项目七 任务1直流电机的工作原理与基本结构

项目七：轧钢机电动机的调速控制4123直流电机的工作原理与基本结构他励直流电动机的起动与反转他励直流电动机的制动控制他励直流电动机的调速控制5直流电动机的方程式和机械特性项目情境描述轧钢机是一种将热的金属（主要是钢坯）重复通过轧辊以辗轧成形的机器，简称轧机。两辊式轧机的基本结构图轧辊是一套两个或两个以上的有关联的辊子。按轧辊的数目不同，轧钢机可分为两辊式、三辊式、四辊式和多辊式。轧钢机由轧钢机械和传动机构组成。轧钢机械主要包括主机和辅机两大部分。传动机构包括齿轮机座、减速机、飞轮、联轴器、万向节等。项目情境描述◆轧钢机的工艺流程从炼钢厂出来的钢坯是由钢锭轧制成的半成品，形状比较简单，经过轧钢厂的轧制以后，才能成为合格产品。1.热轧工艺热轧：从炼钢厂送来的连铸坯（厚度为150～250mm），被送入加热炉加热、除磷，然后通过辊道送入轧机，经过初轧机反复轧制之后，再进入精轧机（由7架4辊式轧机组成）进行轧制。热轧后的钢轨分为钢卷和锭式板两种，厚度一般为几毫米。如果用户要求钢板更薄，还要经过冷轧。轧钢机的压轧工艺流程分热轧和冷轧两步。项目情境描述2.冷轧工艺从热轧厂送来的钢卷，先用盐酸除去氧化膜，然后才能送到冷轧机上，由开卷机将钢卷打开，再将钢带引入五机架连轧机轧成薄带卷。冷轧产品主要有普通冷轧板、涂镀层板也就是镀锡板、镀锌板和彩涂板。一、直流电机简介1.直流电机的定义任务1.直流电机的工作原理与基本结构与交流电机一样，直流电机的工作也遵循“导体切割磁力线产生感应电动势”“载流导体在磁场中会受到电磁力的作用”，这两条基本物理原理。直流电机是通产生或者使用直流电的旋转电机，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。2.直流电机的特点（与交流电机相比）●直流电机的缺点调速性能好，起动转矩大，过载能力强。运行性能好，能提供无脉动的大功率直流电源，输出电压可以精确调节和控制。1）制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高。2）运行时电刷和换向器之间容易产生火花，工作可靠性较差，维护比较困难。●直流电动机的优点●直流发电机的优点3.直流电机的应用在调速性能要求不高的领域，直流电机已逐渐被交流变频调速系统所取代。在某些要求调速范围大、调速性能好、精密度高、控制性能优越的场合，直流电机的应用仍占有较大的比重。●直流电动机的应用：大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、电力机车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械等。●直流发电机的应用：化学工业中所需的低电压大电流直流电源、直流电焊机电源等。直流电机的应用，远不如交流电机广泛。二、直流电机的基本结构气隙转子定子1-机座2-主磁极3-转轴

4-电枢铁心

5-换向磁极6-电枢绕组7-换向器8-电刷二、直流电机的基本结构定子结构示意图由机座、主磁极、换向磁极、电刷装置、端盖等组成。直流电机的机座和端盖，与交流电机的机座和端盖基本相同。电刷装置前端盖后端盖二、直流电机的基本结构1.直流电机的定子主磁极结构示意图主磁极通常由螺杆固定在机座上，N、S两极成对出现。●主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。励磁绕组通入直流电，就产生了N、S磁极。NS

定子结构简图+-1.直流电机的定子换向极是直流电机所特有的小磁极，位于两个主磁极之间，包括铁心和绕组两部分。当直流电机的功率很小时，换向极可以减少到主磁极极数的一半，甚至可以不装换向极。换向极绕组与电枢绕组串联，在电机运行时产生附加磁场，能减小电刷与换向片之间的火花，改善换向性能。●换向磁极1.直流电机的定子●电刷装置交流电机没有电刷装置，直流电机才有。电刷装置由电刷座、电刷盒、刷辫、压簧等组成。1.直流电机的定子三相绕线转子异步电动机转子绕组连接的电刷与此并不相同。●电刷装置电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，由弹簧压指压紧在换向器上。电枢绕组通过换向器和电刷装置与外电路相连。电刷结构图1.直流电机的定子直流电机的转子也称为电枢，电枢槽内放置电枢绕组。由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。电枢绕组是实现机电能量转换的枢纽。小型电机的电枢绕组通常是铜导线。大中型电机的电枢绕组多是成型线圈。与交流电机相比，直流电机的转子上多了个换向器。2.直流电机的转子电枢铁心由许多0.5mm厚的硅钢片冲压成，各个硅钢片相互绝缘。电枢硅钢片电枢铁心的外圆周上均匀开设了许多形状相同的槽，这些槽用来嵌放电枢绕组。电枢铁心内部开有一些与转轴平行的孔，称为轴向通风孔，专门用来散热。2.直流电机的转子换向器剖面图1-螺旋压圈2-换向器套筒

