自動化元件_02直流電機(jī)1

1、自動化元件自動化元件第二章第二章 直流電機(jī)直流電機(jī)v 工作原理和結(jié)構(gòu)工作原理和結(jié)構(gòu)v 基本理論基本理論v 運(yùn)行特性運(yùn)行特性v 起動、調(diào)速和制動起動、調(diào)速和制動第一節(jié)第一節(jié) 工作原理和結(jié)構(gòu)工作原理和結(jié)構(gòu)一一. 直流電機(jī)概述直流電機(jī)概述v電機(jī)的主要類型之一。發(fā)電機(jī)：獲得直流電電機(jī)的主要類型之一。發(fā)電機(jī)：獲得直流電源。電動機(jī)：提供動力。作為信號傳遞使用，源。電動機(jī)：提供動力。作為信號傳遞使用，如測速電機(jī)等。如測速電機(jī)等。v調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑；過載能力較調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑；過載能力較強(qiáng)，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，強(qiáng)，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，其制造復(fù)雜，成本較高。其

2、制造復(fù)雜，成本較高。 v作為拖動，用于軋鋼機(jī)、無軌機(jī)車、龍門刨作為拖動，用于軋鋼機(jī)、無軌機(jī)車、龍門刨床等調(diào)速寬的地方。床等調(diào)速寬的地方。二二. 直流電動機(jī)基本工作原理直流電動機(jī)基本工作原理轉(zhuǎn)矩形成的條件：同轉(zhuǎn)矩形成的條件：同性磁極下電流相同，性磁極下電流相同，異性（相鄰）磁極下異性（相鄰）磁極下電流相反。電流相反。轉(zhuǎn)矩方向恒定的條件：轉(zhuǎn)矩方向恒定的條件：每個磁極下導(dǎo)體的電每個磁極下導(dǎo)體的電流方向應(yīng)保持不變。流方向應(yīng)保持不變。三三. 直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)主磁極主磁極換向磁極換向磁極電刷裝置電刷裝置機(jī)座機(jī)座端蓋端蓋定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞鐵心電樞繞組電樞繞組換向器換向器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸軸承

3、軸承氣隙氣隙主磁極主磁極建立主磁場，鐵心采用低碳鋼板沖壓疊裝固定而成。個數(shù)為偶數(shù)，勵磁繞組的連接使相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現(xiàn)。機(jī)座機(jī)座作為主磁極的一部分以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。 機(jī)座中作為磁通通路的部分稱為磁軛。機(jī)座兩端裝有端蓋，通過軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。換向極換向極改善電機(jī)的換向時產(chǎn)生的火花。個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等。繞組一般和電樞繞組串聯(lián)。電刷裝置是電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，由電刷，刷握，刷桿和連線等組成。以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。電樞鐵心

4、電樞鐵心是主磁路的組成部分，電樞繞組嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽硅鋼片疊壓夾緊而成。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈（繞組元件）按一定的規(guī)律連接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放在電樞鐵芯表面的槽內(nèi)，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。 換向器換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電，或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。四四.

5、 直流電機(jī)額定值直流電機(jī)額定值 額定值（銘牌值）額定值（銘牌值）:根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)確定的正常運(yùn)行狀況稱為額定運(yùn)行狀態(tài)。額確定的正常運(yùn)行狀況稱為額定運(yùn)行狀態(tài)。額定運(yùn)行時各項性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等定運(yùn)行時各項性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等總體上會處于最佳狀態(tài)?？傮w上會處于最佳狀態(tài)。v額定功率額定功率PN（W，kW）v額定電壓額定電壓UN（V，kV）v額定電流額定電流IN （A，kA）v額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN （r/min）v額定勵磁電壓額定勵磁電壓UfN（V，kV）額定狀態(tài)下電機(jī)的輸出功率發(fā)電機(jī)：PN=UNIN（電功率）電動機(jī)：PN=UNINN（機(jī)械功率）v作用作用旋轉(zhuǎn)電

