第二十章 直流电机的基本原理和结构.ppt

电机原理 直流电机篇 直流电机 第五篇 第二十章直流电机的基本原理和结构 第二十章直流电机的基本原理和结构 本章节基本要求 理解直流电机的基本原理 掌握直流电机的基本结构 理解直流电机的铭牌数据的含义 4 掌握直流电机的励磁方式 本章节重点和难点 重点 直流电机的基本原理和基本结构 直流电机的额定值 直流电机的励磁方式 难点 直流电机的基本原理和励磁方式 第二十章直流电机的基本原理和结构 直流电机 DCMachines 概述 直流电机是电机的主要类型之一 它是通以直流电流的旋转电机 是电能和机械能相互转换的设备 将机械能转换为电能的是直流发电机 将电能转换为机械能的是直流电动机 按旋转电机的可逆性原理 用作电动机使用时 由于其具有良好的调速性能 在许多调速性能要求较高的场合 得到广泛使用 一 直流电机分类和用途 作电源用 发电机 作动力用 电动机 信号的传递 测速发电机 伺服电机 由于直流电机是依靠直流工作电压运行的电机 因此广泛应用于收录机 录像机 影碟机 电动剃须刀 电吹风 电子表 电动玩具等家用电器中 此外 直流发电机还可做直流励磁系统中的励磁机用 一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机 二 直流电机的优缺点 1 直流发电机的电势波形较好 受电磁干扰的影响小 2 直流电动机的调速范围宽广 调速特性平滑 3 直流电动机易于控制 可靠性较高 4 直流电动机过载能力较强 起动和制动转矩较大 5 由于存在换向器 其结构复杂 制造成本高 价格较高和运行维护工作量大 第一节直流电机的基本原理 一 直流发电机的工作原理 下图为直流发电机的物理模型 N S为定子磁极 abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢 线圈的首末端a d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向器上 转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向器上固定不动的电刷进行的 如图所示 根据法拉弟电磁感应定律可知 原动机拖动直流发电机的电枢 以恒定转速按顺时针方向旋转 当线圈有效边ab和cd切割磁力线时 便在其中产生感应电动势 通过换向器和电刷的作用 使线圈产生的交变电动势变为电刷两端方向恒定的电动势 保持外电路的电流按一定方向流动 一个线圈的直流发电机 电刷间的电动势是脉动电动势 其电动势波动太大 而实际应用的直流发电机电枢绕组有许多线圈 元件 电枢槽数和换向片也相应增多 可使合成电动势的脉动程度大为减小 以至接近恒定的直流电动势 如下图所示 直流发电机运行时的几点结论 1 电枢线圈内电势 电流方向是交流电 2 电刷间为直流电势 线圈中感应电势与电流方向一致 3 从空间看 电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场 4 产生的电磁转矩M与转子转向相反 是制动性质 二 直流发电机的工作原理 如下图所示 是最简单的直流电动机的物理模型 N和S是一对固定的磁极 一般是电磁铁 也可以是永久磁铁 磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体 称为电枢铁心 铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd 线圈的两端分别接到相互绝缘的两个圆弧形铜片上 弧形铜片称为换向片 它们的组合体称为换向器 在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和 线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路 电枢铁心 电枢线圈和换向器构成的整体叫作转子或称为电枢 如图所示 施加在直流电动机的直流电源 借助于换向器和电刷的作用 使直流电动机电枢线圈中流过的电流 方向是交变的 从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变 确保了直流电动机朝确定的方向连续旋转 这就是直流电动机的基本工作原理 实际的直流电动机 电枢四周上均匀地嵌放许多线圈 相应地 换向器由许多换向片组成 使电枢线圈所产生的总电磁转矩足够大并且比较均匀 电动机的转速也就比较均匀 直流电动机运行时的几点结论 1 外施电压 电流是直流 电枢线圈内电流是交流 2 线圈中感应电势与电流方向相反 3 线圈是旋转的 电枢电流是交变的 4 产生的电磁转矩M与转子转向相同 是驱动性质 从以上分析可知 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行 也可以作为发电机运行 是取决于外界不同的条件 如果在电刷端外施直流电压 则电机把电能转变成机械能 作电动机运行 如用原动机拖动直流电机的电枢旋转 