《電機(jī)學(xué)直流電機(jī)》課件

直流電機(jī)概述直流電機(jī)是最常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型之一,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、家用電器等領(lǐng)域。它通過(guò)電磁感應(yīng)的原理將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。本課程將系統(tǒng)地介紹直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及相關(guān)應(yīng)用。M課程介紹1課程目標(biāo)掌握直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)組成及作用、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生等核心知識(shí)。2課程內(nèi)容涵蓋直流電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩-電流特性、調(diào)速和控制等重要概念。3學(xué)習(xí)收獲通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生可以深入理解直流電機(jī)的工作原理和實(shí)際應(yīng)用。直流電機(jī)的基本工作原理電磁感應(yīng)原理當(dāng)通電線(xiàn)圈置于磁場(chǎng)中時(shí),由于電磁感應(yīng),會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而產(chǎn)生電流流過(guò)線(xiàn)圈。力矩產(chǎn)生電流流過(guò)線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生力矩,使線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)。通過(guò)電樞和勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用,可以產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。電荷分布電樞中產(chǎn)生的電荷在兩端分別積累,形成電壓差,并通過(guò)外部電路完成電動(dòng)勢(shì)的閉合回路。結(jié)構(gòu)組成及作用電樞電樞是直流電機(jī)的核心部件,通過(guò)繞組產(chǎn)生交變磁場(chǎng),配合外加磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁力矩。換向器換向器可以實(shí)現(xiàn)電樞繞組輸出電壓的換向,使電機(jī)輸出保持直流。同時(shí)也參與樞磁場(chǎng)的形成。勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的直流磁場(chǎng),與電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)電機(jī)殼體、軸承等機(jī)械結(jié)構(gòu)部件提供支撐,確保電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),延長(zhǎng)使用壽命。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生1磁場(chǎng)電流在電線(xiàn)中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。2電磁感應(yīng)磁場(chǎng)變化會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3電樞轉(zhuǎn)動(dòng)電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變磁場(chǎng),從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。直流電機(jī)的工作原理就是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電樞在定子磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體切割磁力線(xiàn),從而在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這就是直流電機(jī)的基本工作原理。電樞電流的計(jì)算直流電機(jī)的電樞電流是由電樞繞組電壓和電樞電阻所決定的。我們可以通過(guò)計(jì)算電樞電壓和電樞電阻來(lái)得出電樞電流的大小。這個(gè)計(jì)算過(guò)程涉及到電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生、電樞反應(yīng)的影響等因素。電樞電壓由電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生,與轉(zhuǎn)速成正比電樞電阻由電樞材料和結(jié)構(gòu)決定,包括繞組電阻和刷電阻電樞電流電樞電壓除以電樞電阻,反映了電機(jī)的負(fù)載能力電樞反應(yīng)磁場(chǎng)變化電樞電流在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用和干擾。轉(zhuǎn)矩變化電樞反應(yīng)會(huì)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的性能。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞反應(yīng)會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和波形，從而影響電機(jī)輸出電壓。電樞反應(yīng)的消除1磁極補(bǔ)償在極心前沿裝置磁極補(bǔ)償繞組2電刷前移通過(guò)前移電刷減小電樞反應(yīng)3串勵(lì)繞組增加串勵(lì)繞組電流抵消電樞反應(yīng)為了消除電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的不利影響,可以采取多種措施:安裝磁極補(bǔ)償繞組、前移電刷位置、增加串勵(lì)繞組電流。這些方法可以有效抵消電樞反應(yīng),提高電機(jī)的性能和穩(wěn)定性。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)力矩,是電機(jī)功率輸出的重要指標(biāo)之一。