直流电动机及其应用.ppt
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1、第五章第五章 直流电动机及其应用直流电动机及其应用5.1 5.1 直流电动机的结构和工作原理直流电动机的结构和工作原理5.2 5.2 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式5.3 5.3 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速5.4 5.4 无刷直流电机无刷直流电机5.55.5车用直流起动机车用直流起动机5.6 5.6 典型汽车电动机控制电路典型汽车电动机控制电路5.1 5.1 直流电动机的结构和工作原理直流电动机的结构和工作原理5.1.1 直流电动机的结构直流电动机的结构5.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理5.1.3 直流电动机的反电动势和电磁直流电动机的
2、反电动势和电磁转矩转矩5.1.4 直流电动机的转矩平衡直流电动机的转矩平衡5.1.5 直流电动机的铭牌直流电动机的铭牌 直直流流电电动动机机主主要要由由定定子子(固固定定部部分分)和和电枢(旋转部分)两大部分组成。电枢(旋转部分)两大部分组成。图图5-15-1所示为直流电动机的结构图。所示为直流电动机的结构图。5.1.1 直流电动机的结构直流电动机的结构图图图图5-1 5-1 直流直流直流直流电动电动电动电动机的机的机的机的结结结结构构构构图图图图 定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。盖、电刷装置等部件组成。(1 1)主磁极)主磁极
3、主磁极的作用是产生主磁场。主磁极的作用是产生主磁场。1 1定子定子图图图图5-2 5-2 主磁极主磁极主磁极主磁极结结结结构构构构图图图图 (2 2)换向磁极)换向磁极 在相在相邻邻的主磁极之的主磁极之间间装有装有换换向磁极,它向磁极,它也是由也是由铁铁芯和芯和绕组绕组构成。构成。其作用是消除或减小其作用是消除或减小换换向向时时的火花,保的火花,保护换护换向器,使向器,使电动电动机可靠安全的运行。机可靠安全的运行。(3 3)机座)机座 图图图图5-3 5-3 机座机座机座机座结结结结构构构构图图图图(4 4)电刷装置)电刷装置 电刷装置一般由电刷、刷握、引线、电刷电刷装置一般由电刷、刷握、引线
4、、电刷弹簧等构成。弹簧等构成。直流电动机的转子是电动机实现能量转换直流电动机的转子是电动机实现能量转换的枢纽,所以常称之为电枢。的枢纽,所以常称之为电枢。电枢部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向电枢部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。器、转轴、轴承、风扇等。2 2电枢电枢(1 1)电枢铁芯)电枢铁芯 (2 2)电枢绕组)电枢绕组图图图图5-4 5-4 小型直流小型直流小型直流小型直流电动电动电动电动机机机机电电电电枢冲片和枢冲片和枢冲片和枢冲片和电电电电枢枢枢枢铁铁铁铁芯示意芯示意芯示意芯示意图图图图(3 3)换向器)换向器图图图图5-5 5-5 换换换换向器向器向器向器结结结
5、结构示意构示意构示意构示意图图图图 流流电电动动机机也也是是由由磁磁路路和和电电路路两两个个基基本本部部分分组成的。组成的。它它的的工工作作原原理理仍仍以以电电磁磁力力定定律律和和电电磁磁感感应应定律为基础。定律为基础。5.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理图图图图5-6 5-6 直流直流直流直流电动电动电动电动机的工作原理机的工作原理机的工作原理机的工作原理图图图图E Ea aK Ke en n (5-15-1)式式中中,K Ke e电电动动势势常常数数,由由电电动动机机本本身的身的结结构所决定。构所决定。直流直流电动电动机运机运转时转时,电电枢中的枢中的电电流流为为(5-25
