聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第3章1

第三章直流电机的工作原理及特性掌握直流电机的电势方程式，转矩方程式和电压平衡方程式；掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；掌握直流电动机起动，制动，调速的各种方法和应用场所；了解用机械特性来分析直流电动机运行状态的方法。电机直流电机交流电机按能量转换方式可分为：电动机—电能转换为机械能发电机—机械能转换为电能直流电机：直流电动机，直流发电机。直流电动机特点：良好的启动性能和调速性能；不及交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠。用途：速度调节要求较高、正反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械。3.1直流电机的基本结构和工作原理3.1.1直流电机的基本结构定子：产生主磁场并在机械上支撑电机。转子：产生感应电势或机械转矩以实现能量的转换。直流电机结构1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心直流电机结构简图电刷电枢绕组主磁极换向器转子：由电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇组成。作用：产生感应电势或机械转矩。空气隙：定、转子之间的气隙。定子：由主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷座组成。作用：产生主磁场，支撑电机。●主磁极：铁心(1～1.5mm钢片叠压，极掌──使气隙磁通分布最为合适)，励磁绕组(绝缘铜线)●换向极：改善电枢电流的换向性能(铁心，绕组，两主磁极中间)。●机座：固定主磁极、换向极、端盖，磁路一部分(铸钢或钢板压成)。●电枢铁心：主磁通磁路一部分，硅钢片叠成，圆柱形，通风孔，表面冲槽，槽内装电枢绕组。●电枢绕组：铜线绕成，包上绝缘嵌入电枢铁心槽中，槽楔。●换向器：彼此绝缘铜片、电刷发电机：将电枢绕组内感应的交流电势→直流电势。电动机：外加直流电流→电枢绕组交变电流，保证每一磁极下电枢导体的电流方向不变──产生恒定电磁转矩。换向器作用：１.电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直作用在导体上的电磁力大小为：Ｆ=B·Ｌ·Ｉ3.1.2直流电机的基本工作原理２、电磁感应定理在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直则作用导体中感应的电势大小为：Ｅ=B·Ｌ·v●发电机每一导体感应电动势：交变;方向：右手定则；电刷间电动势或电压：极性不变电动势表达式式中，E──电动势；Ke──与电机结构有关的常数;──每对磁极的磁通；n──电枢转速。nKEe除了产生电动势E以外，电枢绕组还要产生电磁转矩T（左手定则），它和空载转矩T0──都是阻转矩，由原动机T1克服。●电动机电磁转矩T（左手定则）：克服空载转矩T0和负载转矩TL电磁转矩表达式式中，Kt──与电机结构有关的常数，Kt=9.55Ke;Ia──电枢电流。atIKT除了产生电磁转矩以外，电枢绕组还要产生电动势E：由外加电压U平衡。电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发电机电动机相同相反电源电动势反电动势阻转矩驱动转矩T1=T+T0T=TL+T0电机在不同运行方式下，E和T的作用3.2直流发电机按励磁方法分类1)他励发电机：发电机的励磁绕组由外电源供电。2)自励发电机：发电机的励磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分。又分为：(1)并励发电机；(2)串励发电机；(3)复励发电机。直流电发机的结构与励磁方式他励并励串励复励串励+并励1.他励发电机电压与电流间的关系：U=E-IaRaIa=(E-U)/RaIa=II=U/R空载特性：空载时，输出电压与励磁电流的关系当空载时，Ia=0,U=U0=E=KenE和成正比，但和If不是成正比，而是磁化曲线。U0If下降支上升支平均磁化曲线0Es剩外特性：额定转速和一定励磁下，输出电压和输出电流之间的关系他励发电机的外特性曲线%1000NNUUUU实质：空载→满载时电压的变化一般允许(5~10)%U2.并励发电机电压与电流之间的关系：U=E-IaRaIa=(E-U)/RaIf=U/RfI=U/RIa=I+If≈I并励发电机的自励条件自励过程：并励发电机建立电压的过程。并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，由发电机自已供给励磁电流，而不需要另外励磁电源。并励发电机的建压过程并励直流发电机自励的三个条件:（1）电机必须有剩磁（2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确（3）励磁回路中电阻小于rfc（称为临界值）3.并励发电机的外特性曲线电源----------外特性U=f(I)硬特性从空载到满载电压变化率5%-10%3.3.1他励电动机的机械特性3.3直流电动机的机械特性分类：他励、并励、串励、复励。机械特性方程式eEKn02aeetRUnTnnKKK为直流电动机机械特性的一般表达式taTKI由将Ia值再代入,得由得aRIEUaaeaeIKRKUn3)机械特性硬度β在机械特性方程式中，no称为理想空载转速；△n称为转速降落。机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的：绝对硬特性。如交流同步电动机的机械特性＞10硬特性如直流他励电动机和异步电动机的机械特性＜10软特性如直流串励电动机的机械特性%100nTdndT机械特性曲线n=f(T)02aeetRUnTnnKKK固有(自然)机械特性和人为机械特性1)他励直流电动机的固有机械特性在额定电压，额定磁通，电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为固有机械特性。额定负载时，转速降落不多，是硬特性；金属切削机床，冷轧机，造纸机等宜于选用硬特性的电动机。2)固有机械特性曲线的作法已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra,Ke,N0500751NNaNNNpURUIINNaeNNUIRKn0NeNUnK955NNNPTn(1)电枢电阻Ra的估算:(2)理想空载转速no计算:(3)额定转矩Nn的计算:no,TN,找出两个点，即理想空载点(0,n0)和额定运行点(TN,nN)，通过这两点作出自然机械特性。举例(1)一台Z2-51型直流他励电动机，已知额定功率5.5kW，额定电压220V，额定电流31A，额定转速1500r/min，忽略损耗，求固有机械特性。解：分析只要求出理想空载点和额定运行点，就可绘出机械特性。0500751NNaNNNpURUII=0.71NNaeNNUIRKn=0.132NoeNUnK=1667r/min955NNNPTn=35Nm人为机械特性(三种)(1)电枢回路串附加电阻Rad的人为机械特性在固有机械特性方程式中，用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的人为机械特性方程式：附加电阻Rad越大，机械特性越软。nnTKKRRKUnteaadeN0202aeetRUnTnnKKK（2）改变电枢电压的人为机械特性U改变，但转速降不变因此，变电枢电压的人为机械特性是一簇与固有机械特性平行的特性曲线。只允许在额定电压以下调节。NoeNUnK02aeetRUnTnnKKK条件：Φ=ΦN，Rad=0，改变电压U(U≠UN，U≤UN)(3)改变磁通时的人为特性从机械特性方程可知，改变磁通时，电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化。磁通只能在额定值以下调节，理想空载转速和转速降落都要增大-------弱磁增速。使用中，要防止电动机过载，更要防止飞车，因此，直流他励电动机设有失磁保护。02aeetRUnTnnKKK串励电动机的机械特性1)特点:电枢电流就是励磁电流。2)机械特性分析:第一段,电动机轻载时,机械特性具有双曲线的形状,理想空载转速趋近无穷大。第二段,电动机负载较重时,磁路趋于饱和,机械特性近似一条直线。3)注意事项:直流串励电动机不允许空载运行----飞车事故。作业：3.1，3.2