直流电动机的构造.docx

直流电动机的构造把直流电能转变为机械能的电动机稚为直流电动机直流电动机有删谜性能好，启动转矩较大等优瓿。在一些要求墒进弛同宽、速度平滑和陕述正反转的生产机械r大都采用直流电动机拖动。例如可逆轧钢机、龙门刨床、矿井提升机、电力机车等，都使用直流电动机。但直流电动机电存在制造工艺复杂、成本高、维护量大、容量较小等缺点。 本章l璺介绍直流电动机-l-作原理、机械特性、启动、州速和反转的方法：9.1直流电动机的构造 直流动机的构造如剖9 l所示可分为定子（静止部分）和转予（转动部分）两大部分。9 1.1定干部分定子由部件组成： (1)主磁极，主磁檄用以产生主磁场。主磁极由铁0和励磁绕组两部分组成+如图9 2所示铁心一般l|厚度为0 5 -1 mm的低碳钢板替装而成。在！曲磁绕组通直流励磁电流时，便可形成主磁场，磁场方向劢磁电流方向决定。士磁檄总足墟对存在，N、S极棚问装设。图9 l直流电动机的纰战部件斟9-2丰磁概(2)换向磁极。换向磁极比主磁极小，结构与主磁极相似，装在两个主磁极之间，其作用是消除或减弱电动机运行叫在换器上产生的火花。 (3)机座。机座用铸钢或厚铜板制成，主磁扳和换向碰极都用螺栓固定在机座的内壁上。机座构成直流电机磁路的一部分，由主磁极、机座组成的主磁场，如图9 4所不。电枢。电枢由电枢铁心和电枢绕组构成，并固定在转轴L。电枢馈心一般由0 S mm辱的硅钢什叠成，裘而冲右许多槽，电枢绕组LH许多线圈按一定方式排列，嵌放在转子铁心槽中。换向器。换向嚣（整流子）由许多相互厢五母片绝缘的铡片（换向片）叠成环状，其结构如图9 6所示。换向片的0I线按一定规律同电概绕组各线圈相连。换向器表面压放着两个电刷，电刷引线接到直流电源i-。当电枢转动时、换向秣和静止的蝌9-6按向嚣的结构电刷之间保持良好的滑动接触，把电枢绕组同外部直流电源较好地连接起来。9.2直流电动机的工作原理为了讨论直流电动机的工作原理，把复杂的直流电动机结构简化为电机模型直流【U动机的转动麒理 模型电动机只有一副主磁极和一十线圈的电栅绕组，线圈的两端分别连接在两个换向片“和6 P，并通过电刷A和口与外加直流电源接通，构成闭合电路。 下面就以电动机模型米分析直流电动机的工作原理。9 2.1直流电动机的转动原理 直流电动机足依靠埔电导体在磁场中罡电磁力的作用而转动的。在尉9-7(a)中，将A流电源的止负极分别接在电刷A和口l-，这时直流电流川凡电制4和换向片。流人线圈，通过换向片6和电刷B流出。磁极下的通电线固导体（称为有效边）在磁场作用下产生电磁力丑电磁力矩，根据左手法则，电磁力的方向如幽97(c)所示，在电磁转矩的作媚下，电枢逆时针曲向转动起来。当线圈转动之后，线圈的两个有效边哥经常改变位置见例97(b)。但由于电刷静止不劬，而换片随线剧同步转动，网此不管是哪一边，i要转到N极区时，其中电流方向总是从电源正扳流八；转到S椴区时，其中屯流方向总是流向电源负极，保证了电磁转辱的方向始终不变，电枢按某方向持续转动。这就是直流电动机的转动原理。9.2.2直流电动机的电磁转矩和电动势 直流电动机1：作时，簧与直流电源接通。主磁极的励磁绕组有电流通过时，建直磁场。与此同时，电枢绕组中有电流通过，电枢导体中的电流与磁场相互作用产生电磁力，并形成电磁转矩。根据电磁力F= Blni的关系，不难导出由所有电枢导体受力（见图9.8）而产生的电磁转矩的大小，与电枢电流，。和每个磁极磁通士的乘积成正比，即 r= CT(DI (91)式中C，电机结构常数； 士磁极磁通，电枢电流，A； y电磁转矩，N-m。电磁转矩驱动电动机等速旋转时，必须满足转矩平衡关系，即 r=L+L 9之）式中R电动机空载转矩，即轴上摩擦，风阻及钒0损耗相对应的力矩； 在主礅极励磁电流恒定的情况F，中为常数，电枢电流，。