項目七 任務(wù)1直流電機的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

項目七：軋鋼機電動機的調(diào)速控制4123直流電機的工作原理與基本結(jié)構(gòu)他勵直流電動機的起動與反轉(zhuǎn)他勵直流電動機的制動控制他勵直流電動機的調(diào)速控制5直流電動機的方程式和機械特性項目情境描述軋鋼機是一種將熱的金屬（主要是鋼坯）重復(fù)通過軋輥以輾軋成形的機器，簡稱軋機。兩輥式軋機的基本結(jié)構(gòu)圖軋輥是一套兩個或兩個以上的有關(guān)聯(lián)的輥子。按軋輥的數(shù)目不同，軋鋼機可分為兩輥式、三輥式、四輥式和多輥式。軋鋼機由軋鋼機械和傳動機構(gòu)組成。軋鋼機械主要包括主機和輔機兩大部分。傳動機構(gòu)包括齒輪機座、減速機、飛輪、聯(lián)軸器、萬向節(jié)等。項目情境描述◆軋鋼機的工藝流程從煉鋼廠出來的鋼坯是由鋼錠軋制成的半成品，形狀比較簡單，經(jīng)過軋鋼廠的軋制以后，才能成為合格產(chǎn)品。1.熱軋工藝熱軋：從煉鋼廠送來的連鑄坯（厚度為150～250mm），被送入加熱爐加熱、除磷，然后通過輥道送入軋機，經(jīng)過初軋機反復(fù)軋制之后，再進入精軋機（由7架4輥式軋機組成）進行軋制。熱軋后的鋼軌分為鋼卷和錠式板兩種，厚度一般為幾毫米。如果用戶要求鋼板更薄，還要經(jīng)過冷軋。軋鋼機的壓軋工藝流程分熱軋和冷軋兩步。項目情境描述2.冷軋工藝從熱軋廠送來的鋼卷，先用鹽酸除去氧化膜，然后才能送到冷軋機上，由開卷機將鋼卷打開，再將鋼帶引入五機架連軋機軋成薄帶卷。冷軋產(chǎn)品主要有普通冷軋板、涂鍍層板也就是鍍錫板、鍍鋅板和彩涂板。一、直流電機簡介1.直流電機的定義任務(wù)1.直流電機的工作原理與基本結(jié)構(gòu)與交流電機一樣，直流電機的工作也遵循“導體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢”“載流導體在磁場中會受到電磁力的作用”，這兩條基本物理原理。直流電機是通產(chǎn)生或者使用直流電的旋轉(zhuǎn)電機，是電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。將機械能轉(zhuǎn)換為電能的是直流發(fā)電機；將電能轉(zhuǎn)換為機械能的是直流電動機。2.直流電機的特點（與交流電機相比）●直流電機的缺點調(diào)速性能好，起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。運行性能好，能提供無脈動的大功率直流電源，輸出電壓可以精確調(diào)節(jié)和控制。1）制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高。2）運行時電刷和換向器之間容易產(chǎn)生火花，工作可靠性較差，維護比較困難?！裰绷麟妱訖C的優(yōu)點●直流發(fā)電機的優(yōu)點3.直流電機的應(yīng)用在調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域，直流電機已逐漸被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。在某些要求調(diào)速范圍大、調(diào)速性能好、精密度高、控制性能優(yōu)越的場合，直流電機的應(yīng)用仍占有較大的比重。●直流電動機的應(yīng)用：大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、電力機車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械等?！裰绷靼l(fā)電機的應(yīng)用：化學工業(yè)中所需的低電壓大電流直流電源、直流電焊機電源等。直流電機的應(yīng)用，遠不如交流電機廣泛。二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)氣隙轉(zhuǎn)子定子1-機座2-主磁極3-轉(zhuǎn)軸

4-電樞鐵心

5-換向磁極6-電樞繞組7-換向器8-電刷二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)示意圖由機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置、端蓋等組成。直流電機的機座和端蓋，與交流電機的機座和端蓋基本相同。電刷裝置前端蓋后端蓋二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)1.直流電機的定子主磁極結(jié)構(gòu)示意圖主磁極通常由螺桿固定在機座上，N、S兩極成對出現(xiàn)?！裰鞔艠O主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成。勵磁繞組通入直流電，就產(chǎn)生了N、S磁極。NS

