1、第第3章章 直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性掌握直流電機的電勢方程式，轉矩方程式和電壓平衡方程式； 掌握直流電動機的機械特性，特別是人工機械特性； 掌握直流電動機起動，制動，調速的各種方法和應用場所； 了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態的方法。 電機分交流和直流兩種：電機分交流和直流兩種： 直流電機直流電機工作電壓或輸出的電壓為直流；工作電壓或輸出的電壓為直流； 交流電機交流電機工作電壓為交流。工作電壓為交流。直流電機分直流發電機和直流發電機兩種：直流電機分直流發電機和直流發電機兩種：直流發電機直流發電機將機械能轉換為電能；將機械能轉換為電能； 直流電動機直流電動機將電能轉

2、換為機械能。將電能轉換為機械能。電機分類：電機分類：3.1直流電機的基本結構和工作原理一一.直流電機的基本結構直流電機的基本結構 直流電機的組成可分為直流電機的組成可分為定子定子、轉子轉子和和換向器換向器三三大部分。大部分。 定子部分定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。部分組成。 轉子部分轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。 換向器換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動接觸。換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持

3、滑動接觸。主磁極主磁極電樞鐵心電樞鐵心換向器換向器電刷裝置電刷裝置1 1 主磁極：主磁極：勵磁繞組上加上直流電壓，勵勵磁繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產生磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產生固定磁場，即定子的主要作用是產生主磁場。固定磁場，即定子的主要作用是產生主磁場。 2 2電樞繞組：電樞繞組：在固定的磁場中旋轉，主要在固定的磁場中旋轉，主要作用是產生感應電動勢或產生機械轉矩，作用是產生感應電動勢或產生機械轉矩，實現能量的轉換實現能量的轉換。3 3電刷電刷4 4換向片換向片 3 3、4 4換向器換向器：電刷：電刷固定不動，換向片與電固定不動，換向片與電樞繞組一起旋

4、轉，主要樞繞組一起旋轉，主要作用對發電機而言是將作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間的直電勢轉換成電刷間的直流電勢。對電動機而言，流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交變電流，并保證每一電流轉換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產生磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產生恒定的電磁轉矩。恒定的電磁轉矩。直流電機的結構圖剖面圖：電樞1； 主磁極2；換向 極4；機座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3； 連接片4；云母環2 二、直流電機工作原理二、直流電機工作原理 直流電機的主要結構可簡化為一

5、對磁極直流電機的主要結構可簡化為一對磁極,一個線圈一個線圈，其工作其工作原理是基于電磁感應定律和電磁力定律的。原理是基于電磁感應定律和電磁力定律的。直流電動機是根據載流導體在磁場中受力這一基本原理工作的。直流電動機是根據載流導體在磁場中受力這一基本原理工作的。 直流發電機則是根據切割磁場的導體會產生感生電勢這一直流發電機則是根據切割磁場的導體會產生感生電勢這一基本理論工作的。基本理論工作的。發電機電電動動機機.電磁力定律載流導體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導體互相垂直 (圖1-1c)，作用在導體上的電磁力大小為： = BtaTKI、電磁感應定理 在磁場中運動的導體將會感應電勢，若磁場

6、、導體和導體的運動方向三者互相垂直則作用導體中感應的電勢大小為： = Bv 1 1發電機原理：發電機原理：將機械能轉換為電能將機械能轉換為電能。 電樞由原動機驅動而在磁場中旋轉，在電電樞由原動機驅動而在磁場中旋轉，在電樞線圈的兩根有效邊樞線圈的兩根有效邊ab和和cd（切割磁力線的（切割磁力線的導體部分）中便感應出電動勢導體部分）中便感應出電動勢e。 顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在即在N極下是一個方向，當它轉到極下是一個方向，當它轉到S極下時是極下時是另一個方向。另一個方向。 但是，由于電刷但是，由于電刷A A總是同與總是同與N N極下的有效極下的有

7、效邊相聯的換向片接觸，而電刷邊相聯的換向片接觸，而電刷B B總是同與總是同與S S極下的有效邊相聯的換向片接觸，因此，極下的有效邊相聯的換向片接觸，因此，在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產生一定方向的電流。的作用下就在電路中產生一定方向的電流。 2電動機原理：電動機原理：將電能轉換為機械能。將電能轉換為機械能。 直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應該是這樣的：電流方向應該是這樣的：N極下的有效邊中的電流極下的

8、有效邊中的電流總是一個方向，而總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一極下的有效邊中的電流總是另一個方向，這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向個方向，這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從N（S）極下轉到）極下轉到S（N）極下時，其中電流的方向必）極下時，其中電流的方向必須同時改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉矩的須同時改變，使電磁力的方向不變，即電磁轉矩的方向不變而使轉子以方向不變而使轉子以n的轉速旋轉。的轉速旋轉。3.2 直流發電機按勵磁方法分類 1)他勵發電機: 發電機的勵磁繞組由外電源供電. 2)自