为I= TC T, ( 9-3) 由此可见电功机的电机电流。近似地与机械负载转矩成正比。拒忽略空载转矩的条件下，可眦得到与异步电动机榻同的转矩公式P一，；9550j (9-41式中P电动机轴上输出的机械功率，kW； n电枢旋转速度，nlln。当电动机的电枢在磷场中旋转时，电枢绕组导体切割磁力线。根据电磁感膻定律，舟电枢绕组中就会产q二感应电动蛰，感应电动势的大小为e -.8，已的方向由右手法则确定。在斟98中，转到N微睡下的电枢导体中，感应电动势的方向离开纸面，用“ 表示：转到S极区下的电枢导体巾，感应fn动势的方向i/tA纸而用“”裘示。 直流电动机运行在电动状态时，电枢电流，。的方向与感应电势方向相反，因此感应电动势又称反电势。如果电动机转速增加，或磁通中变人，感应电斟也增加。因此，电动势与磁通中和转速n的乘积成正比，即E=f咖n (9-11式中CIU机结构常数。9 2.3直流电动机的电枢电压平衡方程式 根据上面分析，可以面出直流电曲机的电路原理图，如罔9，9所示二罔9 8直流电动机的电瞄转矩和电枢电动毋图中U为电枢绕组的电泺电压，月。为电枢i绕组的Iq电阻；。为电枢电流；为电枢绕组的反电势；为励磁电杯电压，R，为黜槛绕组电阻，为鼢磁绕组中的电流，亦韵：为励磁电流。由基尔霍_失定律可写出电枢电路巾电压平衡方程式U=+/.R。由此哪得电枢电流，= URE 9-7) 由式（9一”可以看出，电枢电流，的划、不仅与外加电源电压有关，还与反电势F的大小有关，而与咖和n的乘积成正比。9.3直流电动机的机械特性罔9 9直流电动机的电路原理冈9.3.1直流电动机按励磁方式分类直流电动机中主磁极的磁通是由励磁电流产生的。根据励磁绕组供电方式不同，直流电动机分为他励、并励、串励利复励电动机(见图9-lo)。 (1)他励电动机。他励电动机的劢磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电，如图9. 10(a)所示。这样，励磁电流的调节与电枢电压、电流的嗣节都可眦单独进行而互不影响。他励电他励电动机，(b)井励电动机，(c)串勋电动机，(d) awi电动机动机的电路原理图，如图9 11所示。 (2)并励电动机。并励卣流电动机的曲磁绕组和电枢绕绀并联，共用一个直流电源. /IH 9，lO(b)所示二励瞄绕组两端的电眶就是il1枢绕组两端的电压，但励磁电流一般仅为IU枢电流的l%（大型）-5%（小型）。为了能产生足够的礁面，励碰绕组数较多但导线比较细。利用与励碰绕组相串联的nf变电阻R改变励磁电流，可改变磁通垂的大小。巾励电动机。串励电动饥的电路原理图，如图91 0【c)所示。其特点是励磁绕组与电栅绕组州串联，电抠电流就是励磁电流，困此励磁绕组的导线较粗，但匝数少。山于恸磁电流等于电栉t电流，磁极的磁通咖随屯枢电流，。变化。(4)复励lU动机。复励电动机的励磁绕组有两个，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组，另一个与电机绕组串联，称为串莉绕组，如幽9- 10(d)所硝，两个绕组都盐枉主磁般上，所以电机的磁通中是r ii两个绕组共同作奇ii T厶用mj产生的。H 9 il他鼬直流电动机的电路脒理目本章圭要训论他励直流电动机的机械特性和使用方法。井衄电动机除励磁力法小矧于他励电动机外，f机械特H：J他励电动机完全样。9.3 2他励直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性是指直流电动机的转速和电ft转矩之叫的戈系，即n=“r）由图9 11他励电动机电路原理围，可以推导出电枢回路电压、r衡方程式为当电动机的电磁转矩为零即r=o时，。=o，电机的转速n=盎=，它与U成正比，与士成反比。