激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第一章第一節(jié)講解

1、第一章驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)（Motor）是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定 子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并作用于轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動(dòng)機(jī)按使用電源不同分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)大部分是交流電機(jī)，可以是同步電機(jī)或者是異步電機(jī)（電機(jī)定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動(dòng)機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)的方向跟電流方向和磁感線（磁場(chǎng)方向）方向有關(guān)。電動(dòng)機(jī)工作原理是磁場(chǎng)對(duì)電流受力的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。第一節(jié)直流電機(jī)概論直流電機(jī)是電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)之一。當(dāng)用作發(fā)電機(jī)時(shí)，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能；當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，

2、它將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于直流發(fā)電機(jī)能提供無脈動(dòng)的大功率直流電源， 且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制，主要用作各種直流電源， 如直流電動(dòng)機(jī)電源、化學(xué)工業(yè)中所需的低電壓大電流的直流電源，直流電焊機(jī)電源等。 而直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂辛己玫膯?dòng)和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列 車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中。 本節(jié)主要分析直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)單介紹各種勵(lì)磁方式和銘牌數(shù)據(jù)。一、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理基于電磁力定律。若磁場(chǎng)

3、B與導(dǎo)體相互垂直，且導(dǎo)體中通以電流i，則作用于載流導(dǎo)體上的電磁力f為：(1-1)f 二 BJi直流電動(dòng)機(jī)在機(jī)械構(gòu)造上與直流發(fā)電機(jī)完全相同，只要把電刷A B接到直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負(fù)極，就得到如圖1-1所示的直流電動(dòng)機(jī)工作原理模 型。在圖中的兩種情況下， 線圈的ab邊和cd邊都會(huì)受到電磁力的作用，其方向用左手定則確定。需要注意的是，這兩種情況下線圈都是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，也就是說直流電動(dòng)機(jī)由電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩方向始終一致。若要分析直流電動(dòng)機(jī)的一般情況直需要向機(jī)工作原理模型B間通入直流電源后旋轉(zhuǎn)一周，并將其分解成四個(gè)階段，如圖1-2所示。a)a）受電磁力，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) b）不受

4、電磁力，慣性轉(zhuǎn)動(dòng)c）受電磁力，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) d）不受電磁力，慣性轉(zhuǎn)動(dòng)圖1-2直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試（1）當(dāng)線圈位于圖 1-2 a位置時(shí)，線圈開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖示瞬間各物理量方向如表1-1所示。表1-1 a位置物理量方向電流i電磁力f電磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)體aba b導(dǎo)體cdct dJ線圈abcda d（2）當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過90°時(shí)，如圖1-2 b所示，線圈中雖無轉(zhuǎn)矩，但在慣性的作用下繼續(xù)旋 轉(zhuǎn)。（3）當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180。時(shí)，如圖1-2 c所示，線圈繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖示瞬間各物理量 方向如表1-2所示。表1-2 c位置物理量方向電流i電磁力f電磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)體abbT aJ導(dǎo)體cddT c線圈abcddT a（4）當(dāng)線圈

5、轉(zhuǎn)過270°時(shí)，如圖1-2 d所示，線圈中無轉(zhuǎn)矩，但在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。同直流發(fā)電機(jī)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)類似，直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是脈動(dòng)的。當(dāng)圓柱體上的線圈足夠多時(shí)，就可使脈動(dòng)程度大為降低，得到平滑的電磁轉(zhuǎn)矩。由以上分析可得直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)接入直流電源時(shí)，借助于電刷和換向器的作用，使直流電動(dòng)機(jī)線圈中流過方向交變的電流，從而使線圈產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，保證了直流電動(dòng)機(jī)朝一定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。二、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)直流電機(jī)為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 一般包括靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩大部分，靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故留有一個(gè)確定的空氣間隙，稱為氣隙。直流電機(jī)的靜止部分叫做定子，包括

6、機(jī)座、主磁極、換向極、電刷等裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)部分叫做轉(zhuǎn)子（又稱電樞），包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、軸、風(fēng)扇等裝置。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)3#直流電機(jī)主要部件的作用介紹如下:1. 主磁極1-4所示。鐵芯一般用主磁極的作用是產(chǎn)生主磁通，它由鐵芯和勵(lì)磁繞組組成，如圖lmm1.5mm的低碳鋼片疊壓而成，小電機(jī)也有用永磁鐵做磁極的。主磁極上的勵(lì)磁繞組是 用絕緣銅線繞制而成的集中繞組，與鐵芯絕緣，而且各主磁極上的繞組一般都是串聯(lián)的。1 機(jī)座；2主磁極鐵芯；3 勵(lì)磁繞組 圖1-4主磁極的結(jié)構(gòu)#通常鐵芯由整塊鋼做成， 換1-5所示。其極性在作為發(fā)2. 換向極換向極的作用是產(chǎn)生附加磁

