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项目一
直流电机的应用与维护
目 录
CONTENTS
任务一 认识直流电机
任务二 直流电动机的调速
任务三 直流电动机的起动、反转和制动
任务四 直流电动机的使用、维护与检修
任务一 认识直流电机
任务分析
直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械,按照用途可以分为直流 电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机,如图1-1 所示;将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机,如图1-2所示。直流电机是工矿、 交通、建筑等行业中的常见动力机械,是机电行业人员的重要工作对象之一。电气控制技术 人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点,掌握主要参数的分析计算,并能正确 熟练地使用直流电机。
任务目标
了解直流电机的特点、用途和分类;熟悉直流电机的基本工作原理;
认识直流电机的外形和内部结构,熟悉各部件的作用;
了解直流电机铭牌中型号和额定值的含义,掌握额定值的简单计算;
会进行直流电动机的检测、接线和简单操作。
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一、直流电机的特点和用途
1.直流电机的特点
直流电机与交流电机相比,具有优良的调速性能和起动性能。直流电动机具有宽广的 调速范围,平滑的无级调速特性,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;过载能力强,能 承受频繁的冲击负载;能满足自动化生产系统的各种特殊运行要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源,且输出电压可以精确地调节和控制。 但直流电机也有它明显的缺点:一是制造工艺复杂,消耗有色金属较多,生产成本高;二 是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花,因而可靠性较差,维护比较困难。所以其在 一些对调速性能要求不高的领域中已被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范 围大、调速性好、精密度高、控制性能优异的场合,直流电机的应用目前仍占有较大的比重。
2.直流电机的用途
由于具有良好的起动和调速性能,直流电动机常应用于对起动和调速有较高要求的场合,如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、地铁列车、城市电车、电动自行车、造纸机、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等,如图1-3所示。
直流发电机主要用作各种直流电源,如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源、直流电焊机电源等,如图1-4所示。
二、直流电机的基本结构
直流电机由两个主要部分组成:一是静止部分,称为定子,主要用来产生磁通;二是转动部分,称为转子(通称电枢),是机械能变换为电能(发电机)或电能变换为机械能(电动机)的枢纽。在定子与转子之间有一定的间隙,称为气隙。图1-5所示为直流电机的主要部件,图1-6所示为直流电机的剖面图。下面简要介绍直流电机主要部件的结构及其作用。
1.定子部分
1)主磁极
主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组中通入直流电流后,铁心中即产生励磁磁通,并在气隙中建立励磁磁场。励磁绕组通常用圆形或矩形绝缘导线制成一个集中的线圈,套在磁极铁心外面。磁极铁心一般用1~1.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成,主磁极铁心柱体部分称为极身,靠近气隙一端较宽的部分称为极靴,极身与极靴交界处形成一个突出的肩部,用以支撑住励磁绕组。整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极总是 N、S两极成对出现。用p表示电机的极对数,图1-6中的极对数p=2,即有2对主磁极,此电机常称为4极电机。
2)换向极
