1、第八章第八章 直流電動機直流電動機課程名稱電工學教 研 室電子信息中心更新日期2011/05/11 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，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動轉矩較大，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動者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動機驅動。機驅動。 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。 由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。由鐵心

2、、繞組（線圈）、換向器組成。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，稱磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱 為勵磁。為勵磁。 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 stRIaUM+_IffR stR+_IEUIa+_IfM復勵復勵U+_IMIaIU+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

3、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。U+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

4、動機轉速電動機轉速 ：磁通磁通E=EK nU+EETnSbNdFFacII換向片換向片電刷電刷aaaaRInKRIEUE RaIaE+UM02TTT 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入入 ) 。T2 n Ia T E nKEE aaaREUI aIKTT 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

5、一定時一定時, 勵勵磁電流磁電流If和磁通和磁通則則IaUM+_IffR stR+_IEnnn 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+_IE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改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線動畫動畫n0T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=

6、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：(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. 02221 PPA2381101019.2631 UPI額定電流額定電流額定勵磁電流額定勵磁電流A45 .27110ff RuI額定電樞電流額定電樞電流

7、A2344238fa III（2）電樞電路銅損）電樞電路銅損W219023404. 02a2aaCu IRPW44045 .272f2ffCu IRP勵磁電路銅損勵磁電路銅損總損失功率總損失功率W4190220002619021 PPP空載損耗功率空載損耗功率W200021904190aCu10 PPPm.N210100022955095502 nPT（3）額定轉矩）額定轉矩（4）反電動勢）反電動勢V6 .10023404. 0110aa IRUE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 0 nKEE1. 起動問題

8、：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 NstaNast)5 . 25 . 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)5 . 25 . 1 (RIRIU (3)如果電機

9、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）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。電磁轉矩：電磁轉矩：與異步電動機相比，雖然結與異步電動機相比，雖然結構復雜，價格高，維護也不方便

10、，但在調速性能上構復雜，價格高，維護也不方便，但在調速性能上由其獨特的優點。由其獨特的優點。 1. 調速均勻平滑，可以無級調速調速均勻平滑，可以無級調速( (注：異步機改注：異步機改 變極對數調速的方法叫有級調速變極對數調速的方法叫有級調速) )。 2. 調速范圍大，調速比可達調速范圍大，調速比可達200 以上以上( (調速比等調速比等 于最大轉速和最小轉速之比）于最大轉速和最小轉速之比）, ,因此機械變速因此機械變速 所用的齒輪箱可大大簡化。所用的齒輪箱可大大簡化。由轉速公式由轉速公式: EKRIUnaa可見直流電機調速方法有三種。可見直流電機調速方法有三種。TKKRKUnETE2a 保持電

11、樞電壓保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流不變，改變勵磁電流If (調調R f)以改變磁通以改變磁通 。由式由式0n 0n0nTnO動畫動畫TKKRKUnETE2a aaaREUI Rf E I n Ia E T nKEE aIKTT (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

12、調速幅度可達3 4, 例如例如5302120 r/min及及3101 240 r/min 。(1) (2) n0n0Tcn0nT0KTnTKKRKUnETE 02a )(a一一定定和和R(1)工作時電壓不允許超過工作時電壓不允許超過 ，而，而, 所以調速所以調速 只能向下調只能向下調。(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩 定性好。定性好。(3)均勻調節電樞電壓，可得到平滑無級調速。均勻調節電樞電壓，可得到平滑無級調速。(4)調速幅度較大。調速幅度較大。U Ia n E Ia 有一他勵電動機，有一他勵電動機， 已知已知U=220V , Ia=53

13、.8A, n=1500r/min Ra=0.7 。今將電樞電壓。今將電樞電壓降低一降低一 半，而負載轉矩不變，問轉矩降低多少？半，而負載轉矩不變，問轉矩降低多少？解解: 由由可知，在保持負載轉矩和勵磁可知，在保持負載轉矩和勵磁電電 流不變的條件下，電流也保持不變。流不變的條件下，電流也保持不變。8 .537 . 02208 .537 . 0110/aaaa IRUIRUEEKEKEnnEE4 . 0 電樞中串入電阻電樞中串入電阻, ,使使 n 、 n0不變，即電機的特性曲線不變，即電機的特性曲線變陡變陡( (斜率變大斜率變大) )，在相同力，在相同力矩下矩下, ,n 。特性曲線如圖。特性曲線如

14、圖。Rann0TnnTKKRKUnETE 02a特點：特點：(1) 設備簡單，操作方便。設備簡單，操作方便。(2)機械特性軟，穩定性差。機械特性軟，穩定性差。(3)能量損耗大，只用于小型直流機。能量損耗大，只用于小型直流機。Ra + R1.電機軸上輸出的機械功率。電機軸上輸出的機械功率。2.額定工作情況下的電樞上加額定工作情況下的電樞上加 的直流電壓。（例：的直流電壓。（例：110V，220V，440V） 3.額定電壓下軸上輸出額定功額定電壓下軸上輸出額定功 率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。 （ ：效率）：效率）4.額定轉速額定轉速nN: 在在PN

15、, UN , IN 時的轉速。時的轉速。 直流電機的轉速一般在直流電機的轉速一般在500r/min 以上。特以上。特 殊的直流電機轉速可以做到很低（如每分殊的直流電機轉速可以做到很低（如每分 鐘幾轉）或很高（每分鐘鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上）。轉以上）。調速時對于沒有調速要求的電機，最大轉速調速時對于沒有調速要求的電機，最大轉速 不能超過不能超過1.2nN 。 。(3) 恒功率負載（恒功率負載（P 一定時，一定時，T和和n 成反比成反比) )，要選，要選 軟特性電機拖動。如：電氣機車等。軟特性電機拖動。如：電氣機車等。(1) 恒轉矩的生產機械恒轉矩的生產機械( (TL一定，和轉速無關一定，和轉速無關) )要選要選 硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。(2) 通風機械負載，機械負載通風機械負載，機械負載 TL 和轉速和轉速 n 的平方的平方成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。 直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組各兩個，可通過標出的字符和繞組電阻的大小各兩個，可通過標出的字符和繞組電阻的大小區別。