第四章直流电机

34第四章直流电机直流电机是电机的主要类型之一，在近代工业中曾是一种很重要的电机。一台直流电机既可作为直流发电机使用，也可作为直流电动机使用。作为电动机使用，它有一种很优良的性能，就是调速设备简单、调速性能好和起动、制动转矩大以及过载能力强，因此被广泛应用于电车、轧钢机和起重设备中。直流发电机作为主电源在船舶上应用较早，在交流船舶上直流电动机也是船舶各类拖动装置的主要原动机之一。直流机与交流机比较，其弱点是直流电压不能变换以及结构复杂、造价高和维修工作量大等。二十世纪八十年代以来，由于大功率电力电子技术的发展，交流变频技术已经在多数领域取代了直流调速的应用，因此直流电机在陆地和船舶的应用逐渐减少，主要存在于以前建造的设备中。在一些过去建造的船舶上仍有直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。本章主要内容包括：直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。第一节直流电机的工作原理图4-1-1是最简单的直流电机模型。N、S是一对静止不动的主磁极，它们之间有一转动的圆柱形电枢铁心，其上有一电枢线圈，线圈两端a,d分别接到彼此绝缘的两个半圆形换向片1和2上。两个位置固定的电刷A、B分别压在两换向器片上。电刷与转动的换向器片形成滑动接触的导电机构。一、直流发电机的工作原理直流电机作为发电机时，电枢转子在原动机拖动下旋转，电枢线圈切割N、S极磁场，线圈每个边的导体中产生感应电动势e=BLV；其方向用右手定则确定。根据图4-1-1所示的磁场方向和转动方向可知，转到N极下的线圈边中的电动势方向总是由纸面出来，转到S极下的则总是进入纸面。很显然，在线圈内部是一个方向不断改变的交变电动势。由于静止的图4-1-1直流发电机的原理图35电刷A、B是分别与N极下和S极下的线圈边接通，故在电刷之间的电动势则是方向不变的直流。可见换向器在直流发电机中起了机械整流器的作用。当发电机电枢线圈接通负载时，在电动势的作用下产生电枢电流，故称发电机的电动势为电源电动势。发电机电枢有了电流以后，电流与磁场相作用产生电磁力F=BLI和电磁转矩。根据左手定则，发电机的电磁转矩方向与转动方向相反，故称反转矩。二、直流电动机的工作原理当直流电机接通直流电源时，则变成了直流电动机。在电源电压的作用下电枢线圈中就有了电流。假设电流由图4-1-2中的正刷A流人由负刷B流出，通过换向器的作用，使转到N极下的线圈边中的电流方向总是流入，S极下的总是流出。这样电枢电流与磁场相作用所产生的电磁转矩方向始终保持不变，因而驱动转子向一个方向转动。所以电动机的电磁转矩是拖动转矩。电动机在旋转的过程中，电枢线圈也切割磁场而产生电动势，根据右手定则可以证实，该电动势的方向总是与电流方向相反，故称电动机的电动势为反电动势。三、直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置以上简单的电机模型是用来说明直流电机的工作原理。为了获得平滑恒定的直流电动势和电磁转矩，实际直流电机的电枢绕组是由许多分布的线圈构成的，每个线圈有两个边，分别置之于相距一个磁极极距的位置，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向器片依次串联构成一个闭合回路（见图4-1-3）。电枢线圈越多、相邻线圈边的分布间隔越小，则电刷间的电动势越高，越平滑恒定。电刷间的电动势，等于任一支路各线圈电动势之和。电刷的位置正确与否，将影响到正负电刷间的电动势E，从而影响到发电机的电压和电动机的转速，同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。两个磁极间的平分线称为磁场几何中性线。确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势。根据实际电枢绕组元件对称的几何形状，只有当电刷分别与位于磁场几何中心线的线圈所接的换向片相接触时，才能使被电刷分割的每一并联支路中各线圈感应电动势的方向一致，串联电动势之和最大。同时当任一线圈转到磁场几何中性线(Φ=0)处时，它将被电刷短路，由于此时线圈切割的电动势为零，故线圈中不会产生通过电刷的短路环流，因而空载运行时,也就没有电刷火花产生。