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1、電機與控制,第一章 直流電動機,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類 第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構 第三節(jié) 直流電動機的啟動、反轉和調速 第四節(jié) 其他類型的直流電動機 第五節(jié) 直流電動機常見故障的檢修,返回,第一章 直流電動機,本章概述 直流電動機使用直流電源，與交流異步電動機相比，直流電動機具有更好的啟動和運行性能，因此直流電動機應用在要求攜帶方便、在特殊場合使用或對電動機的性能要求較高的日用電器中，例如電子音像設備、辦公設備、清潔、美容保健、醫(yī)療用的器械、儀器儀表、電動玩具等。 教學目標 1.了解直流電動機的結構和分類; 2.掌握直流電動機的基本原理與結構; 3.掌握直流電動機的常見故障及檢

2、修。,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,一、直流電動機的基本結構 直流電動機的基本結構也是由定子、轉子和結構件(端蓋、軸承等)三大部分所組成。圖1-1是一臺電磁式直流電動機的結構示意圖。 1.定子 定子包括機座、主磁極、換向磁極、前、后端蓋和電刷裝置等幾個部分。 (1)主磁極主磁極的作用是產生主磁場，由主磁極鐵芯和主磁極繞組兩部分組成，主磁極安裝在機座上。直流電動機的機座也是磁路的一個構成部分，因此由鐵磁性材料制成。日用電器使用的直流電動機多為永磁式直流電動機，其主磁極用永久磁鐵制成。,下一頁,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,(2)換向磁極直流電動機的換向是一個比較復雜的過程。在換向

3、時，會在電刷與換向器的接觸面上產生火花，不利于電動機的運行，因此一般的直流電動機上都裝有換向磁極來減小火花，以改善電動機的換向性能。換向磁極也由鐵芯和繞組構成，安裝在兩個相鄰的主磁極間的中性線上(如圖1 -1(b)所示)。換向磁極的繞組一般與電樞繞組串聯(lián)。在日用電器中使用的永磁式直流電動機的功率較小，由于結構限制一般不裝換向磁極。 (3)端蓋和電刷裝置在前、后端蓋內裝有軸承，用以支撐電樞。后端蓋上還固定有電刷裝置。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿座、彈簧等組成，電刷(碳刷)放在刷握內，由彈簧對電刷產生徑向壓力以和換向器保持緊密接觸。刷握固

4、定在刷桿上，刷桿則固定在刷桿座上，從而構成一個部件整體(如圖1-1(a)所示)。 2.轉子(電樞) 根據(jù)對直流電動機運轉原理的分析，可見轉子是直流電動機實現(xiàn)能量轉換的樞紐，所以又稱之為“電樞”。電樞包括電樞鐵芯、電樞繞組及換向器。 (1)電樞鐵芯和電樞繞組電樞繞組由嵌放在電樞鐵芯槽內的線圈按一定規(guī)律連接而成，線圈嵌入鐵芯槽后用槽楔壓緊。鐵芯槽有直槽和斜槽之分。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,(2)換向器換向器也是直流電動機的一個關鍵部件，電樞繞組的線頭接到換向器的銅片上，換向器與電刷保持滑動接觸，使電樞電路與外電路保持接通，并將外電路的直流電流轉換成電樞電路的交流電流。

5、換向器由銅片和云母片一片隔一片均勻地排列成圓形，再經(jīng)過壓裝而成。 二、直流電動機的分類 根據(jù)定子磁場的不同，直流電動機主要可分為永磁式和勵磁(電磁)式兩大類，永磁式可分為有(電)刷和無(電)刷兩類，而勵磁式根據(jù)勵磁繞組通電方式的不同，又可分成串勵、并勵、復勵和他勵四類。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,在四類勵磁式直流電動機中，他勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組各由獨立的電源供電，而串勵、并勵和復勵式的勵磁繞組與電樞繞組共用一個電源，所以又統(tǒng)稱為“自勵式”。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 直流電動機的結構和分類,其中串勵式、并勵式的勵磁繞組分別與電樞繞組串聯(lián)和并聯(lián)。復勵

