三相异步电动机.ppt

3.1 三相异步电动机的构造与原理,第三 章 电动机,3.异步电动机的转矩与机械特性,3.异步电动机的控制,3.单相异步电动机的构造与原理,3.直流电动机,本章要求：,第3 章电动机,1)了解三相异步电动机的基本结构、工作原理。2）了解三相异步电动机的机械特性，掌握起动、调速、反转和制动。3）了解单相异步电动机的基本结构、工作原理。4）了解直流电机的基本结构和工作原理。5）了解直流电动机的起动、反转和调速。,电动机的分类：,第3 章 电动机,实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。,机械能,电能,发电机,电动机,直流电动机的最大特点,优良的调速性能起动转矩也比较大,生产成本较高需要使用直流电源维护要求较高,应用：,轧钢机、龙门刨床等主传动机构某些电力牵引和起重设备电车及电力机车,交流异步电动机,构造简单、价格便宜、工作可靠、使用维护方便,应用：,金属切削机床、起重机、传送带、功率不大的水泵、通风机,在全国电动机总容量中有85以上是三相异步电动机。,3.1 三相异步电动机的构造与工作原理,3.1.1.构造,笼型电机的各部件,下面是它主要部件的拆分图。,铁心：由内周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成。磁路的一部分,机座：铸铁或钢板焊接,支撑铁心和固定电机,硅钢片,装有三相绕组的定子,1、定子,定子绕组,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y 联结,联结,定子绕组的基本要求,1）三相绕组对称；力求获得最大的电动势和磁动势；,2）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；,3）工艺简单、便于制造、安装和检修。,2、转子,转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流,产生旋转力矩。,转轴转子铁心转子绕组,0.5mm的硅钢片叠压,按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,继续,继续,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,笼型转子,(2)绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。,绕线式转子绕组与外接变阻器的连接,3.2 三相异步电动机的工作原理,3.2.1旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；,三相电流合成磁场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,o,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,1、旋转磁场的旋转方向,结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,任意调换两根电源进线,若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,2、旋转磁场的极对数P,极对数,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,3、旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n1与极对数 p 的关系,3.2.2 三相电动机的工作原理,1.转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,方向:顺时针,感应电动势 E20,电磁力F,拇指：导线运动方向，四指电动势方向,四指：电动势方向，拇指：电磁力方向,3.2.3 转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,三、异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n1=1000 r/min,即,p=3,额定转差率为,985-1071,3.2.4 三相异步电动机铭牌数据,1、型号,例如：Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,2.电压,例如：380/220V、Y/是指线电压为 380V 时 采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 联结。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,3.电流,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,例如：Y/6.73/11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,4.功率与效率,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。,注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。,5.功率因数,电压与电流的相位差的余弦.是电动机的总电功率，为有功功率。三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。,如：n N=1440 转/分 sN=0.04,n0同步转速nN 转轴转速,7.额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,6.,3.2 三相异步电动机转矩与机械特性,4.2.1 转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电机结构有关,旋转磁场每极磁通,转子电流,转子电路的功率因数,电磁转矩公式,可推导出,由公式可知,电磁转矩公式,1.T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T,2.当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3.R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转矩。,4.2.2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当 U1 一定时，Tmax为定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax，否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,3.起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n=0 时，s=1,(2)Tst与 R2 有关，适当使 R2 Tst。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2,可使Tst=Tmax。,Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,4.电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。,此过程中，n、sE2,I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T=T2,n,T,达到新的平衡,3.3 异步电动机的运行与控制,起动问题：起动电流大，起动转矩小。一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4 7 倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,直接起动：n=0，s=1,接通电源。