《電機與拖動技術(shù)》課件第５章 直流電動機

第５章直流電動機5.1直流電動機的工作原理與結(jié)構(gòu)5.2直流電動機的電力拖動本章實驗實訓(xùn)實訓(xùn)一按時間原則控制直流電動機啟動實訓(xùn)二直流電動機能耗制動的控制線路與交流電動機相比，直流電動機雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運行維護較困難，但由于直流電動機調(diào)速性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，在啟動和調(diào)速要求較高的起重機械、運輸機械、冶金機械等領(lǐng)域仍獲得廣泛應(yīng)用。5.1直流電動機的工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.1直流電動機的工作原理圖5.1直流電動機工作原理示意圖如圖5.1（ａ）所示，將外部直流電源加于電刷Ａ（正極）和Ｂ（負極）上，則線圈abcd中流過電流，在導(dǎo)體ａｂ中，電流由ａ指向ｂ，在導(dǎo)體ｃｄ中，電流由ｃ指向ｄ。導(dǎo)體ａｂ和ｃｄ分別處于Ｎ、Ｓ極磁場中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導(dǎo)體ａｂ和ｃｄ均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時針方向。這樣，電樞就順著逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當電樞旋轉(zhuǎn)１８０°時，導(dǎo)體ｃｄ轉(zhuǎn)到Ｎ極下，ａｂ轉(zhuǎn)到Ｓ極下，如圖5.1（ｂ）所示，由于電流仍從電刷Ａ流入，使ｃｄ中的電流變?yōu)橛桑淞飨颍?，而ａｂ中的電流由ｂ流向ａ，從電刷Ｂ流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時針方向。由此可見，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈中流過的電流方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機的基本工作原理。實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動機的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。

5.1.2直流電動機的結(jié)構(gòu)由直流電動機工作原理示意圖可以看到，直流電動機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電動機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電動機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。圖5.2直流電動機結(jié)構(gòu)圖１）主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵芯和勵磁繞組兩部分組成。鐵芯一般用0.5～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵芯上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，如右圖所示。圖5.3主磁極結(jié)構(gòu)圖２）換向極換向極一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵芯和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵芯上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。圖5.4換向極結(jié)構(gòu)圖換向極的作用是改善換向，減小電動機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花。由圖5.1可以看到，當線圈轉(zhuǎn)到水平位置時，原來與電刷Ａ接觸的換向片要改為與電刷Ｂ接觸；原來與電刷Ｂ接觸的換向片要改為與電刷Ａ接觸。這時線圈中的電流換向會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使得電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當火花超過一定程度時，會燒蝕換向片和電刷，使電動機不能正常工作。裝上換向極后，線圈轉(zhuǎn)到水平位置時，正好切割換向極的磁通而產(chǎn)生附加電動勢以抵消上述的換向電動勢，使換向得到改善，減小電動機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花。由于換向極是位于主磁極之間的小磁極，不會影響電動機的正常工作。３）機座電機定子的外殼稱為機座，見圖5.2中的３。機座的作用有兩個：一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；二是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。４）電刷裝置電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。圖5.5電刷結(jié)構(gòu)圖2.轉(zhuǎn)子（電樞）１）電樞鐵芯電樞鐵芯是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵芯采用由0.5ｍｍ厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成（沖片的形狀如圖5.6（ａ）所示），以降低電機運行時電樞鐵芯中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵芯的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。圖5.6直流電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖２）電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同的線圈分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵芯之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖5.7所示。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。圖5.7電樞槽結(jié)構(gòu)３）換向器在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向片的緊固通常如圖5.8所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制Ｖ形套筒和Ｖ形云母環(huán)固定，再用螺母鎖緊。４）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。圖5.8換向器結(jié)構(gòu)5.1.3直流電動機的勵磁方式勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為以下四類。圖5.9直流電機的勵磁方式1.他勵直流電動機勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系，如圖5.9（ａ）所示。永磁直流電動機也屬于他勵直流電動機，因其勵磁磁場與電樞電流無關(guān)。2.并勵直流電動機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖5.9（ｂ）所示。勵磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類電機的勵磁電流只有電動機額定電流的1％～5％，所以勵磁繞組的導(dǎo)線細而匝數(shù)多。3.串勵直流電動機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖5.9（ｃ）所示。勵磁電流等于電樞電流，所以勵磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少。4.復(fù)勵直流電動機每個主磁極上套有兩套勵磁磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵繞組。一個與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組，如圖5.9（ｄ）所示。兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同時稱為積復(fù)勵，兩個磁勢方向相反時稱為差復(fù)勵，通常采用積復(fù)勵方式。直流電機的勵磁方式不同，運行特性和適用場合也不同。5.1.4直流電動機的額定值電動機制造廠按照國家標準，根據(jù)電動機的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺電動機的主要性能指標稱為電動機的額定值。額定值一般標在電動機的銘牌上或產(chǎn)品說明書上。直流電動機的額定值主要有下列幾項。1.額定功率額定功率是指電動機按照規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率，即軸上輸出的機械功，單位為ｋＷ（千瓦）。2.額定電壓額定電壓是電動機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓，單位為Ｖ（伏）。