换向极由铁心和换向极绕组组成,当换向极绕组通过直流电流后,它所产生的磁场对电枢磁场产生影响,目的是改善换向,使电刷与换向片之间的火花减小。换向极绕组总是与电枢绕组串联,它的匝数少、导线粗。换向极铁心通常用厚钢板叠制而成,用螺杆安装在相邻两主磁极之间的机座上。直流电机功率很小时,换向极数可以减少为主磁极数的一半,甚至不装换向极。
3)电刷装置
在直流电机中,为了使电枢绕组和外电路连接起来,必须装设固定的电刷装置。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座组成。电刷是用石墨等做成的导电块,放在刷握内,用弹簧压指将它压触在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上,用铜绞线将电刷和刷杆连接,刷杆装在刷杆座上,彼此绝缘,刷杆座装在端盖上。
4)机座
机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖等,所以要求它有一定的机械强度;另一方面作为电机磁路的一部分(称为磁轭),因此,又要求它有较好的导磁性能。机座一般用铸钢或钢板焊接制成。
2.转子部分
1)电枢铁心
电枢铁心是主磁路的一部分,同时要安放电枢绕组。由于电机运行时,电枢与气隙磁场 间有相对运动,铁心中也会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗。为了减少损耗,电枢铁 心通常用厚度为0.5mm、表面涂绝缘层的圆形硅钢冲片叠压而成。冲片圆周外缘均匀地冲 有许多齿和槽,槽内可安放电枢绕组,有的冲片上还冲有许多圆孔,以形成改善散热的轴向 通风孔。
2)电枢绕组
电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩,实现机电能量转换。绕组通常用漆包线绕制而成,嵌入槽内后,用槽楔压紧;线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。
3)换向器
换向器的作用是与电刷一起将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流,或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔绝缘云母片排列而成的圆柱体,每片换向片的一端有高出的部分,上面铣有线槽,供电枢绕组引出端焊接用。
3.气隙
气隙是电机磁路的重要部分。它的路径虽然很短,但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻(一般小型电机的气隙为0.7~5mm,大型电机为5~10mm),对电机性能有很大的影响。(共18张PPT)
项目一
直流电机的应用与维护
目 录
CONTENTS
任务一 认识直流电机
任务二 直流电动机的调速
任务三 直流电动机的起动、反转和制动
任务四 直流电动机的使用、维护与检修
任务一 认识直流电机
任务分析
直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械,按照用途可以分为直流 电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机,如图1-1 所示;将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机,如图1-2所示。直流电机是工矿、 交通、建筑等行业中的常见动力机械,是机电行业人员的重要工作对象之一。电气控制技术 人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点,掌握主要参数的分析计算,并能正确 熟练地使用直流电机。
任务目标
了解直流电机的特点、用途和分类;熟悉直流电机的基本工作原理;
认识直流电机的外形和内部结构,熟悉各部件的作用;
了解直流电机铭牌中型号和额定值的含义,掌握额定值的简单计算;
会进行直流电动机的检测、接线和简单操作。
三、直流电机的工作原理
1.直流发电机的工作原理
如图1-7所示,N、S是一对在空间固定不动的磁极(可以是永久磁铁,也可以是电磁铁),abcd是安装在可以转动的圆柱体上的一个线圈,线圈两端分别接到两个相互绝缘的半圆形铜环(称为换向片)上,换向片分别与固定不动的电刷(A和B)相接。这样,旋转着的线圈可以通过换向片、电刷与外电路接通。