定子結(jié)構(gòu)簡圖+-1.直流電機的定子換向極是直流電機所特有的小磁極，位于兩個主磁極之間，包括鐵心和繞組兩部分。當直流電機的功率很小時，換向極可以減少到主磁極極數(shù)的一半，甚至可以不裝換向極。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，在電機運行時產(chǎn)生附加磁場，能減小電刷與換向片之間的火花，改善換向性能?！駬Q向磁極1.直流電機的定子●電刷裝置交流電機沒有電刷裝置，直流電機才有。電刷裝置由電刷座、電刷盒、刷辮、壓簧等組成。1.直流電機的定子三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子繞組連接的電刷與此并不相同。●電刷裝置電刷是用石墨等做成的導電塊，放在刷握內(nèi)，由彈簧壓指壓緊在換向器上。電樞繞組通過換向器和電刷裝置與外電路相連。電刷結(jié)構(gòu)圖1.直流電機的定子直流電機的轉(zhuǎn)子也稱為電樞，電樞槽內(nèi)放置電樞繞組。由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風扇等組成。電樞繞組是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。小型電機的電樞繞組通常是銅導線。大中型電機的電樞繞組多是成型線圈。與交流電機相比，直流電機的轉(zhuǎn)子上多了個換向器。2.直流電機的轉(zhuǎn)子電樞鐵心由許多0.5mm厚的硅鋼片沖壓成，各個硅鋼片相互絕緣。電樞硅鋼片電樞鐵心的外圓周上均勻開設(shè)了許多形狀相同的槽，這些槽用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心內(nèi)部開有一些與轉(zhuǎn)軸平行的孔，稱為軸向通風孔，專門用來散熱。2.直流電機的轉(zhuǎn)子換向器剖面圖1-螺旋壓圈2-換向器套筒

3-V形壓圈4-V形云母環(huán)

5-換向銅片6-云母片2.直流電機的轉(zhuǎn)子換向器又稱整流子，由所有換向片組合而成。制作換向器的材質(zhì)通常是紫銅或銅合金，導電性能好，又比較耐磨。直流電機在工作時，換向器和電刷不斷相互摩擦，很容易磨損，磨損嚴重就要更換。換向器和電刷是日常維護和檢修的重要部位。3.直流電機的總結(jié)構(gòu)圖直流電機結(jié)構(gòu)圖1-直流電機總成2-后端蓋3-通風器4-定子總成5-轉(zhuǎn)子（電樞）總成6-電刷裝置7-前端蓋3.直流電機的總結(jié)構(gòu)圖主磁極固定不動，通常用N、S來表示。主磁極可以由永久磁鐵制成。不過，生產(chǎn)實際中的直流電機通常在磁極鐵心上纏繞勵磁繞組，在勵磁繞組中通入直流電，使之產(chǎn)生磁場。物理模型實物簡化NS三、直流電機的物理模型轉(zhuǎn)子通常又稱為電樞。它是由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成的圓柱體，安裝在主磁極之間。電樞外表面的槽中嵌放著電樞線圈。如果有足夠大的轉(zhuǎn)矩作用在電樞上，電樞就會帶著電樞線圈在主磁極之間旋轉(zhuǎn)。NS三、直流電機的物理模型換向片1和2是半圓形的銅環(huán)，分別連接在電樞線圈的兩端，能隨電樞旋轉(zhuǎn)。兩個換向片彼此絕緣。電刷A和B固定不動。電刷和換向片緊密接觸，形成電樞電流和外電路的通路。三、直流電機的物理模型NS四、直流發(fā)電機的工作原理1）勵磁繞組通入直流電，產(chǎn)生靜止的、恒定的磁場。1.直流發(fā)電機的工作條件SN兩個條件缺一不可：2）原動機拖動電樞，以恒定的轉(zhuǎn)向、恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。給直流發(fā)電機的電刷兩端接上負載，并用原動機帶動電樞逆時針旋轉(zhuǎn)。電樞導體切割磁力線，在電樞線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與感應(yīng)電流。圖a導體ab處于N極下當電樞導體ab處于N極下、cd處于S極下時，用右手定則可判定ab中的感應(yīng)電流方向由b指向a，cd中的感應(yīng)電流方向由d指向c，整個電樞線圈中的感應(yīng)電流為逆時針方向。感應(yīng)電流自換向片1流經(jīng)電刷A，流向外電路，再經(jīng)電刷B和換向片2回流到電樞線圈中。對外電路而言，電刷A為正極性，電刷B為負極性。2.直流發(fā)電機的工作原理分析直流發(fā)電機物理模型

