵直流電動機的軸上加一個與旋轉方向相反的轉矩，以達到快速停車、減速或穩速的目的。他勵直流電動機的制動可采用機械方法和電氣方法。常用的電氣方法包括能耗制動、反接制動和回饋制動。判斷他勵直流電動機處于制動狀態的條件是電磁轉矩Te

17、m的方向和轉速n的方向相反。2.6.1 他勵直流電動機的能耗制動他勵直流電動機能耗制動的機械特性曲線如圖2-20所示。他勵直流電動機原來工作于電動運行狀態，能耗制動時應保持勵磁電流不變，將電樞回路兩端從電網斷開，并立即接到一個制動電阻RZ上，圖中他勵直流電動機工作點從A點切換到B點時，因為U=0，所以Ia=Ea/(Ra+RZ)，即電樞電流為負值，由此產生的電磁轉矩Tem也隨之反向，由原來的與n同方向變為與n反方向，使他勵直流電動機減速，進入制動狀態，工作點沿特性曲線3下降，由B點移至O點。7/22/2022機電控制技術 當n=0，Tem=0時，若是反抗性負載，則他勵直流電動機停轉。這個過程中，

18、他勵直流電動機由生產機械的慣性作用拖動，輸入機械能而發電，發出的能量消耗在電樞回路的電阻Ra和RZ上，直到他勵直流電動機停止轉動，故稱為能耗制動。7/22/2022機電控制技術 2.6.2 他勵直流電動機的反接制動 反接制動可分為倒拉反接制動和電樞電壓反接制動。 1.倒拉反接制動如圖2-21所示，他勵直流電動機提升重物時，工作于a點，若在他勵直流電動機的電樞回路中串聯足夠大的電阻，使其特性變得很軟，轉速下降，當n=0時，他勵直流電動機的Tst仍然小于TL，在重物負載倒拉的作用下，他勵直流電動機繼續減速進入反轉，最終穩定地運行在d點。此時n0，Tst的方向不變，即進入制動狀態，工作點位于第四象限

19、，Ea方向變為與U相同。7/22/2022機電控制技術 2.電樞電壓反接制動 他勵直流電動機工作于電動狀態下時，為使其迅速停車，可維持勵磁電流不變，改變電樞兩端外加電壓U的極性，此時n、Ea的方向還沒有變化，電樞電流Ia為負值，由其產生的電磁轉矩的方向也隨之改變，進入制動狀態。由于加在電樞回路的電壓為(UEa)2U，因而在電源反接的同時，必須串接較大的制動電阻RZ，RZ的大小應使反接制動時電樞電流Ia2.5IN。他勵直流電動機電樞電壓反接制動的機械特性曲線如圖2-22所示。7/22/2022機電控制技術 2.6.3 他勵直流電動機的回饋制動 他勵直流電動機回饋制動的機械特性曲線如圖2-23所示

20、。若在電樞回路中串入電阻，可使他勵直流電動機回饋制動的機械特性曲線的斜率增加。7/22/2022機電控制技術2.7 直流電動機的調速以他勵直流電動機的調速為例進行說明，很多生產機械為適應其工藝過程要求，在不同的情況下，必須具有不同的轉速，因此，要求他勵直流電動機的轉速必須能夠調節，這種調節過程簡稱為調速。所謂調速是指在負載轉矩不變的情況下，依靠人為地改變他勵直流電動機的機械特性來改變系統的轉速。評價調速性能的優劣常用調速范圍、靜差率、調速平滑性、調速時的容許輸出和調速的經濟性這些指標。調速范圍靜差率調速平滑性調速時的容許輸出調速的經濟性在額定負載下，他勵直流電動機的最高轉速與最低轉速之比稱為調

21、速范圍在某一機械特性上，他勵直流電動機的額定轉速降與理想空載轉速之比稱為靜差率。它反映轉速的相對穩定性。靜差率常用百分數來表示。調速時，相鄰兩級轉速之比稱為調速的平滑性。通常用平滑系數K來表示。是指在電流為額定值且保持不變的情況下調速時，他勵直流電動機容許輸出的最大轉矩。主要是調速裝置的初投資、電能損耗和運轉維修費用等。7/22/2022機電控制技術 2.7.1 他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調速 電樞回路串入電阻調速要求U=UN、=N，僅通過改變電樞回路的電阻來調節速度。此時，他勵直流電動機的理想空載轉速n0不變，額定轉速降nN變大，特性變軟。如圖2-24所示，設他勵直流電動機工作在固有機

22、械特性曲線的a點上，以轉速na穩定運行。為了調節速度，將接觸器KM的常開觸頭斷開，串入電阻Rcs，此時，他勵直流電動機的工作點從固有特性曲線移到人為特性曲線上運行，此時，他勵直流電動機所對應的穩態轉速為nc。串入不同的電阻，可獲得不同的穩態轉速。7/22/2022機電控制技術 2.7.2 他勵直流電動機的降低電源電壓調速 不同的人為機械特性對應不同的穩定轉速，如圖2-25中的a、c、d點所示，如將電源電壓由UN調至U1，則他勵直流電動機的工作點將由a點經b點過渡到c點，進而穩定運行。由此可知，降低電源電壓調速具有以下特點(1)由于特性硬度不變，因而具有較大的調速范圍和較好的穩定性。(2)可實現

23、無級調速，具有良好的平滑性。(3)電能損耗不大。(4)調壓設備比較復雜。目前大多數調壓設備采用晶閘管整流裝置。7/22/2022機電控制技術 2.7.3 他勵直流電動機的減弱磁通調速 他勵直流電動機在額定磁通下工作時，磁路已接近飽和，因此，一般采用減磁調速。在U=UN、電樞回路中不串入附加電阻時，若減弱磁通，則理想空載轉速和轉速降將均隨磁通的減小而升高，因此，他勵直流電動機的磁通越弱，其機械特性越軟。如圖2-26所示為他勵直流電動機減弱磁通調速時的機械特性曲線。7/22/2022機電控制技術2.8 直流電動機的使用直流電動機的使用壽命是有限的，它在運行過程中絕緣材料會逐步老化、失效，軸承將逐漸

24、磨損，電刷使用一定時間后因磨損而必須進行更換，換向器表面有時也會發黑或灼傷。直流電動機在使用過程中由于受到周圍環境的影響，如油污、灰塵、潮氣、腐蝕性氣體的侵蝕等，其使用壽命會縮短。直流電動機若使用不當也會縮短其使用壽命，如，轉軸受到不應有的扭力等會將使軸承加速磨損，甚至使軸扭斷；直流電動機過載，會使其因過熱而造成絕緣老化，甚至燒損。這些損傷都是由外部因素造成的，為避免這些情況的發生，正確使用直流電動機、及時發現直流電動機運行中的故障隱患是十分重要的。7/22/2022機電控制技術 1.正確使用直流電動機正確使用直流電動機(1)根據負載大小正確選擇直流電動機的功率。一般直流電動機的額定功率要比負載所需的功率稍大一