直流电机的工作原理及特性

1. 掌握直流电机电势方程式, 转矩方程式和电压平衡方程式
2. 掌握直流电动机的机械特性，特别是人工机械特性；
3. 掌握直流电动机起动制动, 调速的各种方法和应用场合;
4. 了解用机械特性来分析直流电动机运行状态的方法。

3.1 直流电机的基本结构和工作原理

3.1.1 直流电机的基本结构

直流电机的结构分为两大块：定子和转子。

定子的作用是产生主磁场以及机械支撑。定子主要有4个组成部分：机座、主磁极、换向极、电刷。

转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，主要的能量交换在这里完成。转子主要有4个组成部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴。

电枢铁心绝缘是因为要减少涡流。外缘槽中是绕组，绕组的两端是换向片。

换向器和电刷最容易出故障，因为他们是滑动接触，容易产生火花导致烧伤。

电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷圈内给弹簧一定的压力以产生接触。

磁路：当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通$\phi$，经主磁极铁心、空气隙、电枢铁心、机座形成的闭合回路。

分析绕组的时候，可以简化为一个线圈。注意，使用左手定则和右手定则分析将分析的是不同的机器：区别在于左手判断电动机，右手判断发电机。（左力右电）

3.1.2 直流电机的工作原理

电机可以简化为以下模型：

磁极不动，线圈绕组旋转，换向片旋转，电刷A，B不动。

发电机：电磁感应，电生磁

电磁感应：

$$V=-N\frac{d \phi}{dt}$$

也可以说是：

$$e=BLv$$

我们将其应用到两个电刷之间：

$$E=K_e\phi n$$

式中：

• $E$—— 感应电动势 （V） ；
• $Φ$—— 对磁极的磁通 （ Wb ） ；
• $n$—— 电枢转速 （ r/min ） ；
• $K_e$—— 与电机结构有关的常数

电动机：安培（电磁力），磁生电

安培力：

$$\mathbf{F} = I \mathbf{L} \times \mathbf{B}$$

结论

1. 直流电机的可逆性

输入机械能，机械能转换为直流电能，作为直流发电机，从电刷上输出直流电能；

若从电刷上输入直流电能，可以作为直流电动机，从轴上输出机械能。

2. 换向器的作用

将电机内部的交流电转换成直流电。他们是支持相互转换的。

3.1.3 电动势和电磁转矩

电枢转动，电枢绕组的导体会切割磁力线，产生感应电势；

电枢绕组通过电流，与气隙磁场

3.3 直流电动机的机械特性

主要研究的是他励方式。他励方式的特点是励磁绕组和电枢是不同的电源供电。

3.3.1 他励电动机的机械特性

$$E=K_e\phi n$$$$T = K_t \phi I_a$$$$U = E+ I_aR_a$$$$T = T_0+T_L$$

推导得出转速的表达式:

$$n = \frac{U}{K_e \phi}-\frac{I_a R_a}{K_e \phi}$$

为什么偏偏是求转速呢？因为在实际运行过程中，我们需要去调速（可控直观的变量，将电动机的电气参数（电压、电流、电阻）与其机械输出（转速）联系起来）。

1. 调节电枢供电电压$U$
2. 减弱励磁磁通$\phi$
3. 改变电枢回路电阻$R$

直流电动机的转速特性$n=f(I_a)$

电动机的电磁转矩$T$与转速$n$的关系$n=f(T)$：

转速特性：

$$n= =\frac{U-I_aR_a}{K_e\phi}$$

机械特性：

$$\frac{U}{K_e \phi}-\frac{I_a R_a}{K_e \phi}$$

必须要掌握电动机的机械特性，特别是人为机械特性（可以人工干涉控制）。它是分析启动、调速和制动特性的依据。

特性曲线的信息：

注意，$\beta$不是这个直线的斜率，而是斜率的倒数

1. 固有(自然)机械特性和人工机械特性

1. 他励电动机的固有机械特性(正转)

定义：在额定电压$U_N$, , 额定磁通$φ_N$ 下, 电枢电路内不外接电阻时的机械特性曲线$n=f(T)$

$$n = \frac{U_N}{K_e\phi_N}-\frac{TR_a}{K_e\phi_N^2}$$

额定功率$P_N$、额定电压$U_N$、额定电流$I_N$和 额定转速$n$

内阻是一个估算值。

2. 他励电动机的人为机械特性

人为机械特性: 人为地改变电枢外加电压$U$和励磁磁通$Φ$以及电枢回路串接附加电阻 R R ad 所得到的机械特性。

$$n = \frac{U}{K_e\phi}-\frac{TR_a}{K_eK_t\phi^2}$$$$=n_0-\Delta n$$

(1) 电枢回路串电阻的人为机械特性

在额定电压$U_N$、 额定励磁$I_f$( 额定磁通$Φ_N$)时：

$$U=U_N, \phi = \phi_N$$$$R_a \rightarrow R_{ad}+R_a$$

3.4 直流他励电动机的启动特性

3.4.1 直流他励电动机的启动特性

电动机的启动: 施电于电动机，电机转子转动达到要求转速的过程。

3.4.2 直流他励电动机的启动方法

3.5 直流他励电动机的调速特性

3.5.1 速度调节和速度变化

3.5.2 调速方法

3.6 直流他励电动机的制动特性

3.6.1 反馈制动

3.6.2 反接制动