7、場(chǎng)，用以改善電機(jī)的換向性能。 向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。換向極裝在兩個(gè)主磁極之間，如圖電機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)與電樞導(dǎo)體將要進(jìn)入的主磁極極性相同；在作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)， 則應(yīng)與電樞導(dǎo)體剛離開的主磁極極性相同。1換向極鐵芯；2換向極繞組 圖1-5換向極的結(jié)構(gòu)3. 機(jī)座機(jī)座一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋等，另一方面作為電機(jī)磁路的一部分稱為磁 軛。機(jī)座一般用鑄鋼或鋼板焊接制成。4電刷裝置在直流電機(jī)中，為了使電樞繞組和外電路連接起來，必須裝設(shè)固定的電刷裝置，它是由電刷、刷握和刷桿座組成的，如圖1-6所示。電刷是用石墨等做成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)，用彈簧壓指將它壓觸在換向器上。刷握用螺釘夾緊在刷桿上，用銅絞線將電

8、刷和刷桿連接， 刷桿裝在刷座上，彼此絕緣，刷桿座裝在端蓋上。1一堂奔：2-壓搖：3電臥圖1-6電刷裝置5.電樞鐵芯電樞鐵芯的作用是通過磁通和安放電樞繞組。當(dāng)電樞在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵芯將產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。為了減少損耗，提高效率， 電樞鐵芯一般用硅鋼片沖疊而成。 電樞鐵芯具有軸 向冷卻通風(fēng)孔，如圖1-7所示。鐵芯外圓周上均勻分布著槽，用以嵌放電樞繞組。6 .電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和通過電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。繞組 通常用漆包線繞制而成，嵌入電樞鐵心槽內(nèi)，并按一定的規(guī)則連接起來。為了防止電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力使繞組飛出，繞組嵌入槽內(nèi)后，用槽楔壓緊；線圈伸出槽外的端接部分用

9、無緯玻璃絲帶扎緊。1 齒；2槽；3 軸向通風(fēng)孔圖1-7電樞鐵芯7.換向器換向器的結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。它由許多帶有鴿尾形的換向片疊成一個(gè)圓筒，片與片之間用云母片絕緣，借V形套筒和螺紋壓圈擰緊成一個(gè)整體。每個(gè)換向片與繞組每個(gè)元件的引出線焊接在一起，其作用是將直流電動(dòng)機(jī)輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。1 V形套筒；2云母片；3換向片；4 聯(lián)結(jié)片圖1-8換向器結(jié)構(gòu)二、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)按照主磁極的不同，一般可分兩大類： 一類是由永久磁鐵作為主磁極；而另一類利用給主磁極繞組通入直流電產(chǎn)生主磁場(chǎng)。后一類根據(jù)勵(lì)磁方式（主磁極繞組與電樞繞組接線方

10、式）的不同，還可分為他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。1 .他勵(lì)方式他勵(lì)方式中，電樞繞組和勵(lì)磁繞組電路相互獨(dú)立，電樞電壓與勵(lì)磁電壓彼此無關(guān)。接線圖如圖1-9所示。這種直流電機(jī)的特點(diǎn)是電樞電流即為直流電機(jī)負(fù)載線路的電流。2.并勵(lì)方式1-10 所并勵(lì)方式中，電樞繞組和勵(lì)磁繞組是并聯(lián)關(guān)系，由同一電源供電，接線圖如圖 示。它的特點(diǎn)是主磁極勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電壓與電樞兩端的電壓相等。3.串勵(lì)方式串勵(lì)方式中，電樞繞組與勵(lì)磁繞組是串聯(lián)關(guān)系，接線圖如圖1-11所示。它的特點(diǎn)是主 磁極勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流與電樞回路電流相等。4. 復(fù)勵(lì)方式復(fù)勵(lì)電機(jī)的主磁極上有兩部分勵(lì)磁繞組，其中一部分與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵(lì)繞組；另一個(gè)