3-V形压圈4-V形云母环

5-换向铜片6-云母片2.直流电机的转子换向器又称整流子，由所有换向片组合而成。制作换向器的材质通常是紫铜或铜合金，导电性能好，又比较耐磨。直流电机在工作时，换向器和电刷不断相互摩擦，很容易磨损，磨损严重就要更换。换向器和电刷是日常维护和检修的重要部位。3.直流电机的总结构图直流电机结构图1-直流电机总成2-后端盖3-通风器4-定子总成5-转子（电枢）总成6-电刷装置7-前端盖3.直流电机的总结构图主磁极固定不动，通常用N、S来表示。主磁极可以由永久磁铁制成。不过，生产实际中的直流电机通常在磁极铁心上缠绕励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电，使之产生磁场。物理模型实物简化NS三、直流电机的物理模型转子通常又称为电枢。它是由铁磁性物质构成的圆柱体，安装在主磁极之间。电枢外表面的槽中嵌放着电枢线圈。如果有足够大的转矩作用在电枢上，电枢就会带着电枢线圈在主磁极之间旋转。NS三、直流电机的物理模型换向片1和2是半圆形的铜环，分别连接在电枢线圈的两端，能随电枢旋转。两个换向片彼此绝缘。电刷A和B固定不动。电刷和换向片紧密接触，形成电枢电流和外电路的通路。三、直流电机的物理模型NS四、直流发电机的工作原理1）励磁绕组通入直流电，产生静止的、恒定的磁场。1.直流发电机的工作条件SN两个条件缺一不可：2）原动机拖动电枢，以恒定的转向、恒定的转速旋转。给直流发电机的电刷两端接上负载，并用原动机带动电枢逆时针旋转。电枢导体切割磁力线，在电枢线圈中产生感应电动势与感应电流。图a导体ab处于N极下当电枢导体ab处于N极下、cd处于S极下时，用右手定则可判定ab中的感应电流方向由b指向a，cd中的感应电流方向由d指向c，整个电枢线圈中的感应电流为逆时针方向。感应电流自换向片1流经电刷A，流向外电路，再经电刷B和换向片2回流到电枢线圈中。对外电路而言，电刷A为正极性，电刷B为负极性。2.直流发电机的工作原理分析直流发电机物理模型

当电枢转过180°，导体ab处于S极下、cd处于N极下时（图b），用右手定则判定电枢线圈中的感应电流仍为逆时针方向。感应电流自换向片2流经电刷A，流向外电路，再经过电刷B和换向片1，回流到电枢线圈中。图b导体cd处于N极下对外电路而言，电刷A仍为正极性，电刷B仍为负极性。2.直流发电机的工作原理分析图a导体ab处于N极下图1假想起点图2和图4：导体ab和cd位于磁场的物理中性面上，导体运动方向与磁力线平行，不切割磁力线，不产生感应电动势，电压表的指针指在0位，无偏转。图1：电枢导体ab处于N极下、cd处于S极下，电压表的指针向下偏转。图3：电枢导体cd处于N极下、ab处于S极下，电压表的指针向上偏转。图2转过90°

图3转过180°

图4转过270°

直流发电机电枢旋转过程分解图电压表结论：电枢导体中产生的感应电动势的方向是变化的！2.直流发电机的工作原理分析电刷A、B两端输出的是直流电动势。电枢导体ab和cd中流过的是交变的感应电流。位于N极下的导体电流，总是由线圈流入换向片，再流入电刷A，A的极性总为正；位于S极下的导体电流，总是由电刷B流入换向片，再流入线圈，电刷B的极性总为负。直流发电机物理模型

