直流電動機及其應用

1、.,第五章 直流電動機及其應用,.,5.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,5.1.1 直流電動機的結(jié)構(gòu) 5.1.2 直流電動機的工作原理 5.1.3 直流電動機的反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 5.1.4 直流電動機的轉(zhuǎn)矩平衡 5.1.5 直流電動機的銘牌,.,直流電動機主要由定子（固定部分）和電樞（旋轉(zhuǎn)部分）兩大部分組成。 圖5-1所示為直流電動機的結(jié)構(gòu)圖。,5.1.1 直流電動機的結(jié)構(gòu),圖5-1 直流電動機的結(jié)構(gòu)圖,.,定子主要由主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置等部件組成。 （1）主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生主磁場。,1定子,.,圖5-2 主磁極結(jié)構(gòu)圖,.,（2）換向磁極 在相鄰的主磁極之間裝有換向

2、磁極，它也是由鐵芯和繞組構(gòu)成。 其作用是消除或減小換向時的火花，保護換向器，使電動機可靠安全的運行。,.,（3）機座,圖5-3 機座結(jié)構(gòu)圖,.,（4）電刷裝置,電刷裝置一般由電刷、刷握、引線、電刷彈簧等構(gòu)成。,.,直流電動機的轉(zhuǎn)子是電動機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以常稱之為電樞。 電樞部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風扇等。,2電樞,.,（1）電樞鐵芯 （2）電樞繞組,圖5-4 小型直流電動機電樞沖片和電樞鐵芯示意圖,.,（3）換向器,圖5-5 換向器結(jié)構(gòu)示意圖,.,流電動機也是由磁路和電路兩個基本部分組成的。 它的工作原理仍以電磁力定律和電磁感應定律為基礎。,5.1.2 直流電動

3、機的工作原理,圖5-6 直流電動機的工作原理圖,.,EaKen （5-1） 式中，Ke 電動勢常數(shù)，由電動機本身的結(jié)構(gòu)所決定。 直流電動機運轉(zhuǎn)時，電樞中的電流為 （5-2） 式中，U 外加電壓； Ra 電樞繞組的電阻。,5.1.3 直流電動機的反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,.,于是得 U = Ea+RaIa （5-3） 這是直流電動機的電壓平衡方程式，顯然EaU。上式兩邊乘以電流（Ia），即得功率平衡方程： UIa = EaIa+RaIa2 （5-4） 式中，EaIa 電磁功率，它轉(zhuǎn)化為電動機的機械功率，如果不計摩擦損耗，它也就是電動機的輸出功率； RaIa2電樞繞組的銅耗； UIa 電源供給的電功率（

4、不計鐵耗）。,.,直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（T）與每極磁通（）和電樞電流（Ia）成正比： T = KTIa （5-5） 式中，KT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電動機的結(jié)構(gòu)。,.,直流電動機的穩(wěn)定運行狀況取決于負載的大?。划斬撦d發(fā)生變化時，電動機的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩都將自動地作相應的變化來達到新的平衡。 轉(zhuǎn)速公式可由式（5-1）和式（5-3）得出 （5-6）,5.1.4 直流電動機的轉(zhuǎn)矩平衡,.,直流電動機的銘牌上標明其型號、額定數(shù)據(jù)和勵磁方式等。 型號主要說明產(chǎn)品代號和規(guī)格代號。 例如，型號為Z-132L-TH的直流電動機，說明此直流電動機是中心高為132mm，長機座，適用于濕熱帶地區(qū)使用的普通直流電動機。,

5、5.1.5 直流電動機的銘牌,.,直流電動機在標準環(huán)境溫度下，帶額定負載、按規(guī)定勵磁方式勵磁且使勵磁電流為額定值、電樞繞組加額定電壓時的運行方式，稱為額定運行。 額定數(shù)據(jù)主要有如下幾個。,.,額定電壓（UN）指直流電動機額定運行時，電樞繞組外接電源的電壓，也是電動機安全工作的最高電壓。,1額定電壓,額定電流（IN）指直流電動機額定運行時，電樞繞組流過的直流電流，也是電動機按規(guī)定長期額定運行時電樞繞組可以通過的最大電流。,2額定電流,.,額定功率（PN）指電動機額定運行時，軸上輸出的機械功率。即 PN = UNIN N （5-7） 式中，N 額定效率。,3額定功率,.,額定轉(zhuǎn)速（nN）指電動機額