11、為他勵(lì)（或并勵(lì)）繞組，通常他磁（或并勵(lì)）繞組起主要作用，串勵(lì)繞組起輔助作用。 如圖1-12所示。當(dāng)兩部分勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，稱為積復(fù)勵(lì)，反之稱為差復(fù)勵(lì)。圖1-11串勵(lì)電機(jī)If+b)串勵(lì)和他勵(lì)組合a)串勵(lì)和并勵(lì)組合圖1-12復(fù)勵(lì)電機(jī)四、銘牌數(shù)據(jù)和主要系列1.直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)每一臺(tái)電機(jī)上都有一塊銘牌，上面列出一些具體的數(shù)據(jù)，稱為額定值。這是電機(jī)制造廠 家按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和該電機(jī)的特定情況規(guī)定的電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，也是對(duì)用戶提出的使用要求。如果用戶使用時(shí)處于輕載即負(fù)載遠(yuǎn)小于額定值，則電機(jī)能持續(xù)正常運(yùn)行，但效率降低，不經(jīng)濟(jì)。如果電機(jī)運(yùn)行超出了額定值，則稱為過載，將縮短電機(jī)的使用壽命

12、甚至可能損壞。所以根據(jù)負(fù)載條件合理選用電機(jī)，使其接近額定值才既經(jīng)濟(jì)合理，又可以保證電機(jī)可靠的工作，并且具有優(yōu)良的性能。表1-3是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌。表1-3直流電動(dòng)機(jī)銘牌型號(hào)Z2-72勵(lì)磁方式井勵(lì)功率22kW勵(lì)磁電壓22OV電壓22OV勵(lì)磁電流2.06A電毓U6A定額連續(xù)轉(zhuǎn)速L5QOl7iniii編號(hào)xxxx出廠日期x x X X 年x 月 x HXXXX電機(jī)廠(1) 額定功率PN(kW)額定功率是指在電機(jī)的額定情況下，長(zhǎng)期運(yùn)行所允許的輸出功率。對(duì)發(fā)電機(jī)而言，是指輸出的電功率；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，貝y是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。(2) 額定電壓UN(V)額定電壓是指正常工作時(shí)電機(jī)出線端的電壓值。對(duì)發(fā)電

13、機(jī)而言，是指在額定運(yùn)行時(shí)輸出的端電壓；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，是指額定運(yùn)行時(shí)的電源電壓。(3) 額定電流I n(A)額定電流是電機(jī)對(duì)應(yīng)于額定運(yùn)行時(shí)的電流值。對(duì)發(fā)電機(jī)是指額定運(yùn)行時(shí)供給負(fù)載額定的電流；對(duì)電動(dòng)機(jī)是指額定運(yùn)行時(shí)從電源輸入的電流。對(duì)于發(fā)電機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為Pn U n I n(1-2 )對(duì)于電動(dòng)機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為Pn - U n I n n(1-3 )額定效率 N-Pn100%(1-4 )R(4)額定轉(zhuǎn)速nN (r/min)額定轉(zhuǎn)速是指在額定功率、額定電壓、額定電流時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。例1.1 一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，R=10kW U=230V, nN=2850r/min , n n=85% 求

14、其額定電流和輸入功率。解：由式(1-2)得，1扌10 103230A = 43.48A由式(1-4)得，310 100.85W -1176CW -11.76kW9#例1.2 一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，R=17kW U=220V, nN=1500r/min , n n=83%求其額定電流和輸入功率。解：由式(1-3)得，“壯二宀93"由式(1-4)得，P一魚一1 N 0.83W 二 20482W 二 20.48kW2 直流電機(jī)系列我國(guó)目前生產(chǎn)的直流電機(jī)主要有以下系列。(1) Z2系列該系列為一般用途的小型直流電機(jī)系列?！癦”表示直流，“ 2”表示第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)。系列容量為 0.4kW200kW 電動(dòng)機(jī)電壓為 1IOV、220V,發(fā)電機(jī)電壓為 1I5V、230V,屬防護(hù) 式。(2) ZF和ZD系列這兩個(gè)系列為一般用途的中型直流電機(jī)系列。"F”表示發(fā)電機(jī)，"D”表示電動(dòng)機(jī)。系列容量為55kW1450kWZZJ系列該系列為起重、冶金用直流電機(jī)系列。電壓有220V、440V兩種。工作方式有連續(xù)、短時(shí)和斷續(xù)三種。ZZJ系列電機(jī)啟動(dòng)快速，過載能力大。此外，還有ZQ直流牽引電動(dòng)機(jī)系列及用于易爆場(chǎng)合的ZA防爆安全型直流電機(jī)系列等。常見電機(jī)產(chǎn)品系列見表1-4。表1-4常見電