汽車散熱器風(fēng)扇直流電機基礎(chǔ)知識

1、 核準(zhǔn)核準(zhǔn) 審審查查 CCT30 許海峰許海峰 (Tel6763）【直流直流電動電動機機】1種類2工作原理3使用方法4選用方法主要內(nèi)容介紹直流電動機一般可分為電磁式和永磁式，電磁式電動機除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵并勵、串勵和復(fù)勵等形式。由于勵磁方式不同，它們的特性也不同。一直流電動的種類1 1、他勵電動機、他勵電動機 他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，如圖1所示。他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機調(diào)速

2、范圍很寬，多用于主機拖動中。 2 2、并勵電動機、并勵電動機 并勵電動機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯(lián)后由同一個直流電源供電，如圖2所示，這時電源提供的電流I等于電樞電流Ia和勵磁電流If之和，即I=Ia+If。 并勵電動機勵磁繞組的特點是導(dǎo)線細、匝數(shù)多、電阻大、電流小。這是因為勵磁繞組的電壓就是電樞繞組的端電壓，這個電壓通常較高。勵磁繞電阻大，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。并勵直流電動機的機械特性較好，在負載變時，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，啟動轉(zhuǎn)矩較大。因此應(yīng)用廣泛。3 3串勵電動機串勵電動機

3、串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源，如圖3所示。串勵電動機勵磁繞組的特點是其勵磁電流If就是電樞電流Ia，這個電流一般比較大，所以勵磁繞組導(dǎo)線粗、匝數(shù)少，它的電阻也較小。串勵電動機多于負載在較大范圍內(nèi)變化的和要求有較大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備中。4 4、復(fù)勵電動機、復(fù)勵電動機 這種直流電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，另一個與電樞繞組并聯(lián)，如圖4所示，所以復(fù)勵電動機的特性兼有串勵電動機和并勵電動機的特點，所以也被廣泛應(yīng)用。 5 5、永磁電電動機、永磁電電動機這種直流電動機沒有勵磁繞組直接以永久磁鐵建立磁場來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這種電動機在許多小型電子產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。在以上

4、四種類型的直流電動機中，以并勵直流電動機和他勵直流電動機應(yīng)用最為廣泛。二二直流電動的工作原理直流電動的工作原理1 1直流電動機的結(jié)構(gòu)直流電動機的結(jié)構(gòu)直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。（1）磁極。磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置，如圖5所示。它分成極心和極掌兩部分。極心上放置勵磁繞組，極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應(yīng)強度的分布最為合適，并用來擋住勵磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機座（即電機外殼）上；機座也是磁路的一部分。機座常用鑄鋼制成。（2）電樞。電樞是電動機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分。直流電動機的電樞是旋轉(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

5、樞繞組，如圖7所示。（3）換向器（整流子）換向器是直流電動機的一種特殊裝置，其外形如圖8所示，主要由許多換向片組成，每兩個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)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。換向器是直流電動機的結(jié)構(gòu)特征，易于識別。 2 2直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理在電刷AB之間加上直流電壓U，電樞線圈中的電流流向為：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣兩個有效邊中受到的電磁力的方向一致，電樞開始轉(zhuǎn)動。通過換向器可以實現(xiàn)線圈的有效邊從一個磁極如N極轉(zhuǎn)到另一個磁極下如S極時，電流的方向同時發(fā)生改變，從而電磁力或電

6、磁轉(zhuǎn)距的方向不發(fā)生改變。電磁轉(zhuǎn)距是驅(qū)動轉(zhuǎn)距，其大小也為：T=KTIa。電動機的電磁轉(zhuǎn)距T必須與機械負載轉(zhuǎn)距T2及空載損耗轉(zhuǎn)距T0相平衡。即T=T2+ T0另外當(dāng)電樞繞組在磁場中轉(zhuǎn)動時，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，這個電動勢的方向與電流或外加電壓的方向相反，稱之為反電動勢。其大小為：E=kEn方向與Ia相反?，F(xiàn)在我們來具體分析一下直流電動機是怎樣轉(zhuǎn)動的。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所示線圈便順時針方向轉(zhuǎn)動起來。圖b中線圈轉(zhuǎn)到平衡位置時兩電刷恰好接觸到兩半環(huán)間的絕緣部分線圈由