轉(zhuǎn)矩的大小決定了電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力,是電機(jī)工作的關(guān)鍵特性。通過(guò)分析電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-電流特性曲線(xiàn),可以了解電機(jī)的扭矩輸出特性,為電機(jī)的選型和應(yīng)用提供重要依據(jù)。曲線(xiàn)呈現(xiàn)了電機(jī)在不同電流條件下的扭矩輸出能力,是電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的重要參考。轉(zhuǎn)矩-電流特性曲線(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流之間呈線(xiàn)性關(guān)系。這個(gè)關(guān)系曲線(xiàn)可以用來(lái)分析電機(jī)的工作特性,并為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過(guò)分析轉(zhuǎn)矩-電流曲線(xiàn),可以了解電機(jī)的額定工作點(diǎn)、過(guò)載能力、機(jī)械特性等性能指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)于選用合適的直流電機(jī)非常關(guān)鍵。直流電機(jī)的調(diào)速1通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁可調(diào)整直流電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)改變轉(zhuǎn)速。增大勵(lì)磁電流可提高轉(zhuǎn)速,減小勵(lì)磁電流可降低轉(zhuǎn)速。2通過(guò)調(diào)整電樞電壓通過(guò)改變電樞回路的電壓來(lái)調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。提高電樞電壓可增加轉(zhuǎn)速,降低電樞電壓則可減小轉(zhuǎn)速。3采用電子調(diào)速裝置使用整流器、變頻器等電力電子設(shè)備可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,操作靈活、效果良好。直流電機(jī)的啟動(dòng)1選擇合適的啟動(dòng)方式根據(jù)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和負(fù)載特性選擇不同的啟動(dòng)方式2實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)控制啟動(dòng)過(guò)程中的電流和轉(zhuǎn)矩變化,避免過(guò)大的機(jī)械沖擊3防止過(guò)電流損壞利用合理的保護(hù)裝置,確保啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)安全可靠直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要特別注意避免電流和轉(zhuǎn)矩的突變,以免損壞電機(jī)或負(fù)載設(shè)備。不同的啟動(dòng)方式如直接啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)、分級(jí)啟動(dòng)等都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在啟動(dòng)過(guò)程中還需設(shè)置合理的保護(hù)措施,保證電機(jī)安全可靠地啟動(dòng)。直流電機(jī)的速度控制調(diào)節(jié)電樞電壓通過(guò)增大或減小電樞電壓可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是最常用的調(diào)速方法之一。改變電樞電流控制電樞電流可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,從而影響轉(zhuǎn)速。這種方法適用于廣泛的功率范圍。調(diào)整勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,適用于并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。這是一種常見(jiàn)的調(diào)速方法。采用電子調(diào)速使用功率電子設(shè)備可以靈活地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,是一種先進(jìn)的調(diào)速技術(shù)。直流電機(jī)的牽引特性牽引力和速度的關(guān)系直流電機(jī)的牽引力特性曲線(xiàn)描述了電機(jī)的牽引力隨速度變化的關(guān)系。最大牽引力出現(xiàn)在電機(jī)啟動(dòng)時(shí),隨著速度增加牽引力逐漸降低。這種特性使直流電機(jī)非常適合作為電力機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。負(fù)載特性和效率直流電機(jī)的負(fù)載特性曲線(xiàn)反映了電機(jī)輸出功率、效率和機(jī)械特性之間的關(guān)系。通過(guò)合理選擇電機(jī)功率和負(fù)載特性,可以實(shí)現(xiàn)高效率和良好的調(diào)速性能。在電力機(jī)車(chē)的應(yīng)用直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī),利用其大扭矩、良好的調(diào)速性和機(jī)械特性,實(shí)現(xiàn)高效的牽引性能。這種應(yīng)用是直流電機(jī)最重要的用途之一。直流電機(jī)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩-速度曲線(xiàn)直流電機(jī)的機(jī)械特性主要由其轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線(xiàn)表示。這條曲線(xiàn)描述了電機(jī)在不同負(fù)載下的運(yùn)行狀態(tài)，反映了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)械特性分析通過(guò)分析轉(zhuǎn)矩-速度曲線(xiàn)，可以了解電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)械功率等參數(shù)之間的關(guān)系，為電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要依據(jù)。