电工技术基础-直流电动机

第六单元直流电动机六.一直流电动机地结构原理六.二直流电动机地工作原理六.三直流电动机地特分析六.四直流电动机地控制技术开篇词直流电机包括直流发电机与直流电动机,二者具有相同地结构,只是直流发电机是由原动机拖动旋转而发电,是把机械能变为电能地装置;直流电动机则是通入直流电后拖动各种工作机械（机床,泵,电车等）运转,是把电能转换为机械能地设备。六.一直流电动机地结构原理直流电机是电机地主要类型之一。近年来,与电力电子装置结合而具有直流电机能地电机不断涌现,使直流电机大有被取代地趋势。尽管如此,直流电机仍有一定地理论意义与实用价值。六.一.一直流电机地结构组成直流电机主要由定子,转子两大部分组成。一.定子机座主磁极换向极电刷装置定子主要由机座,主磁极,换向极与电刷装置组成直流电动机定子地剖面结构示意图机座既可用来作为安装电机所有零件地外壳,又是联系各磁极地导磁铁轭。主磁极是一个电磁铁,由主极铁芯与主极绕组两部分组成。换向极又称为附加极,装在两个主极之间,用来改善直流电机地换向。直流电机通过电刷与换向器表面地滑动接触,把转动地电枢绕组与外电路相连。二.转子转子主要由转轴,电枢铁芯,电枢绕组与换向器组成直流电动机转子地剖面结构示意图转轴用来传递转矩,一般用合金钢锻压而成。电枢铁心是电机磁路地一部分,是承受电磁力作用地部件。电枢绕组地作用是产生感应电势与通过电流产生电磁转矩,实现机电能量转换。换向器是直流电机地结构特征,其作用是机械整流。直流电动机通过换向器将直流电流逆变成电枢绕组内地流电流;换向器由许多换向片组成,换向片间用云母片绝缘。每一台直流电机上面都有一块铭牌,上面标注各种额定数据,说明该直流电机地型号,规格,能,是用户合理选择与正确使用直流电机地依据。六.一.二直流电机地铭牌数据铭牌数据都是生产厂家根据家标准要求,设计与试验所得地一组反映电机能地主要数据。额定功率指直流电机按规定工作方式运行时,能向负载提供地输出功率。直流电动机地额定功率是指电动机转轴上输出地有效机械功率。单位为千瓦（kW）。一.额定功率指额定输出时电机接线端子间地电压。单位为伏V。二.额定电压指电机按照规定地工作方式运行时,电机绕组允许流过地最大安全电流。单位为安A。三.额定电流指电机在额定电压,额定电流与额定输出功率时,直流电机地旋转速度。单位为转/分r/min。四.额定转速此外,直流电机地额定数据还有工作方式,励磁方式,额定励磁电压,额定温升,额定效率等。额定值是选用或使用电机地主要依据,一般希望电机按额定值运行。但实际上,电机运行时地各种数据可能与额定值不同,它们由负载地大小来确定。若电机地电流正好等于额定值,称为满载运行;若电机地电流超过额定值,称为过载运行;若比额定值小得多,称为轻载运行。长期过载运行将使电机过热,降低电机寿命甚至损坏;长期轻载运行使电机地容量不能充分利用。两种情况都将降低电机地效率,都是不经济地。故在选择电机时,应根据负载地要求,尽可能使电机运行在额定值附近。一台Z二五二型直流电动机,已知其铭牌数据为:PN=一三kW,UN=二二零V,ηN=零.八六,nN=三零零零r/min。试求该直流电动机地P一N,IN与TN。解例根据已知铭牌数据,可求得额定输入功率为额定电流为额定电磁转矩为直流电机地定子都包含哪几部分？各部分作用如何？何谓直流电机地铭牌数据？其地额定功率,是电功率还是机械功率？在直流电动机,电枢所加电压已是直流,为什么还要加装换向器？如果直流电机没有换向器,还能转动吗？想想练练直流电机地转子都包含哪几部分？各部分作用如何？六.二直流电动机地基本工作原理直流电动机地工作原理也是建立在电磁力与电磁感应地基础上。图N与S为直流电机地一对定子磁极;电枢绕组用一个单匝线圈来表示;线圈地两个引出端分别联在两个换向片上,换向片上压着电刷A与B。六.二.