直流电机原理及应用.doc

摘要近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。在电动机的发展中首先发展的是直流电动机，直流电动机根据励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四类，他们的运行特性也不尽相同，本文主要介绍在调速系统中用得最多的他励电动机。关键词：直流他励电动机、主要结构、基本工作原理、运行特性、基本参数、应用前景前言电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机虽不像交流电动机那样结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于交流电动机的调速问题长期未能得到满意的解决，因此在过去一段时间内，直流电动机显示出交流电动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能，具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。目前，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但是，速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械，仍采用直流电动机拖动。但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。 1、 主要结构直流电动机分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。定子和转子之间由空气隙分开。（1）定子定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。直流电动机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系由右螺旋法则确定。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。（2）转子转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。2、基本工作原理直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。（1） 电枢感应电动势 E=KeFn式中：Ke 与电机结构有关的常数n 电动机转速（r/min） F 一对磁极的磁通(Wb)由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。 （2）电枢回路电压平衡式U=E+IaRa=KeFn+IaRa式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻（3）电磁转矩直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通F相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为T=KtFIaKt与电机结构有关的常数,Kt=9.55Ke F 线圈所处位置的磁通(Wb)Ia电枢绕组中的电流（A）（4）转矩平衡关系电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=T2+T0T2机械负载转矩T0空载转矩 转矩平衡过程当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。3、运行特性（1）启动特性电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到所要求的转速后正常运转的过程。对直流电动机而言，启动时n=0，得E=KeF n=0，则 这样大的启动电流会使电动机在换向过程中产生危险的电火花，烧坏整流子。而且，过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏。同时，产生与启动电流成正比例的启动转矩，会在机械系统和传动结构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。因此直流电动机不允许在额定电压UN下直接启动。限制直流电动机的启动电流，一般有两种方法：降压启动法：在启动瞬间，降低供电电源电压。随着转速n的升高，反电动势E增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压UN时，电动机达到所要求的转速。目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。电枢串电阻启动法：此时启动电流 随着电机转速n的提高，反电动势E增大，再逐步切除外加电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的转速。如图所示为具有三段启动电阻的启动特性，T1、T2分别称为尖峰（最大）转矩和换接（最小）转矩。此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。注意事项：直流电动机在启动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KTF Ia) , 电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。（2）运行特性转速特性定义：当U=UN、I=IfN时，n=f（Ia）由方程式可得忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。转矩特性定义：当U=UN、I=IfN时，Tem=f（Ia） 转矩表达式考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。效率特性定义：当U=UN、I=IfN时，h=f（Ia）由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。（3）制动特性电动机的制动是与启动相对的一种工作状态，启动时从静止加速到某一稳定转速，二制动则是从某一稳定转速减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，它的制动状态分为反馈制动、反接制动、能耗制动三种形式。反馈制动电动机为正常接法时，在外部条件作用下电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0，或者电机在弱磁状态用增加磁通F的方法来降速，电动机即运行于反馈制动状态。当位能性负载快速下放物体时，当nn0时，使EU，由原来的电动状态转为发电状态。电枢电流同样电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。 反接制动当他励电动机的电枢电压U或电枢电动势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向相反变为方向一致时，电动机都将运行于反接制动状态。把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动，而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。、电源反接制动若电动机原运行在正向电动状态，电枢电流由 变为同样因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。此时机械特性方程为注意，由于在反接制动期间，电枢电动势E和电源电压U是串联相加的，因此，为了限制电枢电流Ia，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻Rad。电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。电源反接制动特点：设备简单，制动转矩大，常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行；能量损耗大。、倒拉反接制动在进行倒拉反接制动以前，设电动机处于正向电动状态，以na转速稳定运转，工作于a点，提升重物。欲下放重物，则需在电枢电路内传入附加电阻Rad，特性变得很软，转速下降，当n=0时 (c点)，电动机的T仍然小于TL，在位能性负载倒拉作用下，电动机继续减速进入反转，最终稳定地运行在d点。此时n0时，n0; T0;所以，机械特性应在二、四象限，并通过原点。 能耗制动特点：设备简单，运行可靠，且不需从电网输入电能；能准确停车；低速时制动效果较差。4、调速控制 他励电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上有其独特的优点。主要优点：1. 调速均匀平滑，可以无级调速2. 调速范围大，调速比可达D=810 以上3.调速静差率d小。 调速指标：直流电动机具有极可贵的调速性能，可在宽广范围内平滑而经济地调速，特别适用于调速要求较高的电气传动系统中。电动机调速性能的好坏，常用下列各项技术指标来衡量:(1)调速范围D 调速范围是指电动机驱动额定负载时，所能达到的最高转速与最低转速之比。不同的生产机械要求不同的调速范围，例如轧钢机D=3120，龙门刨床D=l0140，车床进给机构D=5200等。(2)调速的平滑性 电动机相邻两个调速挡的转速之比称为调速的平滑性，其比值称为平滑系数。在一定的范围内，调速挡数越多，相邻级转速差越小，越接近于1，平滑性越好。=l时称为无级调速。(3)调速的稳定性 调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机转速随之变化的程度。工程上常用静差率来衡量，它是指电动机在某一机械特性上运转时，由理想空载至额定负载时的转速降nN对理想空载转速的百分比，(4)调速的经济性 调速的经济性由调速设备的投资及电动机运行时的能量消耗来决定。(5)调速时电动机的允许输出 在电动机得到充分利用的情况下 (一般是指电流为额定值)，调速过程中电动机所能输出的功率和转矩。主要有恒功率调速方式和恒转矩调速方式两大类。由转速公式: n=U-IaRaKE 可见直流电机调速方法有三种：弱磁调速保持电枢电压U不变，减小励磁电流If (调Rf)以减小磁通F 。由式弱磁调速时，F减小，但Ia保持不变，所以转矩随调速的升高而下降，而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速，且转速n 只能上调。减小F 调速的特点：调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。机械特性较硬，稳定性较好。 对专门生产的调磁电动机，其D可达34, 一般D=2降压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。改变电压调速的特点:工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速只能向下调。机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。属于恒转矩调速。均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。调速范围较大，一般D=810.改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速时，F和Ia保持不变，所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。且转速n 只能下调。特点：设备简单，操作方便。机械特性软，稳定性差。调速范围较小，一般D=22.5能量损耗大，只用于小型直流机。5、基本参数 （1）额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。 （2）额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（3）额定电流IN : 额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 三者关系：PN=UNINh（4）额定转速nN: 在PN , UN , IN 时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。注意: 调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN 。（5）电动机功率流图6、应用前景由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，下图所示是其应用的几种实例。 7、结束语 经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材