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1、电机与拖动模块三：直流电机 直流电机学习目标知识目标1熟悉直流电机的结构。2理解直流发电机和直流电动机的工作原理与可逆性。3掌握直流电动机的工作特性与机械特性。4掌握直流电机的感应电动势、电磁转矩与功率平衡方程式。5掌握直流电动机的起动、调速、反转及制动的原理与方法。能力目标1能熟练起动直流电动机。2能熟练进行直流电动机的调速和制动。3能完成直流电动机的一般维护。4会通过试验测定并励直流电动机的工作特性与机械特性。素质目标1严谨细致、精益求精、勇于创新的工匠精神。2安全意识、环保意识和质量意识。3分析问题、解决问题的能力及团队协作精神。 直流电机内容导入直流电动机由于其良好的调速性能和动力常应
2、用于工业拖动控制系统中，如龙门刨床工作台的拖动、电力机车牵引和辅助压缩机驱动。牵引电机作为电力机车的重要部件之一，它安装在转向架上，通过齿轮与轮对相连；机车在牵引状态运行时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时电机处于电动机状态；当机车在电气制动状态下运行时，牵引电机将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电机处于发电机状态。直流电动机在日常生活中也经常被使用，如玩具、电动剃须刀等。电动剃须刀是以剪切动作进行剃须的，对于旋转式电动剃须刀，当接通电源开关后，电动机高速旋转，带动刀架上的内刀片与网罩的刃口做无间隙的相对运动，将伸入网罩孔内的胡须切断，达到剃须的目的。电动剃须刀的电动
3、机一般采用永磁式直流电动机，额定电压一般为1.5V或3V，转速为60008000r/min，对电动机的要求是运转平稳。在工业控制和日常生活中，不同的直流电机是如何工作的，什么样的工作特性与机械特性能保证直流电机稳定高效运行，其起动、调速、反转及制动的原理与方法为模块三重点学习的内容。 直流电机学习导图 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。） 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流
4、电机直流发电机原理模型在图所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈正极性,电刷B呈负极性。 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机当线圈逆时针方向旋转180时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。直流发电机原理模型直流发电机原理模型 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机由图可知，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直
5、流电动势。实现了机械能到电能的转换。这就是 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机直流电动机的原理模型导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机当电枢转了180后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。直流电动机的原理模型 3.1.1 直流电机的基本工作原理
6、直流电机电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。实现电能向机械能的转变。这就是直流电动机的工作原理。直流电机3.1.2 直流电机的主要结构直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。小型直流电机的结构直流电机3.1.2 直流电机的主要结构直流
7、电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置、端盖等组成。直流电机3.1.2 直流电机的主要结构直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。换向器的结构直流电机3.1.3 直流电机的铭牌数据和主要系列例如例如: :铭牌钉在电机机座的外表面，其上标明电机主要额定数据及电机产品数据，供使用者使用时参考。铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定励磁电流、励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。直流电机3.1.3 直流电机的铭牌数据和主要系列2.直流电机的主要系列电机的产品型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一
8、般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的汉语拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。下面以Z2-92为例说明如下。直流电机3.1.3 直流电机的铭牌数据和主要系列第一部分字符的含义如下:Z系列：一般用途直流电动机（如Z2，Z3，Z4等系列）。ZJ系列：精密机床用直流电动机。ZT系列：广调速直流电动机。ZQ系列：直流牵引电动机。ZH系列：船用直流电动机。ZA系列：防爆安全性直流电动机。ZKJ系列：挖掘机用直流电动机。ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机。直流电机3.1.3 直流电机的
