《电机学直流电机》课件

直流电机概述直流电机是最常见的电动机类型之一,广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域。它通过电磁感应的原理将电能转换为机械能,具有结构简单、性能稳定、控制灵活等优点。本课程将系统地介绍直流电机的工作原理、结构特点以及相关应用。M课程介绍1课程目标掌握直流电机的基本工作原理、结构组成及作用、感应电动势的产生等核心知识。2课程内容涵盖直流电机的拓扑结构、转矩-电流特性、调速和控制等重要概念。3学习收获通过本课程的学习,学生可以深入理解直流电机的工作原理和实际应用。直流电机的基本工作原理电磁感应原理当通电线圈置于磁场中时,由于电磁感应,会产生感应电动势,从而产生电流流过线圈。力矩产生电流流过线圈会产生力矩,使线圈旋转。通过电枢和励磁磁场的作用,可以产生稳定的转矩。电荷分布电枢中产生的电荷在两端分别积累,形成电压差,并通过外部电路完成电动势的闭合回路。结构组成及作用电枢电枢是直流电机的核心部件,通过绕组产生交变磁场,配合外加磁场产生电磁力矩。换向器换向器可以实现电枢绕组输出电压的换向,使电机输出保持直流。同时也参与枢磁场的形成。励磁系统励磁系统产生稳定的直流磁场,与电枢磁场相互作用产生电磁力矩,驱动电机转动。机械结构电机壳体、轴承等机械结构部件提供支撑,确保电机平稳运转,延长使用寿命。感应电动势的产生1磁场电流在电线中流动会产生磁场。2电磁感应磁场变化会在导体中产生感应电动势。3电枢转动电枢的转动会改变磁场,从而产生感应电动势。直流电机的工作原理就是利用电磁感应产生的感应电动势。当电枢在定子磁场中转动时,导体切割磁力线,从而在导体中产生感应电动势。这就是直流电机的基本工作原理。电枢电流的计算直流电机的电枢电流是由电枢绕组电压和电枢电阻所决定的。我们可以通过计算电枢电压和电枢电阻来得出电枢电流的大小。这个计算过程涉及到电动势的产生、电枢反应的影响等因素。电枢电压由电动势产生,与转速成正比电枢电阻由电枢材料和结构决定,包括绕组电阻和刷电阻电枢电流电枢电压除以电枢电阻,反映了电机的负载能力电枢反应磁场变化电枢电流在磁场中产生的磁场会与励磁磁场产生相互作用和干扰。转矩变化电枢反应会改变电机的输出转矩，影响电机的性能。感应电动势电枢反应会改变感应电动势的大小和波形，从而影响电机输出电压。电枢反应的消除1磁极补偿在极心前沿装置磁极补偿绕组2电刷前移通过前移电刷减小电枢反应3串励绕组增加串励绕组电流抵消电枢反应为了消除电枢反应对电机性能的不利影响,可以采取多种措施:安装磁极补偿绕组、前移电刷位置、增加串励绕组电流。这些方法可以有效抵消电枢反应,提高电机的性能和稳定性。直流电机的转矩直流电机的转矩是指电机输出的旋转力矩,是电机功率输出的重要指标之一。转矩的大小决定了电机能够驱动负载的能力,是电机工作的关键特性。通过分析电机的转矩-电流特性曲线,可以了解电机的扭矩输出特性,为电机的选型和应用提供重要依据。曲线呈现了电机在不同电流条件下的扭矩输出能力,是电机设计和控制的重要参考。转矩-电流特性曲线直流电机的转矩与电流之间呈线性关系。这个关系曲线可以用来分析电机的工作特性,并为设计提供依据。通过分析转矩-电流曲线,可以了解电机的额定工作点、过载能力、机械特性等性能指标。这些指标对于选用合适的直流电机非常关键。直流电机的调速1通过调整励磁可调整直流电机的励磁电流来改变转速。增大励磁电流可提高转速,减小励磁电流可降低转速。2通过调整电枢电压通过改变电枢回路的电压来调整直流电机的转速。提高电枢电压可增加转速,降低电枢电压则可减小转速。3采用电子调速装置使用整流器、变频器等电力电子设备可实现直流电机的无级调速,操作灵活、效果良好。