机械特性.docx
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机械特性
第三章直流电机
本章概述
电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题位能得到满意解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好启动特性和调速性能。
到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。
直流电机既可用作电动机（将电能转换为机械能），也可用作发电机（将机械能转换为电能）。
直流发电机主要用作直流电源，例如，给直流电动机、同步电机的励磁以及化工、冶金、采矿、交通运输等部门的直流电源。
目前由于晶闸管等整流设备的大量使用，直流发电机已经逐步被取代，但从电源的质量与可靠性来说，直流发电机仍有优点，所以，直流发电机现在仍有一定的应用。
本章要点
本章要求掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所。
在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、电势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；
掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所；
学会用机械特性的四个象限来分析直流电动机的运行状态；
学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动机启动等运行特性。
3.1电磁基础理论
3.1.1电磁基本定律
3.1.2导磁材料与磁导特性
3.2直流电机的基本结构和工作原理
3.2.1直流电机的基本结构
3.2.2直流电机的工作原理
3.2.3直流电发机
3.2.4直流电动机
3.3直流他励电动机的机械特性
3.3.1直流他励电动机的固有机械特性
3.3.2直流他励电动机的人为机械特性
3.4直流他励电动机的启动特性
3.4.1直流他励电动机电枢回路串电阻的启动特性
3.4.2直流他励电动机改变电枢电压的启动特性
3.5直流他励电动机的调速特性
3.5.1改变电枢回路电阻的调速特性
3.5.2改变电枢回路电压的调速特性
3.5.3改变励磁磁通的调速特性
3.6直流他励电动机的制动特性
3.6.1能耗制动特性
3.6.2反馈制动特性
3.6.3反接制动特性
第三章直流电机
3.1电磁基础理论
基尔霍夫电流定律：
在任一瞬时，流向某一结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和。
基尔霍夫电压定律：
如果从回路中任意一点出发，以顺时针方向或逆时针方向沿回路循行一周则在这个方向上的电位降之和应该等于电位升之和。
磁路定义：
人为造成的磁通的路径。
磁路的欧姆定律：
F=NI，为磁通势，称为磁阻，l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。
3.1.1电磁基本定律
左手定则：
通电导体在磁场中受到力的作用，其受力方向可以用左手法则判定。
I---电流方向
f---电磁力方向
B---磁感应强度
右手定则：
导体在磁场中做切割磁力线德运动，则在导体的两端将产生感应电动势，其方向可用右手法则判定。
B---磁感应强度
v---速度方向
e---感应电势
3.1.2导磁材料与磁导特性
各种电机都是通过磁感应作用而实现能量转换的，磁场是它的媒介。
因此，电机中必须具有引导磁通的磁路。
为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场，电机和变压器的磁路都采用导磁性能良好的铁磁材料制成。
试验表明，所有非铁磁材料的导磁系数都接近于真空的导磁系数。
而铁磁材料的导磁系数远远大于真空的导磁系数。
因此，在同样的电流下，铁心线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多。
铁磁材料之所以具有高导磁性能，在于其内部存在着强烈磁化了的自发磁化单元，称为磁畴。
在正常情况下，磁畴是杂乱无章的排列着，因而对外不显示磁性。
但在外磁场的作用下，磁畴沿着外磁场的方向作出有规则的排列，从而形成了一个附加磁场迭加在外磁场上。
由于铁磁材料的每个磁畴原来都是强烈磁化了的，具有较强的磁场。
因此，它们所产生的附加磁场的强度，要比非铁磁物质在统一外磁场下所产生的磁场强得多。
所以铁磁物质得导磁系数比非铁磁物质的大得多。
在非铁磁材料中，磁感应强度（即磁通密度）B与磁场强度H成正比，即，它们之间呈线性关系。
铁磁材B与H之间是一种非线性关系，即B＝f（H）是一条曲线，称为磁化曲线，如图0-6所示。
在磁化的开始阶段（0a段），由于外磁场较强，随着H的增加、B迅速增加。
在bc段，外磁场进一步加强时，磁畴大都已转到与外磁场一致的方向，这时它们所产生的附加磁场已接近最大值，即使H再增大，B的增加也很有限。
这种现象称为磁饱和现象，也叫做磁饱和。
铁磁材料的磁化曲线可通过试验测绘，在测试时，H由零上升到某个最大值时，B值是沿磁化曲线0a上升（见图0-7）。
当H由下降到零时，B不是沿a0下降，而是沿着另一条ab线变化。
当H由零变化到，即进行反向磁化时，B沿着曲线bcd变化。
当H由回升到时，B沿着曲线defa变化。