实际J7不可能等于零，即便是轴上机械负载转矩为零，轴上仍然有空载转矩T，所以称为理想空载转速。式(9.10)的后一项称为转速降，用A.表示，即n=i芑7，当磁通巾和电枢电阻R。不变时，与转矩r成线陛关系，即7增加时，曲也增加，转速n下降。当电獗电压U和励磁电流，为静数时，可咀画出电机转谴和电磁转矩之间的特性曲线，如同9 12所示，此曲线为一条直线。 从图9-12巾可以看出，电机转遵n随电磁转托T的蹭加有所下降，由于电枢电路的电阻很小，故电机转谴n随着电磁转矩T的增加而略有下降。这样的机械特性称为硬特性。当负载转矩发生变化时，电动机的转速、反电势、电流以厦电磁转矩将随之变化，以适应负载变化。例如，负载转矩增加时，在开始的瞬H，出现了转矩不平衡，电曲机的电磁转矩小于负载转矩，转速开始下降c斟磁通庐保持不变，故转速下降_起反电势E - C，毋n减小，电枢电流=U-量随之增加，因而电磁转矩T_C。士，。增大，此过程直进行到电磁转矩与负载转矩重新平衡时才结束，电帆转速不再继续r降，电枢电耕L也/f：冉继续增加，电动机将在新的较低转速下稳定运行。侧9-已知Z：- 52型他鼢直流电动机的技术数据为：额定功率P。=7 5 kW，额定电压U、=220 V，额定电机电流，。- 40 A，额定转速=1500 r/min，电枢绕组电阻只-0. 46fl。 求(l)电动机带额定负载运行时的电枢反电并F： (2)如果轴l的机械转矩减小，使电机电流，。=喜，。日r，电动机转速变y多少7 解：(I)根据式 E- U-IR蛊图9 12他自流机特陀曲线其中，U=U。，I。-l。，故 E=U.- /.HR.= 220 -0 46 x40 -201. 6 V (2)当，=20 A时的转速为F 7=乩一斤_220400 46 _220. 8 V 如果励磁电流保持与额定负载时的励磁电流相同，则毋不变，所以墨芷 n。 n 7一等- 1500嘉黑=1569 r/min 思考题9-1他勐直流电动机在运行时励磁绕组断线，会i|1现什幺后果，他蛐直漉电动机的启动电流取挑丁”么，正常工作时电枢JU流叉取决于+么7 9.3在使用抖励角洫电动机时，发现转向不对，如将接到电源的两根线刘词，能否改变电机的转动力向9.4他励直流电动LfVJ启动、反转和调速方法9 4.1他励直流电动机的启动 电动机的启动是指电机接通电源后，转速由零r升到稳定值的过程。在电机与直流电源刚接通瞬间，由于机械喷性作用，转子转速n_0，反电动势也等于零。此时电动机的启动电流为，R.E=芒，由于电枢电阻R小，故很大，通常达到额定电流的10 -20倍c此电流在换向器和电刷之间产生强烈的电火花而烧坏换向器，还会造成启动转矩太大而使生产机械受到极大的冲击转矩，这些都是不允许的，因此必须设法减小启动电流。一般应使启动电流。=(1 5 -2 5)1、，“为直流电动机的额定电流要降低启动电流，可以采取两种方法第一，在电机回路内串接启动电阻。肩动电阻的大小保证在启动瞬问，将启动电流，。限制在所需范围内，随着电机转速升高逐段切除启动电阻，启动结束后，一般将启动电吼争部切除。第二，由于他励电动机的电枢回路由独立卣流电源供电，故可“用降低电枢端电压的方怯乘限制启动电流，随着电机转速爿高，逐渐提高电枢电压，最后增加到额定值。应当注意，无论采用哪一种启动方法，在启动过程中都必须保证有足够的主磁场，即要有足够大的励磁电流。倒92 -台他励自流电动机，额定电压。- 220 V，额定电流，。=53. 8 A，电枢电阻片。=0 3 n。试求： (l)电机直接启动时的电流及其与额定电流的比值。(2)若限制启动电流为2倍额定电流，应在电枢回路中串人多大启动电阻。解：(l)直接启动时。=鲁= 220 733一与额定电流比值为(2)电机允许的启动电流为应串人的启动电阻R. -；一。=z，。