負(fù)載特性不同類(lèi)型的負(fù)載會(huì)對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性產(chǎn)生影響。合理選擇電機(jī)與負(fù)載的匹配是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。應(yīng)用分析直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電梯、起重機(jī)、電動(dòng)工具等場(chǎng)合。深入分析其機(jī)械特性有助于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高能源利用效率。直流電機(jī)的熱特性溫度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的溫度變化,防止過(guò)熱導(dǎo)致的損壞。冷卻系統(tǒng)良好的冷卻系統(tǒng)能有效降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度。絕緣性能優(yōu)質(zhì)的絕緣材料可以提高電機(jī)對(duì)高溫的耐受能力。散熱能力合理的散熱設(shè)計(jì)能夠有效降低電機(jī)內(nèi)部的溫升。直流電機(jī)的效率95%最大效率優(yōu)秀的直流電機(jī)可以達(dá)到95%的最高效率。75%一般水平大多數(shù)直流電機(jī)在額定工況下的效率在75%左右。40%低負(fù)載效率直流電機(jī)在低于額定負(fù)載工況時(shí)效率會(huì)大幅下降。直流電機(jī)的效率是指其輸出功率與輸入功率的比值。影響直流電機(jī)效率的主要因素有銅損、鐵損、機(jī)械損耗和附加損耗。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整,可以最大限度地提高直流電機(jī)的效率,從而提高系統(tǒng)能源利用效率。直流電機(jī)的實(shí)際損耗銅損鐵損機(jī)械損耗附加損耗直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗,主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗和附加損耗。其中,銅損是最大的損耗因素,占總損耗的一半以上。其他幾項(xiàng)損耗也不容忽視,合理控制各種損耗是提高效率的關(guān)鍵。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式永磁式勵(lì)磁直流電機(jī)的磁場(chǎng)由永磁鐵提供,無(wú)需額外的勵(lì)磁電源,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但勵(lì)磁強(qiáng)度有限,不適合大功率電機(jī)。電磁式勵(lì)磁磁場(chǎng)由電磁鐵提供,通過(guò)改變勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度。適用于大功率電機(jī),但需要額外的勵(lì)磁電源。無(wú)刷直流電機(jī)將電刷和換向器換成半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁。提高了可靠性和效率,但結(jié)構(gòu)和控制更加復(fù)雜。并勵(lì)直流電機(jī)工作原理并勵(lì)直流電機(jī)具有獨(dú)立勵(lì)磁和電樞并聯(lián)接線(xiàn)的特點(diǎn)。勵(lì)磁繞組和電樞繞組獨(dú)立供電,能夠調(diào)控這兩個(gè)電路的電流和電壓。這使得并勵(lì)直流電機(jī)擁有靈活的調(diào)速性能和良好的動(dòng)態(tài)特性。特性?xún)?yōu)勢(shì)并勵(lì)直流電機(jī)兼?zhèn)浯畡?lì)和永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),具有較大的過(guò)載能力、較寬的調(diào)速范圍和較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。廣泛應(yīng)用于需要快速調(diào)速和大過(guò)載能力的場(chǎng)合。串勵(lì)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁線(xiàn)圈和電樞線(xiàn)圈都串聯(lián)在同一電路上,磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。特性曲線(xiàn)串勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-電流特性呈線(xiàn)性,轉(zhuǎn)矩與電流成正比。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大,但速度-電流特性較陡峭。典型應(yīng)用串勵(lì)電機(jī)常用于需要大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合,如電梯、起重機(jī)、電動(dòng)工具等。但運(yùn)行速度不穩(wěn)定,不適合精確調(diào)速。復(fù)勵(lì)直流電機(jī)1混合勵(lì)磁復(fù)勵(lì)直流電機(jī)采用并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合,可獲得多種優(yōu)勢(shì)特性。2強(qiáng)大扭矩串勵(lì)磁芯提供強(qiáng)大的磁場(chǎng),與并勵(lì)的穩(wěn)定磁場(chǎng)相結(jié)合,可產(chǎn)生高扭矩輸出。3廣泛應(yīng)用復(fù)勵(lì)電機(jī)適用于起重機(jī)、電梯、牽引設(shè)備等需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍廣的場(chǎng)合。4靈活控制可通過(guò)改變并勵(lì)和串勵(lì)電流的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的速度調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩控制。直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重機(jī)、冶金、化工等工業(yè)領(lǐng)域,提供可靠的動(dòng)力支持。運(yùn)輸應(yīng)用電力驅(qū)動(dòng)地鐵、電梯、電動(dòng)車(chē)等,滿(mǎn)足人們多樣化的交通出行需求。家用電器在洗衣機(jī)、冰箱、風(fēng)扇等家用電器中提供可靠的電機(jī)動(dòng)力。醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用于手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)設(shè)備等,為醫(yī)療事業(yè)提供技術(shù)支持。直流電機(jī)的保護(hù)過(guò)負(fù)載保護(hù)當(dāng)直流電機(jī)負(fù)載過(guò)大時(shí),會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度過(guò)高,影響使用壽命。通過(guò)安裝過(guò)負(fù)載保護(hù)裝置,可以及時(shí)切斷電路,避免電機(jī)損壞。漏電保護(hù)直流電機(jī)在使用過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生漏電情況,為了確保人身安全,需要安裝漏電保護(hù)裝置及時(shí)切斷電路。溫度保護(hù)直流電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量熱量,過(guò)高的溫度會(huì)縮短電機(jī)壽命。通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置,可以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制和保護(hù)。速度保護(hù)在某些應(yīng)用中,直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須控制在安全范圍內(nèi),否則會(huì)造成嚴(yán)重后果。通過(guò)速度監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置,可以確保電機(jī)的安全運(yùn)行。直流電機(jī)的試驗(yàn)1無(wú)負(fù)載試驗(yàn)測(cè)量電機(jī)空載時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流。2負(fù)載試驗(yàn)測(cè)量電機(jī)在不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速和電流。3短路試驗(yàn)測(cè)量電機(jī)短路時(shí)的電流和功率。4耐壓試驗(yàn)測(cè)試電機(jī)的絕緣性能。通過(guò)這些試驗(yàn),可以全面了解直流電機(jī)的性能指標(biāo),為后續(xù)的維護(hù)和修理提供依據(jù)。同時(shí)還有熱特性、機(jī)械特性等試驗(yàn),以確保電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和安全性。直流電機(jī)的自動(dòng)控制1反饋控制系統(tǒng)直流電機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)通常采用反饋控制原理,利用傳感器檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行參數(shù),并按預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。2速度控制速度傳感器會(huì)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并將反饋信號(hào)傳回控制器,控制器根據(jù)目標(biāo)速度調(diào)整電樞電壓或電流從而實(shí)現(xiàn)精確的速度控制。3位置控制結(jié)合角度傳感器的位置反饋,控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸精準(zhǔn)的角度定位和位置控制,廣泛應(yīng)用于機(jī)械手臂等設(shè)備。直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1智能化未來(lái)的直流電機(jī)將借助人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)更智能化的控制和監(jiān)測(cè),提高能源效率和使用壽命。2輕量化電機(jī)材料的不斷優(yōu)化將使直流電機(jī)變得更加輕便易用,尤其適用于電動(dòng)車(chē)和機(jī)器人等領(lǐng)域。3高速化電控技術(shù)的進(jìn)步將使直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提升,滿(mǎn)足更多高速應(yīng)用場(chǎng)景的需求。4集成化電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、傳感器等零部件的一體化設(shè)計(jì)將提高整機(jī)的可靠性和集成度。本章小結(jié)直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)本章系統(tǒng)講解了直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)組成、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生、電樞電流的計(jì)算等基礎(chǔ)知識(shí)。直流電機(jī)的特性分析分析了直流電機(jī)的電樞反應(yīng)、轉(zhuǎn)矩-電流特性曲線(xiàn)、調(diào)速特性、啟動(dòng)特性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。直流電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展探討了直流電機(jī)在牽引、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,并展望了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。理論聯(lián)系實(shí)際課程強(qiáng)調(diào)了將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要性,并提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與控制技術(shù)。思考題與練習(xí)同學(xué)們,讓我們一起探討并解答本章的思考題與練習(xí)吧。這些問(wèn)題涉及到直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、特性以及應(yīng)用等多個(gè)方面。通過(guò)認(rèn)真思考和回答這些題目,可以加深我們對(duì)直流電機(jī)的理解,并鍛煉解決實(shí)際問(wèn)題的能力。讓我們攜手共同掌握這門(mén)課程的知識(shí)要點(diǎn),為未來(lái)的實(shí)踐