直流电机工作原理及特性

第 3 章直流电机的工作原理及特性 教学内容教学内容 3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性 教学安排教学安排 本章安排 8 个学时授课，直流电机的基本结构和工作原理、 直流发电机 2 个学时，直流 电动机的机械特性 2 个学时， 直流他励电动机的启动特性和调速特性2 个学时， 直流他励电 动机的制动特性 2 个学时。采用多媒体教学。 知识点及其基本要求知识点及其基本要求 1． 了解电磁感应、电磁力、电动势、反电动势、电磁转矩等基本概念，了解直流电机的基 本结构和工作原理、直流发电机的励磁方式，掌握电动势和电磁转矩的计算公式。 2． 了解并掌握他励电动机机械特性的一般表达式、固有机械特性的计算和绘制，了解并掌 握他励电动机外串电阻、改变电枢电压、改变磁通时人为特性的特点、计算和绘制，了 解串励电动机机械特性的一般表达式和特点。 3． 了解启动直流他励电动机的两种方法降压启动和在电枢回路串接电阻启动，及两种启 动方法的优缺点。 4． 了解调速和速度变化两种概念，掌握直流他励电动机三种调速方法（改变电枢电路个串 电阻、改变电枢电压和改变主极磁通）的特点及适用场合。 5． 了解电动与制动、制动与自然停车、稳定的制动状态和过渡的制动状态等概念，了解反 馈制动、反接制动、能耗制动的概念、实现方法、特点和适用场合。 重点和难点重点和难点 重点 1．机械特性是分析启动、 调速和制动特性的依据， 所以机械特性是电动机内容的重中之重； 2．他励直流电动机的启动特性； 3．他励直流电动机的调压调速特性。 难点 本章较难理解的内容是电流、 电势的换向过程和电动机的制动过程； 电动机在各种运转 状态下电磁转矩 TM、负载转矩 TL、转速 n、电枢电流 Ia 和电势 E 等符号的确定。 教学设计教学设计 ******************************************************************************* 第第 1 1 次课次课 ******************************************************************************* 1 1．展示直流电机结构图，介绍直流电机基本组成部分和各部分功能。．展示直流电机结构图，介绍直流电机基本组成部分和各部分功能。 定子定子定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。它主要包括主磁极、换向极 、电刷 装置 、机座和端盖。 1 转子转子转子是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩，使机械能变 为电能（发电机）或电能变为机械能（电动机）的枢纽。它主要包括电枢、换向器 、转 轴。 气隙气隙在小容量电机中，气隙为0.5～3mm。气隙大小对电机运行性能有很大影响。 2 2．首先介绍电磁感应现象、电磁力等概念，然后介绍直流电机的工作原理。．首先介绍电磁感应现象、电磁力等概念，然后介绍直流电机的工作原理。 （1）电磁感应现象 闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时， 导体中就会产生电流， 这种现 象叫电磁感应现象。电磁感应现象。 2 B---磁感应强度 v---速度 e---感应电势 I---感应电流 右手螺旋定则 （2）电磁力载流导体在磁场中受到的力称为电磁力。 B---磁感应强度 I---感应电流 f---电磁力 左手定则 （3）直流发电机工作原理 E  K n e Ke电势常数 E电枢电势（V） φ主极磁通（Wb） n电枢转速（r/min） 3.1 3 （4）直流电动机工作原理 T  K t I a Kt转矩常数 9.55Ke Ia电枢电流（A）  3.2 （5）电枢反电势 电机运行方式E 和 Ia 的方向 发电机 电动机 相同 相反 E 的作用 电源电动势 反电动势 T 的性质 阻转矩 驱动转矩 转矩之间的关系 T1TT0 TTLT0 （6）可逆性原理 如果从轴上输入机械功率， 电机作发电机运行，向外输出直流电能。 如果从电刷上输入 电功率，电机即作电动机运行，向外输出机械功率。这种同一台电机在不同的外界条件下作 发电机或电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。 3.3.总结他励直流电动机的一些基本方程式。总结他励直流电动机的一些基本方程式。 （1）电压平衡方程式 U  E a  I a R a （2）转矩平衡方程式 T  T 0 T l T电磁转矩直流他励电动机原理电路图 T0空载转矩 TL负载静阻转矩 （3）功率平衡方程式 电压平衡议程式两边同乘Ia 得 2UI a  EI a  I a R a UIa电源输入功率 Eia电枢反电势从电源吸收的电功率 2 Ia Ra电枢铜损耗 电磁功率 PMEaIaKeΦIaTω （表明电动机从电源吸收的电功率全部转换成了机械功率T ω） 4 因此输入功率 P1PMPacu PMP0P2 P0PmPFe 其中PM电磁功率 Pacu铜损耗 P0空载损耗 Pm机械损耗 PFe磁滞损耗和涡流损耗（简称铁损） 4 4．简单介绍直流电动机的额定数据．简单介绍直流电动机的额定数据 直流电机按照国家标准及电机设计和试验数据规定的电机运行条件和运行状态运转时， 其运转工况称为电机的额定运行情况。 在额定条件下， 电机各物理量的保证值称为电机的额 定数据或额定值。 直流电机的额定值一般有PN（Kw） ，UN（V） ，IN（A） ，nN（r/min） ，IfN（A） 额定功率额定功率 P PN N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W“ 为量纲单 位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 额定电压额定电压 U UN N 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V“ 为量纲单位。 额定电流额定电流 I IN N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A“ 为量纲单位。 额定转速额定转速 n nN N 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min 为量纲单位。 额定励磁电流额定励磁电流 I If f 指电机在额定状态时的励磁电流值。 注意 对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN 在额定条件下的额定转矩 T N  9 5 5 0N （PN单位为 Kw） P n N 例例 3-13-1 一台 他励 直流电动 机 PN13Kw,UN220V,IN69.5A, nN1500r/min,电枢电阻 Ra0.28Ω ,额定励磁电压 110V,励磁回路电阻 142 Ω 。电动机在额定状态下运行。 试求（1） 额定励磁电流； （2）励磁铜损耗； （3）电枢回路铜损耗； （4）空载损耗； （5）额定电磁转矩 及额定输出转矩； （6）空载转矩。