激光设备控制技术教材——第一章第一节讲解

1、第一章驱动电机电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定 子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。第一节直流电机概论直流电机是电能和机械能互相转换的旋转电机之一。当用作发电机时，它将机械能转换为直流电能；当用作电动机时，

2、它将直流电能转换为机械能。由于直流发电机能提供无脉动的大功率直流电源， 且输出电压可以精确地调节和控制，主要用作各种直流电源， 如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直流电焊机电源等。 而直流电动机因为具有良好的启动和调速性能，常应用于对起动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列 车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。 本节主要分析直流电机的工作原理和结构，并简单介绍各种励磁方式和铭牌数据。一、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理基于电磁力定律。若磁场

3、B与导体相互垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上的电磁力f为：(1-1)f 二 BJi直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，只要把电刷A B接到直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，就得到如图1-1所示的直流电动机工作原理模 型。在图中的两种情况下， 线圈的ab边和cd边都会受到电磁力的作用，其方向用左手定则确定。需要注意的是，这两种情况下线圈都是逆时针旋转的，也就是说直流电动机由电磁力形成的电磁转矩方向始终一致。若要分析直流电动机的一般情况直需要向机工作原理模型B间通入直流电源后旋转一周，并将其分解成四个阶段，如图1-2所示。a)a）受电磁力，逆时针转动 b）不受

4、电磁力，惯性转动c）受电磁力，逆时针转动 d）不受电磁力，惯性转动图1-2直流电动机测试（1）当线圈位于图 1-2 a位置时，线圈开始逆时针旋转。图示瞬间各物理量方向如表1-1所示。表1-1 a位置物理量方向电流i电磁力f电磁转矩导体aba b导体cdct dJ线圈abcda d（2）当线圈转过90时，如图1-2 b所示，线圈中虽无转矩，但在惯性的作用下继续旋 转。（3）当线圈转过180。时，如图1-2 c所示，线圈继续逆时针旋转。图示瞬间各物理量 方向如表1-2所示。表1-2 c位置物理量方向电流i电磁力f电磁转矩导体abbT aJ导体cddT c线圈abcddT a（4）当线圈转过270时

5、，如图1-2 d所示，线圈中无转矩，但在惯性作用下继续旋转。同直流发电机输出的感应电动势类似，直流电动机的电磁转矩也是脉动的。当圆柱体上的线圈足够多时，就可使脉动程度大为降低，得到平滑的电磁转矩。由以上分析可得直流电动机的工作原理：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机线圈中流过方向交变的电流，从而使线圈产生恒定方向的电磁转矩，保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转。二、直流电机的主要结构直流电机为实现旋转运动， 一般包括静止和转动两大部分，静止部分和转动部分之间因有相对运动，故留有一个确定的空气间隙，称为气隙。直流电机的静止部分叫做定子，包括机座、主磁极、换向极、电

6、刷等装置。转动部分叫做转子（又称电枢），包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴、风扇等装置。直流电机的结构如图1-3所示。图1-3直流电机的结构11直流电机主要部件的作用介绍如下:1. 主磁极1-4所示。铁芯一般用主磁极的作用是产生主磁通，它由铁芯和励磁绕组组成，如图lmm1.5mm的低碳钢片叠压而成，小电机也有用永磁铁做磁极的。主磁极上的励磁绕组是 用绝缘铜线绕制而成的集中绕组，与铁芯绝缘，而且各主磁极上的绕组一般都是串联的。1 机座；2主磁极铁芯；3 励磁绕组 图1-4主磁极的结构通常铁芯由整块钢做成， 换1-5所示。其极性在作为发2. 换向极换向极的作用是产生附加磁场，用以改善电机的换向性能

7、。 向极绕组应与电枢绕组串联。换向极装在两个主磁极之间，如图电机运行时，应与电枢导体将要进入的主磁极极性相同；在作为电动机运行时， 则应与电枢导体刚离开的主磁极极性相同。1换向极铁芯；2换向极绕组 图1-5换向极的结构3. 机座机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖等，另一方面作为电机磁路的一部分称为磁 轭。机座一般用铸钢或钢板焊接制成。4电刷装置在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装设固定的电刷装置，它是由电刷、刷握和刷杆座组成的，如图1-6所示。电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，用弹簧压指将它压触在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，用铜绞线将电刷和刷杆连接， 刷杆装在刷

8、座上，彼此绝缘，刷杆座装在端盖上。1一堂奔：2-压摇：3电臥图1-6电刷装置5.电枢铁芯电枢铁芯的作用是通过磁通和安放电枢绕组。当电枢在磁场中旋转时，铁芯将产生涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，提高效率， 电枢铁芯一般用硅钢片冲叠而成。 电枢铁芯具有轴 向冷却通风孔，如图1-7所示。铁芯外圆周上均匀分布着槽，用以嵌放电枢绕组。6 .电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。绕组 通常用漆包线绕制而成，嵌入电枢铁心槽内，并按一定的规则连接起来。为了防止电枢旋转时产生的离心力使绕组飞出，绕组嵌入槽内后，用槽楔压紧；线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。1 齿；

