1第三章直流電機的工作原理及特性3.1直流電機的基本結構和工作原理3.3直流電動機的機械特性3.4直流他勵電動機的啟動特性3.5直流他勵電動機的調速特性3.6直流他勵電動機的制動特性2與異步電動機相比，直流電動機的結構復雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源。直流電機的優點：（1）調速性能好，調速范圍廣，易于平滑調節。（2）起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具定義：機械能直流電能直流發電機直流電動機3第三章直流電機的工作原理及特性

3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構

根據電機的工作原理，直流電機的組成可分為定子、轉子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵磁繞組兩部分組成。

轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器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。4第三章直流電機的工作原理及特性

3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構換向器定子轉子5第三章直流電機的工作原理及特性

3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構(定子剖面圖)主磁極換向極6第三章直流電機的工作原理及特性

3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構(轉子結構圖）轉子換向片轉軸電樞線圈7第三章直流電機的工作原理及特性

3.1直流電機的基本結構和工作原理3.1.1直流電機的基本結構(換向器圖）電刷換向片8把復雜的直流電機結構簡化為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極：勵磁繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使定子鐵心產生固定磁場，即定子的主要作用是產生主磁場。

92—電樞繞組：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，實現能量的轉換。

3、4—換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉，主要作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。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，以產生恒定的電磁轉矩。3—換向片4—電刷10第三章直流電機的工作原理及特性

3.1.2直流電機的工作原理有關磁場的幾個物理量

磁感應強度B(磁場強弱和方向)NSNSNS電流方向右手螺旋法則11第三章直流電機的工作原理及特性

3.1.2直流電機的工作原理有關磁場的幾個物理量

右手定則左手定則B---磁感應強度v---速度方向e---感應電勢I---電流方向f---電磁力方向電磁感應定理電磁力定理12直流發電機用右手定則判感應電動勢E的方向感應電動勢輸出電壓U+–NSEEIa第三章直流電機的工作原理及特性

3.1.2直流電機的工作原理電樞繞組電阻Ra13直流電動機U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II14注意：換向片和電源固定聯接，線圈無論怎樣轉動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉。FFU+–NS電刷換向片II電磁轉矩15FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。感應電動勢16電動勢和電磁轉矩

1.電動勢E

根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為:式中：E——感應電動勢（V）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉速（r/min）；

Ke——與電機結構有關的常數。

直流發電機中，電動勢的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。17

2．電磁轉矩T

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，其大小可用如下公式表示：式中：T——電磁轉矩（N·m）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Kt——與電機結構有關的常數，Kt=9.55

Ke18

直流發電機和直流電動機的電磁轉矩的作用是不同的。

發電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與電樞轉動的方向或原動機的驅動轉矩的方向相反。因此，在等速轉動時，原動機的轉矩T1必須與發電機的電磁轉矩T及空載損耗轉矩T0相平衡。

電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。因此，電動機的電磁轉矩T必須與機械負載轉矩TL及空載損耗轉矩T0相平衡。19第三章直流電機的工作原理及特性

他勵并勵串勵復勵按勵磁方式分類2203．3直流電動機的機械特性

電動機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩之間的關系。

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較廣泛的他勵電動機的機械特性。

直流他勵電動機的原理電路圖。3.3.1

他勵電動機的機械特性21

式中:——外加電樞電壓（V）；——感應電勢（V）；——電樞電流（A）；——電樞回路內阻（Ω）電樞回路部分勵磁回路部分22

即：

……轉速特性

……機械特性231.理想空載轉速：

T=0時的轉速稱為理想空載轉速，用n0表示。2.轉速降落3.機械特性硬度

為了衡量機械特性的平直程度，引入機械特性硬度的概念，其定義為：理想空載點24

即轉矩變化與所引起的轉速變化的比值，稱為機械特性的硬度。

根據

值的不同，可將電動機機械特性分為三類。

（1）絕對硬特性

（2）硬特性

>10

（3）軟特性

<10

251、固有機械特性

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UN和額定磁通

N

)下和電樞電路內不外接任何電阻時的

n=f(T)

