直流電機(jī)教材

1、 核準(zhǔn)核準(zhǔn)審查審查 【直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)】1種類2工作原理3使用方法4選用方法主要內(nèi)容介紹直流電動(dòng)機(jī)一般可分為電磁式和永磁式，電磁式電動(dòng)機(jī)除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵(lì)磁繞組通以直流電流用以建立磁場(chǎng)。電樞繞組和勵(lì)磁繞組可以用兩個(gè)電源單獨(dú)供電，也可以由一個(gè)公共電源供電。按勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)可以分為他勵(lì)并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)等形式。由于勵(lì)磁方式不同，它們的特性也不同。一直流電動(dòng)的種類1 1、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)電源供電，如圖1所示。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于采用單獨(dú)的勵(lì)磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍很寬，多用于主機(jī)拖動(dòng)中。 2 2、并勵(lì)電動(dòng)

2、機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組是和電樞繞組并聯(lián)后由同一個(gè)直流電源供電，如圖2所示，這時(shí)電源提供的電流I等于電樞電流Ia和勵(lì)磁電流If之和，即I=Ia+If。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的特點(diǎn)是導(dǎo)線細(xì)、匝數(shù)多、電阻大、電流小。這是因?yàn)閯?lì)磁繞組的電壓就是電樞繞組的端電壓，這個(gè)電壓通常較高。勵(lì)磁繞電阻大，可使If減小，從而減小損耗。由于If較小，為了產(chǎn)生足夠的主磁通，就應(yīng)增加繞組的匝數(shù)。由于If較小，可近似為I=Ia。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較好，在負(fù)載變時(shí)，轉(zhuǎn)速變化很小，并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。因此應(yīng)用廣泛。3 3串勵(lì)電動(dòng)機(jī)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源

3、，如圖3所示。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的特點(diǎn)是其勵(lì)磁電流If就是電樞電流Ia，這個(gè)電流一般比較大，所以勵(lì)磁繞組導(dǎo)線粗、匝數(shù)少，它的電阻也較小。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)多于負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化的和要求有較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備中。4 4、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 這種直流電動(dòng)機(jī)的主磁極上裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，另一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，如圖4所示，所以復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性兼有串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，所以也被廣泛應(yīng)用。5 5、永磁電電動(dòng)機(jī)、永磁電電動(dòng)機(jī)這種直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁繞組直接以永久磁鐵建立磁場(chǎng)來(lái)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種電動(dòng)機(jī)在許多小型電子產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。在以上四種類型的直流電動(dòng)機(jī)中，以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和他勵(lì)直流

4、電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。二二直流電動(dòng)的工作原理直流電動(dòng)的工作原理1 1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)主要由磁極、電樞、換向器三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。（1）磁極。磁極是電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，如圖5所示。它分成極心和極掌兩部分。極心上放置勵(lì)磁繞組，極掌的作用是使電動(dòng)機(jī)空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布最為合適，并用來(lái)?yè)踝?lì)磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機(jī)座（即電機(jī)外殼）上；機(jī)座也是磁路的一部分。機(jī)座常用鑄鋼制成。（2）電樞。電樞是電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的部分。直流電動(dòng)機(jī)的電樞是旋轉(zhuǎn)的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組，如圖7所示。（3）換向器（整流子）換向器是

5、直流電動(dòng)機(jī)的一種特殊裝置，其外形如圖8所示，主要由許多換向片組成，每?jī)蓚€(gè)相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。換向器是直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，易于識(shí)別。 2 2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理在電刷AB之間加上直流電壓U，電樞線圈中的電流流向?yàn)椋篘極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣兩個(gè)有效邊中受到的電磁力的方向一致，電樞開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)換向器可以實(shí)現(xiàn)線圈的有效邊從一個(gè)磁極如N極轉(zhuǎn)到另一個(gè)磁極下如S極時(shí)，電流的方向同時(shí)發(fā)生改變，從而電磁力或電磁轉(zhuǎn)距的方向不發(fā)生改變。電磁轉(zhuǎn)距是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距，其大小

6、也為：T=KTIa。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)距T2及空載損耗轉(zhuǎn)距T0相平衡。即T=T2+ T0另外當(dāng)電樞繞組在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流或外加電壓的方向相反，稱之為反電動(dòng)勢(shì)。其大小為：E=kEn方向與Ia相反?，F(xiàn)在我們來(lái)具體分析一下直流電動(dòng)機(jī)是怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖a中直流電流從電刷B換向器E流入,經(jīng)線圈abcd從換向器F電刷A流出。線圈ab和cd分別受到電磁力的作用通過(guò)左手定則判斷可知產(chǎn)生的電磁力F的方向如圖a所示線圈便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。圖b中線圈轉(zhuǎn)到平衡位置時(shí)兩電刷恰好接觸到兩半環(huán)間的絕緣部分線圈由于慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置以后電流即改變方向。