當電樞轉(zhuǎn)過180°，導體ab處于S極下、cd處于N極下時（圖b），用右手定則判定電樞線圈中的感應(yīng)電流仍為逆時針方向。感應(yīng)電流自換向片2流經(jīng)電刷A，流向外電路，再經(jīng)過電刷B和換向片1，回流到電樞線圈中。圖b導體cd處于N極下對外電路而言，電刷A仍為正極性，電刷B仍為負極性。2.直流發(fā)電機的工作原理分析圖a導體ab處于N極下圖1假想起點圖2和圖4：導體ab和cd位于磁場的物理中性面上，導體運動方向與磁力線平行，不切割磁力線，不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電壓表的指針指在0位，無偏轉(zhuǎn)。圖1：電樞導體ab處于N極下、cd處于S極下，電壓表的指針向下偏轉(zhuǎn)。圖3：電樞導體cd處于N極下、ab處于S極下，電壓表的指針向上偏轉(zhuǎn)。圖2轉(zhuǎn)過90°

圖3轉(zhuǎn)過180°

圖4轉(zhuǎn)過270°

直流發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)過程分解圖電壓表結(jié)論：電樞導體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向是變化的！2.直流發(fā)電機的工作原理分析電刷A、B兩端輸出的是直流電動勢。電樞導體ab和cd中流過的是交變的感應(yīng)電流。位于N極下的導體電流，總是由線圈流入換向片，再流入電刷A，A的極性總為正；位于S極下的導體電流，總是由電刷B流入換向片，再流入線圈，電刷B的極性總為負。直流發(fā)電機物理模型

2.直流發(fā)電機的工作原理分析圖b導體cd處于N極下圖a導體ab處于N極下實際電機有多個位于不同角度的電樞線圈，不用擔心有導體位于磁場的物理中性面上時，發(fā)電機會斷流。NSNS-E+-E+如果原動機帶動電樞順時針旋轉(zhuǎn)，則電樞線圈中的電流順時針流動，電刷A的極性總為負，電刷B的極性總為正。ABAB2121FFFF電樞線圈里有電流，在磁場中就會受到電磁力的作用。該電磁力與原動機的作用力方向相反，其數(shù)值較小，改變不了電樞的轉(zhuǎn)向。2.直流發(fā)電機的工作原理分析電刷AB兩端極性恒定，輸出直流電原動機帶動