6、定運行時的轉(zhuǎn)速。 根據(jù)銘牌上一些物理量的額定值，可以計算另一些物理量的額定值，則額定轉(zhuǎn)矩為 （5-8）,4額定轉(zhuǎn)速,.,勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式，勵磁方式與電動機的性能有密切關系。 直流電動機有他勵、并勵、串勵和復勵種勵磁方式。,5勵磁方式,.,5.2 直流電動機的勵磁方式,5.2.1 他勵直流電動機 5.2.2 并勵直流電動機 5.2.3 串勵直流電動機 5.2.4 復勵直流電動機,.,勵磁電流為 式中，Uf 勵磁電壓； Rf 勵磁電阻（包括勵磁繞組電阻和勵磁調(diào)節(jié)電阻）。 為了能用較小的電流產(chǎn)生足夠的磁場，勵磁繞組匝數(shù)很多，導線截面很細，所以Rf比較大，一般的關系是RfRa。,5.2.

7、1 他勵直流電動機,.,圖5-7 他勵直流電動機的等效電路圖,.,并勵直流電動機的勵磁繞組與其電樞電路并聯(lián)后，共同由一個直流電源供電，其等效電路如圖5-8所示，這時電源輸出的電流等于電樞電流與勵磁電流之和，即 I = Ia+If （5-9）,5.2.2 并勵直流電動,.,圖5-8 并勵直流電動機的等效電路圖,.,圖5-9 并勵直流電動機的機械特性曲線,.,串勵直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)后，由一個電源供電，其等效電路如圖5-10所示。 可見串勵直流電動機的勵磁電流就是電樞電流，其數(shù)值為 （5-11）,5.2.3 串勵直流電動機,.,圖5-10 串勵直流電動機的等效電路圖,.,復勵直流電動

8、機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組。 一個勵磁繞組與電樞電路并聯(lián)，稱為并勵繞組；另一個勵磁繞組與電動機電樞串聯(lián)，稱為串勵繞組；兩繞組共同由一個直流電源供電。,5.2.4 復勵直流電動機,.,圖5-12 復勵直流電動機的等效電路圖,.,5.3 直流電動機的啟動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速,5.3.1 啟動 5.3.2 反轉(zhuǎn) 5.3.3 調(diào)速,.,電動機在啟動的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，所以此時Ea=0，此時電樞電流稱為啟動電流（Ist），根據(jù)式（5-2）可知 （5-16） 根據(jù)式（5-16）可知為了減小啟動電流，對于容量稍大的直流電動機，啟動時可降低加在電樞繞組上的電壓，或在電樞電路中串聯(lián)啟動變阻器。,5.3.1 啟動,.,降

9、壓啟動的方法只適用于他勵直流電動機。這種方法要求有一個電壓可變的直流電源（如可控硅電源）專供電樞使用。 啟動時，降低電樞電壓，待啟動后，隨著轉(zhuǎn)速的升高逐步升高電樞電壓，直到轉(zhuǎn)速達到額定值。,1降壓啟動,.,2串聯(lián)啟動變阻器,圖5-13 并勵直流電動機串 變阻器啟動原理電路,.,改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向叫反轉(zhuǎn)。 改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向就是改變電動機電磁轉(zhuǎn)矩方向。 電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由主磁通方向和電樞電流的方向共同決定的。 因此，改變電樞電流或主磁通的方向都能使電磁轉(zhuǎn)矩方向改變。 實現(xiàn)電動機反轉(zhuǎn)的具體方法有改變電樞電壓極性和改變勵磁電壓極性。,5.3.2 反轉(zhuǎn),.,1改變電樞電壓極性,圖5-14 并勵直流

10、電動機改變電樞電壓極性電路圖,圖5-1 分時四輪驅(qū)動系統(tǒng)的組成,.,將勵磁繞組兩極接線調(diào)換，即可改變勵磁電壓的極性，使勵磁電流方向改變，從而使主磁通的方向改變。 這種實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法在實際中一般很少采用。 因為改接勵磁繞組接線時，勵磁電流有可能出現(xiàn)中斷，從而引起“飛車”事故。,2改變勵磁電壓極性,.,由直流電動機的機械特性方程式（5-19）可知，當轉(zhuǎn)矩（T）不變（負載不變）時，影響電動機轉(zhuǎn)速高低的主要是電樞回路電阻（Ra）、主磁通（）、電源電壓（U）3個因素。 因此電動機的轉(zhuǎn)速可由下述3種方法調(diào)節(jié)。,5.3.3 調(diào)速,.,1改變電樞電路的電阻調(diào)速,圖5-15 電樞電路串聯(lián)電阻調(diào)速原理圖,.,圖5