如果电刷不在上述的正确位置，则被电刷分割的每一并联支路中都包含有相反极下的图4-1-2直流电动机的原理图36线圈，因而有方向相反的电动势，故总的电动势小于最大电动势；同时被电刷短路的线圈也不处在几何中性面上，线圈中有切割电动势，因而有通过电刷的短路环流，当线圈脱离电刷短路时将产生断路火花。根据上述获得支路最大电动势的原则以确定实际电刷的正确位置，在原理上等效于将电刷放在磁场几何中性线上，直接与电枢绕组导体接触而将电枢绕组分成两条并联支路，如图4-1-4（a）所示。这样看起来比较简便直观，因此也常把调整电刷的正确位置简单说成把电刷调到几何中性线上。若电刷位置不正确，将产生去磁性(图b)或增磁性(图c)电枢反应，使E减小或增大，从而影响发电机的电压和电动机的转速。为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间都有正确装配的“标记”。在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记”加以校正和固定。电机有载运行时，各电枢线圈不断地从一条支路经电刷短路进入另一条支路。在被电刷短路期间线圈中的电流也要反向，这种电流反向的变化过程称为换向。当电流从+I变化到-I的过程中，在换向线圈中必然引起感应电动势以反抗电流的变化，这种电动势是引起火花的原因之一。特别是当电枢电流过大时，由于磁路的饱和，换向极磁通的作用不能完全抵消引起火花的电动势，从而使火花变大，严重时甚至形成环弧而烧损换向器。第二节直流电机的构造直流电机是由定子和转子两大部分组成；定子是由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成。转子是由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图4-2-1为直流电机的解体图。一、定子主要部件1．主磁极：主极铁心由薄钢板冲片叠成，其上套有励磁绕组，并用螺栓固定在机座上。励磁绕组中通入直流励磁电流产生主磁场。2．换向极：其铁心一般是由整块钢制成的，尺寸比主极小，也用螺钉固定在机座上；在定子机座圆周上的安装位置与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，以减少因电磁原因而引起的电刷下的火花。换向极绕组与电枢电路串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢反应磁场方向相反。它不仅用来抵消电枢反应磁场，而且使处图4-1-4电刷位置与电枢反应图4-1-3直流电机绕组示意图37于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。3．机座：是直流电机的固定支撑和防护的部件，又是磁路的一部分。有磁通经过的部分称为磁轭。机座通常是由铸钢制成或由钢板卷焊而成。4．电刷装置：主要有刷架、刷杆、刷握、炭刷及压紧弹簧等组成。中小型电机刷架装在端盖，或轴承内盖上，大中型电机刷杆座固定在机座上。电刷装置将装在刷架的刷杆上。为减少由机械原因而引起的电火花，炭刷插在刷握中应既能上下自由移动又不晃动，而且随着炭刷的磨短应及时调整压紧弹簧，以保持与换向器适当的接触压力。对于多对磁极多对电刷的直流电机，正、负电刷分别并联在一起，然后只引出两个接线端。二、转子主要部件1．电枢铁心：由硅钢片叠成，固定在转子支架或转轴上。铁心圆周上均匀分布的槽内嵌放电枢绕组。电枢铁心是磁路的一部分，2．电枢绕组：电枢绕组用以产生电动势和通过电流，是实现机电能量转换的重要部件。电枢绕组由绝缘铜线绕制而成，各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊接到换向器片上，形成一闭合回路。3．换向器：换向器的作用是将电枢线圈中的交流变为直流或相反。图4-2-2是换向器的外形及剖面图，它是由许多楔形铜片（换向片）叠成圆筒形，片间用云母绝缘。换向器片放置在套筒上；用压圈固定，压圈本身又用螺帽固紧。换向器装在轴上。电枢线圈的出线端就焊接在换向器片端部的升高片的小槽中。换向器是直流电机的特征，易于识别。三、直流电机的额定值在直流电机外壳的铭牌上，给出了直流电机的型号和额定运行时各物理量的数值。直流电机的额定值主要有：1．额定功率(kW)：是指额定状态下，发电机输出的电功率PN=UNIN或电动机轴上输出的机械功率PNn=UNINηN。