9、铭牌数据和主要系列电机额定功率PN：额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机是指电动机轴上输出的额定机械功率；对于发电机是指电刷间输出的额定电功率。单位为kW。额定电压UN：额定条件下，电机出线端的平均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。单位为V。额定电流IN：电机在额定电压情况下，运行于额定功率时对应的电流值。单位为A。额定转速nN：对应于额定电压、额定电流，电机运行于额定功率时对应的转速。单位为r/min。额定励磁电流IfN：对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流，单位为A。励磁方式：是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。直流电机励磁有并
10、励、串励、复励等方式。直流电机3.1.3 直流电机的铭牌数据和主要系列额定状态：在电机运行时，若所有的物理量均与其额定值相同，则称电机运行于额定状态。欠载运行：若电机的运行电流小于额定电流，则称电机为欠载运行；过载运行：若电机的运行电流大于额定电流，则称电机为过载运行。直流电机3.2.1 直流电机的励磁方式直流电机在发电状态下运行，除需要原动机拖动外，还需要供给励磁绕组励磁电流。供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式，直流电机的励磁方式分为他励和自励两大类。以下是直流电动机的励磁方式。直流电机3.2.2 直流电机空载时的磁场直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢
11、磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性.定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场，此时的磁场称为空载磁场。直流电机3.2.2 直流电机空载时的磁场直流电机空载时的磁场分布示意图直流电机3.2.2 直流电机空载时的磁场如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，
12、气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。直流电机空载磁场的磁密分布为一平顶波直流电机3.2.3 直流电机负载时的磁场负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。定义:电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。直流电机3.2.3 直流电机负载时的磁场电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布从空载磁场和电枢磁场可知，空载磁场和电枢磁场轴线刚好正交，但在主磁极的前极尖处（电枢进入主磁极的极边）两磁场方向相同，而在后极尖处（电枢离开主磁极的极边）两磁场方向相反。因此，在前极尖
13、处磁场被加强，而在后极尖处磁场被削弱，使气隙的磁场畸变，这就是电枢磁场对励磁磁场的影响，称为电枢反应。直流电机3.2.3 直流电机负载时的磁场结论：（1）由于电枢反应，气隙磁场不再仅由励磁磁场建立，而是与电枢磁场共同作用而建立合成磁场，并发生畸变，主磁极的前极尖磁感应强度加强，后极尖的磁感应强度减弱。（2）合成磁场的物理中性线逆着旋转方向移动一个角度，但此时电刷轴线仍在几何中心线上，电流的分界线仍未变，但磁场的分界线（即物理中性线）移动之后，产生电动势的分界线也移动，不再像空载那样与几何中心线重合。（3）在几何中心线划分的极区范围内，当磁路为线性时，极轴两边的助磁效应恰与去磁效应相补偿，故合成
14、磁场的磁通有效磁通，仍与励磁磁通主磁通0相等，也就是说，电枢反应只引起磁场分布曲线畸变，而不改变有效磁通的大小。因此，当电机带负载而磁路不饱和时，电枢绕组产生的感应电动势仍与空载时相等。如果磁路是非线性的，则前极尖可能达到饱和，磁感应强度加强不多，出现去磁现象，合成磁通将比0小，那么电枢绕组的感应电动势便有所下降。（4）由于合成磁感应强度波形是非线性的，所以电枢绕组中每个元件的感应电动势不等，造成换向片间电位差不等，增加换向困难。直流电机3.2.3 直流电机负载时的磁场为了保证电机的正常换向，就必须使直轴电枢反应不能起增磁作用，从而要求在电机运行时，最好是将电刷由几何中心线移到物理中心线上，即
15、作电动机运行时，可逆转动方向移一个合适的角度，作发电机运行时，则要顺时针移动一个合适角度。直流电机3.3.1直流电机的感应电动势根据电磁定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，当其运行时，电枢绕组切割了磁场，就要产生感应电势，由于电枢绕组中又有电流通过（带负载），其与磁场的作用就会产生电磁转矩。直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势。要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。直流电机3.3.1直流电机的感应电动势 式中式中： p p极对数；极对数；n n电枢转速；电枢转速
16、；N N电枢导体总数；电枢导体总数；每极磁通；每极磁通； Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数Ce不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。直流电机3.3.1直流电机的感应电动势根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。式中CT为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与CT的表达式可以看出CT=9.55Ce。由Tem=CTIa可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。3.3.2直流电机的电磁转矩一根导体在磁场中所受的电磁力为：fav=Bavlia每根导体的电磁转矩为：总的电磁转矩为直流电机3.3.1直流电机的感应电动势额定功率P。指在额定条件下电机所供给的功率。对直流发电机而言，是指发电机带额定负载时，电刷端输出的功率，即：对直流电动机的额定功率为输出机械功率，其值为输入电功率乘以效率。3.3.3直流电机的功率电机是进行能量转换的装置，因而功率关系是电机运行中最基本的关系