,4.3.1 起动方法,直接起动 7.5千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于笼型电动机）,转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设：电机每相阻抗为,1、降压起动,(1)Y 换接起动,降压起动时的电流为直接起动时的,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y-换接起动应注意的问题,(2)自耦降压起动,Q2下合：接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合：切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成 Y形不能采用Y起动的笼型异步电动机。,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2、绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst,转子电路串电阻起动的特点,1、变频调速(无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,3.3.2 三相异步电动机的调速,2、变极调速(有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,P=2,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,3、变转差率调速(无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机正转,电动机反转,3.2.3 三相异步电动机的正、反转,3.2.4 三相异步电动机的制动,1、能耗制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,2、反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,3、回馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,n n0,三相异步电机的选配：1.类型选择 笼型异步电动机 适合无调速要求的中小容量的生产机械，如泵、风机、压缩机等 绕线型异步电动机适合有一定调速要求，又经常启动且容量较大的生产机械，如起重机、卷扬机、吊车等。2.防护等级的选择：在空气干燥、灰尘少、无水土飞溅和无腐蚀气体的场合选用防护式电动机；尘土飞扬、潮湿或有腐蚀气体的场合要用密封式电动机；有爆炸气体的场合，选用防爆式电动机。转速的选择：一般选择电动机的转速和作业机械的转速相同或相近；对于低速的工作机械，选配一台高转速的电动机，这是需要配减速器；低速电动机由于转矩大、启动快、启动电流小，在需要频繁启动的场合最好选用低速电机。,容量的选择电动机容量的选择是由工作机械的工作方式和功率来决定的电动机也相应的设计成连续、短时和断续三种工作方式连续工作方式的电动机适用于长期恒载的作业机械，如水泵、脱谷机和粉碎机等有些生产机械，如小型水电站和渠道的闸门等选择短时运行的电动机,电动机的运行与维护,1.运行前要清除电动机内的灰尘和杂物，并检查启动设备的绝缘电阻、电源电压、电动机接线及电动机的接地保护等项目。2.笼型异步电动机在全压启动时，连续启动次数不能过多，冷态时不宜超过四次，热态时不应超过两次并且间隔时间要长些3.运行时要时常注意电动机的三相电流和电压的变化，要防止电动机的两相运行。,3.4 单相异步电动机,内容要点：,一、概述,单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电动机。1、应用情况广泛应用于家用电器（电风扇、电冰箱、洗衣机等）、空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。,了解单相异步电动机的结构特点、优缺点及应用情况；掌握单相异步电动机的工作原理，重点掌握单相异步 电动机的的起动方法与类型。,2、优缺点,优点：结构简单，成本低廉，噪音小。缺点：与同容量三相异步电动机相比较，体积较大，功率因数及过载能力都较低。故单相异步电动机只能作成小容量：微型：几瓦750瓦；小型：550瓦3700瓦。,二、单相异步电动机的结构,单相异步电动机中，专用电机占有很大比例，它们的结构各有特点，形式繁多。单相异步电动机有多种类型，目前应用最多的是电容分相的单相异步电动机，这实际上是一种两相运行的电动机。但就其共性而言，电动机的结构都由固定部分-定子、转动部分-转子、支撑部分-端盖和轴承等三大部分组成。1、机座 2、铁心 3、绕组 4、端盖 5、轴承 6、离心开关或起动继电器和PTC起动器 7、铭牌,与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌有定子绕组。单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可，但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运行的电动机没有起动转矩。为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。,1、机座 机座结构随电动机冷却方式、防护型式、安装方式和用途而异。按其材料分类，有铸铁、铸铝和钢板结构等几种。铸铁机座，带有散热筋。机座与端盖联接，用螺栓紧固。铸铝机座一般不带有散热筋。钢板结构机座，是由厚为1.5-2.5毫米的薄钢板卷制、焊接而成，再焊上钢板冲压件的底脚。有的专用电动机的机座相当特殊，如电冰箱的电动机，它通常与压缩机一起装在一个密封的罐子里。而洗衣机的电动机，包括甩干机的电动机，均无机座，端盖直接固定在定子铁心上。,2、铁心 铁心包括定子铁心和转子铁心，作用与三相异步电动机一样，是用来构成电动机的磁路。3、绕组 单相异步电动机定子绕组常做成两相：主绕组（工作绕组）和副绕组（启动绕组）。两种绕组的中轴线错开一定的电角度。目的是为了改善启动性能和运行性能。定子绕组多采用高强度聚脂漆包线绕制。转子绕组一般采用笼型绕组。常用铝压铸而成。4、端盖 相应于不同的机座材料、端盖也有铸铁件、铸铝件和钢板冲压件。,6、离心开关或起动继电器和PTC起动器（1）离心开关 在单相异步电动机中，除了电容运转电动机外，在起动过程中，当转子转速达到同步转速的70%左右时，常借助于离心开关，切除单相电阻起动异步电动机和电容起动异步电动机的起动绕组，或切除电容起动及运转异步电动机的起动电容器。离心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。（2）起动继电器 有些电动机，如电冰箱电动机，由于它与压缩机组装在一起，并放在密封的罐子里，不便于安装离心开关，就用起动继电器代替。继电器的吸铁线圈串联在主绕组回路中，起动时，主绕组电流很大，衔铁动作，使串联在副绕组回路中的动合触点闭合。于是副绕组接通，电动机处于两相绕组运行状态。随着转子转速上升，主绕组电流不断下降，吸引线圈的吸力下降。当到达一定的转速，电磁铁的吸力小于触点的反作用弹簧的拉力，触点被打开，副绕组就脱离电源。,（3）PTC起动器 最新式的启动元件是“PTC”，它是一种能“通”或“断”的热敏电阻。PTC热敏电阻是一种新型的半导体元件，可用作延时型起动开关。使用时，将PTC元件与电容起动或电阻起动电机的副绕组串联。在起动初期，因PTC热敏电阻尚未发热，阻值很低，副绕组处于通路状态，电机开始起动。随着时间的推移，电机的转速不断增加，PTC元件的温度因本身的焦耳热而上升，当超过一定温度Tc，电阻剧增，副绕组电路相当于断开，但还有一个很小的维持电流，并有2-3瓦的损耗，使PTC元件的温度维持Tc值以上。当电机停止运行后，PTC元件温度不断下降，约2-3分钟其电阻值降到Tc点以下，这时又可以重新启动，这一时间正好是电冰箱和空调机所规定的两次开机间的停机时间。PTC起动器的优点：无触点、运行可靠、无噪无电火花，防火、防爆性能好。且耐振动、耐冲击、体积小、重量轻、价格低。