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1、L/O/G/O 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 第五章第五章 直流电机直流电机 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 第五章第五章 直流电机直流电机 第五章小结 5-1 直流电机的工作原理和结构特点 5-2 直流电机的励磁方式和运 行特性 5-3 无刷直流电动机 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 概 述 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂,维修也不便,但由于它的调速性能较好和起动 转矩较大,因此,对调速要求较高的生产机械或者 需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机 驱动。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机的优点: (1) 调速性能好, 调速范围广
2、, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。 应用: (1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 (2) 用蓄电池做电源的地方,如汽车、拖拉机等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5-1 5-1 直流电机的工作原理和结构特点直流电机的工作原理和结构特点 本节的主要内容有三部分: l 构造:主要点:主要组成及作用,如换相器等。 l 铭牌数据:参数个数、数据含义。 l 励磁方式:种类。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机模型:磁极、线圈、电刷
3、和换向片。 5.1.1 直流电机(direct current motor)的工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢转子感应电动势:电枢转子由原动机拖动旋 转,电枢线圈切割N、S极磁场,线圈每个边导体中 产生感应电动势(方向根据右手定则判断)。 换向:转子转过180后,线线圈边边接触的电电刷更换换 而线线圈边边所处处位置的磁极极性也变变了。因此,线线圈 边边感应应的电动势电动势 方向变变反,但电电刷极性却不变变。 结论结论 :线线圈感应电动势应电动势 和流过电过电 流都是交流, 而电电刷两端电压电压 和电电刷导导出电电流却都是直流的。 电电刷与换换向器配合是起“机械整流器”作用
4、。 电电磁力F=BlI 电电磁转转矩 反转转矩 直流发电机(direct current generator)工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转转子的转动转动 :电电枢绕组绕组 通入直流电电流在定子磁 场场的作用下,受力产产生转转矩,转转子转动转动 。转动转动 方向 由左手定则则判断。 换换向:转转子转过转过 180后,线线圈边边接触电电刷更换换而 线线圈边边所处处位置磁极极性也变变了。因此,线线圈流过过 电电流方向变变反,线线圈边产边产 生的转转矩方向也变变反。 转转子转动转动 后线线圈感应电动势应电动势 与电电源电压电压 平衡。 结论结论 :电电源电压电压 是直流的,线线
5、圈感应电动势应电动势 和 流过电过电 流却都是交流,而产产生电电磁转转矩方向不变变。 直流发电机(direct current generator)工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 I U + S b N a c d 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。 U + U + 电刷 换向片 I F F T n 换向
6、器作用: 将外部直流电转 换成内部的交流 电,以保持转矩 方向不变。 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 I U + S b N a c d U + U + I F F T n E E 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。 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。 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 电刷 换向片 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置 直流电电机的电电枢绕组绕组 : 电电刷
7、的正确位置: 这这两点与电电机结结构有关,放在下一小节节中介绍绍 。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5.1.2 直流电机的构造 基本组组成:定子和转转子两大部分。 定子:主磁极、换换向极、电电刷装置和机座等。 转转子:电电枢铁铁心、电电枢绕组绕组 、换换向器等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 直流电动机的构造直流电动机的构造 极掌 极心 励磁绕组 机座 转子 直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。 S N + + + + N + + + + + S + + + 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 2. 转子(电枢,armat
8、ure ) 由铁心、绕组(线圈)、换向器组成。 1. 磁极 永磁式:由永久磁铁做成。 励磁式:磁极上绕线圈,线圈中通过直流电, 形成电磁铁。 励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称 为励磁。 电枢铁心:由硅钢片叠装而成。 电枢绕组:单个绕组元件组成。 用来在电机中产生磁场。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 解剖示意图 (自画) 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 风叶磁极电刷 电枢转子 转轴 换向器 换向片 压紧环 电枢绕组 绕组端部 结构 细说 注:书P.69. 图5-5的电机 是较大型的电机,其电枢 绕组中间开有通风槽。 换向器 集美大