n9.4.2他励直流电动机的反转电动机的旋转方向由电磁转矩方可决定。由电磁转矩T=C。毋t可以看出，在励磁电流方向固定的条件下，政变电枢电流方向，或在电枢电流方向固定的条件下，改变励磁电流方向，均能改变电机旋转方向，H使电机反转。jfjL额定转速范崮内使片j。电压降低后，并乖改变机械特陛的硬度，即负城变化l】J转速被动很小，Ji以得到稳定的低速。另外这种方法调速范倒较觉，可达I0：1。例如额定转速为iOOOtm zn时，最低稳定进度可达1 00 r/miTJ。由L分析可呲看日j，改变电枢电压调速时，磁通小变，菥在一定的额定电枢电流F调逃电动机转矩也足一定的，换句话I兑，这种黼速方法能实现恒转矩调逮。起重设备多使川这种黼谴方法。倒94-台他励直流电动机，参数与例93fHI可。t）若负载转矩不变，励磁电衍c也小变，将电枢电jE降到0 5f、+求电机转速。(2)若使电机转速为500 r/rnin，电枢电压应为多少V 解：(1)nI题意可，负载转目环变，励磁电流小变。田此电怄电流应保持小变E U-，R。电机转速2西占2c西 f_ -，1R。 勰速前“、2i了一i/.，R。调逮后忙c.o！一！x220 -47 x0一1！0. ，j 22 -47 x0-21C 篙48 ”，一 220470 2 21 C 所以n=() 48 x 1460= 7002)殳电机转述为500 r/rn时的电枢电压为“，转谴为n，则，lU_R “N fN一，HH，“=三（u、，、凡）+，- 1500(220 -47 x0. 2)0 2-SIV 9、4 3 3改变磁通调速 改变磁通嗣速电就是改变m碰电流调遣。由于励碰电流不能超过额定电流，所以改变励磁电流只能是减小，即a能进行弱磁裥速。由式(9 1()町卸，当电枢电H三和电枢回蹄电阻维持不变而减弱磁通毋时，理想字载转速n。=啬增加，转速降An=i7也增加中降低后旧机械特陛变软，稠递的过程为：减弱磁通中时，由于惯陛作用电动机转谜不能立即变化，反电动势F减小+电枢电流。增加。向I增加的影响超过中减弱的影响，电磁转矩增加，特阻转矩T不变，TT。而使电动机转速，一上羽，反电动势F州随之增大。，：和T则随之减小，直到T-r电动机在新的转速n F稳定运行。此时转速n较改变磁通母前提高。需要|兑明的是，上述调速过程是假设负载转矩不变，由于币喊小将使增大而超过额定俯，但电枢电流义不允许长时问超过额定值，所蹦转建升高时，电动机辅上的输出功率应适当减少。这种涮建方法不能实现恒转矩橱建，只能实现恒功率调建，即转矩与转速大约成反比例时的凋速。例如切削机床巾稃！往采用这种谰速方法。弱磁调速的突出优点是调速平滑，可得到无级调建。 在实际应用的直流电动机捌速系统中，一般采用调压和减小磷图9.15改变磁通渊建通相结合的埘谜方法，即柏二额定转速以下，调速叫用降低电枢电压力法；在额定转速“r，采用减小巾渊速。由于他励电动机可以拒稂宽的范嗣内平滑调述，困此应用较多。例9-5在例94巾，若电枢电压不变，将额定运行时的磁通士减小iOck试求负载转矩保持不变时的电机转速。解：依题意，中减小后的负载转矩不变。则巾i。=cT巾x|H 中-09圣。捌速后的电流为52 A捌速后转建调速前转速所以，。= CTO=岛=47一一已犬于ln机额定电流，因此不能长期连续运行N -lR“2而U. - /.R.ri. - C. c.q. UB f。R。，面巧j万L460由220 -47x0 2-1614 r/min9-1-台直流他励电动机，PW=7 5 kV，UN=110 v，7=83 A，N=15XI r/mtn，电枢电阻R.=0 1 n。试求：1)电动机帕额定转矩。(2)电i机的理想空载转速。9，2一音他励电动机数据为Ph _40 kW，K -220 V，N-207 5 A，吼=0 067 n。试求：(I)如果电枢电路不q接电阻启动，则启