11、-16 調(diào)速物理過程圖,.,這種調(diào)速方法的特點如下。 只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下進行調(diào)節(jié)，簡稱下調(diào)。 由于流過調(diào)速電阻（Re）上的電流為電樞電流，其數(shù)值較大，故Re上的能量損耗大，不經(jīng)濟。 使電動機的機械特性變軟。當負載變動時，電動機的速度變化較大，這對于要求穩(wěn)速的負載來說是不利的。 電樞電流不受影響，數(shù)值保持不變，故這種調(diào)速叫作恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 調(diào)控方法簡單，容易實現(xiàn)。,.,2改變勵磁電流調(diào)速,圖5-17 勵磁電路串聯(lián)電阻調(diào)速原理圖,.,圖5-18 調(diào)速物理過程圖,.,這種調(diào)速方法的特點如下。 調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速。 流經(jīng)調(diào)速電阻（Re）的勵磁電流較小，故功率損耗小，比較經(jīng)濟。 調(diào)速后機械特

12、性變軟，運行的穩(wěn)定性差。 調(diào)速范圍比較小。 只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以上調(diào)速，簡稱上調(diào)，也稱為弱磁調(diào)速。,.,直流電動機常由單獨的可調(diào)整流裝置供電。 目前用得最多的可調(diào)直流電源是晶閘管整流（SCR）裝置。 調(diào)節(jié)電源電壓就可均勻調(diào)速。因為加在電樞上的電壓不能超過額定值（UN），所以這種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下作均勻調(diào)速。 這種調(diào)速方法具有調(diào)速范圍廣、平滑性好等優(yōu)點，但需要專用的直流調(diào)壓電源。,3降低電源電壓,.,5.4 無刷直流電機,5.4.1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 5.4.2 無刷直流電動機的工作原理,.,無刷直流電動機按照其工作特性，基本上可以分為兩大類。 （1）具有直流電動機特性的

13、無刷直流電動機 （2）具有交流電動機特性的無刷直流電動機,.,無刷直流電動機的組成：電動機本體、位置傳感器和電子換向線路。,5.4.1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu),.,1電動機本體,圖5-19 曲型無刷直流電動機本體基本結(jié)構(gòu),.,位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鐵磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。 位置傳感器種類較多，目前在無刷直流電動機中常用的位置傳感器有電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器。,2位置傳感器,.,無刷直流電動機電子換向線路是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏

14、輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。 功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，以便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。,3電子換向線路,.,而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。 但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制功率邏輯開關單元。,.,圖5-20 無刷直流電動機工作原理的方框圖,.,5.4.2 無刷直流電動機的工作原理,圖5-21 三相繞組無刷直流電動機半控橋電路原理圖,.,在圖5-21中3只光電器件（VP1、VP2、VP

15、3）的安裝位置各相差120，均勻分布在電動機一端。 借助安裝在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板（也稱截光器）的作用，使得從光源射來的光線依次照射在各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。 圖5-21中所示位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置和如圖5-22（a）所示的位置相對應。,.,圖5-22 各相繞組電流與電動機轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)示意圖,.,5.5車用直流起動機,5.5.1 車用直流起動機的構(gòu)造 5.5.2 車用直流起動機的傳動機構(gòu)和電控原理,.,車用起動機，都是用串勵直流電動機。 它由磁極、電樞和換向器等主要部分組成。 其結(jié)構(gòu)如圖5-23所示，電樞繞組與磁場繞組的連接為串聯(lián)方式。,5.5

16、.1 車用直流起動機的構(gòu)造,.,圖5-23 車用直流起動機結(jié)構(gòu)圖 1磁場繞組 2磁極鐵芯 3起動機外殼 4磁極固定螺釘 5換向器 6轉(zhuǎn)子鐵芯 7電樞繞組 8電樞軸,.,機殼的作用是固定機件和構(gòu)成導磁回路。殼體用鑄鐵澆鑄或鋼板卷焊而成。 殼體上設有一個接線端子并在內(nèi)部與磁場繞組的一端相接。,1磁極 2機殼,.,圖5-24 磁場繞組的連接方式圖,.,3電樞 4換向器,圖5-25 換向器剖面圖 1銅片 2軸套 3壓環(huán) 4云母,.,換向器的作用是連接磁場繞組、電樞繞組和電源，并保證電樞產(chǎn)生的電磁力矩方向不變，使電動機軸能輸出固定方向的轉(zhuǎn)矩。 其結(jié)構(gòu)如圖5-25所示，它由許多截面呈燕尾形的銅片圍合而成，