当原动机带着电枢沿逆时针方向旋转时,线圈两个有效边ab和cd 将切割磁力线而产生感应电动势,方向按右手定则确定。如图1-7所示,导体ab中的电动势方向由b指向a,导体cd中的电动势则由d 指向c,从整个线圈来看,电动势的方向为d指向a,故外电路中的电流自换向片1流至电刷 A,经过负载,流至电刷B和换向片2,进入线圈。此时,电流流出处的电刷 A为正电位,用“+”表示,电流流入线圈处的电刷B则为负电位,用“-”表示,即电刷 A为正极,电刷B为负极。
当线圈转过90°时,两个线圈的有效边ab、cd位于磁场物理中性面上,导体的运动方向与磁力线平行,不切割磁力线,因此感应电动势为零。虽然两电刷同时与两换向片相接,把线圈短路,但线圈中无电动势和电流。
当线圈转过180°时,线圈有效边中的电动势方向改变,在S极下为a→b,在 N 极下为c→d。由于此时电刷 A和电刷B所接触的换向片已经互换,因此电刷 A仍为正极,电刷B仍为负极,输出电流的方向不变。由以上分析可得出直流发电机的工作原理:当原动机带动直流发电机电枢旋转时,在电枢绕组中产生方向交变的感应电动势,通过电刷和换向器的作用,在电刷两端输出方向不变的直流电动势。
2.直流电动机的工作原理
直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同,图1-8所示是直流电动机的工作原理图。电枢不用外力驱动,把电刷 A、B接到直流电源上,假定电流从电刷 A流入线圈,沿a→b→c→d方向,从电刷B流出。载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用,其方向按左手定则确定,ab边受到向上的力,cd边
受到向下的力,形成电磁转矩,结果使电枢沿逆时针方向转动,如图1-8(a)所示。如图1-8(b)所示,当电枢转过90°时,线圈中虽无电流和力矩,但其在惯性的作用下继续旋转。
如图1-8(c)所示,当电枢转过180°时,电流仍然从电刷 A 流入线圈,沿d→c→b→a方向,从电刷B流出。与图1-8(a)比较,通过线圈的电流方向改变,但两个线圈边受电磁力的方向没有改变,即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向,必须改变电源的极性,使电流从电刷B流入,从电刷 A流出。
由以上分析可得直流电动机的工作原理:当直流电动机接入直流电源时,借助于电刷和换向器的作用,直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流,从而使电枢产生恒定方向的电磁转矩,保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转。综上所述,不论是直流发电机还是直流电动机,换向器可以使正电刷 A 始终与经过 N极下的导体相连,负电刷B始终与经过S极下的导体相连,故电刷之间的电压是直流电,而线圈内部的电流则是交变的,所以换向器是直流电机中换向的关键部件。通过换向器和电刷的作用,把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间的方向不变的直流电动势;把直流电动机电刷间的直流电流变成线圈内的交变电流,以确保电动机沿恒定方向旋转。
3.直流电机的可逆原理
比较直流发电机与直流电动机的结构和工作原理,可以发现:一台直流电机既可以作为发电机运行,也可以作为电动机运行,只是其输入输出的条件不同。如果在电刷两端加上直流电源,将电能输入电枢,则从电机轴上输出机械能,驱动生产机械工作,这时直流电机将电能转换为机械能,工作在电动机状态。如果用原动机驱动直流电机的电枢旋转,从电机轴上输入机械能,则从电刷两端可以引出直流电动势,输出直流电能,这时直流电机将机械能转换为直流电能,工作在发电机状态。同一台电机,既能做发电机运行,又能做电动机运行的原理,称为电机的可逆原理。
四、直流电机的励磁方式
直流电机在进行能量转换时,不论是将机械能转换为电能的发电机,还是将电能转换为机械能的电动机,都以气隙中的磁场作为媒介。除了采用磁铁制成主磁极的永磁式直流电机之外,直流电机都是通过在励磁绕组中通以励磁电流产生磁场的。励磁绕组获得电流的方式称为励磁方式。根据励磁支路和电枢支路的相互关系,有他励、自励(并励、串励和复励)两种励磁方式。
1.他励方式
他励方式中,电枢绕组和励磁绕组电路相互独立,电枢电压与励磁电压彼此无关,接线图如图1-9所示。
2.并励方式
并励方式中,电枢绕组和励磁绕组是并联关系,由同一电源供电,接线图如图1-10所示。
1)串励方式
串励方式中,电枢绕组与励磁绕组是串联关系,接线图如图1-11所示。
2)复励方式