6、機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。旋轉(zhuǎn)電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。v構(gòu)成原則構(gòu)成原則在一定的導(dǎo)體數(shù)下，能夠產(chǎn)生盡可能大的感在一定的導(dǎo)體數(shù)下，能夠產(chǎn)生盡可能大的感應(yīng)電動勢，承擔(dān)足夠大的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和應(yīng)電動勢，承擔(dān)足夠大的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率；電磁功率；在承擔(dān)一定的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率情在承擔(dān)一定的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率情況下，導(dǎo)體數(shù)盡可能少；況下，導(dǎo)體數(shù)盡可能少；結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)、檢修。結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)、檢修。五五. 直流電機(jī)電樞繞組直流電機(jī)電樞繞組直流電樞繞組的分類直流電樞繞組的分類單疊繞組復(fù)疊繞組單波繞組復(fù)波繞組蛙繞組波繞組疊繞組混合繞組電樞繞組基本概念：電樞繞組

7、基本概念：v元件元件指兩端分別與兩片換向片連接的單匝指兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈或多匝線圈。v元件邊、端接、上元件邊、下元件邊元件邊、端接、上元件邊、下元件邊v電樞繞組的特點常用槽數(shù)電樞繞組的特點常用槽數(shù)Z、元件數(shù)、元件數(shù)S、換、換向片向片K數(shù)及各種節(jié)距來表征。數(shù)及各種節(jié)距來表征。 槽數(shù)槽數(shù)=元件數(shù)元件數(shù)=換向片，故有換向片，故有S=K=Zv極距極距 ：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主極間的距離。離或相鄰兩主極間的距離。 設(shè)電機(jī)的極對數(shù)為設(shè)電機(jī)的極對數(shù)為p,電樞外徑為電樞外徑為D，則，則 = D /2p (弧長弧長) 或或 = Z / 2p

8、(槽數(shù)槽數(shù))v第一節(jié)距y1-一般y1 = Z / 2p = 整數(shù) y1 = 稱為整距元件；y1為長距；y1為短距v第二節(jié)距第二節(jié)距 y2 ：與同一片換向片相聯(lián)的兩個：與同一片換向片相聯(lián)的兩個元件中的第一個元件的下元件邊到第二個元元件中的第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊的跨距。件的上元件邊的跨距。v合成節(jié)距合成節(jié)距 y ：相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊在：相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊在電樞表面的跨距。用槽數(shù)表示就是電樞表面的跨距。用槽數(shù)表示就是 y = y1-y2v換向器節(jié)距換向器節(jié)距 yK -同一元件的首端和尾端在同一元件的首端和尾端在換向器上所跨的換向片數(shù)。數(shù)值上與合成節(jié)換向器上所跨的換向片

9、數(shù)。數(shù)值上與合成節(jié)距相等。即距相等。即y = yK單疊繞組：單疊繞組：任何兩個串聯(lián)元件都是后一個元件總是緊接著前一個元件嵌放，每串完一個元件在電樞表面移動一個槽。y=yK=1。例：已知電機(jī)極數(shù)2p=4，且Z=S=K=16。繞制單疊右行整距繞組。v節(jié)距計算 單疊右行y=yK=1 整距y1=Z/2p=16/4=4 第二節(jié)距y2=y1-y=3單疊繞組的展開圖：假設(shè)把電樞從某一齒中心沿軸向切開并展開成一帶狀平面，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關(guān)系。上元件邊用實線表示，下元件邊用虛線表示；磁極在繞組上方均勻安放，N極指向紙面，S極穿出紙面；左上方箭頭為電樞旋轉(zhuǎn)方向，元件邊

10、上的箭頭為由右手定則確定的感應(yīng)電動勢方向。v繞組電路與電刷安放全部元件串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，元件1、5、9、13在幾何中心線，感應(yīng)電勢為0，將繞組分成4段。由于對稱，這四段電路中的電動勢大小相等，方向兩兩相反，因此整個閉合回路內(nèi)的電動勢恰好相互抵消，故電樞繞組內(nèi)不會產(chǎn)生環(huán)流。在4個元件所連接的換向片間的中心線上依次放置電刷A1、B1、A2、B2，并且空間位置固定，則不管電樞和換向器轉(zhuǎn)到什么位置，電刷A1、A2的電位恒為正，電刷B1、B2的電位恒為負(fù)。正、負(fù)電刷是電樞繞組支路的并聯(lián)點，二者之間的電動勢有最大值。每個元件用一個線圈表示，并用箭頭表示元件的電動勢方向v電刷將閉合的電樞繞組分為若干條并聯(lián)支