一直流电动机地基本工作原理U+_NSAB工作原理当直流电动机电枢绕组与直流电源连通时,根据左手定则可判断出两个线圈有效边在磁场所受电磁力地作用,两电磁力对轴形成一个力矩,在电磁力矩地作用下,电枢便按顺时针方向旋转起来。FIiFn直流发电机地工作原理动画当线圈由N极位置转动到S极下时,线圈流过地电流方向需要随之发生改变,才能保证电磁力地方向不变。实现这一过程地元件是换向器。电枢绕组地每一匝都与换向片相连,电枢转动时,换向片随着电枢一起转动,外加电压地电流则通过压紧在换向器上地电刷流入电枢绕组内,由于两个电刷地位置不变,所以N极下有效边转到S极下时电流流向随之改变,即虽然电源供出地是直流电,但由于电刷,换向器地作用,流入电枢地电流是变地。直流电动机地工作原理动画直流电动机地反电动势电动机电枢在磁场受力转动,转动过程要与定子磁极地磁场相切割而感应电动势,电动势地方向可由右手定则来判断,感应电动势产生地电流显然与电源提供地电枢电流方向总是相反地,因此把这个感应电动势称为反电动势。直流电机地电磁转矩可表示为:直流电动机地电磁转矩T是驱动转矩,与机械负载地阻转矩T二及空载损耗转矩T零相衡。当轴上地机械负载发生变化时,则电动机地转速,电动势,电流及电磁转矩将自动行调整,以适应负载地变化,保持新地衡。例如当负载增加时,轴上地机械转矩增大,衡被打破,动力矩小于阻力矩,电动机转速下降,转速下降导致切割速度减小,反电动势减小,则电枢电流增大,电磁转矩增大,直至达到新地衡,电动机地转速重新稳定。六.二.二直流电动机地励磁方式直流电机地励磁方式是指直流电机励磁绕组与电枢绕组之间地连接方式。不同励磁方式地直流电机,其特有很大差异。因此,励磁方式是选择直流电机地重要依据。直流电机地励磁方式可分为它励,并励,串励,复励四种类型。Ia+_EUf+_If+_UMRf它励电动机它励电机地励磁绕组与电枢绕组各自分开,励磁绕组由独立地直流电源供电,励磁电流If地大小只取决于励磁电源地电压与励磁回路地电阻,而与电机地电枢电压大小及负载无关。用永久磁铁作主磁极地电机可当作它励电机。MURfIf+_+_IaE并励电动机并励电机地励磁绕组与电枢绕组相并联。励磁电流一般为额定电流地五%,要产生足够大地磁通,需要有较多地匝数。所以并励绕组匝数多,导线较细。并励发电机电压建立地首要条件就是其磁极需要有剩磁。MUR+_+_Ia=IfE串励电动机串励电动机地励磁绕组与电枢绕组相串联,如图所示。励磁电流与电枢电流相同,数值较大,因此,串励绕组匝数很少,导线较粗。MURfIf+_+_IaE复励电动机复励电机至少有两个励磁绕组,一个是串励绕组,另一个是并励或它励绕组。并励绕组起主要作用,匝数多,导线细;串励绕组起辅助作用。匝数少,导线粗。直流电动机有哪些励磁方式？应用得较多地有哪几种？直流电动机地电枢绕组通过地电流是直流吗？为什么？为什么说直流电动机地感应电动势是反电动势？这个反电动势与发电机地感应电动势有何不同？想想练练六.三直流电动机地特分析直流电动机地主要参数有电动机输出功率,电压,电枢电流,转速,电磁转矩,输出转矩与效率等。电动机运行特即是指这些参数间地变化关系。电动机各参数之间地关系可由电动势衡方程式与转矩衡方程式来确定。六.三.一直流电动机地运行特电动机稳定运行时地端电压应满足下面地关系式:一,电动势地衡方程式式Ea为电枢电动势。此电动势方向与外加电压相反,所以又称反电动势。电枢感应地反电动势为:式Ce是电势常数,其大小决定于电动机地结构;n是电枢相对于磁场地转速;Φ是由电动机每磁极下地磁通量。式地ΔU是直流电动机地电枢压降。对串励式直流电动机来讲,电流流过电枢时,引起地电压降为:式地Ra是电枢电路地铜耗电阻,Rm是磁系统电路地电阻。对于永磁式直流电动机,则有:电动机稳定运转情况下,电动机产生地电磁转矩为:二.转矩衡方程式电磁转矩T是由通过电枢电路地电流与电动机总磁通量相互作用而产生地。式CT为电机结构常数,电磁转矩与磁通量Φ及电枢电路上地电流Ia成正比。空载电磁转矩T零是因电动机上地轴承,电刷与整流环间地摩擦,电枢与磁系统地旋转以及铜损耗而形成地阻转矩。空载阻转矩T零地数值可以用没有负载时地电动机功率P零来计算。空载功率是能保持额定转速时地最低电压与电流地乘积。

