电瓶叉车直流电机简介

1、 直流电机简介1.1 直流电机工作原理及结构1.1.1 直流电机的工作原理 直流电机的工作原理是建立在皮-萨电磁力定律的基础上。我们先回顾一下皮-萨电磁力定律。定律1：通电导体在磁场中，如果电流方向和磁力线方向有一定的角度。那么此导体就会收到电磁力的作用，受力方向用左手定则决定。左手定则是磁力线从掌心穿过。四指指向电流方向，大拇指的指向为受力方向。定律2：如果导体在磁场中作切割磁力线运动，那么，在导体的两端就会产生感应电势，感应电势的方向用右手定则决定。右手定则是磁力线从掌心穿过，大拇指指向运动方向，大拇指指向运动方向，四指指向为感应电势方向。 根据实验可知，若磁场和载流导体互相垂直（图1），

2、则作用在导体上的电磁力应为 f=Bil 图1 图2其中 B 磁场的磁感应强度（韦/米2） I 导体中的电流（安）L 导体的有效长度（米）算出的电磁力单位就是牛。力的方向用左手定则（图2）决定。由于决大多数的电动机都须作连续的旋转运动，因此必须载流导体在磁场中所受到的电磁力，形成一种方向不变的转矩。先观察一下图3所示的一种简单的电磁装置，看它能否使导体所受的电磁力形成一种转矩？图3中N、S为一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体表面固定着一个线圈，上线圈边为a,下线圈边为x（下面把这个装有线圈的铁质圆柱体称为电枢）。N极和S极的磁力线所通过

3、圆柱体的途径如图3所示。当线圈a、x中通入直流电流（由a边流入，从x边流出）时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则决定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈边a和x的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变成了顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摆动，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，如图4.换向器由

4、互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的电刷A、B相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样使电动机能连续地旋转。这就是电动机的工作原理。图3 图41.1.2 直流电机的结构 直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规

5、律以实现机电能量变换的道理，要想攫取这些能量为生产服务，还得制造既经济又良好的电机。为此任何旋转电机都必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构形式。 要实现机电能量变换，电路和磁场之间必须有相对运动，所以旋转电机具备静止和转动的两大部分，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙（以后称为气隙）。直流电机的静止部分就是定子，它的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。转动部分就是转子，通常称为电枢，它的作用是产生电磁转矩和感应电势，由电枢铁芯和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。现对各主要结构部件的基本结构及其作用作简要介绍如下： 直流电机的静止部分 a)磁极：在一般中小型直

6、流电机中，主磁极是一种电磁铁。主磁极的铁芯用1-1.5毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成。绕制好的励磁绕组套在铁芯外面，整个磁极用螺钉固定在机座上。各主磁极上的励磁绕组联接必须使通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈N极和S极交替的排列。 b)换向极：又称附加极或间极，其作用是用以改善换向。换向极装在两主磁极之间，它也是由铁芯和绕组构成。铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。c)机座：机座通常由铸钢或厚钢板焊成。它有两个用处，一个是用来固定主磁极、换向极和端盖；另一个用处是作为磁路的一部分。d)电刷装置：电刷装置是把直流电压，直流电流引入或引出的装置。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和铜丝

7、辩组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，彼此之间都市绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，调整位置以后，将它固定。直流电机的转动部分： a)电枢铁芯：电枢铁芯也有两个作用，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。电枢铁芯由于和主磁场之间有相对运动，为了减少铁耗，通常用0.5毫米厚的硅钢片的冲片叠压而成，固定在转子支架或转轴上。 b)电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电势，从而实现机电能量变换的关键部件。 c）换向器：换向器也是直流电机的重要部件。在直流电机中，它的作用是将电刷上的直流