6、-2)式中,式中,U U外加外加电压电压;R Ra a电电枢枢绕组绕组的的电电阻。阻。5.1.3 直流电动机的反电动势和电磁转矩直流电动机的反电动势和电磁转矩 于是得于是得U U=E Ea a+R Ra aI Ia a(5-35-3)这这是是直直流流电电动动机机的的电电压压平平衡衡方方程程式式,显显然然E Ea aU U。上上式式两两边边乘乘以以电电流流(I Ia a),即即得得功功率平衡方程:率平衡方程:UIUIa a=E=Ea aI Ia a+R+Ra aI Ia a2 2(5-45-4)式式中中,E Ea aI Ia a电电磁磁功功率率,它它转转化化为为电电动动机机的的机机械械功功率率,
7、如如果果不不计计摩摩擦擦损损耗耗,它它也也就就是是电动电动机的机的输输出功率;出功率;R Ra aI Ia a2 2电电枢枢绕组绕组的的铜铜耗;耗;UI UIa a电电源供源供给给的的电电功率(不功率(不计铁计铁耗)。耗)。直直流流电电动动机机的的电电磁磁转转矩矩(T T)与与每每极极磁磁通通()和)和电电枢枢电电流(流(I Ia a)成正比:)成正比:TT=K KT TIIa a (5-55-5)式式中中,KTKT转转矩矩常常数数,取取决决于于电电动动机机的的结结构。构。直流电动机的稳定运行状况取决于负载直流电动机的稳定运行状况取决于负载的大小;当负载发生变化时,电动机的转速、的大小;当负载
8、发生变化时,电动机的转速、电流、转矩都将自动地作相应的变化来达到电流、转矩都将自动地作相应的变化来达到新的平衡。新的平衡。转速公式可由式(转速公式可由式(5-15-1)和式()和式(5-35-3)得)得出出(5-65-6)5.1.4 直流电动机的转矩平衡直流电动机的转矩平衡 直流电动机的铭牌上标明其型号、额定直流电动机的铭牌上标明其型号、额定数据和励磁方式等。数据和励磁方式等。型号主要说明产品代号和规格代号。型号主要说明产品代号和规格代号。例如,型号为例如,型号为Z-132L-THZ-132L-TH的直流电动机,的直流电动机,说明此直流电动机是中心高为说明此直流电动机是中心高为132mm132
9、mm,长机座,长机座,适用于湿热带地区使用的普通直流电动机。适用于湿热带地区使用的普通直流电动机。5.1.5 直流电动机的铭牌直流电动机的铭牌 直直流流电电动动机机在在标标准准环环境境温温度度下下,带带额额定定负负载载、按按规规定定励励磁磁方方式式励励磁磁且且使使励励磁磁电电流流为为额额定定值值、电电枢枢绕绕组组加加额额定定电电压压时时的的运运行行方方式式,称为额定运行。称为额定运行。额定数据主要有如下几个。额定数据主要有如下几个。额额定定电压电压(U UN N)指直流)指直流电动电动机机额额定运行定运行时时,电电枢枢绕组绕组外接外接电电源的源的电压电压,也是,也是电动电动机安全工机安全工作的
10、最高作的最高电压电压。1 1额定电压额定电压 额额定定电电流(流(I IN N)指直流)指直流电动电动机机额额定运行定运行时时,电电枢枢绕组绕组流流过过的直流的直流电电流,也是流,也是电动电动机按机按规规定定长长期期额额定运行定运行时电时电枢枢绕组绕组可以通可以通过过的最大的最大电电流。流。2 2额定电流额定电流 额额定定功功率率(P PN N)指指电电动动机机额额定定运运行行时时,轴轴上上输输出的机械功率。即出的机械功率。即P PNN=U UN NI IN N N N (5-75-7)式中,式中,N N额额定效率。定效率。3 3额定功率额定功率 额额定定转转速(速(n nN N)指)指电动电
11、动机机额额定运行定运行时时的的转转速。速。根据根据铭铭牌上一些物理量的牌上一些物理量的额额定定值值,可以,可以计计算另一些物理量的算另一些物理量的额额定定值值,则额则额定定转转矩矩为为(5-85-8)4 4额定转速额定转速 励励磁磁方方式式是是指指励励磁磁绕绕组组的的供供电电方方式式,励励磁磁方式与电动机的性能有密切关系。方式与电动机的性能有密切关系。直直流流电电动动机机有有他他励励、并并励励、串串励励和和复复励励种励磁方式。种励磁方式。5 5励磁方式励磁方式5.2 5.2 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式5.2.1 他励直流电动机他励直流电动机5.2.2 并励直流电动机并励直流电动机