2．额定电压(V)：端电压UN3．额定电流(A)：发电机输出的或电动机输入的额定电流IN4．额定转速(r／min)：额定状态下的转速5．励磁方式及额定励磁电流If(A)图4-2-2换向器的结构图4-2-1直流电机解体图38此外，还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。第三节直流电机的励磁方式和运行特性一、直流电机的励磁方式定子上的主磁极和转子上的电枢绕组是直流电机最基本的两个组成部分，它们之间的连接方法不同，则电机的运行特性往往有较大的差别。电刷引出的转子上的绕组称为电枢回路，流过电枢回路的电流为Ia。主磁极的励磁绕组称为励磁回路，流过励磁回路的电流为If（图4-3-1表示直流电极的励磁和电枢回路）。电源供给发电机或者发电机发出到负载的电流为I。直流电机主磁极的励磁电流有几种不同的供给方式。励磁方式不同，电机的运行特性不同，图4-3-2表示不同励磁方式时，励磁绕组和电枢绕组的连接方式（图中标出的电流方向是以发电机为例，若是电动机需将Ia和If的方向反向）。按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，可统一将直流电机分为，它励（或称他励）、并励、串励和复励4种：1．它励电机：励磁绕组电路不与电枢电路连接，励磁电流可由独立电源供给，2．并励电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流远小于电枢电流；3．串励电机：串励绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此串励绕组导线粗、匝数少、电阻极小。4．复励电机：主磁极上既有并励绕组又有串励绕组。对于发电机而言，还可以分类为他励和自励两大类。他励发电机的励磁电流是由独立的电源供给，不受发电机的电压和电流的影响，自励发电机的励磁电流是由发电机的电枢电路提供，因而励磁电流受电枢电流和电压的影响。直流电动机的励磁电流都是由外电源供给。二、直流电极的基本理论发电机是把机械能转变为电能的装置，在原动机的拖动下，首先在发电机的主磁极励磁绕组中通以励磁电流，于是在发电机的电枢两端便建立起电压。直流电机的主磁场一般均由套在主磁极上的励磁绕组产生。不同的连接方式，对电机的运行特性将产生较大的差异。直流电机空载时的磁场分布取决于磁路的情况。而当直流电机有负载时，电枢绕组中的电枢电图4-3-1直流电机各回路的表示符号图4-3-2直流电机的励磁方式39流将产生电枢磁势，电枢磁势的存在就要影响主磁场的分布和大小，这种影响称作电枢反应。直流发电机和直流电动机是直流电机的两种运行状态。在两种运行状态下，当电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢槽内的导体便切割磁通，在电枢绕组中产生感应电势。在直流发电机中，感应电势的方向和电枢电流相同；而在电动机中，感应电势的方向和电枢电流相反。根据电磁感应定律，感应电势的大小正比于每极的磁通及电枢转速。因此感应电势的计算公式可以表示为E=KeΦn(4-3-1)式中Ke是与电机结构有关的比例常数，称为电势常数同样，在直流发电机和直流电动机中，当电枢绕组中流过电流与气隙磁场作用将产生电磁转矩。根据左手定则，可以判断出，在直流电动机中，电磁力矩的方向和转向相同，是拖动转矩；而在发电机中，电磁力矩的方向和转向相反，是制动转矩。根据电磁力的产生原理，电磁转矩T正比于电枢电流Ia及每极磁通Φ。因此电磁转矩的计算公式可以表示为T=KTΦIa（4-3-2）式中KT也是与电机结构有关的常数，称为转矩常数。直流发电机将机械能转换为电能，直流电动机则将电能转换为机械能。在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗、铁芯损耗、励磁和电枢绕组的铜损耗等。当直流发电机负载时，输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损耗∑p相平衡。即P1=P2+∑p(4-3-3)当直流电动机带负载时，输入的电功率应与轴上输出的机械功率和电机内部的各种损耗相平衡。三、直流发电机的运行特性发电机由原动机拖动，一般转速是保持不变的。除转速外，由外部可测的量有三个，即：端电压、负载电流和励磁