8、电流转换为绕组内的交流电流，在直流发电机中，它将绕组内的交流电势转化为电刷端上的直流电势。换向器由许多换向片组成。换向片之间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线圈两端分别接在两个换向片上。1.2 直流电机运行原理1.2.1直流电机的励磁方式 在直流电机中，由磁极的励磁磁势单独建立的磁场是电机的主磁场，有时也称为励磁磁场。励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁势而建立主磁场的问题。按励磁方式的不同，直流电机可分为： 图5 图6 图7 图8 a) 他励直流电机 他励直流电机是一种励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源供电的直流电机，如图5所示。永磁直流电机也可看作他励直流电机，因其主磁场与电

9、枢无关。b)并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图6所示。这种直流电机的励磁绕组上所加的电压就是电枢电路两端的电压。c)串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图7所示。一般情况下，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。d)复励直流电机 这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联（称为并励绕组），另一个和电枢电路串联（称为串励绕组），如图8所示。若串联绕组产生的磁势与并联绕组产生的电磁势方向相同称为积复励。若两个磁势方向相反，则称为差复励。1.2.2 直流电机的基本方程式 直流电机运行时，一方面电枢通过电流以后，在磁场的作用下，按照一定的方向旋转，另

10、一方面转动的电枢回路切割气隙磁场，则其中存在一种由旋转而感应的电势，根据基尔霍夫定律，稳态运行的方程式为 U=Ea+RaIa Ea=Ce n =KfLfM=Cm ia其中 U电源电压 Ea感应电势 Ra电枢绕组电阻 Ia电枢电流 Ce电势常数 励磁磁通道 If励磁电流 n电机转数 Kf比例常数 Cm转矩常数 M电磁转矩1.3直流电动机机械特性直流电动机的机械特性是指电动机的转速n和转矩M的关系。根据基本方程式可以得到下式。U R n= M (1) Ce CeCm2其中R-电枢电路总电阻1.3.1 他励直流电动机的机械特性 对于他励直流电动机来讲，在机械特性方程式（1）Ce、Cm、R、U为常数时

11、，即可画出一条向下倾斜的直线如图9，这条直线就是他励直流电动机的机械特性。 由此特性可见，转速随转矩的增大而降低，这说明电动机一加负载，转数会有一些降落。由于R很小，他励电动机的机械特性比较硬，换句话说，就是他励电动机在负载增加很大时，转速下降并不大。从式（1）中我们可以看出，对于恒定的负载，电流电压U越大，电机的转速越高，GE公司的他励直流电机控制器就是通过改变电机电枢的电压，来实现电机的调速的。 图91.3.2 串励直流电机的机械特性 对于串励直流电机来讲，其励磁绕组和电枢串联，因此电枢电流就是励磁电流，也就是说磁通与电枢电流Ia成正比。机械特性方程式（1）变为方程式（2）. U R N=

12、 (2) CeIa Ce 其中R-电枢电路总电阻 Ce=CeKf由此特性可见，负载较大时，Ia及M较大，磁路饱和，此时串励电动机的机械特性方程式与他励电动机相似，机械特性近似直线，但转速比较低。当空载时，Ia比较小，变得比较小，串励电动机的转速很高，一般会达到5-6倍的额定转速，这会造成电机的损坏。因此，串励电动机不容许空载运行。从式（2）中我们可以看出，对于恒定的负载，电源电压U越大，电机的转速越高，GE公司的串励直流电机控制器就是通过改变电机电枢上的电压，来实现电机的调速的。 1.3.3 复励直流电机的机械特性 复励直流电机有两个励磁绕组：一个串励绕组CQ，另一个是他励绕组TQ，两个绕组的

13、励磁磁势方向一般是相同的，即是所谓积复励接法。 复励电动机的机械特性介乎他励和串励电动机之间。当他励绕组磁势起主要作用时，特性接近于他励电动机。当串励绕组磁势起主要作时，特性接近于串励电动机。1.4 直流电机的起动、制动和调速 下面简单介绍一下直流电动机的起动、制动和调速。具体控制器如何控制直流电动机的起动、制动和调速，详见控制器说明部分。1.4.1 直流电动机的起动 直流电动机起动时，必须先保证有磁场，而后加电枢电压。当忽略电枢电感时，根据直流电机的基本方程式，可得下式： UEaIa= Ra刚起动时，转速n=0,Ea=-0,电动机的电枢绕组电阻Ra很小，如直接加额定电压起动，Ia可能突增到额