7、于慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)過平衡位置以后電流即改變方向。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針方向轉(zhuǎn)動。圖d中線圈又轉(zhuǎn)到平衡位置電流又自動改變方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。就這樣線圈便周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動起來。三、直流電動機的使用三、直流電動機的使用 直流電動機的使用主要包括起動、調(diào)速等。這里我們以并勵直流電動機為例討論其起動和調(diào)速情況。 起動起動 1 1定義定義電動機接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速從零上升到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。這里分析穩(wěn)態(tài)起動即 n=0,Ea=0 之瞬間，起動電流將很大。起動問題是評價電動機性能的重要方面之一。這是一個動態(tài)過程。但這里只介紹穩(wěn)態(tài)情況，即在電動機接

8、入電源瞬間，轉(zhuǎn)子待轉(zhuǎn)而未轉(zhuǎn)動這一瞬間的狀態(tài)。系統(tǒng)要求起動電流要小，起動轉(zhuǎn)矩要大的原因是要保證電源供電質(zhì)量和起動時間要短。 2 2對電動機起動的要求對電動機起動的要求 a起動電流要?。籦起動轉(zhuǎn)矩要大；c起動設(shè)備要簡單便可靠。3 3起動方法起動方法(1)(1)直接起動（即全壓起動）直接起動（即全壓起動）操作方法簡便，不需任何起動設(shè)備，只需兩個開關(guān)（勵磁開關(guān)和電樞開關(guān)）即可但起動時沖擊電流很大，可達（1020）IN，從而沖擊電源電壓，影響同一電源的其他設(shè)備正常運行。還對電機本身造成換向困難引起較大火花。故全壓起動僅用于微小型電動機的起動。(2)(2)在電樞回路外串電阻在電樞回路外串電阻RstRst起

9、動起動 UIst - R內(nèi) Rst 從公式可以說明，電樞回路的外串電阻Rst 增大，起動電流Ist 必然減小， Rst的值一般能使起動電流等于電流的1.52倍即可。早已存專用三點式或四點式起動器。使用起動器時，起動過程中外串電阻Rst逐段切除。這種電阻起動法廣泛應(yīng)用于小型直流電動機，較大容量和經(jīng)常起動的電動機常采用降壓起動去，依靠降低電動機端電壓來限制起動電流。降壓起動需要一套調(diào)壓供電裝置作為電動機電源，常用于他勵電動機，只降低電樞兩端電壓，勵磁電壓保持不變。(3)(3)降壓啟動降壓啟動 QIst - R內(nèi) 從公式看出，降低電樞電壓，Ist 減小。優(yōu)點：沒有起動電阻，起動過程平滑，起動過程中能

10、量損耗少。缺點：專用降壓設(shè)備，成本較高。需注意的是需注意的是，直流電動機在起動或工作時，勵磁電路必須保持接通裝態(tài)，不能讓它斷開（起動時要滿勵磁）。否則，由于磁路中只有很小的剩磁，可能發(fā)生下述事故。如果電動機是靜止的，因轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa)，不能起動；由于反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險。如果電動機在有載運行時斷開勵磁電路，電動勢立即減小而使電樞電流增大；同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能滿足負載需要，電動機必將減速而停車，更加促使電樞電流的增大，以致燒毀電樞和換向器。串勵直流電動機如果空載運行，它的轉(zhuǎn)速可能上升到很高的值（這種事故叫“飛車”），使電機遭受嚴重的機械損傷，而且還會因電

11、樞電流過大將繞組燒毀。直流電動機的調(diào)速直流電動機的調(diào)速并勵或他勵直流電動機與交流異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維修也不方便，但是在調(diào)速性能上有其獨特的優(yōu)點。因為鼠籠式電動機在一般情況下是不能調(diào)速的，更不能無級調(diào)速，因此，對調(diào)速要求高的印刷設(shè)備，均采用直流電動機。這是因為直流電動機能無級調(diào)速，機械傳動機構(gòu)比較簡單。由直流電動機的轉(zhuǎn)速公式n=U-IaRa/KE可知，Ra、和U中的任意一個值，都可使轉(zhuǎn)速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進行調(diào)速。但其缺點是耗電多，電機機械特性軟，調(diào)速范圍小，且只能進行有級調(diào)速，故這種方法目前已較少采用?，F(xiàn)常用的對直流電動機調(diào)速的方法有調(diào)磁法和調(diào)壓法。1 1