即:

直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘牌數據求出(0,n0)和(TN,nN)即可繪出固有的機械特性。

通常直流電動機銘牌上給出額定功率PN

、額定電壓UN

、額定電流IN和額定轉速nN。

固有機械特性的計算步驟如下。26

(1)估算電樞電阻Ra

依據：電動機在額定負載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗

PN的50%～75%。式中：是額定運行條件下電動機的效率，且此時故得27

(2)求

額定運行條件下的反電勢為：故

(3)求理想空載轉速:得

(4)求額定轉矩:得根據兩點，就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線282、人為機械特性

人為機械特性是指人為地改變電動機電樞外加電壓U和勵磁磁通Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機械特性。1.電樞回路中串接附加電阻時的人為特性電壓平衡方程式為：得到的人為機械特性方程式為：29

特性變軟理想空載速度不變；隨著電阻的增加，轉速降落增加；302.改變電樞電壓U時的人為特性

由于電動機電樞繞組絕緣耐壓強度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調節，所以，不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。理想空載速度隨著U的減小而減小；轉速降落不變；

特性硬度不變31

3．改變磁通

時的人為特性轉速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉速隨磁通的改變而變化；特性變軟32由于勵磁線圈發熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節；

當磁通過分削弱后：

（2）當

＝0時，從理論上說，空載時電動機速度趨近

，通常稱為“飛車”；

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Ist

，長時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勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁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“失磁”保護。

（1）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而嚴重過載；33電動機的機械特性例題

例3-1

一臺他勵直流電動機在穩態下運行時，電樞反電勢E＝E1，如負載轉矩TL=常數，外加電壓和電樞電路中的電阻均不變，問減弱勵磁使轉速上升到新的穩態值后，電樞反電勢將如何變化?是大于、小于還是等于E1?解

兩個已知條件，一個是負載轉矩TL＝常數；一個是從一個穩態到另一個穩態(而不涉及瞬態過程)。注意：從不能判斷E是如何變化的34例一臺他勵直流電動機的額定數據為：，計算：（1）固有機械特性；（2）電樞串接電阻（3）電壓降為（4）磁通減弱為時的人為特性；時的人為特性；時的人為特性；（5）當負載轉矩為額定轉矩時，要求電動機以的速度運轉，問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數。解（1）固有機械特性：

35固有特性為

理想空載點：

額定工作點：

連接這兩點，得固有特性曲線，如圖中曲線4。

36（2）時的人為特性

不變，

增大為

人為特性為

當時

特性曲線如圖2.2.7中曲線1所示。（3）時的人為特性

斜率不變，變為

37人為特性為

當時

特性曲線如圖2.2.7中曲線2所示。（4）時的人為特性

均變化

人為特性為

當時

381串電阻特性8274固有特性165424813弱磁特性

2降壓特性

圖2.2.7人為機械特性

39（5）當負載轉矩為額定轉矩時，轉速下降為時，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實現。

電樞串入時，變化。

將代入機械特性：

得

應串入的電阻為

40當電壓下降時，由

得

3413.4直流他勵電動機的啟動特性一、啟動特性

對直流電動機而言，在未啟動之前n=0,E=0,而Ra一般很小。當將電動機直接接入電網并施加額定電壓時，啟動電流為：

這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的（10～20）倍。過大的啟動電流危害很大：

（1）對電動機本身的影響：

?

使電動機在換向過程中產生危險的火花，燒壞整流子；

?

過大的電樞電流產生過大的電動應力，可能引起繞組的損壞；42

（2）對機械系統的影響：

與啟動電流成正比例的啟動轉矩使運動系統的動態轉矩很大，過大的動態轉矩會在機械系統和傳動機構中產生過大的動態轉矩沖擊，使機械傳動部件損壞；

（3）對供電電網的影響：

過大的啟動電流將使保護裝置動作，切斷電源造成事故，或者引起電網電壓的下降，影響其他負載的正常運行。

因此，直流電動機是不允許直接啟動的，即在啟動時必須設法限制電樞電流，例如普通的Z2型直流電動機，規定電樞的瞬時電流不得大于額定電流的1.5～2倍。43二、啟動方法

