直流电机的工作原理及特性

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励磁绕组机座换向极换向极绕组电枢绕组电枢铁心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。换向极绕组换向极铁心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0.4～200kW；转速范围600～3000r/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PN＝μUN×IN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:nKEe式中：E——感应电动势（V）；Φ——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：atIKT式中：T——电磁转矩（N·m）；Φ——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=9.55Ke3.2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。MEIaRaUfIfRfTnUIaaRIEU式中:U——外加电枢电压（V）；E——感应电势（V）；aI——电枢电流（A）；aR——电枢回路内阻（Ω）电枢回路部分励磁回路部分MEIaRaUfIfRfTnUI、nKEe∵atIKT∴aaeRInKU即：aeaeIKRKUn……转速特性TKKRKUn2teae……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。△nnn00nNTN△TT1.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：eKUn02.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：%100ΔΔddnTnT理想空载点△nnn00nNTN△TT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10%100ΔΔddnTnT△nnn00nNTN△TT二、固有机械特性直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通N)下和电枢电路内不外接任何电阻时的n=f(T)即:TKKRKUn2NteaNeN是一条直线。直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0)和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN和额定转速nN。直流电动机的固有机械特性的计算分析：（1）已知PN、UN、IN、nN,机械特性是一条直线（2）只需知道直线上两点(0,n0)、(TN,nN)（3）因此只需求出n0和TN（4）因n0＝UN/(KeΦN)，所以需求出KeΦN（5）TN＝9.55PN/nN具体计算步骤如下：(1)估算电枢电阻Ra依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗PN的50%～75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75.0~5.0()1(ΔNa2aNNNNNNNNNNNN　　　　＝　　　＝　　　＝＝输入功率－输出功率式中：NNNNIUP是额定运行条件下电动机的效率，且此时NaII故得NNNNNa)1)(75.0~5.0(IUIUPR(2)求NeK额定运行条件下的反电势为：aNNNeRIUnKEN故NaNNNenRIUK(3)求理想空载转速:NeN0KUn得00n,(4)求额定转矩:NNNNN55.9nPPT得NN,nT根据、00n,NN,nT两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线。Tfn三、人为机械特性人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。1.电枢回路中串接附加电阻时的人为特性NN,UU电压平衡方程式为：)(adaaNRRIEU得到的人为机械特性方程式为：TKKRRKUn2NteadaNeNMEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1Rad2TKKRKUn2NteaNeN把对比与TKKRRKUn2NteadaNeN特性变软空载速度不变；随着电阻的增加，转速降落增加；MEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1Rad12.改变电枢电压U时的人为特性0,adNR由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。TKKRKUn2NteaNeN把TKKRKUn2NteaNe与空载速度随着U的减小而减小；转速降落不变；特性硬度不变0Tn0nUNUNU1U2U3n01U1n02U2n03U33．改变磁通时的人为特性0,adNRUU转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；TKKRKUn2NteaNeN把TKKRKUn2teaeN与特性变软n0Tn0ФNФ1Ф2Ф3n01n02n03Tst3ФNФ1Ф2Ф3Tst2Tst1Tst由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；当磁通过分削弱后：（2）当＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近，通常称为“飞车”；当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；3．3直流他励电动机的启动特性一、启动特性电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。对直流电动机而言，在未启动之前n=0,E=0,而Ra一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：aNst/RUI这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（10～20）倍。过大的