复励电机的主磁极上有两部分励磁绕组,其中一部分与电枢绕组并联,另一部分与电枢绕组串联。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时,称为积复励,反之称为差复励,接线图如图1-12所示。(共30张PPT)
项目一
直流电机的应用与维护
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任务一 认识直流电机
任务二 直流电动机的调速
任务三 直流电动机的起动、反转和制动
任务四 直流电动机的使用、维护与检修
任务一 认识直流电机
任务分析
直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械,按照用途可以分为直流 电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机,如图1-1 所示;将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机,如图1-2所示。直流电机是工矿、 交通、建筑等行业中的常见动力机械,是机电行业人员的重要工作对象之一。电气控制技术 人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点,掌握主要参数的分析计算,并能正确 熟练地使用直流电机。
任务目标
了解直流电机的特点、用途和分类;熟悉直流电机的基本工作原理;
认识直流电机的外形和内部结构,熟悉各部件的作用;
了解直流电机铭牌中型号和额定值的含义,掌握额定值的简单计算;
会进行直流电动机的检测、接线和简单操作。
五、直流电机出线端子的标志
电机每个绕组的出线端子都有明确的标志,用字母标注在接线柱旁或引出导线的金属牌上。直流电机出线端标志如表1-1所示。
六、直流电机的铭牌数据与系列
每一台电机上都有一块铭牌,上面列出一些具体的数据,称为额定值。这是电机制造厂按照国家标准和该电机的特定情况规定的电机额定运行状态时的各种运行数据,也是对用户提出的使用要求。如果电机使用时处于轻载状态(即负载远小于额定值),则电机能持续正常运行,但效率低、不经济。如果电机运行超出额定值,则称为过载,将缩短电机的使用寿命甚至可能损坏。根据负载条件合理选用电机,使其运行数据接近额定值才会既经济合理,又可以使电机可靠地工作,并且具有优良的性能。表1-2是一台直流电机的铭牌。
七、直流电机的参数计算
直流电动机在电枢表面均匀分布的绕组中通入直流电流后,与电动机定子磁场相互作用产生电磁力形成电磁转矩,使其转子旋转。
1.电磁转矩
在直流电动机中,电磁转矩是由电枢电流与合成磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根据电磁力定律,作用在电枢绕组中每一根导体上的平均电磁力为
对于给定的电动机,磁感应强度B 与每极的磁通Φ 成正比;每根导体中的电流与从电刷流入的电枢电流成正比;导线长度l在电动机制成后是一个常量。所以直流电动机的电磁转矩T 的大小可表示为
式中,CT 为与电动机结构有关的常数,称为转矩系数;Φ为每极磁通,Wb;Ia 为电枢电流,A。由上式可知,直流电动机的电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。电磁转矩的方向由左手定则判定。直流电动机的电磁转矩T 与转速n及轴上输出功率P 的关系式为
2.电枢电动势
当电枢转动时,电枢绕组中的导体在不断切割磁力线,因此每根载流导体中将产生感应电动势,其平均值为E=Blv,其方向由右手定则判定,如图1-13所示。将此图与图1-8对照可以看出该电动势的方向与电枢电流的方向相反,因而称为反电动势。对于给定的直流电动机,磁感应强度B与每极磁通Φ 成正比,导体的运动速度v与电枢的转速n 成正比,而导体的有效长度和绕组匝数都是常数,因此直流电动机两电刷间总的电枢电动势Ea 的大小为
式中,Ce 为与电动机结构有关的另一常数,称为电动势系数。
由此可知,直流电动机在旋转时,电枢电动势Ea 的大小与每极磁通Φ 和电动机转速n的乘积成正比,它的方向与电枢电流方向相反,在电路中起着限制电流的作用。
3.电磁功率
以上分析的电磁转矩和电枢电动势是直流电机的两个重要因素,在直流电机的机电能量转换中起着至关重要的作用。
