直流电机原理详解

一、概述

1、缺点：与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护不方便，而且要用直流电源。

2、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。

3、应用：（1）轧钢机、电气机车等调速范围大的大型设备。

（2）用蓄电池作电源的地方，如汽车拖拉机等。

二、工作原理

1、工作原理

注意：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。电刷压在换向片上。

由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。

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方向相反。

2、直流电机的构成:定子、转子、机座.

1）转子（又称电枢）

由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。

2）定子：包括永磁式和励磁式。永磁式由永久磁铁做成；励磁式则是在磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。

三、电枢电动势及电压平衡关系

1、电枢中的感应电动势

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，又会在磁场中产生感应电动势（E）。

根据右手定则，E与原通

入的电流方向相反，其大

小为：

E=KEΦn

其中：E（伏）：反电

动势；KE：与电机结构有

关的常数；

Φ（韦伯）：

磁通； n（转/分）：

电动机的转速

2、电枢绕组中电压的平衡关系

如右图所示，U=E+IaRa （U：外加电压；Ra：绕组电压）

从上面两个式子可知：

（1）电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，要改变E，

只能改变Φ或n。

（2）若忽略绕组中的电阻Ra，则U≈E=KEΦn。可见，当外

加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变Φ可调速。

四、电磁转矩

1、电磁转矩的概念

公式：T=KTΦIa（N/m）：KT：与线圈有关的常数；Φ（韦伯）：线圈所处位置的磁通；Ia（安培）：电枢绕组中的电流

由转矩公式可知：（1）产生转矩必须有励磁磁通和电枢电流；（2）改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向均可以改变电机的旋转方向。

2、转矩平衡关系

电磁转矩T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：T=TL+T0

转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，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。调整过程：

最后达到新的平衡。

五、机械特性

机械特性是指电机的电磁转矩和转速间的关系。

1、他励电动机的机械特性

n-T特性曲线如右图。T增大时n减少，但由于Ra很小，负载变化时，n变化不大，属于硬机械特性。

2、串励电动机的机械特性

串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。设磁通和电流成正比，即Φ=KΦIa，则：

六、直流电动机的调速

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。其调速有以下优点：

（1）调速均匀平滑，可以无级调速。

（2）调速范围大，可达200以上。

下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。

1、调磁：改变磁通：

依据：

（1）改变Φ以达到改变n的目的。Φ接近饱和难于增加，该方法只能减少磁通，上调n。

（2）特性变化

（3）减少Φ调速的特点

A、调速均匀平滑，可以无级调速，但只能上调，受机械本身强度所限，n不能太高。

B、调的是励磁电流（比电枢电流小得多）。调节控制方便。

2、改变电枢电压调速

（1）特性曲线

（2）调速特点

A、工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而n与U成正比，调速只能下调。

B、可得到平滑无级调速。

C、调速幅度较大。

3、改变转子电阻调速

七、直流电动机的使用和额定值

1、使用

1）启动：I ast=U N/Ra»I aN，一般I ast限制在（2-2.5）I aN内。

措施：A、启动是在电枢回路串联电阻；B、启动时降低电枢电压。

2）反转

电动机的转动方向由电磁力矩方向决定。因此改变支流电机转向的方法有：改变励磁电流的方向或改变电枢电流的方向。注意两者方向不能同时改变。

3）制动

4）连接

直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个。可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。

（1）绕组的阻值范围

电枢绕组：1-2欧姆以下。

他励/并励电机的励磁绕组：几百欧姆

串励电机的励磁绕组：与电枢绕组相当。（2）绕组的符号：见右表：始端末端绕组名称S1S2电枢绕组T1T2他励绕组B1B2并励绕组C1C2串励绕组

H1H2换向级绕组

BC1BC2补偿绕组

Q1Q2启动绕组2、额定值

1）额定功率PN：电机轴上输出的机械功率。

2）额定电压UN：额定工作情况下电机上加的直流电压（如110V，220V等）

3）额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流。

三者关系：PN =UNINη （η ：效率）

4）额定转速nN：在PN 、UN、IN时的转速。一般在500转/分以上。