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1、电机与拖动 课程设计 一直流电机的简介及结构 （一）直流电机简介 直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换装置。将机械能转换为直流电能的，称为直流发电机；将电能追安环为机械能的，称为直流电动机。直流电动机具有调速性能好、启动和制动转矩大、过载能力强等优点，因此广泛应用于启动和调速要求较高的机械上。例如：轧钢机、机床、电车、电器轨道牵引、挖掘机械、纺织机械等。直流发电机可以作为各种直流电源。例如直流电动机的电源、同步电机的励磁电源、以及化学工业方面用于电解电镀的抵押大电流直流电源等。在本次设计中只介绍和说明直流电动机，不介绍直流发电机。 与交流电机相比，直流电机的主要缺点是换向问题，它限制了直
2、流电机的极限容量，又使得直流电机的结构复杂，消耗较多的有色金属，维护比较麻烦，致使直流电机的应用受到一定的限制。不过，虽然如此，可是随着电子技术的发展，可控硅整流电源在生产上的应用越来越广泛，虽然使直流发电机的受到威胁，可是却会使直流电动机在应用中更为广泛。 （二）直流电机的结构 直流电机由静止的钉子和旋转的转子两大部分组成。定转子之间有一定的空隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和对电机的机械支撑，主要由主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。转子的作用是产生电枢感应电动势或电磁转矩，主要由电磁铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件组成。如下图1-2所示： 图1-1 直流电机装配结构
3、图 1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心 1 定子部分 主磁极（简称主极） 主磁极用来产生气隙磁场并且在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气息磁密。主磁极由主机铁芯和励磁线圈组成，主极铁芯和由11.5mm厚的低碳钢板冲成一定 形状，然后叠压用铆钉铆在一起，上面套上是实现绕制好的励磁线圈，整个磁极用螺钉固定在机座内表面上。 为了减小气隙中的有效磁通的磁阻，改善气隙磁密的分布，磁极分为两部分，较宽的部分成为极靴，较窄的部分称为极身，这样还可以时励磁绕组牢固的套在磁极上，如图1-2所示。小型直流电机的主磁极采用永久磁铁构成。 图1-2 主磁极
4、 换向极 换向极是用来改善直流电机的换向性能。换向极是由换向极铁芯和套在铁芯上的换向极绕组组成如图1-3所示。大容量的直流电机换向极铁芯由薄钢板组成，中小容量的直流电机换向极由整块钢构成，换向极绕组与电枢绕组串联，换向极装在相邻两个主磁极之间，用螺旋钉固定在机座上。 图1-3 换向极 机座 机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖等部件，并借助于底脚将电机固定在基础上，起机械支撑作用；另一方面它还是电机主磁路的一部分，叫定子磁轭，起导磁作用，机座一般用导磁性能较好的铸钢或厚钢片焊接而成。 电刷装置 电刷装置是固定的电刷与旋转的换向器保持滑动接触，将电枢电路和外电路相接通， 使电流经电刷输入电枢或
5、从电枢输出。它由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在电刷盒里，用弹簧压在换向器外表面上，同时用铜丝辫将电流自电刷引向刷握。如图1-4所示，刷握在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，并且使二者之间具有良好的绝缘性。刷杆数目通常与主磁极极数相同。各电刷杆在换向器外面上沿周围方向均匀分布。 1，刷盒2，电刷3，压紧弹簧4，铜丝辫 图1-4 电刷装置 2 转子部分 电枢铁芯 电枢铁芯的作用是用来嵌放电枢绕组和通过主磁通。当电枢旋转时，铁芯中的磁通方向会发生变化，会在铁芯中引起涡流和磁滞损耗。为了减少这部分损耗，铁芯通常用0.5mm 厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成。每张冲片冲有嵌放绕组的槽和一些轴向通
6、风孔，叠压好的电枢铁芯安装在转轴上如图1-5所示。 1，换向器2，电枢铁芯3，电枢元件4，电枢轴 图1-5 电枢的组成图 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流，实现几点能量转换。电枢绕组是用包 有绝缘皮的导线绕制成的一个个电枢线圈嵌放在电枢铁芯槽内，线圈与铁芯之间已经上下层线圈之间要绝缘。每个元件的两个出线端都与换向器的换向片相连，连接时都按照一定规律构成电枢绕组。 换向器 换向器的作用是将电枢线圈中的交流变换为电刷间的直流或者将电刷间的直流逆变为电枢线圈中的交流。换向器的结构有很多种，如图1-6所示，主要由许多换向片组成，相邻两个换向片之间用云母绝缘。为节省铜材，换向器有升高片
7、，线圈出线端接在升高片的小槽中，换向片数目与线圈元件数相同。 1，换向片2，垫圈3，绝缘层4，套筒5，螺帽 图1-6 换向器 二直流电动机的分类 直流电动机根据励磁方式的不同，可以将其分为自励电动机和他励电动机两类。（一）他励直流电动机 他励直流电动机的励磁电流由其他直流电源单独供给，与电枢绕组无任何关系。接线图如图2-1（a）所示，图中M表示电动机。同时永磁直流电动机也可以看为他励直流电动机。 （二）自励直流电动机 自励直流电动机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系，又分 为并励、串励和复励三种。 1 并励直流电动机 并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组回路并联。对并励发电机
