直流电机的原理.doc

直流电动机 直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。 1.电磁式直流电动机 电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成， 电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。 串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。 并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5%15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。 他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。 复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%30%(与串联绕组有关)。转速可通过消弱磁场强度来调整。 换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。 电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。 转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。 2.永磁式直流电动机 永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成， 定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。图18-12是两种永磁体的磁路示意图。 转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组)，其各接头分别焊在换各器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。 录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。 3.无刷直流电动机 无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向 器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，如图18-13所示。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。 采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。 采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等)，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。直流电机的励磁方式一、定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。二、分类：他励式自励式并励式 串励式复励式三、四种励磁方式接线（a）他励式若励磁绕组不与电枢绕组联接，励磁绕组单独由其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。他励直流电机电枢电流Ia和负荷电流If相等；（b）并励式顾名思意，励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流为 I，三者须满足以下关系：直流发电机：Ia IIf 直流电机：Ia IIf（c)串励式励磁绕组与电枢绕组串联再接通直流电源称为串励直流电机。由于串励式直流电机作为发电机用时，其电压大小随负载变化而有较大的变化，故一般不用串励式直流发电机，只作电动机使用。串励式直流电机广泛应用交通运输。串励式电机：Ia IIf（d）复励式 复励式直流电机上有两个励磁绕组，一个和电枢并联，一个和电枢串联。复励式直流电机的串励绕组产生的磁势与并励磁势方向相同时称为加复励（或积复励）； 两者磁势方向相反时称为差复励（或减复励）； 加复励和差复励比较，应严格按要求接，实用中加复励用得较多。2.2空载时直流电机的磁场空载时负载电流为零，此时电机内部的磁场是由励磁绕组通过电流产生的磁势决定。空载时的磁场用函数Bo（x）表示；空载磁通密度沿转子外圆周长方向的变化情况即空载磁密的分布波形呈平顶波。 该图不计电枢齿槽影响空载时磁密分布波形呈平顶波的原因是： 在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主群场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。磁路从气隙1出发经电枢齿电枢轭电枢齿2气隙2主磁极2定子轭主磁极1，最后又回到气隙1，如下图演示。说明磁力线是闭合的。2.3负载时直流电机的磁场电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。具体分析如下：当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。一、交轴电枢磁势Faq电枢磁场如左图，若电枢上半周的电流为流出，下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势建立的磁场如虚线所示。从图可见，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。左图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成右图。设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭合磁力线回路。