,铭牌 包括：电机名称、型号、标准编号、制造厂名、出厂编号、额定电压、额定功率、额定电流、额定转速、绕组接法、绝缘等级等。三、单相异步电动机的工作原理 当给三相异步电动机的定子三相绕组通入三相交流电时，会形成一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子将获得启动转矩而自行启动。当三相异步电动机通入单相交流电时就不能产生旋转磁场。下面来分析单相异步电动机定子绕组通入单相交流电时产生的磁场情况。如下图所示为一台简单的单相异步电动机原理图，定子铁心上布置有单相定子绕组，转子为鼠笼结构。,电流正半周产生的磁场 电流负半周产生的磁场,电流正半周产生的磁场,单相异步电动机的工作原理,结构：定子放单相绕组（其中通单相交流电）；转子一般用鼠笼式。,定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。,交流电流波形,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,单相异步电动机的特点：,自身没有起动转矩,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,三、基本工作原理,1、单相绕组通入单相交流电时的情况,单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势，一个脉动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁势。分别用F+、F-表示，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。,为了能产生旋转磁场，利用启动绕组中串联电容实现分相，其接线原理如图3.2（a）所示。只要合理选择参数便能使工作绕组中的电流 与启动绕组中的电流 相位相差90，如图3.2（b）所示，分相后两相电波形如图5.3所示。设 则,图3.2 电容分相单相电动机接线图及相量图,图3.3 两相电流波形图,如同分析三相绕组旋转磁场一样，将正交的两相交流电流通入在空间位置上互差90的两相绕组中，同样能产生旋转磁场，如图5.4所示。,与三相异步电动机相似，只要交换启动绕组或工作绕组两端与电源的连接便可改变旋转磁场的方向。,图5.4 两相旋转磁场,设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为,对反转磁场而言，转差率s-为,单相异步电动机的T=f(s)曲线,分析：1）转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相异步电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。三相异步电动机电源断一相，相当于一台单相异步电动机，故不能起动。,2）当s1时，T0，且T无固定方向，取决于s的正负。一旦旋转，转向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。三相感应电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。,3）由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力低，TF不变，n下降S上升I2上升I1上升温升增加。,三、起动方法1.分相起动电动机电容起动电动机：由起动绕组转向工作绕组；电容电动机：实为两相异步电动机；电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比较容易起动的场合。2.罩极电动机结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴表面的处开槽，小极部分罩短路环（即为罩极绕组）；工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中，容量一般在3040瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分。,1、电容分相式起动,单相异步电动机的起动,2、罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,1、直流电动机的构造,4.5 直流电动机,定子,转子,机座、主磁极、换向极、电刷装置等,铁心、绕组、换向器,作用是产生磁场和作电机的机械支撑,产生感应电动势实现能量转换的关键部分。,直流电机的主要结构：,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。,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。,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。,额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,额定电压UN:额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V，440V）,额定电流IN:额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。三者关系：PN=UNIN（：效率）,额定转速nN:在PN,UN,IN 时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN。,2、直流电动机的额定值,注意,3、直流电机的基本工作原理,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。,电刷,换向片,换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。,分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机,1、电容起动电动机,特点：）起动绕组和电容按短时工作设计；）电容起分相和提高功率因数的作用。由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达7580%n1时，离心开关自动打开。,2、电容电动机 电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容应按长期工作设计。,）起动绕组和电容器按长期工作设计；）过载能力、功率因数和效率均较高；）容量能做到五十瓦至几千瓦；）应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。,3 电阻起动电动机,在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。,小结：,1、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应用情况，单相异步电动机广泛应用于家电、医疗器械、轻工设备中；,2、单相感应电动机的工作原理，为什么没有起动转矩？,3、单相感应电动机的的起动方法与类型,1、直流电动机的构造,4.5 直流电动机,4.5.1 直流电机的构造与工作原理,定子,转子,机座、主磁极、换向极、电刷装置等,铁心、绕组、换向器,作用是产生磁场和作电机的机械支撑,产生感应电动势实现能量转换的关键部分。,直流电机的主要结构：,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。,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。,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。,额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,额定电压UN:额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V，440V）,额定电流IN:额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。