電樞旋轉(zhuǎn)電樞繞組中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流電樞在定子磁場中受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用被克服（做功）Φ換向Φ阻轉(zhuǎn)矩3.直流發(fā)電機的電磁關(guān)系1.直流電動機的工作條件兩個條件缺一不可：1）勵磁繞組通入直流電，產(chǎn)生靜止的、恒定的磁場。2）在電刷AB兩端接上直流電源。S+-N五、直流電動機的工作原理當導體ab處于N極下、cd處于S極下時，ab中的電流由a流向b，cd中的電流由c流向d，整個線圈中的電流順時針流動。2.直流電動機的工作原理分析電刷AB接直流電源：A接正極，B接負極。圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉(zhuǎn)用左手定則判定：導體ab受力方向從右向左；導體cd受力方向從左向右，形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，帶動電樞逆時針旋轉(zhuǎn)。當電樞轉(zhuǎn)過90°，使導體ab和cd位于磁場的物理中性面上時，換向片1和2與電刷A和B都接觸，電樞線圈被短路，其中無電流，電磁轉(zhuǎn)矩消失。圖b導體ab和cd位于物理中性面上時，線圈中無電流，電樞因慣性旋轉(zhuǎn)圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉(zhuǎn)在機械慣性作用下，電樞仍能轉(zhuǎn)過一個角度，使電刷A與換向片2接觸、電刷B與換向片1接觸。2.直流電動機的工作原理分析圖c導體ab處于S極下時，電樞逆時針旋轉(zhuǎn)當電樞轉(zhuǎn)到90°~180°之間，電刷A與換向片2接觸，電刷B與換向片1接觸，則導體ab和cd中的電流都反向，但是整個電樞線圈中的電流流向仍為順時針。用左手定則可判定：電樞仍然受到逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，電樞繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)。圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉(zhuǎn)2.直流電動機的工作原理分析直流電動機電刷兩端接入的是直流電源，經(jīng)過換向片和電刷流到電樞線圈中的電流，卻是交變的。在恒定的勵磁磁場作用下，位于N極下的電樞導體受力方向始終不變，位于S極下的電樞導體受力方向也始終不變。直流電動機工作過程分解圖2.直流電動機的工作原理分析圖a圖c圖b圖d實際電機有多個位于不同角度的電樞線圈，它們產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向始終不變，能夠帶動電樞朝某個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。NSAB21NS電樞一旦旋轉(zhuǎn)起來，電樞線圈就會切割磁力線，就會在電樞線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。此感應(yīng)電動勢稱為反電動勢，因為它產(chǎn)生的感應(yīng)電流（黑色）與電樞電流（紅色）的方向相反。AB21FFFF2.直流電動機的工作原理分析電直刷流兩電端源接電流樞過線交圈流中電電電樞磁受轉(zhuǎn)電矩磁的力作和用

帶動機械負載工作克服反電動勢做功換向Φ旋轉(zhuǎn)Φ動力矩3.直流電動機的電磁關(guān)系注意事項：直流電機物理模型中只有一對N、S磁極和一個電樞線圈。實際上，很多直流電機的磁極不止一對，電樞線圈往往有很多個，每個電樞線圈的兩端都連接一個換向片。這些換向片構(gòu)成換向器，通過電刷連接外電路。4.直流電動機的工作過程演示六、直流電機的可逆原理勵磁繞組通入直流電原動機拖動電樞旋轉(zhuǎn)直流電機的可逆原理：一臺直流電機，既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行。勵磁繞組通入直流電電刷兩端接直流電源直流發(fā)電機直流電動機它以永磁體提供勵磁，使結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了集電環(huán)和電刷，提高了運行的可靠性；無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了功率密度和效率(>90%)。七、永磁同步電機永磁同步電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、機座和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動機基本相同，由疊片疊壓而成以減少運行時產(chǎn)生的鐵耗，其中裝有三相交流繞組，稱作電樞。a)突出式b)內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)（一）永磁同步電機的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子可以制成實心的形式，也可以由疊片壓制而成，其上裝有永磁體材料。根據(jù)電機轉(zhuǎn)子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機可以分為突出式與內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)形式。突出式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但由于其表面無法安裝起動繞組，不能實現(xiàn)異步起動。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)主要有徑向式、切向式和混合式3種，主要區(qū)別在于永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向關(guān)系的不同。三種不同形式內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)a)徑向式b)切向式c)混合式（一）永磁同步電機的結(jié)構(gòu)由于永磁體置于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子表面便可制成極靴，極靴內(nèi)置入銅條或鑄鋁等便可起到起動和阻尼的作用，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都較好。又由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路不對稱，這樣就會在運行中產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，有助于提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結(jié)構(gòu)更易于實現(xiàn)弱磁擴速。當三相電流通入永磁同步電機定子的三相對稱繞組中時，電流產(chǎn)生的磁動勢合成一個幅值大小不變的旋轉(zhuǎn)磁動勢。由于其幅值大小不變，這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的軌跡便形成一個圓，稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，其大小正好為單相磁動勢最大幅值的1.5倍，即式中，F(xiàn)為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，單位是T?m；Fφl為單相磁動勢的最大幅值，單位是T?m；k為基波繞組系數(shù)；p為電機極對數(shù)；N為每一線圈的串聯(lián)匝數(shù)；I為線圈中流過電流的