这样将铁磁材料磁化一个循环时，得到一个闭合回线abcdefa，称为铁磁材料的磁滞回线。
从图0-7可以看出，磁化曲线的上升段与下降段不重合。
下降时，B的变化滞后于H的变化，当H下降为零时，B不为零，而是下降到某一数值，这种现象称为磁滞，称为剩余磁感应强度。
由于存在磁滞现象，所以铁磁材料的磁化过程是不可逆的。
在某一H下的B值，取决于该H值之前的磁化状态。
磁滞现象的产生，是由于铁磁材料中的磁畴，在外磁场作用下进行排列时，彼此之间产生“摩擦”。
由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向一致的排列，被部分的保留下来，从而形成了磁滞现象和剩磁。
同一铁磁材料在不同的值下，有不同的磁滞回线。
所以用不同的值可测绘出许多不同的磁滞回线。
把这些磁滞回线的顶点连接起来而得到的磁化曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线，也称为平均磁化曲线。
工程上所谓的磁化曲线就是指平均磁化曲线。
铁磁材料在交变磁场的作用下而反复磁化时，磁畴之间不断的发生摩擦，必然消耗一定的能量，产生损耗。
这种损耗称为磁滞损耗。
试验表明，在交变磁化时，铁磁材料的磁滞损耗与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值的次方成正比，即：
对于常用的硅钢片，当时，。
由于硅钢片的磁滞回线的面积比较小，所以电机和变压器的铁心都采用硅钢片。
3.2直流电机的基本结构和工作原理
3.2.1直流电机的基本结构
直流电机的基本结构：
定子和转子两个部分
定子作用：
产生主磁场和在机械上支撑电机。
定子组成：
主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等。
直流电动机的主要结构
主磁极
主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，其主要任务是产生主磁场。
磁极下面扩大的部分称为极掌，它的作用是使通过空气中的磁通分布最为合适，并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。
磁极是磁路的一部分，采用1.0-1.5mm的钢片叠压制成。
励磁绕组用绝缘铜线绕成。
换向极
换向极用来改善电枢电流的换向性能。
它也是由铁心和绕组构成的，用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。
机座
机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，并作整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基础上，另一方面也是电机磁路地一部分，故用铸钢或者是钢板压成。
电枢铁心
电枢铁心是主磁极地一部分，用硅钢片叠成，呈圆柱形，表面冲了槽，槽内嵌放电枢绕组。
为了加强铁心的冷却，电枢铁心上有轴向通风孔，如图示。
电枢绕组
电枢绕组示直流电机产生感应电势及电磁转距以实现能量转换的关键部分。
绕组一般由铜线绕成，包上绝缘后嵌入电枢铁心的槽中，为了防止离心力将绕组甩出槽外，用槽楔将绕组导体楔在槽内。
换向器
换向器的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。
对电动机而言，则是将外加的直流电流转换成电枢绕组的交流直流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转距。
换向器由很多彼此绝缘的铜片组合而成，这些铜片称为换向片，每个换向片都和电枢绕组连接。
如图示的是换向器的结构图。
换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
换向器
电刷装置
电刷装置包括电刷及电刷座，它们固定在定子上，其电刷与换向器保持滑动接触，以便将电枢绕组和外电流接通。
3.2直流电机的基本结构和工作原理
3.2.2直流电机的工作原理
直流电机的工作原理：
直流电机作为发电机运行时，电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边中便感应出电动势e。
显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。
电刷和换向器的作用在于将发电机电枢绕组内的交流电动势变换成电刷之间的极性不变的电动势。
当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。
负载电流在旋转绕组上产生负载转矩，方向与驱动转矩相反。
电流方向：
N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。
当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势e，这个电动势的方向（由右手定则确定）与电流或外加电压的方向总是相反，所以称为反电势，它与发电机中电动势的作用是不同的。
如上图所示，若在A、B之间外加一个直流电压，A接电源正极，B接负极，则线圈中有电流流过。
当线圈处于图所示位置时，有效边ab在N极下，cd在S极上，两边中的电流方向为a→b，c→d。
由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为：