限制直流電動機的啟動電流，一般有降壓啟動和電樞回路串電阻啟動兩種方式。

1.降壓啟動：

所謂降壓啟動即在啟動瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉速的升高，反電勢增大，再逐步提高供電電壓，最后達到額定電壓時，電動機達到所要求的轉速。

2.電樞回路串電阻啟動

啟動時，電樞回路串接啟動電阻Rst,此時啟動電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動電阻的限制。隨著轉速的升高，反電勢增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動機達到所要求的轉速。44電樞回路串電阻啟動時電動機電樞電路和啟動特性如圖所示：

直線1為電動機電樞回路串接啟動電阻時的機械特性，直線2為電動機的固有機械特性。啟動電阻的大小就是保證啟動電流為額定值的兩倍。45

從圖中不難看出：當電動機的工作點從a點切換到b點時，沖擊電流仍很大，為了解決這種現象，通常采用逐級切除啟動電阻的方法來實現。圖所示為具有三段啟動電阻的原理電路和啟動特性。

圖中：－尖峰（最大）轉矩；－換接（最小）轉矩46

由上可見，啟動級數愈多，T1、T2愈與平均轉矩

接近，啟動過程快而平穩，但所需的控制設備也就愈多。我國生產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計的，一般啟動電阻為（3～4）段。

多級啟動時，T1、T2的數值需按照電動機的具體啟動條件決定，一般原則是保持每一級的最大轉矩T1（或最大電流I1

）不超過電動機的允許值，而每次切換電阻時的T2（或最小電流I2

）也基本相同，一般選擇：47一、速度調節和速度變化調速（又稱速度調節）與速度變化是兩個完全不同的概念

電動機的調速是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電路參數，以改變電動機的穩定轉速，如圖所示。轉速的變化是人為改變（或調節）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱調速或速度調節。3.5直流他勵電動機的調速特性48

速度變化是指由于電動機的負載轉矩發生變化（增大與減小）或其它不可預見因素引起電動機轉速的變化（下降或上升），如圖所示。

速度變化是在某條機械特性上，由于負載改變而引起的；而速度調節則是在某一特定的負載下，靠人為改變機械特性而得到的。49

速度變化

速度調節50二、調速方法從直流他勵電動機機械特性方程式

可知：改變串入電樞回路的電阻Rad

；改變電樞供電電壓U或主磁通

，都可以得到不同的人為機械特性，從而在負載不變時可以改變電動機的轉速，以達到速度調節的要求，故直流電動機調速的方法有以下三種。

513.5.1電樞電路外串電阻Rad缺點1.機械特性變軟，穩定性差；2.輕載時調速范圍不大；3.無級調速困難；4.電阻上消耗大量電能；適用于起重機、卷揚機。523.5.2改變電壓調速其中，

從特性可看出，在一定的負載轉矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉速。如在電壓分別為UN、U1、U2、U3的情況下，可以分別得到穩定工作點a、b、c和d，對應的轉速為na、nb、nc、nd。即改變電樞電壓可以達到調速的目的。53

改變電樞外加電壓調速有如下特點：

1）當電源電壓連續變化時，轉速可以平滑無級調節，一般只能在額定轉速以下調節；

2）調速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調速的穩定度較高，調速范圍較大；

3）調速時，因電樞電流與電壓U無關，且

=

N，轉矩T=Kt

N

Ia不變。

調速過程中，電動機輸出轉矩不變的調速特性稱為恒轉矩調速。具有恒轉矩調速特性的調速方法適合于對恒轉矩型負載進行調速；

4）可以靠調節電樞電壓來啟動電機，而不用其他啟動設備。543.5.3改變主磁通φ從特性可看出，在一定的負載功率PL下，不同的主磁通

N、

1、

2、，可以得到不同的轉速na、nb、nc。即改變主磁通

可以達到調速的目的。55

改變電動機主磁通特點：

1）可以平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上調節；

2）調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制。

普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的1.2倍，所以，調速范圍不大，若使用特殊制造的“調速電動機”，調速范圍可以增加，但這種調速電動機的體積和所消耗的材料都比普通電動機大得多；