7、圖c中與圖a中電流流向恰好相反但根據(jù)左手定則可知電磁力方向如圖所示線圈仍然以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。圖d中線圈又轉(zhuǎn)到平衡位置電流又自動(dòng)改變方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。就這樣線圈便周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。三、直流電動(dòng)機(jī)的使用三、直流電動(dòng)機(jī)的使用直流電動(dòng)機(jī)的使用主要包括起動(dòng)、調(diào)速等。這里我們以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例討論其起動(dòng)和調(diào)速情況。起動(dòng)起動(dòng) 1 1定義定義電動(dòng)機(jī)接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙椒€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過(guò)程稱為起動(dòng)過(guò)程。這里分析穩(wěn)態(tài)起動(dòng)即n=0,Ea=0之瞬間，起動(dòng)電流將很大。起動(dòng)問(wèn)題是評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)性能的重要方面之一。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。但這里只介紹穩(wěn)態(tài)情況，即在電動(dòng)機(jī)接入電源瞬間，轉(zhuǎn)子待轉(zhuǎn)而未轉(zhuǎn)動(dòng)這一瞬間的狀態(tài)。系統(tǒng)要求起動(dòng)電

8、流要小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大的原因是要保證電源供電質(zhì)量和起動(dòng)時(shí)間要短。2 2對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求 a起動(dòng)電流要??；b起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；c起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單便可靠。3 3起動(dòng)方法起動(dòng)方法(1)(1)直接起動(dòng)（即全壓起動(dòng)）直接起動(dòng)（即全壓起動(dòng)）操作方法簡(jiǎn)便，不需任何起動(dòng)設(shè)備，只需兩個(gè)開(kāi)關(guān)（勵(lì)磁開(kāi)關(guān)和電樞開(kāi)關(guān)）即可但起動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，可達(dá)（1020）IN，從而沖擊電源電壓，影響同一電源的其他設(shè)備正常運(yùn)行。還對(duì)電機(jī)本身造成換向困難引起較大火花。故全壓起動(dòng)僅用于微小型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。(2)(2)在電樞回路外串電阻在電樞回路外串電阻RstRst起動(dòng)起動(dòng) UIst - R內(nèi) Rst 從公式可以說(shuō)明，電樞回路

9、的外串電阻Rst 增大，起動(dòng)電流Ist 必然減小， Rst的值一般能使起動(dòng)電流等于電流的1.52倍即可。早已存專用三點(diǎn)式或四點(diǎn)式起動(dòng)器。使用起動(dòng)器時(shí)，起動(dòng)過(guò)程中外串電阻Rst逐段切除。這種電阻起動(dòng)法廣泛應(yīng)用于小型直流電動(dòng)機(jī)，較大容量和經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)常采用降壓起動(dòng)去，依靠降低電動(dòng)機(jī)端電壓來(lái)限制起動(dòng)電流。降壓起動(dòng)需要一套調(diào)壓供電裝置作為電動(dòng)機(jī)電源，常用于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，只降低電樞兩端電壓，勵(lì)磁電壓保持不變。(3)(3)降壓?jiǎn)?dòng)降壓?jiǎn)?dòng) QIst - R內(nèi) 從公式看出，降低電樞電壓，Ist 減小。優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有起動(dòng)電阻，起動(dòng)過(guò)程平滑，起動(dòng)過(guò)程中能量損耗少。缺點(diǎn)：專用降壓設(shè)備，成本較高。需注意的是需注意的是

10、，直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或工作時(shí)，勵(lì)磁電路必須保持接通裝態(tài)，不能讓它斷開(kāi)（起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁）。否則，由于磁路中只有很小的剩磁，可能發(fā)生下述事故。如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，因轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa)，不能起動(dòng)；由于反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)勵(lì)磁電路，電動(dòng)勢(shì)立即減小而使電樞電流增大；同時(shí)由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能滿足負(fù)載需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停車，更加促使電樞電流的增大，以致燒毀電樞和換向器。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如果空載運(yùn)行，它的轉(zhuǎn)速可能上升到很高的值（這種事故叫“飛車”），使電機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且還會(huì)因電樞電流過(guò)大將繞組燒毀。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速并勵(lì)或

