1、海南风光 第七章第七章 直流电动机直流电动机 单相异步电动机单相异步电动机 步进电机步进电机 清华大学电机系电工学教研室清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编唐庆玉编 第七章第七章 电动机电动机 7.2 直流电动机直流电动机 7.2.1 概述概述 7.2.2 工作原理工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩电磁转矩 7.2.5 机械特性机械特性 7.2.6 直流电动机的调速直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值 7.3单相异步电动机单相异步电动机 7.4步进电机步进电机 7.2.1 概述概述 与异步电动机
2、相比，直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。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。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源
3、的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具 7.2.2 工作原理工作原理 一、一、工作原理工作原理 U+N S 电刷电刷 换向片换向片 直流电源直流电源 电刷电刷 换向器换向器 线圈线圈 I I 注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。F F U+N S
4、电刷电刷 换向片换向片 I I F F U+N S 电刷电刷 换向片换向片 I I E E 由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。直流发电机 用右手定则判用右手定则判 感应电动势感应电动势Ea的方向的方向 U+N S E E Ia 电枢绕组电枢绕组 电阻电阻Ra nKEE感应电动势感应电动势 aaRIEU输出电压输出电压 二、二、直流电机的构成直流电机的构成 直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座 磁极磁极
5、励磁励磁 绕组绕组 转子转子 励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构 1.转子转子（又称电枢）（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子 定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：直流
6、电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M 他励他励 Uf If Ia U M 并励并励 U If M 串励串励 U M 复励复励 U 7.2.3 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系 电枢通入
7、电流后，产生电磁转矩，使电机在磁电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用圈中产生感应电动势（用E表示）。表示）。一、一、电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势 F F U+N S 电刷电刷 换向片换向片 I I E E 根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，和原通入的电流方向相反，其大小为：其大小为：nKEEKE：与电机结构有关的常数：与电机结构有关的常数 n：电动机转速：电动机转速 ：磁通：磁通 单位：单位：（韦伯），（韦伯），n（转（转/每分），每分），E（伏）（
8、伏）F F U+N S 电刷电刷 换向片换向片 I I E E 二、二、电枢绕组中电压的平衡关系电枢绕组中电压的平衡关系 因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。与通入的电流方向相反，所以叫反电势。aaRIEUU：外加电压：外加电压 Ra:绕组电阻绕组电阻 M Ra Ia E+U 以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，只能改变，只能改变 或或 n。(2)若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，则，则 ，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和
9、磁通成反 比，通过改变比，通过改变 可调速。可调速。nKEUEnKEE7.2.4 电磁转矩电磁转矩 aTIKT KT：与线圈的结构有关的常数：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通 Ia：电枢绕组中的电流：电枢绕组中的电流 一、电磁转矩一、电磁转矩 单位：单位：（韦伯），（韦伯），Ia（安培），（安培），T（牛顿（牛顿 米）米）由转矩公式可知：由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变电机旋
10、转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。改变磁通的方向。二、二、转矩平衡关系转矩平衡关系 电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即 0TTTLTL：负载转矩负载转矩 T0：空载转矩：空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL）发生变化时，）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。转矩自动调整，以实现新的平衡。例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定
11、，T=TL+T0(平衡平衡)，这时，这时，若若TL突然增加，则调整过程为：突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、P入入 TL n E Ia T 最后达到新的平衡点。最后达到新的平衡点。aTIKT aaRIEU 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。他励电动机和并励电动机的特性一样。7.2.5 机械特性机械特性 一、一、他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性 即：即：TKKRnETa2KUnE0nnn0
12、其中其中，aTEaaIKTnKERIEUTKKRKUnETaE2M 他励他励 Uf If Ia U n0：理想空载转速理想空载转速,即即T=0时的转速。（实际工作时的转速。（实际工作时时,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T不会为不会为0 0。）。）当当 T 时时n ，但由于他励电动机的电枢电阻，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，所以在负载变化时，转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械 特性。特性。根据根据 n-T 公式公式 画出特性曲线画出特性曲线 n0 nN TN T n n TKKRnETa2KUnE0nnn0其中其中，串励的特点：励磁
13、线圈的电流和电枢线圈的电流相同。串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、二、串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性 设磁通和电流成正比，即设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则则 据此公式做出据此公式做出 T-n 曲线曲线 aaaTaTaEERIEUIKKIKTnIKKnKE2n T EaETKKRTKKUKnM 串励串励 U Ia(1)(1)T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n。但。但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会工作在 T=0 的状态，的状态，但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高。串励不允许空载很高。串励不允许空载 运行，
14、以防转速过高。运行，以防转速过高。串励特性：串励特性：(2)(2)随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性。软机械特性。n T(2)(2)恒功率负载（恒功率负载（P 一定时，一定时，T 和和 n 成反比），成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择直流电动机特性类型的选择:(1)(1)恒转矩的生产机械恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）一定，和转速无关）要要 选硬特性的电动机，如：选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机金属加工、起重机 械等。械等。7.2.6 直流电动机的调速直流
15、电动机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价 格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1 1）调速均匀平滑，可以无级调速。）调速均匀平滑，可以无级调速。（2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 200（他励式）以上（他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）。（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，由该式可
16、知，n 和和 有关，在有关，在 U 一定的情一定的情 况下，改变况下，改变 可改变可改变 n。在励磁回路中串。在励磁回路中串 上电阻上电阻Rf，改变，改变Rf大小调节励磁电流，从而大小调节励磁电流，从而 改变改变 的大小。的大小。一、改变磁通（调磁）一、改变磁通（调磁）1.原理原理 TKKRnETa2KUnE0nnn0其中其中，M 他励他励 Uf If Ia U 其中：其中：=K If Rf If n ，但在额定情况下，但在额定情况下，已接已接 近饱和，近饱和，If 再加大，对再加大，对 影响不大，所以这种增加影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。磁通的办法一般不用。Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方减弱磁通是常用的调速方 法。法。If的调节有两种情况：的调节有两种情况：概念：概念：改变磁通调速的方法改变磁通调速的方法 减小磁通，减小磁通，n只能上调。只能上调。TKKRnETa2KUnE0nnn0其中其中，2.2.特性的变化特性的变化 所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：因为：n1021n（减小减小）0n 0n0nTL