3）調速時維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時，電動機的輸出功率P=UIa電動機的輸出功率不變。

在調速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速，這種調速適合于對恒功率型負載進行調速。56例一臺他勵直流電動機：

帶額定負載運行，求：

（1）欲使電動機轉速降為，電樞回路應串多大電阻？

（2）采用降壓調速使電動機轉速降為，電壓應降至多少伏？（3）減弱磁通使時，電動機的轉速將升至多高？能否長期運行?解：

（1）

時，將各已知數代入

57得

電樞回路應串電阻為

電動機的理想空載轉速

額定轉矩時的轉速降

降壓調速時的理想空載轉速

電樞電壓

（2）采用降壓調速使電動機轉速降為，電壓應降至多少伏？58因為常數

所以

（3）減弱磁通使時，電動機的轉速將升至多高？能否長期運行?59因為帶額定負載運行，

電樞電流為

由于，所以不能長期運行。

460

1．制動與啟動

啟動：施電于電動機使電動機速度從靜止加速到某一穩定轉速的一種運動狀態；

制動：使電動機速度是從某一穩定轉速開始減速到停止或是限制位能負載下降速度的一種運轉狀態。

2.制動與自然停車

1）自然停車：電動機脫離電網，靠很小的摩擦阻轉矩消耗機械能使轉速慢慢下降，直到轉速為零而停車。這種停車過程需時較長，不能滿足生產機械快速停車的要求；

2）制動：外加阻力轉矩使電動機迅速停車。為了提高生產效率，保證產品質量，需要加快停車過程，實現準確停車等，要求電動機運行在制動狀態。3.6直流他勵電動機的制動特性613.電動機的兩種工作狀態

1)電動狀態：

為拖動轉矩為阻轉矩

電動機的作用是將電能轉換機械能。電動機的T和n方向相同,機械特性在1、3象限

2）制動狀態：為阻轉矩為拖動轉矩

電動機的作用是吸收或消耗重物的機械能。電動機的轉矩T與轉速n方向相反，機械特性在2、4象限

624.電動機工作在制動狀態下的兩種情況1）使轉速迅速減速到停止，過渡的制動狀態(n是變化的)2）限制位能負載的下降速度，穩定的制動狀態(n=C)

根據實現制動的方法和制動時電動機內部能量傳遞關系的不同，制動方法分為三種：

反饋制動、反接制動、能耗制動633.6.1反饋制動電動機變成發電機，機械能變成電能向電源饋送稱為反饋制動特點：1）在外部條件的作用下，轉速大于理想空載轉速；2）電動機輸出轉矩的作用方向與n的方向相反。641．電車走下坡路時的反饋制動

設電車與地面的摩擦轉矩為Tr

，阻轉矩；下坡時電車所產生的位能轉矩為Tp，拖動轉矩；且Tp>Tr

。

勻速走平路時（a點）：輸出轉矩TM用來克服負載轉矩Tr

。

在a—n0段：TM與n的方向相同，故為電動狀態。在n0—b段：TM與n的方向相反，且工作速度大于理想空載轉速，故電動機工作在反饋制動狀態。652．電樞電壓突然下降時的反饋制動

若電動機工作在A點時將電樞電壓突然降低為U2，電動機的機械特性變為曲線2，由于機械慣性，工作點由A轉換到B點。此時-TM-TL<0，電動機的轉速在TM、TL的共同的作用下沿著曲線2下降直到新的平衡點D。

在B—C段，轉速n與轉矩TM的方向相反，運行速度大于空載轉速n02，為反饋制動狀態。66注意：反饋制動只在調磁降速過程中產生Φ↑n↓TL3．調磁通調速過程中的反饋制動67下放重物時的反饋制動過程下放電動狀態下放制動狀態提升電動狀態

a點→b點n↑E↑Ia↓-TM↓制動矩B點→C點│n│>n0Ia=-Ia-TM→TM與n反方向制動改變Rad改變下降的nRad太大n很高不安全68制動簡便可靠，不需改變接線能量回饋電網比較經濟制動只能在n>n0時，應用范圍較窄適用于位能負載穩定地下放的場合反饋制動特點69