12、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，調(diào)節(jié)Rf，改變勵磁電流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，n0升高，轉(zhuǎn)速降n增大，在一定負載下，愈小，則n愈高。由于電動機在額狀態(tài)運行時，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)速的過程是：當(dāng)電壓U保持恒定時，減小磁通。由于機械慣性，轉(zhuǎn)速產(chǎn)立即發(fā)生變化，于是反電動勢E=KEn就減小，Ia隨之增加。由于Ia增加的影響超過減小的影響，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，反電動勢E增大，I

13、a和T也著減小，直到T=Tc時為止。但這時轉(zhuǎn)速已比原來升高了。必須指出，若電動機在額定狀態(tài)下運行，則電樞電流Ia為額定值，如果調(diào)速時負載轉(zhuǎn)矩仍舊保持不變（為額定值），由于T=KTIa，故減小磁通量后Ia必然超過額定值，因此調(diào)速后負載轉(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）的場合。這種調(diào)速方法有3個優(yōu)點：調(diào)速平滑，可無級調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟，控制方便；機械特性較硬，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)速要超過額定轉(zhuǎn)速。因為電機不允許超速太多，因此限制了它的調(diào)速范圍。在實際工作中，這種方法常作為電壓調(diào)速的一種補充手段。2 2調(diào)壓法調(diào)壓法，即改

14、變電壓U。當(dāng)保持他勵電動機的勵磁電流If為額定值時，降低電樞電壓U，則由n=U/KTn=U/KT-Ra/KE-Ra/KEKTKT22T T可見，n0變低了，但n未改變。在一定負載下，U愈低，則n愈低。由于改變電樞電壓只能向小于電動機額定電壓的方向改變，所以轉(zhuǎn)速將下調(diào)(nn)。調(diào)速的過程是：當(dāng)磁通保持不變時，減小電壓U由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動勢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，反電動勢E減小，Ia和T增大，直到T=Tc時為止。但這時轉(zhuǎn)速已比原來降低了。由于調(diào)速時磁通不變，如在一定的額定電流下調(diào)速，則電動機的輸出轉(zhuǎn)矩便是一定

15、的（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）。這種調(diào)速方法有下列優(yōu)點：機械特性較硬，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；得到平滑的無級調(diào)速。這種調(diào)速方法的缺點是調(diào)壓需用專門的設(shè)備，投資較高。近年來由于采用了可控硅整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)速，使這種方法得到了廣泛應(yīng)用。許多設(shè)備中直流電動機的調(diào)速多采用這種方法。四四直流電動機的選用方法直流電動機的選用方法1選用原則選用原則(1)電動機的機械特性 啟動制動調(diào)速及其它控制性能應(yīng)滿足工作特性和生產(chǎn)工藝過程的要求電動機工作過程中對電源供電質(zhì)量的影響(如電壓波動諧波干擾等)應(yīng)在容許范圍內(nèi)。(2)按預(yù)定的工作制冷卻方法及負載情況所確定電動機功率電動機的

16、溫升應(yīng)在限定的范圍內(nèi)。(3)根據(jù)環(huán)境條件運行條件安裝方式傳動方式選定電動機的結(jié)構(gòu)安裝防護形式保証電動機可靠工作。(4)綜合考慮一次投資及運行費用整個驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)濟節(jié)能合理可靠和安全。2選用方法選用方法下面主要介紹一下各種直流電動機的性能特點及選用范圍便可根據(jù)需要對電動機進行選擇。 表 3 電磁式直流電動機的性能特點及選用范圍 項目 種類 他勵 并勵 復(fù)勵 串勵 啟動轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比如通常將啟動電流限制在額定電流的 2. 5倍以內(nèi)啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 2- - - 2. 5倍。 啟動轉(zhuǎn)矩較大 與串勵程度有關(guān) 常可達額定轉(zhuǎn)矩的 4倍。 啟動轉(zhuǎn)矩很大?？蛇_額定轉(zhuǎn)矩的 5倍以上 短時過載轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩的 1 . 5倍 約為額定轉(zhuǎn)矩的 3. 5倍 可達額定轉(zhuǎn)矩的 4倍 轉(zhuǎn)速變化率 5- - - 1 5% 與串勵程度有關(guān)可達25- - - - 30%. 很大空載轉(zhuǎn)速甚高。 性能特點 調(diào)速范圍 削弱磁場恒功率調(diào)速 轉(zhuǎn)速升高降低電樞電壓恒轉(zhuǎn)速 調(diào)速轉(zhuǎn)速降低調(diào)速范圍路寬。 削弱磁場恒功率調(diào)速轉(zhuǎn)速比 12- - - - 1 4 削弱磁場調(diào)速 轉(zhuǎn)速可上