14、定电流的十多倍。这样，电动机会产生严重的火花，而且与电流成正比的转矩将损坏拖动系统的传动机构。为此在起动时必须设法限制电枢电流。为了限制起动电流，往往采用降压起动的方法。起动时，电压U比较低，电流Ia不大；随着转速的不断提高。反电势Ea也逐渐增长，但此时电压U也在人为的不断升高，U与Ea的差值使电流仍可保持在允许的数值范围以内。1.4.2 直流电动机的制动 直流电动机的电气制动方法有三种：能耗制动、反接制动、再生制动。下面以他励电动机为例作以介绍。a) 能耗制动 电动状态 能耗制动 如上图，在电动状态时，各参数的方向均为正方向。制动时，磁场保持不变，常开触点C断开，电枢脱离电源，同时常闭触点C

15、把电枢接到制动电阻Rz上。开始制动时，由于惯性，转速n存在且转向与电动状态时相同，因此电枢具有感应电势Ea，其方向亦与电动状态时相同。此时Ea产生电流Ia，其方向与Ea相同，而与电动状态时相反。由于磁场方向未变而电流Ia反向，转矩M也与电动状态时相反，因此M与n的方向相反，此时为制动状态，M为制动转矩，使系统较快地减速。制动过程中，电机靠系统的动能发电，把动能变成电能消耗在电枢电路内的电阻上，因此称之为能耗制动。 b) 反接制动 如上图，在电动状态时，各参数的方向均为正方向。制动时，励磁绕组反接，磁场方向改变，由于惯性，转速n存在且转向与电动状态时相同，因此电枢具有感应电势Ea其方向与电动状态

16、时相反。由于磁场方向改变而电流Ia方向未变，因此M与n的方向相反，此时为制动状态，M为制动转矩，使系统较快地减速。制动过程中，电机靠系统的动能发电和电源电压的共同作用，把动能变成电能消耗在电枢电路内的电阻上，由于反接励磁绕组进行制动，故称反接制动。 电动状态 反接制动 反向电动状态 如果反接制动使电机n=0，不断开电源电压，那么电机就进入反向电动状态。这一点在使用反接制动时要注意c)再生制动 如上图，再生制动与反接制动类似，只不过是在反接制动过程中，如果感应电势Ea大于电源电压U时，断开常开触点C，同时常闭触点C把电枢感应电势与电源并联，对电源进行充电。制动过程中，电机靠系统的动能发电，把动能

17、变成电能一部分消耗在电枢电路内的电阻上，另一部分回馈电源，因此称之为再生制动（或称回馈制动）。1.5直流电机的可逆性 直流电机的可逆性是指一台直流电机既可作为电动机运行，也可以作为发电机运行。只是外界的条件不同而已。直流发电机的工作原理见图10.图10.如图10的简易装置中，电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢逆时针方向转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而感应出电势，电势方向按右手定则决定。由于电枢连续地旋转。线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线。每个线圈边和整个线圈中的感应电势的方向是交变的，线圈内的感应电势是交流电势，而在电刷A、B端的电势却为直流电势（说的

18、确切一些，是方向不变的脉振电势）。因此在电枢转动过程中，无论电枢转到什么位置时，由于换向器的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电势始终时切割N极磁力线的线圈边的电势，因此电刷A始终有正极性。同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的，但大小变化的脉振磁势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。 在直流电动机的反接制动和再生制动中，就利用了直流电机的可逆性，在制动过程中，直流电动机变为直流发电机使用。1.6 直流电机铭牌额定数据 每台直流电机的机座上都有一个铭牌，上面标注有一些叫做额定值的铭牌数据。额定值是电机制造厂对电机正常运行时，对有关的电量或机械量所规定的数据。若电机运行时，这些电量和机械量都符合额定值，这