直流电机的工作原理及特性.ppt

第三章直流电机的工作原理及特性,直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也较困难。,近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。,尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。,因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需频繁正、反转和启、停，多单元同步协调运转的生产机械等。,3.1直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机包括静止的和转动的两大部分，静止部分称为定子，转动部分就是转子，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(以后称为气隙)。,定子的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。,转子(通常称为电枢)的作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。,直流电机的剖面,主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。,1.主磁极,主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极掌，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。,主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。,2.换向极,换向极，又称附加极或间极，是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向性能。换向极结构和主磁极类似。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组与电枢绕组串联。,3机座机座通常由铸钢或厚钢板焊成。,它有两个作用：,一个是用来固定主磁极、换向极和端盖；,另一个作用是作为磁路的一部分。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。,4.电枢铁心,电枢铁心既是主磁通的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用硅钢片叠压夹紧而成。,直流电机电枢,5.换向器,换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片(即换向片)组成，如图所示。,换向器的作用：对于直流电动机，它将外加的直流电动势逆变成电枢绕组的交流电流，以产生恒定的电磁转矩。,6电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷由石墨制成，放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间都绝缘。刷架装在端盖或轴承内盖上，调整位置以后，将它固定。,现将国产直流电动机系列简介如下:一.Z型系列Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风保护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度低的场所。二.Z2型系列它是Z型系列的改进型,也上保护式。调速范围可达3比1，即可超过额定转速的一倍。三.ZO型系列这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。四.ZD型系列主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型机床、卷扬机、起重设备。五.ZQD型系列它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。,直流电动机的型号,以Z2-31型电机为例：,Z2系列是一般用途的中小型直流电动机，共分11个机座号，每个机座号有二种铁心长度，功率范围为0.4200kW；转速范围6003000r/min。,直流电机的额定值主要有：,1.额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。若大于1KW或1MW时,则用KW或MW表示。,2.额定电压UN：指额定状态下电枢出线端的电压，以V为量纲单位。,3.额定电流IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以A为量纲单位。,4.额定转速nN：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。,5.额定励磁电流If：指电机在额定状态时的励磁电流值。,注意:对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即PNUNIN,二、直流电机的基本工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。,1主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,5换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,发电机原理：将机械能转换为电能。,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,三、电动势和电磁转矩,1.电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）；一对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：T电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Kt与电机结构有关的常数，Kt=9.55Ke,3.2直流他励电动机的机械特性,一、机械特性的一般形式,电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。,不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。,如图所示为直流他励电动机的原理电路图。,式中:,外加电枢电压（V）；,感应电势（V）；,电枢电流（A）；,电枢回路内阻（）,电枢回路部分,励磁回路部分,即：,转速特性,机械特性,由他励电动机的特性可知：励磁电流If的大小与电枢电流Ia的大小无关，它的大小只取决于Rf、Uf的大小，当Rf、Uf的大小一定时,If为定值，即磁通为定值。,1.理想空载转速：,T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。,根据机械特性可知：,2.机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：,即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。,根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。,（1）绝对硬特性,（2）硬特性10,（3）软特性Tr，前进时速度n为正。,电车由直流电动机拖动，机械特性如图所示：,匀速走平路时（a点）：输出转矩TM用来克服负载转矩Tr。,在an0段：TM与n的方向相同，故为电动状态。,在n0b段：TM与n的方向相反，且电机转速大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。,2电枢电压突然下降时的反馈制动,设当电动机的电枢外加电压为U1和U2，且U1U2时的机械特性如图所示：,若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TL0，Tm0，Tm0电动状态,注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,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。,2倒拉反接制动,电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。,现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线3所示。,a点：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态。,cd段：Tm0，n0，电动机工作在电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。,db段：当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。,电动机在db段：Tm0，n0，电动机工作在制动状态。常称这种制动状态为倒拉制动状态。,三、能耗制动,电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。,当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到b点。,bo段：Tm0，能耗制动。,