直流发电机是将机械能转换成电能的电磁装置。当直流发电机在原动机输入的机械功率产生的拖动转矩的作用下逆时针匀速旋转时,发电机电枢绕组的载流导体将受到电磁转矩的作用,而且电磁转矩的方向与拖动转矩的方向相反,是制动转矩。如果这时原动机不继续输入机械功率,则发电机转速将下降,直至为零,也就不能输出电能了。为了使发电机继续输出电能,原动机应不断地向发电机轴上输入机械功率,以产生拖动转矩去克服电磁转矩,保持发电机恒速运转,从而向外输出电功率。
由此可知,电磁转矩作为拖动转矩的阻转矩来吸收原动机的机械功率,并通过电磁感应作用将其转换成电功率。原动机为克服电磁转矩所输入的这部分机械功率,可表示为电磁转矩与机械角速度的乘积。由于是电磁转矩,因此克服所消耗的这部分机械功率称为电磁功率,用Pem表示,即
上式表明,机械功率属性的电磁功率全部转换为电功率属性的电磁功率EaIa。由此可见,发电机中的电磁转矩在机电能量转换过程中起着至关重要的作用,是机电能量转换得以实现的必要因素。有了电磁转矩,才迫使发电机从原动机吸收大部分机械功率,并通过电磁感应作用将其转变为电功率。电磁功率是联系机械能量和电磁能量的桥梁,在电磁能量与机械能量的工程计算中有着非常重要的意义。
同理,直流电动机在机电能量转换过程中,为了连续转动而输出机械能,电源电压也必须不断向电动机输入电能,将电功率属性的电磁功率EaIa 转变为机械功率,反电动势Ea 在此也起着至关重要的作用。
4.电动势平衡方程式
图1-14所示为他励直流电动机的结构示意图和电路图。电枢电动势为反电动势,与电枢电流方向相反;电磁转矩为拖动转矩,与电动机转速的方向一致;TL 为负载转矩;T0 为空载转矩,与电动机转速的方向相反。由基尔霍夫定律可知,在电动机电枢电路中存在如下回路电压方程式。
式中,U 为电枢电压;Ia 为电枢电流;Ra 为电枢回路内电阻。
5.功率平衡方程式
电动机在机电能量转换中,同样遵循能量守恒定律,因此它不可能将输入的电功率全部
转换成机械功率,在转换过程中总有一部分能量不能被利用,这部分能量称为损耗。直流电动机的损耗按产生的性质可分为机械损耗、铁心损耗、铜耗和附加损耗四种,下面分别讨论各种损耗产生的原因及影响损耗大小的因素。
1)机械损耗Pm
电动机旋转时,必须克服摩擦阻力,因此产生机械损耗。其中有轴与轴承摩擦损耗,电刷与换向器摩擦损耗,以及转动部分与空气的摩擦损耗等。机械损耗与电动机转速的高低
有关。当电动机的转速变化不大时,可认为机械损耗基本不变,即为不变损耗。
2)铁心损耗PFe
当直流电动机旋转时,电枢铁心中因磁场反复变化而产生的磁滞损耗和涡流损耗称为铁心损耗。在转速和气隙磁密变化不大时,可认为铁心损耗也是不变的,即为不变损耗。
以上分析了机械损耗Pm 和铁心损耗PFe。这两种损耗在直流电动机已经转起来,但还没有带负载时就有,即空载时就已经存在。因此,这两种损耗合称空载损耗P0,即
两者都是不变损耗。
3)铜耗PCu
当直流电动机运行时,在电枢回路中有电枢电流流过,把该电流在电枢绕组的电阻上产生的损耗称为铜耗。由于电动机运行时,电枢电流随负载的变化而变化,因此电动机中的铜耗为可变损耗。
4)附加损耗PS
附加损耗又称杂散损耗,电枢齿槽的存在、电枢反应的影响等都会产生附加损耗。
注意:附加损耗很难计算和测定,一般靠经验估算。对有补偿绕组的电机,附加损耗可取为0.5%PN;而对无补偿绕组的电机,附加损耗可取1%PN。
上式表明,输入的电功率有很小一部分被电枢绕组消耗(电枢铜耗),而大部分作为电磁功率转换成机械功率。从上面的分析可知:当电动机转动时,还要克服各类摩擦引起的机械损耗、电枢铁心损耗及附加损耗,所以电磁功率转变出来的机械功率,一小部分消耗在机械损耗和铁心损耗上,大部分从电动机轴上输出,故电动机输出的机械功率为
一般中小型直流电动机的效率为75%~85%,大型直流电动机的效率为85%~94%。励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示,如图1-15所示。
6.转矩平衡方程式
经过上述分析可知,要使直流电动机处于稳定运行状态,即转速恒定,就必须使加在电动机轴上的所有转矩保持平衡。而电动机稳定运行时,作用在电动机轴上的转矩有三个:一个是电磁转矩T,方向与转速n相同,为拖动转矩或驱动转矩;一个是电动机空载损耗转矩T0,即电动机空载运行时的阻转矩,方向总与转速n方向相反,为制动转矩;还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩TL,即电动机轴上的输出转矩,也可视为制动转矩。因此可得电动机稳定运行时的转矩平衡关系式为拖动转矩等于总的制动转矩,即
生产任务单

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