8、俩说，是电机本身发出来的端电压供给励磁电流；对并励电动机来说励磁绕组与电枢绕组回路公用同一个电源，与他励电动机没有本质区别。接线图如图2-1（b）所示。 2 串励直流电动机 串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组回路串联，流过励磁绕组的电流即是电枢电流。接线图如图2-1（c）所示。 3 复励直流电动机 复励直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组回路并联，称为并励绕组；一个与电枢绕组串联，称为串联绕组。复励有两种接线方式：一种是并励绕组与电枢绕组回路先并联后再与串励绕组相串联，接线图如图2-1（d）所示；另一种是串励绕组与电枢绕组回路串联后再与并励绕组并联。 三他励直流电动机的工作原理
9、 无论是他励还是自励，直流电动机的工作原理都相同。其工作原理图如下： 图3-1 直流电动机工作原理图 如上图所示为最简单的直流电动机的原理图。其换向器是由二片互相绝缘的半圆铜环（换向片）构成的，每一换向片都与相应的电枢绕组连接，与电枢绕组同轴旋转，并与电刷A、B相接触。若电刷A是正电位，B是负电位，那么在N极范围内的转子绕组ab中的电流从a流向b，在S极范围内的转子绕组cd中的电流从c流向d。转子载流导体在磁埸中要受到电磁力的作用，根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，如图中ab边受力方向是向左，而cd则向右。由于磁场是对称的，导体中流过的又是相同 的电流，所以ab 边和cd
10、 边所受的电磁力的大小相等。这样转子线圈上受到的电磁力 f 的作用而按逆时针方向旋转。当线圈转到磁极的中性面时，线圈中的电流为零。因此，电磁力也等于零。但由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半圈之后，虽然ab 与cd 的位置调换了，ab 转到S 极范围内，cd 转到N 极范围内，但是由于电刷和换向片的作用，转到N 极下的cd 边中的电流方向也变了，是从d 流向c ，在S 极下的ab 边中的电流，则从b 流向a 。因此，电磁力f 的方向仍然不变，转子线圈仍按逆时针方向转动。可见，分别在N ，S 极范围内的导体中的电流方向总是不变的。因此，线圈二边受力方向也不变。这样，线圈就可以按受力方向不停地
11、旋转。这就是直流电动机的工作原理，简单来说就是一句话：电流产生磁场，带电导体在磁场中受力。 四 他励直流电动机的机械特性和人为特性 （一）他励直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。 1 他励直流电动机机械特性方程式 机械特性方程式为： 2 a a E E T U R n T C C C = - 还可以写成 n=n0T=n0n 2 机械特性曲线 由直流电动机的机械特性方程式可以作图画出他励直流电动机的机械特性曲线如下图4-1 ： 图 4-1 他励直流电动机的机械特性曲线 3 固有机械特性 当他励直流电动机的电源电压、磁通
12、为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa 时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为 2aN aN E N E T N U R n T C C C = - 由于电枢绕组的电阻aN R 阻值很小，而N 值大，因此n 很小，固有机械特性为硬特性。 (二)他励直流电动机的人为特性 他励直流电动机的人为机械特性：人为地改变电动机气隙磁通、电源电压U 和电枢回路串联电阻Rpa 等参数，获得的机械特性。 1 改变Ra 时的他励直流电动机人为机械特性 改变Ra 时，直流电动机的机械特性发生改变，首先其特性方程变为： 2 a pa a E E T R R U n T C C C += - 从而可以得到：1）理想空
13、载转速0n 保持不变； 2）机械特性的斜率随Rpa 的增大而增大，特性曲线变软。 从而可以画出得到改变电阻Ra 时的人为特性曲线，如图4-2所示，从图中可以看出改变电阻Rpa 大小，可以使电动机的转速发生变化，因此电枢回路串电阻可用于调速。 图 4-2 在电枢电路中串联Rpa 所得到的人为特性曲线 2 改变电源电压时的人为机械特性 改变电源电压时的人为机械特性方程为 其特点为： 1）理想空载转速n0正比于电压U ，U 下降时，n0成正比例减小； 2）特性曲线斜率p 不变。 根据人为特性方程可以作图得到人为特性曲线，如图4-3所示，调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。 因此，降低电
14、源电压也可用于调速，U 越低，转速越低。 图4-3 降低电源电压时的人为特性曲线 图4-4 改变励磁磁通时的人为特性曲线 3 改变励磁磁通时的人为机械特性 改变励磁磁通时的人为机械特性方程式为 2 a a E E T U R n T C C C = - 从而由特性方程可以得到其特点是： 1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通，0n 升高； 2）斜率与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。 由特性方程可以作图画出其人为特性曲线，如图4-4所示，为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着减弱，0n 升高，曲线斜率变大。若用于调速，则越小，转速越高。 五 他励直流电动机串电阻启动工作原理 直流电动机的起