5.2直流電動機的電力拖動5.2.1直流電動機的基本方程式直流電動機基本方程式是指直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時電磁系統(tǒng)中的電壓平衡方程式、機械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩平衡方程式和能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程式。1.電壓平衡方程式如圖5.10所示直流他勵電動機結(jié)構(gòu)示意圖與電路原理圖，電樞回路中的電壓平衡方程式為

圖5.10直流他勵電動機的結(jié)構(gòu)圖與電路圖

圖5.11直流他勵電動機功率關(guān)系圖直流他勵電動機的總損耗直流他勵電動機的電磁功率電機效率

圖5.12直流他勵電動機的接線

3.人為機械特性從機械特性方程式可以看出，當人為改變電樞電壓、改變串接與電樞回路中的電阻和改變勵磁電流的大小使磁通發(fā)生變化時，可以得到一系列的人為特性。１）電樞回路串接電阻的人為機械特性如果將電動機的外加電壓Ｕ和磁通Φ保持為額定值，而在電樞回路串入附加電阻。電樞回路串入電阻Ｒ后的人為機械特性方程式為

圖5.14直流他勵電動機電樞回路串電阻的人為機械特性

圖5.15直流他勵電動機改變電樞電壓的人為機械特性

圖5.16直流他勵電動機改變磁通的人為機械特性

（３）此時，電樞電路總電阻為

圖5.17他勵直流電動機電樞回路串電阻啟動圖5.18他勵直流電動機４級啟動機械特性

2.直流電動機的調(diào)速為了提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求生產(chǎn)機械在不同的情況下有不同的工作速度，這種人為地改變電動機轉(zhuǎn)速的方法，稱為調(diào)速。必須注意，調(diào)速和電動機負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個不同的概念。負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是自動進行的，電動機工作點只在一條機械特性上變動。調(diào)速是根據(jù)生產(chǎn)需要人為地改變電氣參數(shù)，使電動機的運行點由一條機械特性轉(zhuǎn)變到另一條機械特性上，從而在某一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速。因此調(diào)速方法就是改變電動機機械特性的方法。

5.2.4直流電動機的反轉(zhuǎn)與制動1.直流電動機的反轉(zhuǎn)要改變直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向，就需改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向，而電磁轉(zhuǎn)矩決定于主極磁通和電樞電流的相互作用，故改變電動機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一種是改變勵磁電流的方向；另一種是改變電樞電流的方向。如果同時改變勵磁電流和電樞電流的方向，則直流電動機的轉(zhuǎn)向不變。對并勵電動機而言，由于勵磁繞組匝數(shù)多、電感大，在進行反接時因電流突變，將會產(chǎn)生很大的自感電動勢，危及電動機及電器的絕緣安全，因此一般采用電樞反接法。在將電樞繞組反接的同時必須連同換向極繞組一起反接，以達到改善換向的目的。串勵電動機的反轉(zhuǎn)，改變電源端電壓的方向是不行的。必須改變勵磁電流的方向或電樞電流的方向，才能改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。2.直流電動機的制動在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動機盡快停轉(zhuǎn)，或者下放位能性負載時，能限制在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這就是電動機的制動問題。實現(xiàn)制動既可以采用機械的方法，也可以采用電磁的方法。電磁方法制動就是使電動機產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，以達到制動的目的。電磁制動的特點是產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩大，操作控制方便。直流電動機電磁制動的方法有能耗制動、反接制動和回饋制動。１）能耗制動圖5.19能耗制動接線圖

這種制動方法在轉(zhuǎn)速較高時制動作用較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，制動作用也隨之減小，在低速時可配合使用機械制動裝置，使系統(tǒng)迅速停轉(zhuǎn)。２）反接制動

圖5.20反接制動接線圖

圖5.21回饋制動原理圖本章實驗實訓(xùn)實訓(xùn)一按時間原則控制直流電動機啟動１．實訓(xùn)目的（１）了解按時間原則控制直流電動機啟動電路的基本原理。（２）熟悉按時間原則控制直流電動機啟動電路的控制過程。（３）掌握按時間原則