11、路；v當(dāng)電樞繞組旋轉(zhuǎn)時，每條支路的電動勢不變；v單疊繞組每個主磁極下元件串成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)等于磁極對數(shù)，也等于電刷組數(shù)。v單疊繞組輸出電動勢等于一條支路電動勢，輸出電流等于各支路電流的總和；v當(dāng)元件端接線對稱時，電刷的軸線正好位于主極中心線下。一一. 直流電機(jī)空載磁場直流電機(jī)空載磁場v空載磁場空載磁場：主磁極勵磁繞組流過勵磁電流產(chǎn)生的磁場，主磁極的磁動勢為 ，式中 是勵磁繞組的匝數(shù)， 是直流勵磁電流。v主磁通主磁通0 ：交鏈勵磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。v漏磁通漏磁通 ：不進(jìn)入電樞鐵心，不和電樞繞組交鏈，因此不感應(yīng)電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它只是增加主磁極磁路

12、的飽和程度ffINF fNfI第二節(jié)第二節(jié) 直流電機(jī)的基本理論直流電機(jī)的基本理論v主磁路主磁路主磁極1 氣隙1電樞齒1電樞軛電樞齒2氣隙2主磁極2定子軛-主磁極1v磁化曲線磁化曲線磁化曲線是指電機(jī)的主磁通與勵磁磁動勢或勵磁電流的關(guān)系曲線。v氣隙磁通密度沿電樞周圍分布?xì)庀洞磐芏妊仉姌兄車植己雎噪姌旋X槽影響，假定電樞表明光滑，略去忽略電樞齒槽影響，假定電樞表明光滑，略去鐵心磁壓降，認(rèn)為全部磁動勢都在氣隙上，鐵心磁壓降，認(rèn)為全部磁動勢都在氣隙上，這樣每段氣隙磁壓降處處相等。這樣每段氣隙磁壓降處處相等。電樞圓周表面各處與氣隙長電樞圓周表面各處與氣隙長度度 成反比。成反比。定義定義 為氣隙磁通密度平

13、均值，為氣隙磁通密度平均值，與每極磁通關(guān)系為與每極磁通關(guān)系為avBlBav BHINff 二二. 直流電機(jī)電樞磁場及電樞反應(yīng)直流電機(jī)電樞磁場及電樞反應(yīng)v電樞磁場電樞磁場：當(dāng)電機(jī)有負(fù)載、電樞繞組中有電流通過(即Ia0)時，該電流也會在電機(jī)中產(chǎn)生磁場，稱之為電樞磁場。v電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)：電樞磁動勢對主磁極所建立的氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。不僅與電樞電流大小有關(guān)，還受電刷位置影響。電刷放在幾何中性線上。電刷放在幾何中性線上。電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線重合（幾何中心線）。的導(dǎo)體的連線重合（幾何中心線）。v電刷位于幾何中心線時電樞磁場電刷位于幾何中心線時

14、電樞磁場電樞磁場由右手螺旋法則示意。電樞磁場由右手螺旋法則示意。與主極軸正交，因此稱為交軸電與主極軸正交，因此稱為交軸電樞磁動勢。樞磁動勢。電樞表面單位長度上的安電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電機(jī)的線負(fù)培導(dǎo)體數(shù)稱為電機(jī)的線負(fù)荷荷A , A=Nia/(Da)。忽略鐵心磁阻，忽略鐵心磁阻，x處閉路上處閉路上的總磁動勢的總磁動勢2Fax=A*2x，則每個氣隙消耗的磁勢為則每個氣隙消耗的磁勢為 Fax=Ax氣隙磁通密度在空間分布?xì)庀洞磐芏仍诳臻g分布為：為：Bax=0Fax/一個周期的磁密波形呈馬一個周期的磁密波形呈馬鞍形。鞍形。axFaxBaxBxB電樞磁場電樞磁場磁通密度磁通密度主磁場的磁主磁