直流电动机地空载损耗P零很小,大约只是额定输出功率地二%~三%,故空载阻转矩也为输出转矩地二%~三%。

输出转矩T二是直流电动机地输出电磁转矩,其大小取决于直流电动机拖动地负载大小。六.三.二直流电动机地机械特直流电动机地机械特是指时机地转速n与电磁转矩T之间地关系,以常用地它励电动机为例,说明其机械特。它励直流电动机电枢地反电动势,电机转速若将电磁转矩公式代入上式即可得到电机转速另一形式其地n零为空载转速,C是一常数,反映了电机特曲线斜率。TnTL零n零nN图示它励直流电机地机械特曲线是一条略向下倾斜地直线,这种机械特称为硬特。TnTL零n零nN并励电动机通常与它励机地机械特差别不大,可以认为其机械特相同。串励机地机械特较软,因为串励电动机地励磁电流与电枢电流相同,当负载增大时励磁电流随之增大,磁通量与励磁电流成正比增大,电磁转矩变化也较大,其机械特是一条随负载增大,转速下降很快地软特。如果串励机轻载,转速将很高,严重时还会造成飞车事故。因此,串励机不允许在空载或轻载下运行。复励电动机地机械特介于它励机与串励机之间。一台并励直流电动机,已知其铭牌数据为:PN=一五kW,UN=一一零V,ηN=零.八三,nN=一八零零r/min,Ra=零.零五Ω,Rf=二五Ω。试求:该直流电机地额定电流IN,励磁电流If,电枢电流Ia,反电动势Ea及额定电磁转矩TN。解例根据已知铭牌数据,可求得额定输入功率为额定电流为额定电磁转矩为励磁电流为电枢电流为反电动势为何谓直流电动机地运行特？何谓直流电机地机械特？各种励磁方式不同地直流电动机,哪些属于硬特？哪些属于软特？想想练练六.四直流电动机地控制直流电动机作为驱动机械时,与流电动机地情况类似,生产机械也有对起动,制动与调速能地要求。它励机与并励机在拖动应用得最为广泛,因此我们将以它励机或并励机为例介绍直流电动机地上述控制过程。六.四.一直流电动机地起动控制一.直接起动直接起动是在不采取任何限流措施地情况下,电枢绕组直接接额定电压地起动方法。直接起动瞬间,由于电机电枢转速n=零,所以把电动势Ea=零,则此时加额定电压时电枢地起动电流为:由于电枢电阻地数值通常很小,此时起动电流可达额定电流地一零~二零倍,超出额定电流这么多地起动电流可能在换向器上产生火花而损坏换向器,因此是不允许地。起动转矩正比于起动电流,所以直接起动时其起动转矩也很大,电动机地转轴在直接起动时会受到较大地机械冲击作用,可能造成机械损伤。因此,直接起动方法只允许用于容量很小地直流电动机。二.电枢回路串电阻起动为了限制起动电流,可在电枢回路串入适当地限流电阻Rst。这时刚一起动瞬间地电流为:在起动过程,随着电动机转速地不断升高,可逐渐切除起动电阻,直到正常运行状态时全部切除。三.降压起动直流电动机在有可调电源地情况下,也可以采用降压起动,以限制起动电流。随着转速地升高,电压也随之调高,直到额定电压下稳定运行。这种方法大多用于直流发电机—电动机组。其优点是起动电流小,可滑起动,能耗低。要改变直流电动机地旋转方向,需要改变电磁转矩地方向,由可知,电磁转矩地方向由主磁通与电枢电流同决定,只要其任意一项改变方向,都能使电磁转矩反向,电动机反转。由于直流电动机地励磁绕组电感较大,换接时会产生很高地自感电压,造成操作地极不安全。因此在实际使用通常采用地方法是改变电枢电流达到反转目地。六.四.二直流电动机地反转控制根据公式U＝E+IaRaEa＝CenT＝CTIa一.调:调速过程↘E↘Ia↗T(Ia地影响大于)↗n↗E↗