《電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)》課件第５章 直流電動(dòng)機(jī)

第５章直流電動(dòng)機(jī)5.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)5.2直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)本章實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)一按時(shí)間原則控制直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)實(shí)訓(xùn)二直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的控制線(xiàn)路與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行維護(hù)較困難，但由于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，在啟動(dòng)和調(diào)速要求較高的起重機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械等領(lǐng)域仍獲得廣泛應(yīng)用。5.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖5.1直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖5.1（ａ）所示，將外部直流電源加于電刷Ａ（正極）和Ｂ（負(fù)極）上，則線(xiàn)圈abcd中流過(guò)電流，在導(dǎo)體ａｂ中，電流由ａ指向ｂ，在導(dǎo)體ｃｄ中，電流由ｃ指向ｄ。導(dǎo)體ａｂ和ｃｄ分別處于Ｎ、Ｓ極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導(dǎo)體ａｂ和ｃｄ均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針?lè)较?。這樣，電樞就順著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)１８０°時(shí)，導(dǎo)體ｃｄ轉(zhuǎn)到Ｎ極下，ａｂ轉(zhuǎn)到Ｓ極下，如圖5.1（ｂ）所示，由于電流仍從電刷Ａ流入，使ｃｄ中的電流變?yōu)橛桑淞飨颍?，而ａｂ中的電流由ｂ流向ａ，從電刷Ｂ流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針?lè)较颉Ｓ纱丝梢?jiàn)，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線(xiàn)圈中流過(guò)的電流方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線(xiàn)圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線(xiàn)圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。

5.1.2直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。圖5.2直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖１）主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組兩部分組成。鐵芯一般用0.5～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱(chēng)為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱(chēng)為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場(chǎng)的分布，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線(xiàn)繞制而成，套在主磁極鐵芯上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上，如右圖所示。圖5.3主磁極結(jié)構(gòu)圖２）換向極換向極一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間，由換向極鐵芯和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線(xiàn)繞制而成，套在換向極鐵芯上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。圖5.4換向極結(jié)構(gòu)圖換向極的作用是改善換向，減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花。由圖5.1可以看到，當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，原來(lái)與電刷Ａ接觸的換向片要改為與電刷Ｂ接觸；原來(lái)與電刷Ｂ接觸的換向片要改為與電刷Ａ接觸。這時(shí)線(xiàn)圈中的電流換向會(huì)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花超過(guò)一定程度時(shí)，會(huì)燒蝕換向片和電刷，使電動(dòng)機(jī)不能正常工作。裝上換向極后，線(xiàn)圈轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，正好切割換向極的磁通而產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)以抵消上述的換向電動(dòng)勢(shì)，使換向得到改善，減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花。由于換向極是位于主磁極之間的小磁極，不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的正常工作。３）機(jī)座電機(jī)定子的外殼稱(chēng)為機(jī)座，見(jiàn)圖5.2中的３。機(jī)座的作用有兩個(gè)：一是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；二是機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過(guò)的部分稱(chēng)為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。４）電刷裝置電刷裝置是用來(lái)引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。圖5.5電刷結(jié)構(gòu)圖2.轉(zhuǎn)子（電樞）１）電樞鐵芯電樞鐵芯是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵芯采用由0.5ｍｍ厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成（沖片的形狀如圖5.6（ａ）所示），以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵芯中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵芯的外圓開(kāi)有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。圖5.6直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖２）電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線(xiàn)圈按一定規(guī)律連接而成，線(xiàn)圈采用高強(qiáng)度漆包線(xiàn)或玻璃絲包扁銅線(xiàn)繞成，不同的線(xiàn)圈分上下兩層嵌放在電樞槽中，線(xiàn)圈與鐵芯之間以及上、下兩層線(xiàn)圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線(xiàn)圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖5.7所示。線(xiàn)圈伸出槽外的端接部分用熱固性無(wú)緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。圖5.7電樞槽結(jié)構(gòu)３）換向器在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線(xiàn)圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向片的緊固通常如圖5.8所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制Ｖ形套筒和Ｖ形云母環(huán)固定，再用螺母鎖緊。４）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。圖5.8換向器結(jié)構(gòu)5.1.3直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。按勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)可以分為以下四類(lèi)。圖5.9直流電機(jī)的勵(lì)磁方式1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒(méi)有電的聯(lián)系，如圖5.9（ａ）所示。永磁直流電動(dòng)機(jī)也屬于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，因其勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞電流無(wú)關(guān)。2.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖5.9（ｂ）所示。勵(lì)磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類(lèi)電機(jī)的勵(lì)磁電流只有電動(dòng)機(jī)額定電流的1％～5％，所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線(xiàn)細(xì)而匝數(shù)多。3.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖5.9（ｃ）所示。勵(lì)磁電流等于電樞電流，所以勵(lì)磁繞組的導(dǎo)線(xiàn)粗而匝數(shù)較少。4.復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)每個(gè)主磁極上套有兩套勵(lì)磁磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱(chēng)為并勵(lì)繞組。一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，稱(chēng)為串勵(lì)繞組，如圖5.9（ｄ）所示。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同時(shí)稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)，兩個(gè)磁勢(shì)方向相反時(shí)稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)，通常采用積復(fù)勵(lì)方式。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，運(yùn)行特性和適用場(chǎng)合也不同。5.1.4直流電動(dòng)機(jī)的額定值電動(dòng)機(jī)制造廠按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電動(dòng)機(jī)的銘牌上或產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上。直流電動(dòng)機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)。1.額定功率額定功率是指電動(dòng)機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率，即軸上輸出的機(jī)械功，單位為ｋＷ（千瓦）。2.額定電壓額定電壓是電動(dòng)機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓，單位為Ｖ（伏）。