电机就将机械能转换为直流电能 作发电机运行 这种同一台电机既能作电动机运行 又能作发电机运行的原理 在电机理论中称为可逆原理 第二节直流电机的基本结构 旋转电机结构必须有满足电磁和机械两方面要求 同时旋转电机必须具备静止和转动两大部分 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 直流电机 定子的主要作用是产生磁场和作为电机的机械支撑 转子的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量转换的枢纽 所以通常又称为电枢 直流电机的主要结构 直流电机的内部结构图 直流电机横剖面示意图 一 直流电机的定子 定子主要由主磁极 换向磁极 机座和端盖以及电刷装置等组成 如图所示 1 主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成 主磁极的铁心用0 5 1 5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成 上面套励磁绕组的部分称为极身 下面扩宽的部分称为极靴 极靴宽于极身 既可使气隙中磁场分布比较理想 又便于固定励磁绕组 励磁绕组用绝缘铜线绕制而成 套在极身上 再将整个主磁极用螺钉固定在机座上 如图所示 固定螺钉 主磁极铁心 机座 励磁绕组 极靴 2 换向极 两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极 也叫附加极或间极 换向极的作用是改善电机换向 减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花 换向极由换向极铁心和换向极绕组构成 换向极铁心一般用整块钢制成 对换向性能要求较高的直流电机 换向极铁心可用1 1 5mm厚的钢板冲制叠压而成 换向极绕组用绝缘导线绕制而成 套在换向极铁心上 整个换向极用螺钉固定于机座上 换向极的数目一般与主磁极相等或减半 如图所示 在功率很小的直流电机中 也有不装换向极的 换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的 要流过较大的电流 因此和主磁极的串励绕组一样 导线有较大的截面 3 机座 电机定子部分的外壳称为机座 机座一方面用来固定主磁极 换向极和端盖 并起到整个电机的支撑和固定作用 另一方面也是磁路的一部分 借以构成磁极之间的通路 磁通通过的部分称为磁轭 为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能 一般为铸钢件或由钢板焊接而成 机座的两端有端盖 中小型电机前后端盖都装有轴承 用于支承转轴 大型电机则采用座式滑动轴承 4 电刷装置 电刷装置是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接 并与换向器相配合 起到整流或逆变器的作用 电刷装置由电刷 刷握杆和刷杆座等组成 电刷放在刷握内 用弹簧压紧 使电刷与换向器之间有良好的滑动接触 刷握固定在刷杆上 刷杆装在圆环形的刷杆座上 相互之间必须绝缘 刷杆座装在端盖或轴承内盖上 圆周位置可以调整 调好以后加以固定 如图所示 如图所示 电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙而成 它放置在刷握中 由弹簧将其压在换向器的表面上 电刷杆数一般等于主磁极的数目 电刷 电刷的材料大多由石墨制成 为了增加导电性 还有用含铜石墨制成 石墨有良好的导电性 质地软而且耐磨 电刷可以用于直流电机或交流换向器电机 比如通用电动工具上 象手电钻和角磨机上 皆用到它 他是用来和换向器配合来实现电机电流换向的 电刷是电机 除鼠笼式电动机外 传导电流的滑动接触体 在直流电机中 它还担负着对电枢绕组中感应的交变电动势 进行换向 整流 的任务 实践证明 电机运行的可靠性 在很大程度上决定于电刷的性能 二 直流电机的转子 直流电机的转子主要由电枢铁心和电枢绕组 换向器 轴和冷却风扇等组成 1 电枢铁心 电枢铁心冲片 a 矩形槽 b 梨形槽 电枢铁心是主磁通磁路的主要部分 同时用以嵌放电枢绕组 为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗 电枢铁心用0 35mm或0 5mm厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成 冲片形状 如图所示 叠成的铁心固定在转轴或转子支架上 铁心的外圆开有电枢槽 槽内嵌放电枢绕组 2 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量转换的关键部件 它由许多线圈按一定规律连接而成 线圈用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成 不同线圈边分上 