反接制動具有如下特點：

1）電動機的外加電樞電壓U與感應電動勢E的方向在外界的作用下由相反變為相同；

2）電動機的輸出轉矩TM與轉速n的方向相反。

在反接制動中，把改變電樞電壓U的方向所產生的反接制動稱為電源反接制動；而把改變電樞電動勢E的方向所產生的反接制動稱為倒拉反接制動。3.6.2反接制動70

1．電源反接制動

設電動機外加電樞電壓的參考方向為圖中所示。

當電壓的實際方向與參考方向相同時，電動機的機械特性為471

當電壓的實際方向與參考方向相相反時，電動機的機械特性為

其特性曲線分別如圖（b）中的曲線1和曲線2所示。72反向電動正向電動反接制動位能負載反饋制動73

注意:由于在反接制動期間，電樞感應電動勢和電源電壓是串聯相加的，因此，為了限制電樞電流，電動機的電樞電路中必須串接足夠大的限流電阻。

電源反接制動一般應用在生產機械要求迅速減速、停車和反向的場合以及要求經常正反轉的機械上。74制動強烈而迅速有自動反轉的可能，轉速接近零時應立即切斷電源從電網吸取大量電能適用于要求迅速制動的場合電源反接制動特點752.倒拉反接制動(串接Rad改變斜率法)注意：這里T沒有反向選用不同的Rad可改變下放速度但不能太小，交叉點必須在第四象限76控制電路簡單可實現低速下放重物適用于要求平穩低速下放重物地場合倒拉反接制動特點773.6.3能耗制動(U=0串接Rad)位能負載制動狀態優點：運行速度穩定不會出現倒拉制動那樣因計算不準而引起不降反而上升的事故反抗負載制動優點：不會出現反向起動的危險Rad不能太小I<Imax

電阻越小，產生的反向電流越大，制動越快。78控制電路簡單，平穩可靠可實現準確停車制動效果隨轉速成反比適用于要求減速平穩，沒有反向而準確停車地場合能耗制動特點79正常接線可有三種運轉狀態反轉接線方法不同四象限對應反轉狀態正轉狀態正常接線可有三種運轉狀態正轉80例一臺他勵直流電動機的額定數據為：

(1)電動機帶反抗性負載運行時，進行能耗制動，欲使起始制動轉矩為，電樞回路應串多大電阻？

(2)電動機帶位能性額定負載轉矩，以1000r／min的速度下放時，可用那些方法，電樞回路分別應串多大電阻？

(3)電動機帶反抗性額定負載轉矩運行時，進行電壓反接制動停車，欲使起始制動轉矩為，電樞回路應串多大電阻?

(4)電動機帶位能性負載，，欲以1800r／min的速度下放時，應采用什么方法，電樞回路應串多大電阻?

81解

（1）能耗制動時串入的電阻計算電動機的

理想空載轉速

額定電磁轉矩

(1)電動機帶反抗性負載運行時，進行能耗制動，欲使起始制動轉矩為，電樞回路應串多大電阻？

82時的轉速

能耗制動起始時的電樞電動勢:

能耗制動時電樞回路應串電阻:83所需下放速度低于理想空載轉速，故可用能耗制動或倒拉反接制動方法下放該重物。用能耗制動方法下放時，電樞回路應串電阻由

用倒拉反接制動方法下放時，由其機械特性表達式可得電樞回路應串電阻的計算公式，因為

由

(2)電動機帶位能性額定負載轉矩，以1000r／min的速度下放時，可用那些方法，電樞回路分別應串多大電阻？

84運行時的電樞電動勢

反接制動停車時電樞回路應串電阻:(3)電動機帶反抗性額定負載轉矩運行時，進行電壓反接制動停車，欲使起始制動轉矩為，電樞回路應串多大電阻?

85所需下放速度大于理想空載