5.2直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)5.2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式直流電動(dòng)機(jī)基本方程式是指直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電磁系統(tǒng)中的電壓平衡方程式、機(jī)械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩平衡方程式和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率平衡方程式。1.電壓平衡方程式如圖5.10所示直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖與電路原理圖，電樞回路中的電壓平衡方程式為

圖5.10直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖與電路圖

圖5.11直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)功率關(guān)系圖直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的總損耗直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁功率電機(jī)效率

圖5.12直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)

3.人為機(jī)械特性從機(jī)械特性方程式可以看出，當(dāng)人為改變電樞電壓、改變串接與電樞回路中的電阻和改變勵(lì)磁電流的大小使磁通發(fā)生變化時(shí)，可以得到一系列的人為特性。１）電樞回路串接電阻的人為機(jī)械特性如果將電動(dòng)機(jī)的外加電壓Ｕ和磁通Φ保持為額定值，而在電樞回路串入附加電阻。電樞回路串入電阻Ｒ后的人為機(jī)械特性方程式為

圖5.14直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性

圖5.15直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓的人為機(jī)械特性

圖5.16直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變磁通的人為機(jī)械特性

（３）此時(shí)，電樞電路總電阻為

圖5.17他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻啟動(dòng)圖5.18他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)４級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性

2.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求生產(chǎn)機(jī)械在不同的情況下有不同的工作速度，這種人為地改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，稱(chēng)為調(diào)速。必須注意，調(diào)速和電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個(gè)不同的概念。負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是自動(dòng)進(jìn)行的，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)只在一條機(jī)械特性上變動(dòng)。調(diào)速是根據(jù)生產(chǎn)需要人為地改變電氣參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由一條機(jī)械特性轉(zhuǎn)變到另一條機(jī)械特性上，從而在某一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速。因此調(diào)速方法就是改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的方法。

5.2.4直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)與制動(dòng)1.直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)要改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，就需改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向，而電磁轉(zhuǎn)矩決定于主極磁通和電樞電流的相互作用，故改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一種是改變勵(lì)磁電流的方向；另一種是改變電樞電流的方向。如果同時(shí)改變勵(lì)磁電流和電樞電流的方向，則直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，由于勵(lì)磁繞組匝數(shù)多、電感大，在進(jìn)行反接時(shí)因電流突變，將會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，危及電動(dòng)機(jī)及電器的絕緣安全，因此一般采用電樞反接法。在將電樞繞組反接的同時(shí)必須連同換向極繞組一起反接，以達(dá)到改善換向的目的。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)，改變電源端電壓的方向是不行的。必須改變勵(lì)磁電流的方向或電樞電流的方向，才能改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。2.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)在生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動(dòng)機(jī)盡快停轉(zhuǎn)，或者下放位能性負(fù)載時(shí)，能限制在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)制動(dòng)既可以采用機(jī)械的方法，也可以采用電磁的方法。電磁方法制動(dòng)就是使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到制動(dòng)的目的。電磁制動(dòng)的特點(diǎn)是產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，操作控制方便。直流電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)的方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。１）能耗制動(dòng)圖5.19能耗制動(dòng)接線(xiàn)圖

這種制動(dòng)方法在轉(zhuǎn)速較高時(shí)制動(dòng)作用較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，制動(dòng)作用也隨之減小，在低速時(shí)可配合使用機(jī)械制動(dòng)裝置，使系統(tǒng)迅速停轉(zhuǎn)。２）反接制動(dòng)

圖5.20反接制動(dòng)接線(xiàn)圖

圖5.21回饋制動(dòng)原理圖本章實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)一按時(shí)間原則控制直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)１．實(shí)訓(xùn)目的（１）了解按時(shí)間原則控制直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路的基本原理。（２）熟悉按時(shí)間原則控制直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路的控制過(guò)程。（３）掌握按時(shí)間原則