下两层嵌放在电枢槽中 线圈与铁心之间以及上 下两层线圈边之间都必须妥善绝缘 为防止离心力将线圈边甩出槽外 槽口用槽楔固定 如图所示 线圈边的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎 以防止离心力将绕组甩出槽外 大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上 3 换向器 在直流电动机中 换向器配以电刷能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流 使电磁转矩的方向恒定不变 在直流发电机中 换向器配以电刷能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正 负电刷上引出的直流电动势 换向器是由许多换向片组成的圆柱体 换向片之间用云母片绝缘 换向片的紧固通常如图所示 换向片的下部做成鸽尾形 两端用钢制 形套筒和 形云母环固定 再加螺母锁紧 第三节直流电机的铭牌和励磁方式 一 直流电机主要系列简介 为了满足各行各业对产品的不同要求 生产厂将产品制成不同型号系列 所谓系列就是指产品的结构和形状基本相似 而某种性能参数例如容量则按一定等级递增的一系列产品 对于电机来说 系列产品的电压 转速 机座号和铁心长度都有一定的等级 1 型号 型号表示电机的类别 例如 Z2 12的含义为Z 直流 2 设计序号 1 铁心长度 2 机座号 2 国产直流电机主要系列简介 1 Z型系列 Z为直流电机的汉语拼音第一个字母 这种系列是通风防护式的 适用于调速范围不大的机械拖动 少灰尘 少腐蚀及温度低的场所 2 Z2型系列 是Z型系列的改进型 也是防护式 调速范围可达2 1 即可超过额定转速的一倍 3 ZO型系列 这种电机是封闭式的 用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所 4 ZD型系列 电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所 如大型机床 卷扬机 起重设备等 5 ZQD型系列 是直流牵引电动机 用于牵引车辆 二 直流电机的额定数据 额定容量PN 输出功率 单位kW 额定电压UN 额定状态下出线端电压 单位V 额定电流IN 额定状态下出线端电流 单位A 额定转速nN 额定状态下的电机转速 单位r min 额定励磁电压 额定励磁电流和励磁方式等 电动机轴上输出的额定转矩 例1 某台直流电动机的额定值为 PN 12kW UN 220V nN 1500r min 89 2 试求该电动机额定运行时的输入功率P1及电流IN 解 额定输入功率 额定电流 例2 某台直流发电机额定值为 PN 9 kW UN 230V nN 1450r min N 91 8 试求该发电机的额定电流IN 解 额定电流 主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势 励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场 又称为励磁磁场 励磁绕组的供电方式称为励磁方式 直流电机按励磁方式的不同可以分为他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机 复励直流电机4类 三 直流电机的励磁方式 1 他励直流电机 如图所示 他励直流电机的励磁绕组由其他直流电源供电 与电枢绕组之间没有电的联系 永磁直流电机也属于他励直流电机 其特点是励磁磁场与电枢电流无关 图中的电流正方向是以电动机为例设定的 如图所示 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联 励磁电压等于电枢绕组端电压 其特点是励磁电流随电枢两端的电压的变化而变化 他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的1 3 因此励磁绕组的导线细而匝数多 2 并励直流电机 3 串励直流电机 如图所示 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联 其特点是励磁电流等于电枢电流 因此励磁绕组的导线粗而匝数较少 4 复励直流电机 如图所示 复励直流电机的每个主磁极上套有两个励磁绕组 一个与电枢绕组并联 称为并励绕组 另一个与电枢绕组串联 称为串励绕组 两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励 磁动势方向相反时称为差复励 通常采用积复励方式 直流电机的励磁方式不同 运行特性和适用场合也不同 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性 一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式 串励式和复励式 直流发