12、5.2.3 串励直流电动机串励直流电动机5.2.4 复励直流电动机复励直流电动机 励磁电流为励磁电流为式中,式中,U Uf f励磁电压;励磁电压;R Rf f励磁电阻(包括励磁绕组电励磁电阻(包括励磁绕组电阻和励磁调节电阻)。阻和励磁调节电阻)。为了能用较小的电流产生足够的磁场,为了能用较小的电流产生足够的磁场,励磁绕组匝数很多,导线截面很细,所以励磁绕组匝数很多,导线截面很细,所以R Rf f比较大,一般的关系是比较大,一般的关系是R Rf fR Ra a。5.2.1 他励直流电动机他励直流电动机图图图图5-7 5-7 他励直流他励直流他励直流他励直流电动电动电动电动机的等效机的等效机的等效
13、机的等效电电电电路路路路图图图图 并励直流电动机的励磁绕组与其电枢电并励直流电动机的励磁绕组与其电枢电路并联后,共同由一个直流电源供电,其等路并联后,共同由一个直流电源供电,其等效电路如图效电路如图5-85-8所示,这时电源输出的电流等所示,这时电源输出的电流等于电枢电流与励磁电流之和,即于电枢电流与励磁电流之和,即I I=I Ia a+I If f (5-95-9)5.2.2 并励直流电动并励直流电动图图图图5-8 5-8 并励直流并励直流并励直流并励直流电动电动电动电动机的等效机的等效机的等效机的等效电电电电路路路路图图图图图图图图5-9 5-9 并励直流并励直流并励直流并励直流电动电动电
14、动电动机的机械特性曲机的机械特性曲机的机械特性曲机的机械特性曲线线线线 串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联后,由一个电源供电,其等效电路如图串联后,由一个电源供电,其等效电路如图5-105-10所示。所示。可见串励直流电动机的励磁电流就是电可见串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流,其数值为枢电流,其数值为(5-115-11)5.2.3 串励直流电动机串励直流电动机图图图图5-10 5-10 串励直流串励直流串励直流串励直流电动电动电动电动机的等效机的等效机的等效机的等效电电电电路路路路图图图图 复励直流电动机的主磁极上装有两个励复励直流电动机的主磁极上装有
15、两个励磁绕组。磁绕组。一个励磁绕组与电枢电路并联,称为并一个励磁绕组与电枢电路并联,称为并励绕组;另一个励磁绕组与电动机电枢串联,励绕组;另一个励磁绕组与电动机电枢串联,称为串励绕组;两绕组共同由一个直流电源称为串励绕组;两绕组共同由一个直流电源供电。供电。5.2.4 复励直流电动机复励直流电动机图图图图5-12 5-12 复励直流复励直流复励直流复励直流电动电动电动电动机的等效机的等效机的等效机的等效电电电电路路路路图图图图5.3 5.3 直流电动机的启动、反转和调速直流电动机的启动、反转和调速5.3.1 启动启动5.3.2 反转反转5.3.3 调速调速 电动机在启动的瞬间转速电动机在启动的
16、瞬间转速n=0n=0,所以此时,所以此时E Ea=0a=0,此时电枢电流称为启动电流(,此时电枢电流称为启动电流(I Istst),),根据式(根据式(5-25-2)可知)可知(5-165-16)根据式(根据式(5-165-16)可知为了减小启动电流,)可知为了减小启动电流,对于容量稍大的直流电动机,启动时可降低对于容量稍大的直流电动机,启动时可降低加在电枢绕组上的电压,或在电枢电路中串加在电枢绕组上的电压,或在电枢电路中串联启动变阻器。联启动变阻器。5.3.1 启动启动 降压启动的方法只适用于他励直流电动机。降压启动的方法只适用于他励直流电动机。这种方法要求有一个电压可变的直流电源(如这种方
17、法要求有一个电压可变的直流电源(如可控硅电源)专供电枢使用。可控硅电源)专供电枢使用。启动时,降低电枢电压,待启动后,随着启动时,降低电枢电压,待启动后,随着转速的升高逐步升高电枢电压,直到转速达到转速的升高逐步升高电枢电压,直到转速达到额定值。额定值。1 1降压启动降压启动2 2串联启动变阻器串联启动变阻器图图图图5-13 5-13 并励直流并励直流并励直流并励直流电动电动电动电动机串机串机串机串变变变变阻器启阻器启阻器启阻器启动动动动原理原理原理原理电电电电路路路路 改变电动机的旋转方向叫反转。改变电动机的旋转方向叫反转。改改变变电电动动机机的的旋旋转转方方向向就就是是改改变变电电动动机机