9、勵發電機: 發電機的勵磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分.它又分為:(1)并勵發電機; (2)串勵發電機; (3)復勵發電機. 1 1他勵發電機：他勵發電機：勵磁繞組由外加電源單勵磁繞組由外加電源單獨供電，勵磁電流的大小與電樞兩端電壓或獨供電，勵磁電流的大小與電樞兩端電壓或電樞電流的大小無關。如圖（電樞電流的大小無關。如圖（a a）所示。）所示。 2. 2. 并勵發電機：并勵發電機：勵磁繞組與電樞繞組并聯勵磁繞組與電樞繞組并聯連接，由外部電源一起供電。如圖（連接，由外部電源一起供電。如圖（b b）所示。）所示。 3 3串勵發電機串勵發電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯勵磁繞組與電樞繞組串聯連接，由外

10、部電源一起供電。如圖（連接，由外部電源一起供電。如圖（c c）所示：）所示： 4 4復勵發電機：復勵發電機：勵磁繞組分為兩部分，一勵磁繞組分為兩部分，一部分與電樞繞組并聯連接，另一部分與電樞繞部分與電樞繞組并聯連接，另一部分與電樞繞組串聯連接。如圖（組串聯連接。如圖（d d）所示）所示: :1.他勵發電機他勵發電機電樞回路方程為：電樞回路方程為：Ea=U+IaRa式中式中Ra為電樞回路總電阻，為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內阻。它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內阻。勵磁回路方程為：勵磁回路方程為：Uf=IfRf式中式中Rf為勵磁回路總電阻，為勵磁回路總電阻，從發電機電壓基本方程式可

11、見：電樞電勢從發電機電壓基本方程式可見：電樞電勢Ea必須大于電樞必須大于電樞端電壓端電壓U，這也是判斷電機是否處于，這也是判斷電機是否處于發電運行狀態的依據。發電運行狀態的依據。 2.并勵發電機并勵發電機 自勵過程：并勵發電機建立電壓的過程。 并勵發電機的特點是勵磁繞組與電樞繞組并聯，并勵發電機的特點是勵磁繞組與電樞繞組并聯，由發電機自已供給勵磁電流，而不需要另外勵磁電由發電機自已供給勵磁電流，而不需要另外勵磁電源。源。 3.復勵發電機復勵發電機 電機的主極上裝有并勵和串勵兩套勵磁繞組，在電機的主極上裝有并勵和串勵兩套勵磁繞組，在兩個兩個繞組繞組中，并勵繞組的磁勢起主要作用，以保證發中，并勵繞

12、組的磁勢起主要作用，以保證發電機在空載時能建立額定電壓；串勵繞組用來自動電機在空載時能建立額定電壓；串勵繞組用來自動調節發電機的電壓，以適應不同負載的要求。調節發電機的電壓，以適應不同負載的要求。 優點：串勵繞組能自動增加磁優點：串勵繞組能自動增加磁通，以補償端電壓的下降。所通，以補償端電壓的下降。所以帶負載時，它的端電壓下降以帶負載時，它的端電壓下降不多。不多。3.3直流電動機的機械特性直流電動機直流電動機他勵電動機他勵電動機 并勵電動機并勵電動機復勵電動機復勵電動機串勵電動機串勵電動機一、一、 他勵他勵直流直流電動機的機械特性電動機的機械特性 電動機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩電動機的機

13、械特性指的是轉速與電磁轉矩之間的關系。之間的關系。 不同勵磁方式的電動機，其運行特性也不不同勵磁方式的電動機，其運行特性也不盡相同，下面主要介紹在調速系統中應用的盡相同，下面主要介紹在調速系統中應用的較廣泛的他勵電動機的機械特性。較廣泛的他勵電動機的機械特性。如圖所示為直流他勵電動機的原理電路圖。如圖所示為直流他勵電動機的原理電路圖。 aaRIEU 式中式中: : U外加電樞電壓（外加電樞電壓（V V）；）； E感應電勢（感應電勢（V V）；）；aI電樞電流（電樞電流（A A）；）；aR電樞回路內阻（電樞回路內阻（） 電樞回路部分電樞回路部分勵磁回路部勵磁回路部分分、nKE e am IKT

14、aae RInKU 即：即： aeaeIKRKUn 轉速特性轉速特性TKKRKUn2meae 機械特性機械特性對應的機械特性如圖所示：對應的機械特性如圖所示： 由他勵電動機的特性可知：勵磁電流由他勵電動機的特性可知：勵磁電流If的的大小與電樞電流大小與電樞電流 Ia的大小無關，它的大小只的大小無關，它的大小只取決于取決于 Rf、 Uf的大小，當的大小，當 Rf、 Uf的大小一定時的大小一定時, If為定值，即磁通為定值，即磁通 為定值。為定值。1. 1. 理想空載轉速：理想空載轉速： T=0時的轉速稱為時的轉速稱為理想空載轉速，用理想空載轉速，用n0表示。表示。 根據機械特性可知：根據機械特性