9、学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定子结构(主要掌握作用) 主磁极:主极铁铁心由薄钢钢板冲片叠成,用螺栓固 定在机座上,其上套有励磁绕组绕组 。励磁绕组绕组 中通入 直流励磁电电流产产生主磁场场。 参见见“示意图图”。 换换向极:其铁铁心尺寸比主极小,也用螺钉钉固定在 机座上;在定子机座圆圆周上的安装位置与主磁极相 间间分布。换换向极用于改善换换向,减少因电电磁原因而 引起的电电刷火花。 机座:是直流电电机的固定支撑和防护护部件,又是 磁路的一部分。机座通常是由铸钢铸钢 制成。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 主磁极 结构示意图 截面图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定子结构
10、(续)(主要掌握作用) 电电刷装置组组成:刷架、刷杆、刷握、炭刷及压压 紧弹紧弹 簧等。 安装位置:中小型电电机刷架装在端盖,或轴轴承内 盖上,大中型电电机刷杆座固定在机座上。电电刷装置 则则装在刷架的刷杆上。 接线线:多对对磁极、多对电对电 刷的直流电电机,正、 负电负电 刷分别别并联联在一起,然后只引出两个接线线端到 接线线盒上。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 定 子 结 构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 两种刷握结构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转子结构(主要掌握作用) 电电枢铁铁心:电电枢铁铁心是磁路的一部分,由固定 在转轴转轴 上的硅钢钢片叠成。铁铁心
11、圆圆周上有均匀分布的 槽,槽内用于嵌放电电枢绕组绕组 。 电电枢绕组绕组 :电电枢绕组绕组 由绝缘铜线绕绝缘铜线绕 制而成,用 以产产生电动势电动势 和通过电过电 流,是实现实现 机电电能量转换转换 的重要部件。各绕组线绕组线 圈的两个出线线端按一定的规规 律焊焊接到换换向器片上,形成一闭闭合回路。 换换向器:又称为为“铜头铜头 ”,主要由铜质换铜质换 向片组组 成其作用是与电电刷配合起“机械整流器”的作用。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转 子 结 构 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 转子剖面图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 换向器 集美大学轮机工程学院船舶电气设
12、备及系统 电枢绕组 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组的实质 直流电电机的电电枢绕组绕组 是一个闭闭合回路: 见书见书 P.67,“实际实际 采用分布式线线圈结结构,每个线线圈有两个 边边,分别别置于相距一个磁极极距位置的槽内,即这这些 线线圈沿电电枢铁铁心圆圆周均匀分布,并通过过相应应数量的 换换向片依次串联联构成一个闭闭合回路。” 被电电刷分割成几个支路并联联,引接到外部电电路。 随着转转子的转动转动 ,电电刷接触不同的换换向片,每个 绕组绕组 元件将从一个支路换换接到其它支路去(即换换向 )。但某个磁极作用下的元件,固定与一对电对电 刷连连接 。 参见见下页页的“电电枢绕组
13、绕组 并联联支路图图”。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组支路图 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电枢绕组(展开图) 另一半电枢绕组也构成另外一条支路。 不管电枢如何转动,一条支路中绕组感 应总电势大小基本不变(微小脉动)。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电刷的正确位置 原则则:电电刷正确位置的原则则是,使正负电负电 刷间间能 获获得最大电动势电动势 。 即,应应将位于磁场场几何中心 线线的元件短接。 参见见“展开图图”。 展开图图的画法:元件几何形状对对称时时,电电刷与磁 极的轴线轴线 重合。 原理示意图图的画法:原理示意图图的绘绘制原则则是尽 量简单简单
14、,每个元件只画出上层边层边 ,用一个“”表示。 此时时的电电刷就与“位于磁场场几何中心线线”的元件直接接 触(画在其旁边边)。也就是电电刷就不能再画在磁极的 轴线轴线 上了。 书书P.68,图图5-4。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 电刷位置 在展开图上的位置在原理示意图上的位置 原则:都是将几中线上的元件短接。若不在 反 电动势 E下降 火花。 电枢反应去磁或增磁电压和转速 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 5.1.3 直流电机的额定值 在直流电电机外壳的铭铭牌上,给给出了直流电电机的型 号和额额定运行时时各物理量的数值值。额额定值值主要有: 额额定功率(kW) :指额额定状
15、态态下,发电发电 机输输出功率 Pn=UnIn或电动电动 机轴轴上输输出功率 Pn=UnInn ; 额额定电电流(A)/额额定电压电压 (V) :指额额定状态态下,发发 电电机输输出的或电动电动 机输输入的额额定电电流 I/ 额额定电压电压 U ; 其它:额额定转转速 (r/min);励磁方式及额额定励磁电电 流If (A);绝缘绝缘 等级级和温升、工作制和使用条件等。 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 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。(例:110V,220V,440V) 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=UNIN ( :效率) 直流电动机的额定值 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 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。特殊的直 流电机转速可以做到很低(如每分钟几转)或很高( 每分钟3000转以上)。 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 。 直流电动机的额定值 集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统 (3) 恒功率负载(P 一定时,T和n 成反比),要选软特 性电机拖动。如:电气机车等。 直流电动机特性类型的选择: (1)