第8章电工技术直流电动机

第8章直流电动机8.1直流电机的构造8.2直流电机的基本工作原理8.4并励电动机的起动与反转8.3直流电动机的机械特性8.5并励(他励)电动机的调速第8章直流电动机1.了解直流电动机的基本构造和工作原理。2.掌握他励（并励）和串励直流电动机的电压与电流的关系式，接线图、机械特性。3.掌握他励（并励）和串励直流电动机的起动、反转和调速、制动的基本原理和基本方法。本章要求8.1直流电机的构造直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。NS······NS8.1.1直流电动机的构造极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。2.转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极永磁式:由永久磁铁做成。励磁式:磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成用来在电机中产生磁场。1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。8.1.2直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_IffRstR他励IaUM+_IffRstR+_IE并励4.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa8.2直流电机的基本工作原理8.2直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的交流电，以保持转矩方向不变。U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。KE:与电机结构有关的常数n:电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=EKnU–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。aaaaRInKRIEUE式中：U—外加电压Ra—绕组电阻2.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UMKT:与电机结构有关的常数:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3.电磁转矩单位:(韦伯)，Ia(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为4.转矩平衡关系电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=KTIa当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程02TTTT2:机械负载转矩T0:空载转矩例：设外加电枢电压U一定，T=T2(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia、P入)。T2nIaTEΦnKEEaaaREUIaΦIKTT8.3直流电动机的运行特性直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。)f(ITa一、并励电动机1.转矩特性IaUM+_IffRstR+_IEaaRIEU由图可求得aaREUIffRUIaafIIIIaaRIEUaaREUIffRUIaafIIII由上分析可知：当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则T=KTIa=KTIa即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。n0TIa)f(ITa)f(Ina2.转速特性8.3直流电动机的运行特性aEaEIΦKRΦKUnaaaΦITΦTEKnKERIEU由以下公式求得n0TIa)f(ITa理想空载转速:0ΦKUnE式中：n0)f(Ina8.3直流电动机的机械特性nnn0TΦKKRnET2aTΦKKRΦKUnETE2aaΦITTK求得IaUM+_IffRstR+_IEf(T)n3.机械特性aEaEIΦKRΦKUn转速降:2aTΦKKRnET理想空载转速:0ΦKUnE式中：nnTΦKKRΦKUnETE02an=f(T)特性曲线n0nNTN并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。动画n0Tn100%nnnΔnNN0NnN很小，大约为3%~8%8.3直流电动机的运行特性)f(ITa二、串励电动机1.转矩特性当Ia较小时，铁心不饱和串励UIa+_IfMfaII特点：)af(IaKIΦ2aTaTIKΦIKT当Ia较大时，铁心饱和aTΦIKT与并励类似)f(Ina2.转速特性当Ia较小时，aKIΦaEaEIΦKRΦKUn可得根据KKRKIKUnEaaE当Ia较大时，铁心饱和与并励类似从上式可见，当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%n0TIa)f(Ina8.3直流电动机的机械特性bTaUn求得f(T)n3.机械特性2aTaTIKΦIKTKKRKIKUnEaaE串励电动机在负载变化时，转速n的变化大—软机械特性（自然特性）。适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。8.3直流电动机的运行特性三、复励电动机复励U+_IMIa他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。例:有一并励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,并已知Rf=27.5，Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If;(2)损耗功率PaCu,及PO;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。解：(1)P2是输出功率，额定输入功率为KW19.2684.02221PPA2381101019.2631UPI额定电流额定励磁电流A45.27110ffRuI额定电枢电流A2344238faIII（2）电枢电路铜损W219023404.02a2aaCuIRPW44045.272f2ffCuIRP励磁电路铜损总损失功率W4190220002619021PPP空载损耗功率W200021904190aCu10PPPm.N210100022955095502nPT（3）额定转矩（4）反电动势V6.10023404.0110aaIRUE8.4并励电动机的人为机械特性1.电枢回路串联电阻RTΦKKRΦKUnETE2a根据nn0T电阻增大2.降低电枢电压Un0nT0U3.减弱磁通0n''0n'0nTn（减小）Rf增加O例:有一他励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115ARa=0.125,试求:(1)电枢回路串联电阻R=0.75(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.8的人为机械特性解：根据额定数据可得0.137nIRUΦKNaaNNE1606r/minΦKUnEN0NEaNNNΦKRIUn例:有一他励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115ARa=0.125,试求:(1)电枢回路串联电阻R=0.75(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.8的人为机械特性解：根据额定数据可得(1)当R=0.75，T=TN时，NEaNNΦKR)(RIUn1500n1150.1252201150.75)(0.125220IRUR)I(RUnnaaNaaNNmin/874rnmin/990rn(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.8的人为机械特性(2)当电枢电压降低为U=150V，T=TN时1500n1150.1252201150.125150IRUIRUEEΦE/KΦ/KEnnaaaaEENmin/1095r0n0N00n1606r/min150220UUnn(3)磁通减弱为=0.8，T=TN时min/2007r0nmin/1844rn1I0.8IIΦI0.8ΦIITTaNaaNNaNaNNaN1500n0.8115)0.125(220115/0.80.125220Φ)/KIR(UΦ)/KIR(UnnNEaNaNEaaNN000n1606r/min10.8nn8.5并励电动机的起动与反转起动直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；NaaNast)20~10(IRUI起动时,n=00nKEE1.起动问题：(1)起动电流大(2)起动转矩大起动时，起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。tasIT一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.起动方法(1)电枢串电阻起动法NstaNast)5.2~5.1(IRRUIaastNstRIUR在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。nn0T电阻增大nnTΦKKRΦKUnETE02aTLT2T1此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。3.注意事项(2)降压起动法：直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：aNstR2IU目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。TLT2n0nT0T1(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KTIa),电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。2.反转电磁转矩：T=KTIa(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：8.6并励(他励)电动机的调速并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。1.调速均匀平滑，可以无级调速2.调速范围大，调速比可达D=8~10以上3.