三者关系：PN=UNIN（：效率）,额定转速nN:在PN,UN,IN 时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN。,3、直流电动机的额定值,注意,3、直流电机的基本工作原理,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。,电刷,换向片,换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。,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。,1）电枢感应电动势,Ea=Ce n,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。,式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻,2）电枢回路电压平衡式,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Tem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,Tem=CT 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,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,Tem,E,Ea=Ce n,4.5.2并励直流电动机的机械特性,由图可求得,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,令：,由以下公式,求得,4.5.2并励直流电动机的机械特性,转速降,式中：,n=f(T)特性曲线,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）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,4.5.3 并励电动机的起动、反转与调速,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；,1.起动问题：,(1)起动电流大,(2)起动转矩大,起动转矩为(1020)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,2.起动方法,3.注意事项,(1)电枢串电阻起动法,(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：,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,(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。,（Ea Ia Tem T0 n飞车）,3.反转,电磁转矩：Tem=CT 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：,4、并励(他励)电动机的调速,1）调速均匀平滑，可以无级调速。2）调速范围大，调速比可达200 以上,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点：,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,可见：在U 一定的情况下，改变可改变转速n。,1）改变磁通调速,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调Rf)以改变磁通。,由式,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即,改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变时的机械特性如图。,动画,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达,例如5302120 r/min及3101 240 r/min。,减小 调速的特点：,(1)若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。,使用调磁调速时应注意：,2）改变电压调速,调速特性是一组平行曲线,特性曲线,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN，而n U,所以调速 只能向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。,(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较大。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,3、电枢串电阻调速,电枢中串入电阻,使 n、n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此 n 只能下调。,特点：(1)设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,Ra+R,电阻增大,由直流电动机、单向传动机构和操纵机构三大部分组成.,直流电动机是起动机的核心。其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩。单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩。,4.5.4车用起动机,1、车用起动机基本组成,操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路。,车用起动机的直流电动机主要由磁极、电枢、换向器等部件组成。一般采用串励式直流电动机。,一般的车用起动机的电动机有四个励磁绕组。励磁绕组有两种连接方式：励磁绕组全部串联；或励磁绕组两两串联之后再并联的复式接法。,复式接法可以在绕组导体截面相同的情况下，增大起动电流，从而提高了起动转矩。功率大于7.35KW的起动机有采用六个励磁绕组的。,2、串励电动机的机械特性 因为串励电动机的励磁绕组与电枢电路串联，所以它的特点是磁通随负载而改变。1）当电流较小时，磁路未饱和，可认为磁通与电枢电流成正比，即Ia；2）当负载电流较大时，磁路趋于饱和，此时可认为磁通基本不随负载电流变化.可见，串励电动机机械特性较软。这种特性特别适用于起重、提升和运输等设备。因为当负载减少时，转速能自动升高，可提高生产率。当负载增大时，转速自动降低，可保证安全运行，并且此时电动机的转矩大为增加，相对来说电流却增长不多，故具有较大的过载能力。必须注意：1）串励电动机不能空载或轻载运行。空载或轻载时转速很高，往往超过机械强度的允许限度，损坏电机。2）为安全起见，串励电动机与生产机械之间绝不允许采用皮带等传动，以免皮带等断裂或脱落时造成空载运行，转速过高而发生“飞车”的危险。,。,复励电机的特性介于并励与串励电机之间,Automobile Electrics,第 9 章 辅助电器,9.1.1 雨刮电机及刮水器,1、5刮片架；2、4、6摆杆；3、7、8连杆；9蜗轮；10蜗杆；11永磁式电动机；12支架,2.结构原理（见右图）,1.作用 除去挡风玻璃上的水、雪及沙尘，保证在不良天气时驾驶员仍具有良好的视线。,Automobile Electrics,第 9 章 辅助电器,9.1.1 雨刮电机及刮水器,（1）刮水器电动机（右图）（2）三刷式电动机变速原理（下图）,1电枢 2永久磁铁磁极 3蜗杆 4蜗轮 5自动停位滑片,Automobile Electrics,第 9 章 辅助电器,9.1.1 雨刮电机及刮水器,（3）永磁式双速刮水器控制电路,Automobile Electrics,第 9 章 辅助电器,9.1.1 雨刮电机及刮水器,（4）电子间歇刮水器控制电路,