11、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修也不方便，但是在調(diào)速性能上有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槭蠡\式電動(dòng)機(jī)在一般情況下是不能調(diào)速的，更不能無(wú)級(jí)調(diào)速，因此，對(duì)調(diào)速要求高的印刷設(shè)備，均采用直流電動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)能無(wú)級(jí)調(diào)速，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=U-IaRa/KE可知，Ra、和U中的任意一個(gè)值，都可使轉(zhuǎn)速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進(jìn)行調(diào)速。但其缺點(diǎn)是耗電多，電機(jī)機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，且只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，故這種方法目前已較少采用?，F(xiàn)常用的對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有調(diào)磁法和調(diào)壓法。1 1調(diào)磁法調(diào)磁法即改變磁通量。當(dāng)保持電源電壓U為額定值時(shí)，調(diào)節(jié)R

12、f，改變勵(lì)磁電流If以改變磁通量，如圖10所示。由于n=U/KE-Ra/KTKEn=U/KE-Ra/KTKET T可知磁通減少時(shí)，n0升高，轉(zhuǎn)速降n增大，在一定負(fù)載下，愈小，則n愈高。由于電動(dòng)機(jī)在額狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它的磁路已接近飽和，所以通常都是減小磁通(n)，將轉(zhuǎn)速往上調(diào)(nnn)。調(diào)速的過(guò)程是：當(dāng)電壓U保持恒定時(shí)，減小磁通。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速產(chǎn)立即發(fā)生變化，于是反電動(dòng)勢(shì)E=KEn就減小，Ia隨之增加。由于Ia增加的影響超過(guò)減小的影響，所以轉(zhuǎn)矩T=KTIa也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩Tc未變，則TTc轉(zhuǎn)速n上升。隨著n的升高，反電動(dòng)勢(shì)E增大，Ia和T也著減小，直到T=Tc時(shí)為止。但這時(shí)轉(zhuǎn)速已比原來(lái)升高了

13、。必須指出，若電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行，則電樞電流Ia為額定值，如果調(diào)速時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍舊保持不變（為額定值），由于T=KTIa，故減小磁通量后Ia必然超過(guò)額定值，因此調(diào)速后負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。這種調(diào)速方法適用于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比而輸出功率基本不變（恒功率調(diào)速）的場(chǎng)合。這種調(diào)速方法有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速平滑，可無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。這種調(diào)速方法的局限是轉(zhuǎn)速只能升高，即調(diào)速后的轉(zhuǎn)速要超過(guò)額定轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)不允許超速太多，因此限制了它的調(diào)速范圍。在實(shí)際工作中，這種方法常作為電壓調(diào)速的一種補(bǔ)充手段。2 2調(diào)壓法調(diào)壓法，即改變電壓U。當(dāng)保持他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If為額定值時(shí)，降低電樞

14、電壓U，則由n=U/KTn=U/KT-Ra/KE-Ra/KEKTKT22T T可見(jiàn)，n0變低了，但n未改變。在一定負(fù)載下，U愈低，則n愈低。由于改變電樞電壓只能向小于電動(dòng)機(jī)額定電壓的方向改變，所以轉(zhuǎn)速將下調(diào)(nn)。調(diào)速的過(guò)程是：當(dāng)磁通保持不變時(shí)，減小電壓U由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動(dòng)勢(shì)E便暫不變化，于是電流Ia減小，轉(zhuǎn)矩T也減小。如果阻轉(zhuǎn)矩Tc未變，則TTc，轉(zhuǎn)速n下降。隨著n的降低，反電動(dòng)勢(shì)E減小，Ia和T增大，直到T=Tc時(shí)為止。但這時(shí)轉(zhuǎn)速已比原來(lái)降低了。由于調(diào)速時(shí)磁通不變，如在一定的額定電流下調(diào)速，則電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩便是一定的（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）。這種調(diào)速方法有下列優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性較好；調(diào)速幅度大；可均勻調(diào)節(jié)電樞電壓；得到平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。這種調(diào)速方法的缺點(diǎn)是調(diào)壓需用專門(mén)的設(shè)備，投資較高。近年來(lái)由于采用了可控硅整流電源對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)速，使這種方法得到了廣泛應(yīng)用。許多設(shè)備中直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速多采用這種方法。四四直流電動(dòng)機(jī)的選用方法直流電動(dòng)機(jī)的選用方法1選用原則選用原則(1)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性啟動(dòng)制動(dòng)調(diào)速及其它控制性能應(yīng)滿足工作特性和生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中對(duì)電源供電質(zhì)量的影響(如電壓波動(dòng)諧波干擾等)應(yīng)在容許范圍內(nèi)。(2)按預(yù)定的工作制