15、可知： e0KUn 理想空載點理想空載點1 1、固有機械特性、固有機械特性 直流他勵電動機的固有機械特性指的是直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件（額定電壓在額定條件（額定電壓UN和額定磁通和額定磁通 N 下下和電樞電路內不外接任何電阻時的和電樞電路內不外接任何電阻時的 n=f(T)即即: :TKKRKUn2NmeaNeN 是一條直線。是一條直線。2、人為機械特性、人為機械特性 人為機械特性是指人為地改變電動機電人為機械特性是指人為地改變電動機電樞外加電壓樞外加電壓U U和勵磁磁通和勵磁磁通的大小以及電樞的大小以及電樞回路串接附加電阻回路串接附加電阻Rad所得到的機械特性。所得到的機械

16、特性。 （2）當）當 0時，從理論上說，空載時電動時，從理論上說，空載時電動機速度趨近機速度趨近 ，通常稱為，通常稱為“飛車飛車”； （1）如果負載轉矩不變，將使電動機電流）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而嚴重過載大大增加而嚴重過載； 當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩時，電動機不能啟動，電樞電流為時，電動機不能啟動，電樞電流為Ist ，長時，長時間的大電流會燒壞電樞繞組間的大電流會燒壞電樞繞組。 因此，直流他勵電動機啟動前必須先加因此，直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁電勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵

17、磁電流為零，為此，直流他勵電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動機在使用中，一般都設有動機在使用中，一般都設有“失磁失磁”保護。保護。 2 2、串勵電動機、串勵電動機UIa+_IfMn0T)f(Ina當輕載時串勵電動機的轉速急劇上升，將當輕載時串勵電動機的轉速急劇上升，將導致電動機的損壞，所以串勵電動機不允導致電動機的損壞，所以串勵電動機不允許輕載運行，一般最低負載不小于額定負許輕載運行，一般最低負載不小于額定負載的載的30%bTaUnf(T)n機械特性機械特性3 3、復勵電動機、復勵電動機復勵復勵U+_IMIa 他的工作特性介于并勵他的工作特性介于并勵和串勵之間。如果并勵繞組和串勵之間。

18、如果并勵繞組磁通勢起主要作用，其工作磁通勢起主要作用，其工作特性與并勵電動機工作特性特性與并勵電動機工作特性接近。如果串勵繞組磁通勢接近。如果串勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與起主要作用，其工作特性與串勵電動機工作特性接近。串勵電動機工作特性接近。但因為有并勵繞組磁通勢的但因為有并勵繞組磁通勢的存在，磁通存在，磁通 不會趨近于零，不會趨近于零，所以空載或輕載時，仍能正所以空載或輕載時，仍能正常運行。常運行。如果串勵與并勵繞如果串勵與并勵繞組的磁勢方向相同，組的磁勢方向相同，則稱為加復勵（或則稱為加復勵（或叫積復勵），反之叫積復勵），反之為差復勵（或叫減為差復勵（或叫減復勵）。復勵）。 一般

19、來說，并勵繞組起主導作用，串勵繞組起調節性能的作用。 一、開路特性 U0=f(If) 開路時串勵繞組不起作用，則其開路特性同并勵發電機的開路特性。 二、外特性 U=f(I)負載運行時，串勵繞組產生磁勢，這個磁勢將影響主磁通的大小和電機性能。 對加復勵發電機來說串勵磁勢起增磁作用即升壓作用，而電阻壓降和電樞反應的去磁作用起降壓作用，二者的相對影響力會決定發電機的外特性。 如果串勵繞組作用較大，即在額定電流時端電壓超過額定電壓，則為過復勵。 如果串勵繞組的作用不足，即在額定電流時端電壓小于額定電壓，則為欠復勵。 如果串勵繞組的作用適當，即在額定電流時端電壓等于額定電壓則為平復勵。 差復勵發電機的串

20、勵繞組為一個去磁磁勢，負載增大時端電壓迅速下降。 3.4 直流他激電動機的起動特性1.降壓起動降壓起動: 組成組成SCR-M自動調速系統的起動環節自動調速系統的起動環節。 2.電樞電路串外接電阻起動：電樞電路串外接電阻起動：直流他激電動機的起動電流是額定電流的直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍倍,不允許直接起動不允許直接起動.限制其起動電流的方法有兩限制其起動電流的方法有兩種種. 圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性和起動特性,。3.5直流他激電動機的調速特性 由直流他激電動機人工機械特性方程式 直流電動機的調速方法:

21、 式中, Ke,Kt,Ra 均為常數,因此,電動機有3種調速方法 1.變電樞電路外接電阻Rad; 2.變電樞電壓U; 3.變磁通 .TKKRRKUnteadae21.改變電樞電路外接電阻調速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性，如圖1)應用: 起重機,卷揚機; 2)缺點:機械特性軟,實現無級調速困難; 3)注意:串電阻調速與起動特性相似,但起動電阻與調速電阻不同. 2.改變電動機電樞供電電壓調速變電樞電壓調速的機械特性，如圖. 1)特點:容易實現無級調速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設備. 2)應用;適用于恒轉矩負載,組成SCR-M系統，在工業生產中廣泛應用.第11章將重點學習.3.改變電動機主磁通調速變磁通調速的機械特性，如圖所示.1)特