据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数：Zaia A=-（安培导体数/cm)Da 式中：Za电枢绕组的总导体数；D电枢外径；ia电枢电流。则闭路总磁势为Fa2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为FaqAx。 交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是马鞍形波。如上右图ba（x）。二、直轴电枢磁势Fad如下图此图当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad 即FaFadFad三、直轴电枢反应若电机为发电机时，电刷顺转向移动角。直轴电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触时，此时也存在交轴电枢反应（以后分析），现在单独分析直轴电枢磁势的影响。直流发电机：若电机为发电机时，电刷顺转向移动角。直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。 直流电机： 直流电机的电枢反应情况与直流发电机恰好相反。直流电机的情况，同学们可以自己证明。 四、交轴电枢反应无论直流电机的电刷是否与几何中线处的导体相接触，交轴磁势Faq 及其电枢反应均存在。 这里以电刷在正常理论位置为例来说明交轴电枢反应情况。其思路是：空载时磁密分布波 Bo（x) 波和负载时电枢磁密分波 Ba（x) 波的合成，得到气隙合成磁密波 B（x) 。 即： bo（x) + ba（x) b（x) 平顶波形马鞍波形斜坡波形（不计饱和时此式成立） 结论: （1）对直流发电机而言，交轴电枢反应将引起前极端具有去磁作用，后极端具有增磁作用。（2）对直流电机而言前极端增磁作用后极端去磁作用那么什么叫前极端和后极端？对于发电机而言，顺着转向看过去先看到的极端叫前极端，后经过的极端叫后极端。但是，对于这个原理图，若该电机的磁场方向和电流方向不变，则发电机改成电动机时，转向必然改变也就是对直流发电机时为前极端，对直流电机则为后极端了。而电机内部的电磁关系不变，故直流电机的交轴电枢反应结论应是前极端具有增磁作用，后极端具有去磁作用。（3）对直流电机而言，交轴电枢反应具有一定的饱和去磁作用。 由于磁饱和的影响，增磁处将使该处铁心的饱和程度提高，磁阻增加，从而使实际的气隙磁场比不饱和时略低；而去磁处不饱和，去磁则比增磁的量值大，故得结论(3)。 五.直流电机电枢反应小结：（1）交轴电枢反应使主磁场的波形畸变， 直流发电机直流电机前极端去磁增磁后极端增磁去磁具有一定的饱和去磁作用 （2）直轴电枢反应（仅在电刷偏移理论位置时存在） 电刷偏移方向直流发电机直流电机顺转向偏去磁增磁逆转各偏 增磁去磁2.4 电枢电势本节介绍直流电机中四大基本公式的第一个重要公式，即直流电势表达式PN Ea- nCen60a 式中：Ea直流电机的电枢电势（V）p极对数 a支路对数N电枢总导体数 n转速，（r/min）每极磁通，（Wb）理解： 无论直流电机的电枢绕组的支路数是多少,直流电机的电刷间的直流电枢电势总是和某一支路的电势相等。它的理解方法可以与这个物理公式相比较：其中电势Ea 对应于 e ，对应于B；电势常数Ce 对应于l；转速 n 对应于线速度 v 。因为直流发电机或电动机运行时均存在磁场和导体切割磁力线的情况。eBlv EaCn两种：e - EaB - l - Ce v - n 2.5 直流电机的电势平衡方程式一、直流发电机直流电机运行时电枢绕组产生的电势等效为此图。图中R内表示电机的内阻， Ea为电枢电势，U 表示负载或电网上的电压值。 在直流发电机运行时，电枢端接上负载电阻RL，电势和电枢电流同方向。则可列出其电势平衡式。另考虑到某电刷压降Us为 ，因为电机运行时，电刷处为滑动接触，其压降基本为常数，视其材料而定。EaU IaR内另某电刷压降为Us ，碳石墨电刷Us1（V） Ra为电枢绕组电阻。故直流发电机的电势平衡方程式为：EaU IaRa 2Us这是直流电机的第二大基本公式电势平衡方程式之一。 说明了 Ea U 。二、直流电机当直流电机的磁场存在，其转子未被原动机拖动而是拖动机械负载，这时，电枢两端接通直流电源，载流的转子导体在磁场中受力产生转矩。转子一旦旋转，就有电势产生。但电势与电流方向相反。Ea 与 Ia方向相反，可用此图解释。故电动机又叫反电势。故：得直流电机电势平衡方程式。这也是四大公式中第二式的电势平衡式之二。这是电动机与发电机运行的区别方法之一。故：直流电机的电势平衡方程式为：U Ea IaRa 2Us也说明U Ea 2.6 直流电机的电磁转矩及其平衡方程式一、电磁转矩P N T - IaCTIa2a 式中：Ea直流电机的电枢电势（V）p极对数 a支路对数N电枢总导体数 n转速，（r/min）每极磁通，（Wb）不论是发电机运行，或是电动机运行，电机内部均存在载流导体和磁场，也就是都存在电磁转矩的问题。电磁转矩 T 和磁密、电枢电流之间的关系应符合此式。此式为直流电机的第三大基本公式，很重要。理解 (1)思路：f=Blia T=CTIa (2)不论是发电机或是电动机运行，T均存在。但是，对于发电机，T为制动转矩，而对于电动机，T为拖动转矩。可以和基本物理式相比较，电磁力对应于电磁转矩；磁通密度对应于磁通量；载流导体的ia 对于应于电枢电流 Ia ；导体有较长对应于转矩常量CT 。 对于发电机，电磁转矩的作用是制动性质的转矩，也就是T和n反方向；制动转矩的含义就是反对转子旋转的意思对于电动机，电磁转矩的作用是拖动性质的转矩，也就是T和n同方向。拖动转矩的含义就是帮助转子旋转的意思。 二、转矩平衡发电机输入的机械转矩与电机本身的机械阻力转矩和电磁转矩相平衡。电动机产生的电磁转矩减去空载阻力转矩之后就是电动机输出的机械转矩了。设 T0 电机本身的机械阻力转矩； T1,T2 表示电机的输入，输出转矩。则发电机 T1 = T0 + T电动机 T = T0 + T27 直流电机的电磁功率及其平衡方程式现在介绍直流电机的第四大基本关系式，即功率平衡方程。一、电磁功率PM电磁转矩所对应的功率即称为电磁功率。2n 设角速度为-60 PMT2n CTIa-60 PN2n -