F＝BLI
式中，I为导线中的电流，单位为安（A）。
根据左手定则知，两个F的方向相反，如图所示，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。
当线圈转过180°时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。
由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极面下的有效边中电流的方面保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变。
直流电动机原理图
直流电机的电动势：
E=KeΦｎ
式中，E——电动势（V）；Φ——一对磁极的磁通（Wb）；ｎ——电枢转速（r／min）；Ke——与电机结构有关的常数。
直流电机电枢绕组中的电流与磁通有相互作用，产生电磁力和电磁转矩。
T=KtΦIa
式中，T——电磁转矩（Nm）；Φ——一对磁极的磁通（Wb）；Ia——电枢电流（A）；Kt——与电机结构有关的常数，Kt＝9.55Ke。
3.2 直流电机的基本结构和工作原理
3.2.3直流发电机
他励发电机
电压和电流的关系：
当发电机空载时，Iａ＝0，发电机的电动势等于其空载端电压U０:
空载特性：
外特性：
他励发电机的空载特性曲线他励发电机的外特性曲线
并励发电机
励磁绕组与电枢并联。
并励发电机的电压与电流间的关系可用下列各式表示：
建立条件：
1.发电机的磁极要有剩磁；
2.起始励磁电流所产生的磁场方向与剩磁磁场方向相同；
复励发电机
在复励发电机的这两个励磁绕组中通人电流后，它们产生之磁场的方向通常是相同的。
在并励发电机中，其端电压随着负载电流的增大而下降。
但在复励发电机中，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。
所以，在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化不大。
如果载发电机磁极上除绕上并励绕阻外，再绕一个与电枢串联的串励绕阻，则为一复励发电机。
优点：
其端电压变化不大。
3.2.4直流电动机
根据电机能量转换的不同，把直流电机分成直流电动机和直流发电机。
根据电机励磁方式的不同，直流发电机和直流电动机有他励、并励、串励、复励和永磁等形式。
他励电动机
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电。
他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。
但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。
他励电动机并励电动机
并励电动机
并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和，即I=Ia+If。
适用于恒压工作场合。
串励电动机
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源。
串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia，这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。
串励电动机复励电动机
复励电动机
这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。
他励电动机的机械特性
电枢回路中的电压平衡方程：
以式
代入得到：
再以
代入，得到直流电动机机械特性的一般表达式：
机械特性硬度：
电动机的机械特性分为三类：
（1）绝对硬特性（）
（2）硬特性（）
（3）软特性（）
3.3.1直流他励电动机的固有机械特性
1.固有机械特性
直流电动机机械特性的一般表达式：
固有机械特性：
是n=f（T）在额定条件下的特性
对于他励电机可根据电机铭牌数据计算得到如下参数：
（1）电枢电阻Ra：
（2）KeФN：
（3）理想空载转速：
（4）额定转矩：
式中，PN额定功率,UN额定电压,IN额定电流,nN额定转速。
其计算步骤：
（1）计算电枢电阻
（2）求
（3）求理想空载转速
（4）求额定转矩
3.3.2直流他励电动机的人为机械特性
（1）电枢回路中串联附加电阻时的人为机械特性
（2）改变电枢电压U时的人为机械特性
（3）改变磁通Ф的人为机械特性
从图中可以看出，每条人为特性曲线均与固有特性曲线相交，交点左边的一段在固有特性曲线之上，邮编的一段在固有特性曲线之下，而在额定运转条件下（额定电压、额定电流、额定功率）下，电动机总是工作在交点的左边区域内。
削弱磁通时，必须注意的是：
当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载。
另外，当磁通为零时，从理论上说，电动机转速趋于无穷大，实际上励磁电流为零时，电动机尚有剩磁，这时转速虽不趋于无穷大，但会升到机械强度不允许的数值，通常称为“飞车”。
因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运动过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
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