直流电机教材

nullnull 核准﹕审查﹕ 【直流电动机】主要内容介绍1﹑种类 2﹑工作原理 3﹑使用 4﹑选用方法 主要内容介绍一﹑直流电动的种类直流电动机一般可分为电磁式和永磁式，电磁式电动机除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励﹑并励、串励﹑和复励等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不同。一﹑直流电动的种类1、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，如图1所示。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。 2、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，如图2所示，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。 并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕电阻大，可使If减小，从而减小损耗。由于If较小，为了产生足够的主磁通，就应增加绕组的匝数。由于If较小，可近似为I=Ia。 并励直流电动机的机械特性较好，在负载变时，转速变化很小，并且转速调节方便，调节范围大，启动转矩较大。因此应用广泛。null3﹑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，如图3所示。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。串励电动机多于负载在较大范围内变化的和要求有较大起动转矩的设备中。 4、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，如图4所示，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。 5、永磁电电动机 这种直流电动机没有励磁绕组﹐直接以永久磁铁建立磁场来使转子转动。这种电动机在许多小型电子产品上得到了广泛应用。 在以上四种类型的直流电动机中，以并励直流电动机和他励直流电动机应用最为广泛。null二﹑直流电动的工作原理 1﹑直流电动机的结构 直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成，其结构如图5所示。 （1）磁极。磁极是电动机中产生磁场的装置，如图5所示。它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座（即电机外壳）上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，面冲有槽，槽中放有电枢绕组，如图7所示。 （3）换向器（整流子） 换向器是直流电动机的一种特殊装置，其外形如图8所示，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。null 2．直流电动机的工作原理 在电刷AB之间加上直流电压U，电枢线圈中的电流流向为：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。这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现线圈的有效边从一个磁极如N极转到另一个磁极下如S极时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转距的方向不发生改变。电磁转距是驱动转距，其大小也为：T=KTΦIa。电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡。即T=T2+ T0 另外当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电动势。其大小为：E=kEΦn方向与Ia相反。null现在我们来具体一下直流电动机是怎样转动的。 图a中﹐直流电流从电刷B﹐换向器E流入,经线圈abcd﹐从换向器F﹐电刷A流出。线圈ab和cd分别受到电磁力的作用﹐通过左手定则判断可知产生的电磁力F的方向如图a所示﹐线圈便顺时针方向转动起来。 图b中﹐线圈转到平衡位置时﹐两电刷恰好接触到两半环间的绝缘部分﹐线圈由于惯性作用继续转动转过平衡位置以后﹐电流即改变方向。null 图c中与图a中电流流向恰好相反﹐但根据左手定则可知电磁力方向如图所示﹐线圈仍然以顺时针方向转动。 图d中﹐线圈又转到平衡位置﹐电流又自动改变方向继续转动。 就这样线圈便周而复始的转动起来。null三、直流电动机的使用 直流电动机的使用主要包括起动、调速等。这里我们以并励直流电动机为例讨论其起动和调速情况。 起动 1﹑定义 电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动即n=0,Ea=0之瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。 2﹑对电动机起动的要求 a起动电流要小； b起动转矩要大； c起动设备要简单便可靠。 3﹑起动方法 (1)直接起动（即全压起动） 操作方法简便，不需任何起动设备，只需两个开关（励磁开关和电枢开关）即可 但起动时冲击电流很大，可达（10～20）IN，从而冲击电源电压，影响同一电源的其他设备正常运行。还对电机本身造成换向困难引起较大火花。故全压起动仅用于微小型电动机的起动。null (2)在电枢回路外串电阻Rst起动 U Ist＝ ------- R内 ＋ Rst 从可以说明，电枢回路的外串电阻Rst 增大，起动电流Ist 必然减小， Rst的值一般能使起动电流等于电流的1.5～2倍即可。早已存专用三点式或四点式起动器。使用起动器时，起动过程中外串电阻Rst逐段切除。 这种电阻起动法广泛应用于小型直流电动机，较大容量和经常起动的电动机常采用降压起动去，依靠降低电动机端电压来限制起动电流。降压起动需要一套调压供电装置作为电动机电源，常用于他励电动机，只降低电枢两端电压，励磁电压保持不变。 (3)降壓啟動 Q Ist＝ ------- R内 从公式看出，降低电枢电压，Ist 减小。 优点：没有起动电阻，起动过程平滑，起动过程中能量损耗少。 缺点：专用降压设备，成本较高。null☆需注意的是，直流电动机在起动或工作时，励磁电路必须保持接通装态，不能让它断开（起动时要满励磁）。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，可能发生下述事故。 ①如果电动机是静止的，因转矩太小(T=KTΦIa)，不能起动；由于反电动势为零，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电路，电动势立即减小而使电枢电流增大；同时由于所产生的转矩不能满足负载需要，电动机必将减速而停车，更加促使电枢电流的增大，以致烧毁电枢和换向器。 ③串励直流电动机如果空载运行，它的转速可能上升到很高的值（这种事故叫“飞车”），使电机遭受严重的机械损伤，而且还会因电枢电流过大将绕组烧毁。 直流电动机的调速 并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的印刷设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。 由直流电动机的转速公式 　　n=U-IaRa/KEΦ 可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。null1﹑调磁法 即改变磁通量Φ。当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如图10所示。 由于 n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T 可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通(Φ＜Φn)，将转速往上调(n＞nn)。 调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·Φ·n就减小，Ia随之增加。由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。 必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。 这种调速方法有3个优点： ①调速平滑，可无级调速； ②调速经济，控制方便； ③机械特性较硬，稳定性较好。null这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。 2﹑调压法，即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由 　　n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T 可见，n0变低了，但△n未改变。在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调(nn)。 调速的过程是：当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。 由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。 这种调速方法有下列优点： ①机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好； ②调速幅度大； ③可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。 这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。许多设备中直流电动机的调速多采用这种方法。null四﹑直流电动机的选用方法 1﹑选用原则 (1)电动机的机械特性﹑启动﹑制动﹑调速及其它控制性能应满足工作特性和生产工艺过程的要求﹐电动机工作过程中对电源供电质量的影响(如电压波动﹑谐波干扰等)﹐应在容许范围内。 (2)按预定的工作制﹑冷却方法及负载情况所确定电动机功率﹐电动机的温升应在限定的范围内。 (3)根据环境条件﹑运行条件﹑安装方式﹑传动方式﹐选定电动机的结构﹑安装﹑防护形式﹐保证电动机可靠工作。 (4)综合考虑一次投资及运行费用﹐整个驱动系统经济﹑节能﹑合理﹑可靠和安全。 2﹑选用方法 下面主要介绍一下各种直流电动机的性能特点及选用范围﹐便可根据需要对电动机进行选择。 nullnull永磁直流电动机其性能与并(他)励直流电动机相近﹐启动转矩较大﹐机械特性硬﹐负载变化时转速变化不大﹐适用于小功率直流驱动﹐如电动玩具﹑电动工具﹑音响设备﹑汽车电器等。