18、电电磁转矩方向。磁转矩方向。电电磁磁转转矩矩的的方方向向是是由由主主磁磁通通方方向向和和电电枢枢电流的方向共同决定的。电流的方向共同决定的。因因此此,改改变变电电枢枢电电流流或或主主磁磁通通的的方方向向都都能使电磁转矩方向改变。能使电磁转矩方向改变。实实现现电电动动机机反反转转的的具具体体方方法法有有改改变变电电枢枢电压极性和改变励磁电压极性。电压极性和改变励磁电压极性。5.3.2 反转反转1 1改变电枢电压极性改变电枢电压极性图图图图5-14 5-14 并励直流并励直流并励直流并励直流电动电动电动电动机改机改机改机改变电变电变电变电枢枢枢枢电压电压电压电压极性极性极性极性电电电电路路路路图图
19、图图图图图图5-1 5-1 分分分分时时时时四四四四轮驱动轮驱动轮驱动轮驱动系系系系统统统统的的的的组组组组成成成成 将励磁绕组两极接线调换,即可改变励磁将励磁绕组两极接线调换,即可改变励磁电压的极性,使励磁电流方向改变,从而使主电压的极性,使励磁电流方向改变,从而使主磁通的方向改变。磁通的方向改变。这种实现反转的方法在实际中一般很少采这种实现反转的方法在实际中一般很少采用。用。因为改接励磁绕组接线时,励磁电流有可因为改接励磁绕组接线时,励磁电流有可能出现中断,从而引起能出现中断,从而引起“飞车飞车”事故。事故。2 2改变励磁电压极性改变励磁电压极性 由由直直流流电电动动机机的的机机械械特特性
20、性方方程程式式(5-195-19)可可知知,当当转转矩矩(T T)不不变变(负负载载不不变变)时时,影影响响电电动动机机转转速速高高低低的的主主要要是是电电枢枢回回路路电电阻阻(R Ra a)、主主磁磁通通()、电电源源电电压压(U U)3 3个个因素。因素。因此因此电动电动机的机的转转速可由下述速可由下述3 3种方法种方法调节调节。5.3.3 调速调速1 1改变电枢电路的电阻调速改变电枢电路的电阻调速 图图图图5-15 5-15 电电电电枢枢枢枢电电电电路串路串路串路串联电联电联电联电阻阻阻阻调调调调速原理速原理速原理速原理图图图图 图图图图5-16 5-16 调调调调速物理速物理速物理速物
21、理过过过过程程程程图图图图 这这种种调调速方法的特点如下。速方法的特点如下。只只能能在在额额定定转转速速(n nN N)以以下下进进行行调调节节,简简称下称下调调。由由于于流流过过调调速速电电阻阻(R Re e)上上的的电电流流为为电电枢枢电电流流,其其数数值值较较大大,故故R Re e上上的的能能量量损损耗耗大,不大,不经济经济。使使电电动动机机的的机机械械特特性性变变软软。当当负负载载变变动动时时,电电动动机机的的速速度度变变化化较较大大,这这对对于于要要求求稳稳速的速的负载负载来来说说是不利的。是不利的。电电枢枢电电流流不不受受影影响响,数数值值保保持持不不变变,故故这这种种调调速叫作恒
22、速叫作恒转转矩矩调调速。速。调调控方法控方法简单简单,容易,容易实现实现。2 2改变励磁电流调速改变励磁电流调速图图图图5-17 5-17 励磁励磁励磁励磁电电电电路串路串路串路串联电联电联电联电阻阻阻阻调调调调速原理速原理速原理速原理图图图图图图图图5-18 5-18 调调调调速物理速物理速物理速物理过过过过程程程程图图图图 这这种种调调速方法的特点如下。速方法的特点如下。调调速平滑,可做到无速平滑,可做到无级调级调速。速。流流经经调调速速电电阻阻(R Re e)的的励励磁磁电电流流较较小小,故功率故功率损损耗小,比耗小,比较经济较经济。调调速速后后机机械械特特性性变变软软,运运行行的的稳稳
23、定定性性差。差。调调速范速范围围比比较较小。小。只只能能在在额额定定转转速速(n nN N)以以上上调调速速,简简称上称上调调,也称,也称为为弱磁弱磁调调速。速。直流直流电动电动机常由机常由单单独的可独的可调调整流装置供整流装置供电电。目目前前用用得得最最多多的的可可调调直直流流电电源源是是晶晶闸闸管管整整流(流(SCRSCR)装置。)装置。调调节节电电源源电电压压就就可可均均匀匀调调速速。因因为为加加在在电电枢枢上上的的电电压压不不能能超超过过额额定定值值(U UN N),所所以以这这种种调调速速方方法法只只能能在在额额定定转转速速(n nN N)以以下下作作均均匀匀调调速。速。这这种种调调
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- 直流电动机 及其 应用
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