聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)電傳動(dòng)第3章1

第三章直流電機(jī)的工作原理及特性掌握直流電機(jī)的電勢(shì)方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式；掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，特別是人為機(jī)械特性；掌握直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場(chǎng)所；了解用機(jī)械特性來(lái)分析直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法。

電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式可分為：電動(dòng)機(jī)—電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)—機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能直流電機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)，直流發(fā)電機(jī)。

直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能；不及交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠。

用途：速度調(diào)節(jié)要求較高、正反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子：產(chǎn)生主磁場(chǎng)并在機(jī)械上支撐電機(jī)。轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)1—換向器2—電刷裝置3—機(jī)座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風(fēng)扇8—電樞繞組9—電樞鐵心直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電刷電樞繞組主磁極換向器轉(zhuǎn)子：由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇組成。作用：產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或機(jī)械轉(zhuǎn)矩。空氣隙：定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙。

定子：由主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷座組成。作用：產(chǎn)生主磁場(chǎng)，支撐電機(jī)?！裰鞔艠O：鐵心(1～1.5mm鋼片疊壓，極掌──使氣隙磁通分布最為合適)，勵(lì)磁繞組(絕緣銅線)

●換向極：改善電樞電流的換向性能(鐵心，繞組，兩主磁極中間)?！駲C(jī)座：

固定主磁極、換向極、端蓋，磁路一部分(鑄鋼或鋼板壓成)。

●電樞鐵心：

主磁通磁路一部分，硅鋼片疊成，圓柱形，通風(fēng)孔，表面沖槽，槽內(nèi)裝電樞繞組?！耠姌欣@組：

銅線繞成，包上絕緣嵌入電樞鐵心槽中，槽楔。

●換向器：彼此絕緣銅片、電刷發(fā)電機(jī)：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)→直流電勢(shì)。電動(dòng)機(jī)：外加直流電流→電樞繞組交變電流，保證每一磁極下電樞導(dǎo)體的電流方向不變──產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩。換向器作用：１.電磁力定律

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，若磁場(chǎng)與載流導(dǎo)體互相垂直作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為：Ｆ=B·Ｌ·Ｉ3.1.2直流電機(jī)的基本工作原理２、電磁感應(yīng)定理

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體將會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，若磁場(chǎng)、導(dǎo)體和導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直則作用導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)大小為：

Ｅ=B·Ｌ·v

●發(fā)電機(jī)每一導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：交變;方向：右手定則；電刷間電動(dòng)勢(shì)或電壓：極性不變

電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式式中，E──電動(dòng)勢(shì)；Ke──與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);

──每對(duì)磁極的磁通；n──電樞轉(zhuǎn)速。除了產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T（左手定則），它和空載轉(zhuǎn)矩T0

──都是

阻轉(zhuǎn)矩，由原動(dòng)機(jī)T1克服。●電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T（左手定則）：克服空載轉(zhuǎn)矩T0和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式式中，Kt──與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55Ke;

Ia

──電樞電流。除了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以外，電樞繞組還要產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E：由外加電壓U平衡。

電機(jī)運(yùn)行方式E與Ia的方向E的作用T的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)相同相反電源電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=T+T0T=TL+T0電機(jī)在不同運(yùn)行方式下，E和T的作用3.2直流發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁方法分類1)他勵(lì)發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組由外電源供電。2)自勵(lì)發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分。又分為：(1)并勵(lì)發(fā)電機(jī)；(2)串勵(lì)發(fā)電機(jī)；(3)復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)。直流電發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)與勵(lì)磁方式他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)串勵(lì)+并勵(lì)1.他勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓與電流間的關(guān)系：U=E-IaRa

Ia=(E-U)/RaIa=II=U/R空載特性：空載時(shí)，輸出電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系當(dāng)空載時(shí)，Ia=0,U=U0=E=KenE和成正比，但和If不是成正比，而是磁化曲線。外特性：額定轉(zhuǎn)速和一定勵(lì)磁下，輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線實(shí)質(zhì)：空載→滿載時(shí)電壓的變化一般允許

2.并勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓與電流之間的關(guān)系：U=E-IaRaIa=(E-U)/Ra

If=U/RfI=U/RIa=I+If≈I并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件

自勵(lì)過(guò)程：并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程。并勵(lì)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由發(fā)電機(jī)自已供給勵(lì)磁電流，而不需要另外勵(lì)磁電源。

并勵(lì)發(fā)電機(jī)的建壓過(guò)程

并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)的三個(gè)條件:

（1）電機(jī)必須有剩磁

（2）勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確

（3）勵(lì)磁回路中電阻小于rfc（稱為臨界值）3.并勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線電源----------外特性

U=f(I)硬特性從空載到滿載電壓變化率5%-10%3.3.1他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分類：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)。機(jī)械特性方程式為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式由將Ia值再代入,得由得3)機(jī)械特性硬度β在機(jī)械特性方程式中，no稱為理想空載轉(zhuǎn)速；△n稱為轉(zhuǎn)速降落。機(jī)械特性硬度是衡量機(jī)械特性平直程度的：

絕對(duì)硬特性。如交流同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性＞10硬特性如直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性＜10軟特性如直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性曲線n=f(T)固有(自然)機(jī)械特性和人為機(jī)械特性1)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性在額定電壓，額定磁通，電樞電路內(nèi)不外接電阻時(shí)的機(jī)械特性即為固有機(jī)械特性。

額定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速降落不多，是硬特性；金屬切削機(jī)床，冷軋機(jī)，造紙機(jī)等宜于選用硬特性的電動(dòng)機(jī)。2)固有機(jī)械特性曲線的作法已知電動(dòng)機(jī)的PN,UN,IN,nN,由公式可計(jì)算出Ra,Ke

,(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計(jì)算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計(jì)算:no,TN,找出兩個(gè)點(diǎn)，即理想空載點(diǎn)(0,n0)和額定運(yùn)行點(diǎn)(TN,nN)，通過(guò)這兩點(diǎn)作出自然機(jī)械特性。舉例(1)一臺(tái)Z2-51型直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，已知額定功率5.5kW，額定電壓220V，額定電流31A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，忽略損耗，求固有機(jī)械特性。解：分析

只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn)，就可繪出機(jī)械特性。=0.71=0.132=1667r/min=35Nm人為機(jī)械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人為機(jī)械特性在固有機(jī)械特性方程式中，用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人為機(jī)械特性方程式：附加電阻Rad越大，機(jī)械特性越軟。（2）改變電樞電壓的人為機(jī)械特性

U改變，但轉(zhuǎn)速降不變因此，變電樞電壓的人為機(jī)械特性是一簇與固有機(jī)械特性平行的特性曲線。

只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié)。條件：Φ=ΦN，Rad=0，改變電壓U(U≠UN，U≤UN)(3)改變磁通時(shí)的人為特性

從機(jī)械特性方程可知，改變磁通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)隨磁通的變化而變化。磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié)，理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大-------弱磁增速。使用中，要防止電動(dòng)機(jī)過(guò)載，更要