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1、电工学 电工技术 陈海川 2010 2 第8章直流电动机 8 1直流电机的构造 8 2直流电机的基本工作原理 8 4并励电动机的起动与反转 8 3直流电动机的机械特性 8 5并励 他励 电动机的调速 8 1直流电机的构造 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 直流电机的优点 1 调速性能好 调速范围广 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
2、型设备 2 用蓄电池做电源的地方 如汽车 拖拉机等 电工技术 8 1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 电工技术 2 转子 电枢 由铁心 绕组 线圈 换向器组成 1 定子 磁极 励磁 磁极上的线圈通以直流电产生磁通 称为励磁 用来在电机中产生磁场 电工技术 换向器亦称整流子 起整流作用 它由楔形铜片所组成 彼此绝缘 如图所示 安装于转轴上 是直流电动机的构造特征 其作用是使电枢绕组中的电流方向是交变的 以保证其电磁转矩方向始终不变 电工技术 电工技术 1 他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供
3、电 直流电机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机 并励电动机 串励电动机和复励电动机 2 并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联 由一个直流电源供电 4 复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并 接在同一电源上 3 串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上 8 2直流电机的基本工作原理 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受力 左手定则 按顺时针方向旋转 电刷 换向片 换向器作用 将外部直流电转换成内部的交流电 以保持转矩方向不变 电工技术 线圈在
4、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 EK n 电工技术 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 式中 U 外加电压Ra 绕组电阻 2 电枢回路电压平衡式 电工技术 3 电磁转矩 单位 韦伯 Ia 安 T 牛顿 米 直流电动机电枢绕组中的电流 电枢电流Ia 与磁通 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 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 KT Ia 电工技术 当电动机轴上的机械
5、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 转矩平衡过程 例 设外加电枢电压U一定 T T2 平衡 此时 若T2突然增加 则调整过程为 达到新的平衡点 Ia P入 T2 n Ia T E 8 3直流电动机的机械特性 特点 励磁绕组与电枢并联 由图可求得 由上分析可知 当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时 励磁电流If和磁通 不变 即 常数 则 令 T KT Ia KTIa 即 并励电动机的磁通 常数 转矩与电枢电流成正比 由以下公式 求得 式中 n f T 特性曲线 并励电动机在负载变化时 转速n的变化不大 硬机械特性 改变电枢
6、电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线 电工技术 例 有一并励电动机 其额定数据如下 P 22KW UN 110V nN 1000r min 0 84 并已知Rf 27 5 Ra 0 04 试求 1 额定电流I 额定电枢电流Ia及额定励磁电流If 2 损耗功率 PaCu 及 PO 3 额定转矩T 4 反电动势E 解 1 P2是输出功率 额定输入功率为 额定电流 额定励磁电流 额定电枢电流 电工技术 2 电枢电路铜损 励磁电路铜损 总损失功率 空载损耗功率 3 额定转矩 4 反电动势 8 4并励电动机的起动与反转 起动 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动 Iast太大会使换向器产生严重的火花
7、 烧坏换向器 起动时 n 0 1 起动问题 1 起动电流大 2 起动转矩大 起动时 起动转矩为 10 20 TN 造成机械冲击 使传动机构遭受损坏 一般Iast限制在 1 5 2 5 IN 2 起动方法 3 注意事项 1 电枢串电阻起动法 2 降压起动法 直流电动机在起动和工作时 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 在满磁下将Rst置最大处 逐渐减小Rst使n升高 最大起动电压Ust为 电工技术 1 如果电动机是静止的 由于转矩太小 T KT 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 2 如果电动机
8、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 3 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 E Ia T T0 n 飞车 电工技术 2 反转 电磁转矩 T KT Ia 1 改变励磁电流的方向 2 改变电枢电流的方向 注意 改变转动方向时 励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变 改变直流电机转向的方法有两种 8 5并励 他励 电动机的调速 并励 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
9、上由其独特的优点 1 调速均匀平滑 可以无级调速 注 异步机改变极对数调速的方法叫有级调速 2 调速范围大 调速比可达200以上 调速比等于最大转速和最小转速之比 因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化 主要优点 由转速公式 可见直流电机调速方法常采用以下两种 电工技术 可见 在U一定的情况下 改变 可改变转速n 8 5 1改变磁通调速 保持电枢电压U不变 改变励磁电流If 调Rf 以改变磁通 由式 Rf If n 一般只采用减少励磁电流 减弱磁通 的方法调速 即 改变磁通调速的方法 减小磁通 n只能上调 改变 时的机械特性如图 电工技术 调速过程 直至T TC达到新的平衡 电压U保持一定 减小磁
10、通 电工技术 电工技术 1 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 2 调速设备简单 经济 电流小 便于控制 3 机械特性较硬 稳定性较好 4 对专门生产的调磁电动机 其调速幅度可达 例如530 2120r min及310 1240r min 减小 调速的特点 1 若调速后Ia保持不变 电动机在高速运转时其负载转矩必须减小 2 这种调速方法只适用于恒功率调速 如用于切削机床 使用调磁调速时应注意 8 5 2改变电压调速 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 特性曲线 改变电压调速的特点 1 工作时电压不允许超过UN 而n U
11、所以调速只能向下调 2 机械特性较硬 并且电压降低后硬度不变 稳定性好 电工技术 3 均匀调节电枢电压 可得到平滑无级调速 4 调速幅度较大 调速过程 保持If为额定 减小电枢电压 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 电工技术 电工技术 例 有一他励电动机 已知U 220V Ia 53 8A n 1500r minRa 0 7 今将电枢电压降低一半 而负载转矩不变 问转矩降低多少 解 由T KT Ia可知 在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下 电流也保持不变 电压降低后的转速n 对原来的转速n之比为 电工
12、技术 8 5 3电枢回路串电阻调速 电枢中串入电阻 使 n n0不变 即电机的特性曲线变陡 斜率变大 在相同力矩下 n 特性曲线如图 Ra 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻 电阻增大则转速下降 因此n只能下调 特点 1 设备简单 操作方便 2 机械特性软 稳定性差 3 能量损耗大 只用于小型直流机 Ra R 电工技术 电工技术 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 4 额定转速nN 在P
13、N 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 电工技术 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 恒转矩的生产机械 TL一定 和转速无关 要选硬特性的电动机 如 金属加工 起重机械等 2 通风机械负载 机械负载TL和转速n的平方成正比 这类机械也要选硬特性的电动机拖动 直流电机有四个出线端 电枢绕组 励磁绕组各两个 可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别 8 5 4电动机的连接 1 绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1 2欧姆 电工技术 他励 并励 电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当 2 绕组的符号 1 绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1 2欧姆