15、場的磁通密度通密度疊加氣疊加氣隙磁通隙磁通密度密度磁路不飽和，磁密與磁路不飽和，磁密與磁動勢成正比。合成磁動勢成正比。合成磁密等于主磁密和電磁密等于主磁密和電樞磁密的直接相加。樞磁密的直接相加。v電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng)電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng)磁路飽和，磁阻隨磁磁路飽和，磁阻隨磁密增加而增加密增加而增加疊加氣疊加氣隙磁通隙磁通密度密度（1）氣隙磁場發(fā)生畸變）氣隙磁場發(fā)生畸變 （2）對主磁場呈去磁作用）對主磁場呈去磁作用 磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，每極磁通量不變。磁路飽和時，磁通加強(qiáng)的數(shù)量小于消每極磁通量不變。磁路飽和

16、時，磁通加強(qiáng)的數(shù)量小于消弱的數(shù)量，呈去磁作用。弱的數(shù)量，呈去磁作用。每個磁極下，氣隙磁場一半被增強(qiáng)，一半被削弱，氣隙每個磁極下，氣隙磁場一半被增強(qiáng)，一半被削弱，氣隙磁密分布畸變成尖頂波。磁密分布畸變成尖頂波。v電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng)電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng) （3）物理中線偏離幾何中線一個角度）物理中線偏離幾何中線一個角度 對電動機(jī)，逆電樞轉(zhuǎn)動方向偏移對電動機(jī)，逆電樞轉(zhuǎn)動方向偏移 角。角。 v電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng)電刷位于幾何中心線時電樞反應(yīng)直流電機(jī)的元件經(jīng)過電刷，從一條支路進(jìn)入另一條直流電機(jī)的元件經(jīng)過電刷，從一條支路進(jìn)入另一條支路時支路時, ,元件里的電流改變方向。元件里的電流

17、改變方向。換向的過程即元件被電刷短路的過程。換向的過程即元件被電刷短路的過程。換向不好會使電刷產(chǎn)生火花，火花嚴(yán)重時會影響電換向不好會使電刷產(chǎn)生火花，火花嚴(yán)重時會影響電機(jī)運(yùn)行機(jī)運(yùn)行三三. 直流電機(jī)的換向直流電機(jī)的換向單疊繞組單疊繞組1號元件的換向過程，電刷寬度與換向片號元件的換向過程，電刷寬度與換向片寬度相等，電樞以寬度相等，電樞以va的速度從右向左旋轉(zhuǎn)。的速度從右向左旋轉(zhuǎn)。換向元件中的電流變化換向元件中的電流變化（1 1）自感電動勢自感電動勢（2 2）互感電動勢）互感電動勢 （3 3）電樞反應(yīng)電動勢）電樞反應(yīng)電動勢 與與 都反對換向元件電流變化，換向電流不隨時都反對換向元件電流變化，換向電流不

18、隨時間線性變化，比直線換向慢，間線性變化，比直線換向慢，延遲換向延遲換向。采取措施產(chǎn)生采取措施產(chǎn)生 ，使，使 為為0 0，形成直線換向。如，形成直線換向。如作用大于作用大于 ，產(chǎn)生，產(chǎn)生超越換向超越換向。換向元件中的電動勢換向元件中的電動勢redtdiLeL dtdiMeM ae二者之和稱為電抗二者之和稱為電抗電動勢電動勢 ，反對，反對元件的電流變化。元件的電流變化。aereke ekearee 改善換向的方法改善換向的方法（1）加換向磁極）加換向磁極放于幾何中心線處，換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向磁極的極性與電樞磁場極性相反。（2）移刷改善換向）移刷改善換向直流電動機(jī)電刷從幾何中心線逆轉(zhuǎn) 角，使 ，換向元件切割主磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，抵消電樞反應(yīng)電動勢和電抗電動勢 。 四四. .直流電機(jī)的電樞電動勢直流電機(jī)的電樞電動勢電樞旋轉(zhuǎn)時電樞旋轉(zhuǎn)時, , 電樞繞組切割氣隙磁通產(chǎn)生的刷間電電樞繞組切割氣隙磁通產(chǎn)生的刷間電動勢。等于動勢。等于電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動勢。勢?？倢?dǎo)體數(shù)為總導(dǎo)體數(shù)為N，并聯(lián)支路數(shù)為