直流电机的启动1选择合适的启动方式根据电机功率、转速和负载特性选择不同的启动方式2实现平稳启动控制启动过程中的电流和转矩变化,避免过大的机械冲击3防止过电流损坏利用合理的保护装置,确保启动过程中电机安全可靠直流电机启动时需要特别注意避免电流和转矩的突变,以免损坏电机或负载设备。不同的启动方式如直接启动、降压启动、分级启动等都有各自的优缺点,需根据实际情况进行选择。在启动过程中还需设置合理的保护措施,保证电机安全可靠地启动。直流电机的速度控制调节电枢电压通过增大或减小电枢电压可以调节直流电机的转速。这是最常用的调速方法之一。改变电枢电流控制电枢电流可以改变电动机的转矩,从而影响转速。这种方法适用于广泛的功率范围。调整励磁电流调节励磁电流可以改变电机的转速,适用于并励和复励直流电机。这是一种常见的调速方法。采用电子调速使用功率电子设备可以灵活地控制直流电机的转速,是一种先进的调速技术。直流电机的牵引特性牵引力和速度的关系直流电机的牵引力特性曲线描述了电机的牵引力随速度变化的关系。最大牵引力出现在电机启动时,随着速度增加牵引力逐渐降低。这种特性使直流电机非常适合作为电力机车的驱动电机。负载特性和效率直流电机的负载特性曲线反映了电机输出功率、效率和机械特性之间的关系。通过合理选择电机功率和负载特性,可以实现高效率和良好的调速性能。在电力机车的应用直流电机广泛应用于电力机车作为主驱动电机,利用其大扭矩、良好的调速性和机械特性,实现高效的牵引性能。这种应用是直流电机最重要的用途之一。直流电机的机械特性转矩-速度曲线直流电机的机械特性主要由其转矩-速度特性曲线表示。这条曲线描述了电机在不同负载下的运行状态，反映了电机的动态性能。机械特性分析通过分析转矩-速度曲线，可以了解电机的输出转矩、转速、机械功率等参数之间的关系，为电机的设计和应用提供重要依据。负载特性不同类型的负载会对电机的机械特性产生影响。合理选择电机与负载的匹配是保证系统稳定运行的关键。应用分析直流电机广泛应用于电梯、起重机、电动工具等场合。深入分析其机械特性有助于优化系统设计，提高能源利用效率。直流电机的热特性温度监测实时监测电机的温度变化,防止过热导致的损坏。冷却系统良好的冷却系统能有效降低电机运行时的温度。绝缘性能优质的绝缘材料可以提高电机对高温的耐受能力。散热能力合理的散热设计能够有效降低电机内部的温升。直流电机的效率95%最大效率优秀的直流电机可以达到95%的最高效率。75%一般水平大多数直流电机在额定工况下的效率在75%左右。40%低负载效率直流电机在低于额定负载工况时效率会大幅下降。直流电机的效率是指其输出功率与输入功率的比值。影响直流电机效率的主要因素有铜损、铁损、机械损耗和附加损耗。通过合理的设计和调整,可以最大限度地提高直流电机的效率,从而提高系统能源利用效率。直流电机的实际损耗铜损铁损机械损耗附加损耗直流电机在运行过程中会产生各种损耗,主要包括铜损、铁损、机械损耗和附加损耗。其中,铜损是最大的损耗因素,占总损耗的一半以上。其他几项损耗也不容忽视,合理控制各种损耗是提高效率的关键。直流电机的励磁方式永磁式励磁直流电机的磁场由永磁铁提供,无需额外的励磁电源,结构简单。但励磁强度有限,不适合大功率电机。电磁式励磁磁场由电磁铁提供,通过改变励磁电流可以调节磁场强度。适用于大功率电机,但需要额外的励磁电源。无刷直流电机将电刷和换向器换成半导体开关器件,可以实现无刷励磁。提高了可靠性和效率,但结构和控制更加复杂。并励直流电机工作原理并励直流电机具有独立励磁和电枢并联接线的特点。励磁绕组和电枢绕组独立供电,能够调控这两个电路的电流和电压。这使得并励直流电机拥有灵活的调速性能和良好的动态特性。特性优势并励直流电机兼备串励和永磁电机的优点,具有较大的过载能力、较宽的调速范围和较好的动态响应。