2.直流发电机的工作原理分析图b导体cd处于N极下图a导体ab处于N极下实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，不用担心有导体位于磁场的物理中性面上时，发电机会断流。NSNS-E+-E+如果原动机带动电枢顺时针旋转，则电枢线圈中的电流顺时针流动，电刷A的极性总为负，电刷B的极性总为正。ABAB2121FFFF电枢线圈里有电流，在磁场中就会受到电磁力的作用。该电磁力与原动机的作用力方向相反，其数值较小，改变不了电枢的转向。2.直流发电机的工作原理分析电刷AB两端极性恒定，输出直流电原动机带动

电枢旋转电枢绕组中产生交变的感应电动势和感应电流电枢在定子磁场中受到电磁转矩的作用被克服（做功）Φ换向Φ阻转矩3.直流发电机的电磁关系1.直流电动机的工作条件两个条件缺一不可：1）励磁绕组通入直流电，产生静止的、恒定的磁场。2）在电刷AB两端接上直流电源。S+-N五、直流电动机的工作原理当导体ab处于N极下、cd处于S极下时，ab中的电流由a流向b，cd中的电流由c流向d，整个线圈中的电流顺时针流动。2.直流电动机的工作原理分析电刷AB接直流电源：A接正极，B接负极。图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转用左手定则判定：导体ab受力方向从右向左；导体cd受力方向从左向右，形成逆时针方向的电磁转矩，带动电枢逆时针旋转。当电枢转过90°，使导体ab和cd位于磁场的物理中性面上时，换向片1和2与电刷A和B都接触，电枢线圈被短路，其中无电流，电磁转矩消失。图b导体ab和cd位于物理中性面上时，线圈中无电流，电枢因惯性旋转图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转在机械惯性作用下，电枢仍能转过一个角度，使电刷A与换向片2接触、电刷B与换向片1接触。2.直流电动机的工作原理分析图c导体ab处于S极下时，电枢逆时针旋转当电枢转到90°~180°之间，电刷A与换向片2接触，电刷B与换向片1接触，则导体ab和cd中的电流都反向，但是整个电枢线圈中的电流流向仍为顺时针。用左手定则可判定：电枢仍然受到逆时针方向的电磁转矩作用，电枢继续逆时针旋转。图a导体ab处于N极下时，电枢逆时针旋转2.直流电动机的工作原理分析直流电动机电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢线圈中的电流，却是交变的。在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。直流电动机工作过程分解图2.直流电动机的工作原理分析图a图c图b图d实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。NSAB21NS电枢一旦旋转起来，电枢线圈就会切割磁力线，就会在电枢线圈中产生感应电动势和感应电流。此感应电动势称为反电动势，因为它产生的感应电流（黑色）与电枢电流（红色）的方向相反。AB21FFFF2.直流电动机的工作原理分析电直刷流两电端源接电流枢过线交圈流中电电电枢磁受转电矩磁的力作和用

带动机械负载工作克服反电动势做功换向Φ旋转Φ动力矩3.直流电动机的电磁关系注意事项：直流电机物理模型中只有一对N、S磁极和一个电枢线圈。实际上，很多直流电机的磁极不止一对，电枢线圈往往有很多个，每个电枢线圈的两端都连接一个换向片。这些换向片构成换向器，通过电刷连接外电路。4.直流电动机的工作过程演示六、直流电机的可逆原理励磁绕组通入直流电原动机拖动电枢旋转直流电机的可逆原理：一台直流电机，既可作发电机运行，也可作电动机运行。励磁绕组通入直流电电刷两端接直流电源直流发电机直流电动机它以永磁体提供励磁，使结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了集电环和电刷，提高了运行的可靠性；无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了功率密度和效率(>90%)。七、永磁同步电机永磁同步电机主要由定子、转子、机座和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，由叠片叠压而成以减少运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢。a)突出式b)内置式两种结构形式的转子的磁路结构（一）永磁同步电机的结构转子可以制成实心的形式，也可以由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同，永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式。突出式转子的磁路结构简单，制造成本低，但由于其表面无法安装起动绕组，不能实现异步起动。内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种，主要区别在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。三种不同形式内置式转子的磁路结构a)径向式b)切向式c)混合式（一）永磁同步电机的结构由于永磁体置于转子内部，转子表面便可制成极靴，极靴内置入铜条或铸铝等便可起到起动和阻尼的作用，稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称，这样就会在运行中产生磁阻转矩，有助于提高电机本身的功率密度和过载能力，而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势，其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍，即式中，F为圆形旋转磁动势，单位是T・m；Fφl为单相磁动势的最大幅值，单位是T・m；k为基波绕组系数；p为电机极对数；N为每一线圈的串联匝数；I为线圈中流过电流的