直流電機(jī)教材課件

核準(zhǔn)﹕審查﹕

【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、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、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。二﹑直流電動(dòng)的工作原理1﹑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，并用來擋住勵(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．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，電樞開始轉(zhuǎn)動(dòng)。通過換向器可以實(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，其大小也為：T=KTΦIa。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=kEΦn方向與Ia相反。現(xiàn)在我們來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)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。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)過平衡位置以后﹐電流即改變方向。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)

1﹑定義

電動(dòng)機(jī)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(dòng)過程。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﹑對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求

a起動(dòng)電流要小；

b起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；

c起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單便可靠。

3﹑起動(dòng)方法

(1)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)開關(guān)（勵(lì)磁開關(guān)和電樞開關(guān)）即可

但起動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，可達(dá)（10～20）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)在電樞回路外串電阻Rst起動(dòng)

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(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1.5～2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)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)：沒有起動(dòng)電阻，起動(dòng)過程平滑，起動(dòng)過程中能量損耗少。缺點(diǎn)：專用降壓設(shè)備，成本較高?！钚枳⒁獾氖?，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（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。①如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，因轉(zhuǎn)矩太小(T=KTΦIa)，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)。②如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(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。③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)因電樞電流過大將繞組燒毀。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速并勵(lì)或他勵(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/KEΦ可知，Ra、Φ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。現(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。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?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﹑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)，降低電樞電壓U，則由

n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T可見，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)速的過程是：當(dāng)磁通Φ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T＜Tc，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)：①機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性較好；②調(diào)速幅度大；③可均勻調(diào)節(jié)電樞電壓；得到平滑的無級(jí)調(diào)速。這種調(diào)速方法的缺點(diǎn)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(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﹑直流電動(dòng)機(jī)的選用方法1﹑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)工藝過程的要求﹐電動(dòng)機(jī)工作過程中對(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﹑冷卻方法及負(fù)載