广泛应用于需要快速调速和大过载能力的场合。串励直流电机结构特点串励直流电机的励磁线圈和电枢线圈都串联在同一电路上,磁场由励磁电流产生。结构简单,启动转矩大。特性曲线串励直流电机的转矩-电流特性呈线性,转矩与电流成正比。起动转矩很大,但速度-电流特性较陡峭。典型应用串励电机常用于需要大启动转矩的场合,如电梯、起重机、电动工具等。但运行速度不稳定,不适合精确调速。复励直流电机1混合励磁复励直流电机采用并励和串励两种励磁方式的结合,可获得多种优势特性。2强大扭矩串励磁芯提供强大的磁场,与并励的稳定磁场相结合,可产生高扭矩输出。3广泛应用复励电机适用于起重机、电梯、牵引设备等需要高起动转矩和调速范围广的场合。4灵活控制可通过改变并励和串励电流的比例来实现复杂的速度调节和转矩控制。直流电机的应用领域工业应用广泛应用于机床、起重机、冶金、化工等工业领域,提供可靠的动力支持。运输应用电力驱动地铁、电梯、电动车等,满足人们多样化的交通出行需求。家用电器在洗衣机、冰箱、风扇等家用电器中提供可靠的电机动力。医疗设备应用于手术机器人、康复设备等,为医疗事业提供技术支持。直流电机的保护过负载保护当直流电机负载过大时,会导致电机温度过高,影响使用寿命。通过安装过负载保护装置,可以及时切断电路,避免电机损坏。漏电保护直流电机在使用过程中可能会发生漏电情况,为了确保人身安全,需要安装漏电保护装置及时切断电路。温度保护直流电机长期运行会产生大量热量,过高的温度会缩短电机寿命。通过温度监测和保护装置,可以实现温度的自动控制和保护。速度保护在某些应用中,直流电机的转速必须控制在安全范围内,否则会造成严重后果。通过速度监测和保护装置,可以确保电机的安全运行。直流电机的试验1无负载试验测量电机空载时的转速和电流。2负载试验测量电机在不同负载下的转速和电流。3短路试验测量电机短路时的电流和功率。4耐压试验测试电机的绝缘性能。通过这些试验,可以全面了解直流电机的性能指标,为后续的维护和修理提供依据。同时还有热特性、机械特性等试验,以确保电机在实际应用中的可靠性和安全性。直流电机的自动控制1反馈控制系统直流电机的自动控制系统通常采用反馈控制原理,利用传感器检测电机运行参数,并按预设目标值进行实时调节。2速度控制速度传感器会检测电机转速并将反馈信号传回控制器,控制器根据目标速度调整电枢电压或电流从而实现精确的速度控制。3位置控制结合角度传感器的位置反馈,控制系统可以实现电机轴精准的角度定位和位置控制,广泛应用于机械手臂等设备。直流电机的发展趋势1智能化未来的直流电机将借助人工智能技术实现更智能化的控制和监测,提高能源效率和使用寿命。2轻量化电机材料的不断优化将使直流电机变得更加轻便易用,尤其适用于电动车和机器人等领域。3高速化电控技术的进步将使直流电机的转速不断提升,满足更多高速应用场景的需求。4集成化电机与驱动器、传感器等零部件的一体化设计将提高整机的可靠性和集成度。本章小结直流电机基础知识本章系统讲解了直流电机的基本工作原理、结构组成、感应电动势的产生、电枢电流的计算等基础知识。直流电机的特性分析分析了直流电机的电枢反应、转矩-电流特性曲线、调速特性、启动特性等关键技术指标。直流电机的应用与发展探讨了直流电机在牵引、工业自动化等领域的广泛应用,并展望了其未来的发展趋势。理论联系实际课程强调了将理论知识与实际应用相结合的重要性,并提供了相关的实验与控制技术。思考题与练习同学们,让我们一起探讨并解答本章的思考题与练习吧。这些问题涉及到直流电机的工作原理、结构、特性以及应用等多个方面。通过认真思考和回答这些题目,可以加深我们对直流电机的理解,并锻炼解决实际问题的能力。让我们携手共同掌握这门课程的知识要点,为未来的实践