15、动与别的电动机的起动不同，他励直流电动机不允许直接起动。因为他励直流电动机电枢电阻Ra 阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的1020倍，起动转矩也很大。过大的起动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。而过大的起动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。所以全压起动只限于容量很小的直流电动机。考虑多方面可以得出可以采用电枢串联电阻启动这种方式。 在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的
16、级数要求也不尽相同。下面仅以直流他励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。 1 启动过程分析 如图5-1(a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U 。触点KM1、KM2均断开,电枢串入了全部附加电阻RK1+RK2 ,电枢回路总电阻为112a a K K R R R R =+，这时启动电流为 112 1K K a a U U I R R R R = =+ 与起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图5-1(b)中的曲线1 所示。 (a) 电路图 (b) 特性图 图5-1 直流他励电动机分二级起动的电路和特性 根据电力拖动系统的基本运动方程式 L d T
17、T J dt ? -= 式中 T 电动机的电磁转矩； TL 由负载作用所产生的阻转矩； J 电动机的转动惯量； 由于起动转矩T1大于负载转矩TL ，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。在图5-1(b)上，由a 点沿曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b 点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻RK1。b 点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。切除1R 后，电枢回路总电阻为Ra2=Ra+R2。这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性，见图5-1(b)中
18、曲线2。在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为b n ，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。适当地选择所切除的电阻值1R ，使切除1R 后的电枢电流刚好 等于1I ，所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c 点。又有T1T2，电动机在加速转矩作用下，由c 点沿曲线2上升到d 点。控制点KM2闭合，又切除一切起动电阻2R 。同理，由d 点过度到e 点，而且e 点正好在固有机械特性上。电枢电流又由I2突增到1I ，相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1 TL ，沿固有特性加速到g 点T=TL ，g n n =电动机稳定运行， 起动过程结束。 在分级起动过
19、程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T2)及切换电流2I (或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。 要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。 2 起动电阻的计算 在图4(b)中，对a 点，有11a U I R = 即 a11 = U R I 当从曲线1(对应于电枢电路总电阻112a a R R R R =+)转换得到曲线2(对应于总电阻Ra2=Ra+2R )时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻1K R 进行很快，如忽略电感的影响，可假定b c n n =即电动势b c E E =，这样在点有2
20、1 b a U U I R -= 在c 点 12 c a U U I R -= 两式相除，考虑到b c E E =，得 11 22a a I R I R = 同样，当从d 点转换到e 点时，得 2 12a a I R I R = 这样，如图4所示的二级起动时，得 112 22a a a a R I R I R R = 推广到m 级起动的一般情况，得11(1)2 223a a m a am a a am a R R R I R I R R R R -=?= 式中为最大起动电流1I 与切换电流2I 之比，称为起动电流比(或起动转矩比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。 由此可以推出 1 a m
21、a R R = 式中m 为起动级数。由上式得 1 a m a R R = 如给定 ,求m,可将式 1 a m a R R =取对数得 1a lg m=lg a R R ? ? ? 由式11(1)2 223a a m a am a a am a R R R I R I R R R R -= =?= 可得每级电枢回路总电阻进而求出各级启动电阻为： 112a a R R R =- 223R a a R R =- 334R a a R R =- 11m m m R R R -=- m am a R R R =- 起动最大电流1I 及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般 1a 1.52.0N I I =（） 2aN (1.11.2)I I = 六 他励直流电动机串电阻启动的电阻阻值确定 根据设计任务书，我的电机启动设计如下： 1 选择启动电流1I 和切换电流2I 1I =(1.52.0)aN I =(1.52.0)497A =(745.5994)A