9、2槽；3 轴向通风孔图1-7电枢铁芯7.换向器换向器的结构如图1-8所示。它由许多带有鸽尾形的换向片叠成一个圆筒，片与片之间用云母片绝缘，借V形套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。每个换向片与绕组每个元件的引出线焊接在一起，其作用是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转。1 V形套筒；2云母片；3换向片；4 联结片图1-8换向器结构二、直流电机的励磁方式直流电机按照主磁极的不同，一般可分两大类： 一类是由永久磁铁作为主磁极；而另一类利用给主磁极绕组通入直流电产生主磁场。后一类根据励磁方式（主磁极绕组与电枢绕组接线方式）的不同，还可分为他励式

10、、并励式、串励式和复励式。1 .他励方式他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压与励磁电压彼此无关。接线图如图1-9所示。这种直流电机的特点是电枢电流即为直流电机负载线路的电流。2.并励方式1-10 所并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，由同一电源供电，接线图如图 示。它的特点是主磁极励磁回路的励磁电压与电枢两端的电压相等。3.串励方式串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系，接线图如图1-11所示。它的特点是主 磁极励磁回路的励磁电流与电枢回路电流相等。4. 复励方式复励电机的主磁极上有两部分励磁绕组，其中一部分与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他励（或并励）绕组，通常

11、他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。 如图1-12所示。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励，反之称为差复励。图1-11串励电机If+b)串励和他励组合a)串励和并励组合图1-12复励电机四、铭牌数据和主要系列1.直流电机铭牌数据每一台电机上都有一块铭牌，上面列出一些具体的数据，称为额定值。这是电机制造厂 家按照国家标准和该电机的特定情况规定的电机额定运行状态时的各种运行数据，也是对用户提出的使用要求。如果用户使用时处于轻载即负载远小于额定值，则电机能持续正常运行，但效率降低，不经济。如果电机运行超出了额定值，则称为过载，将缩短电机的使用寿命甚至可能损坏。所以根据负载

12、条件合理选用电机，使其接近额定值才既经济合理，又可以保证电机可靠的工作，并且具有优良的性能。表1-3是一台直流电动机的铭牌。表1-3直流电动机铭牌型号Z2-72励磁方式井励功率22kW励磁电压22OV电压22OV励磁电流2.06A电毓U6A定额连续转速L5QOl7iniii编号xxxx出厂日期x x X X 年x 月 x HXXXX电机厂(1) 额定功率PN(kW)额定功率是指在电机的额定情况下，长期运行所允许的输出功率。对发电机而言，是指输出的电功率；对于电动机，贝y是指转轴上输出的机械功率。(2) 额定电压UN(V)额定电压是指正常工作时电机出线端的电压值。对发电机而言，是指在额定运行时输

13、出的端电压；对于电动机，是指额定运行时的电源电压。(3) 额定电流I n(A)额定电流是电机对应于额定运行时的电流值。对发电机是指额定运行时供给负载额定的电流；对电动机是指额定运行时从电源输入的电流。对于发电机，三个额定值之间的关系为Pn U n I n(1-2 )对于电动机，三个额定值之间的关系为Pn - U n I n n(1-3 )额定效率 N-Pn100%(1-4 )R(4)额定转速nN (r/min)额定转速是指在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。例1.1 一台直流发电机，R=10kW U=230V, nN=2850r/min , n n=85% 求其额定电流和输入功率。解：

14、由式(1-2)得，1扌10 103230A = 43.48A由式(1-4)得，310 100.85W -1176CW -11.76kW例1.2 一台直流电动机，R=17kW U=220V, nN=1500r/min , n n=83%求其额定电流和输入功率。解：由式(1-3)得，“壮二宀93由式(1-4)得，P一鱼一1 N 0.83W 二 20482W 二 20.48kW2 直流电机系列我国目前生产的直流电机主要有以下系列。(1) Z2系列该系列为一般用途的小型直流电机系列。“Z”表示直流，“ 2”表示第二次改进设计。系列容量为 0.4kW200kW 电动机电压为 1IOV、220V,发电机电压为 1I5V、230V,属防护 式。(2) ZF和ZD系列这两个系列为一般用途的中型直流电机系列。F”表示发电机，D”表示电动机。系列容量为55kW1450kWZZJ系列该系列为起重、冶金用直流电机系列。电压有220V、440V两种。工作方式有连续、短时和断续三种。ZZJ系列电机启动快速，过载能力大。此外，还有ZQ直流牵引电动机系列及用于易爆场合的ZA防爆安全型直流电机系列等。常见电机产品系列见表1-4。表1-4常见