17、銅片嵌在換向器軸套2和壓環(huán)3組成的槽中，銅片之間以及銅片與軸套、壓環(huán)之間均用云母絕緣，銅片一端有焊接電樞繞組線頭的突緣。,.,電刷的作用是將電流引入電動機。一般有4個電刷架，固定在前端蓋上，其中兩個電刷架與端蓋絕緣，稱為絕緣電刷架；另外兩個電刷架與端蓋直接鉚合成搭鐵，稱為搭鐵電刷架。 電刷由銅和石墨粉壓制而成，加入銅是為了減少電阻并增加耐磨性。 電刷裝在電刷架中，借彈簧壓力將它緊壓在換向器上。,5電刷,.,端蓋有前后兩個，前端蓋一般用鋼板壓制而成，其上裝有4個電刷架，后端蓋為灰鑄鐵澆鑄而成。 它們分別裝在機殼的兩端，靠兩個長螺栓與起動機機殼緊固在一起。 兩端蓋內(nèi)均裝有軸承套，以支撐電樞軸。,6

18、端蓋,.,圖5-26所示為車用直流起動機電路控制圖，當把鑰匙接通到“START”上時，點火開關7閉合，這樣從蓄電池10流出的電流分別經(jīng)過保持線圈5和吸拉線圈6形成并聯(lián)回路。,5.5.2 車用直流起動機的傳動機構(gòu)和電控原理,.,圖5-26 車用直流起動機電路控制圖 1小齒輪 2回位彈簧 3撥叉 4活動鐵芯 5保持線圈 6吸拉線圈 7點火開關 8保險絲 9電流表 10蓄電池 11起動機 12擋鐵 13接觸盤 14、15接線柱,.,5.6 典型汽車電動機控制電路,5.6.1 電動刮水器 5.6.2 風窗玻璃洗滌器 5.6.3 電動車窗 5.6.4 電動座椅,.,5.6.1 電動刮水器,1構(gòu)造和工作原

19、理,圖5-27 電動刮水器結(jié)構(gòu)圖,.,電動機常采用改變兩刷間串聯(lián)的電阻數(shù)的方法對其進行調(diào)速，如圖5-28所示。電刷B3為高低速公用電刷。B1用于低速，B2用于高速，B2與B1相差60。電樞采用對稱疊繞式。,.,圖5-28 雙速刮水器的工作原理圖 1電樞繞組 2永久磁鐵 3整流子 4反電動勢,.,當切斷電源時為了不影響駕駛員的視線，要求刮水器片自動復位,2自動復位和間歇式刮水功能,.,5.6.2 風窗玻璃洗滌器,圖5-29 風窗玻璃洗滌器結(jié)構(gòu)圖 1洗滌液罐 2洗滌液泵 3三通 4、5噴嘴 6刮水器開關 7軟管,.,5.6.3 電動車窗,1基本結(jié)構(gòu),圖5-30 電動車窗控制開關布置示意圖,.,2電

20、路控制,圖5-31 電動車窗控制電路圖,.,5.6.4 電動座椅,1電動座椅的基本結(jié)構(gòu),圖5-32 電動座椅調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖,.,圖5-33 電動座椅的調(diào)節(jié)裝置及其位置圖,.,2電動座椅控制電路,圖5-34 電動座椅的調(diào)節(jié)裝置及其位置圖,.,習 題,1直流電動機和交流電動機相比有什么優(yōu)點？ 2容量較大的直流電動機能否直接啟動？為什么？ 3為什么直流電動機在通電后最終轉(zhuǎn)速會趨于平衡而不會越來越快？ 4為什么起動機采用串勵直流電動機？ 5直流電動機中換向器的作用是什么？ 6為什么串勵直流電動機不能空載或輕載運行？,.,7車用起動機的工作原理是什么？ 8單向離合器和撥叉的作用是什么？ 9電動刮水器如何實現(xiàn)

21、高速和低速運行？ 10對圖5-31，如何實現(xiàn)窗鎖開關閉合，乘客對后座右側(cè)車窗進行上升控制？ 11對圖5-34，如何實現(xiàn)駕駛員想使座椅的后端向下移動？ 12在直流電動機正常運行時，如果負載突然增大一點會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？,.,13如果沒有電刷和換向器，直流電動機會出現(xiàn)什么情況？ 14復勵電動機的主磁通隨電樞電流的增加會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 15什么是直流電動機的軟特性？什么是硬特性？ 16簡述車用直流起動機的啟動控制過程？ 17直流電動機的勵磁方式有哪些？畫圖進行說明。,.,自測題,一、填空題 1直流電動機由 和 兩大部分組成。它的工作原理以 和 為基礎。 2直流電動機中的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 ，產(chǎn)生的反電動勢與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 。 3直流電動機按照勵磁方式的不同可分為 、 、 和 4種。,.,4改變直流電動機旋轉(zhuǎn)方向的方法有 和 兩種。 5對于容量