6、式的勵磁繞組分為兩個繞組，一組與電樞繞組串聯(lián)，一組與電樞繞組并聯(lián);如果兩個繞組所產生的磁通方向相一致，則稱為積復勵;如果兩個繞組所產生的磁通方向相反，則稱為差復勵。勵磁式直流電動機的繞組連接方式如圖1-2所示。,上一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,直流電機是根據(jù)導體切割磁力線產生感應電動勢和載流導體在磁場中受電磁力的作用這兩條基本原理制造的。因此，從結構上看，任何電機都包括磁路和電路兩部分;從原理上講，任何電機都體現(xiàn)了電和磁的相互作用。 一、直流電機的工作原理 1.直流發(fā)電機工作原理 兩極直流發(fā)電機原理如圖1-3所示。圖中N,S是一對在空間固定不動的磁極，磁極可以由永久磁鐵制成，也

7、可以在磁極鐵芯上繞以通有直流電流的勵磁繞組來產生N,S極。在N、S磁極之間裝有鐵磁性物質構成的圓柱體，圓柱體外表面開槽并在其中嵌放線圈abcd，整個圓柱體可在磁極內部旋轉，能夠轉動的部分稱為轉子或電樞。,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,電樞線圈abcd的兩端分別與固定在軸上相互絕緣的兩個半圓銅環(huán)(換向片)相連接，構成了簡單的換向器。換向器通過靜止不動的電刷A和B，將電樞線圈與外電路相接。 電樞由原動機拖動，以恒定轉速按逆時針方向旋轉。當線圈有效邊ab和cd切割磁力線時，便在其中產生感應電動勢，其方向用右手定則確定。如圖1-3所示瞬間，導體ab中的電動勢方向由b指向a，導體cd中

8、的電動勢則由d指向。，從整個線圈來看，電動勢的方向為d指向c通過端部連接線cb,再由b指向a。 因此外電路中的電流自換向片1流至電刷A，然后經(jīng)過負載流至電刷B和換向片2，進入線圈。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,此時，電流流出線圈處的電刷A為正電位，用“+”表示;而電流流入線圈處的電刷B則為負電位，用“-”表示。也就是電刷A相當于電源的正極，電刷B相當于電源的負極。 電樞旋轉1800后，導體ab和cd以及換向片1和2的位置同時互換，電刷A通過換向片2與導體cd相連接，此時由于導體cd取代了原來ab轉到N極下，所以電刷A的極性仍然為正;同時電刷B通過換向片1與導體ab相

9、連接，而導體ab此時已轉到S極下，因此，電刷B的極性仍然為負?？梢姡ㄟ^換向器和電刷，能夠及時地改變線圈與外電路的連接，可以使線圈產生的交變電動勢變?yōu)殡娝啥朔较蚝愣ǖ碾妱觿荩３滞怆娐返碾娏靼匆欢ǚ较蛄鲃印?上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,由電磁感應定律(e = Blv )，線圈感應電動勢e的波形與氣隙磁感應強度B的波形相同，即線圈感應電動勢。隨時間變化的規(guī)律與氣隙磁感應強度B沿空間的分布不同。在直流電機中，磁極下氣隙磁感應強度按梯形波分布，如圖1-4所示。因此，通過電刷和換向器的作用，電刷兩端所得到的電動勢的方向是恒定的，但大小卻在零與最大值之間脈動，如圖1-5所示

10、。由于線圈只有一匝，產生的電動勢很小。如果在直流電機電樞上均勻分布很多線圈，并相應增多換向片的數(shù)目，使每個線圈兩端均分別接至換向片上，這樣，電刷兩端總的電動勢脈動值將顯著減小，如圖1-6所示，同時其值也大為增加。由于直流電機中線圈、換向片數(shù)目很多，因此，可以認為電刷兩端的電動勢是恒定的直流電動勢。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,2.直流電動機工作原理 圖1-7所示為直流電動機原理圖。直流電動機基本結構與發(fā)電機完全相同，只是將直流電源接至電刷兩端。當電刷A接至電源的正極，電刷B接至負極，電流將從電源正極流出，經(jīng)過電刷A、換向片1、線圈abcd到換向片2和電刷B，最后回到

11、負極。根據(jù)電磁力定律，載流導 體在磁場中受電磁力的作用，力的方向由左手定則確定。如圖1-7所示導體ab所受電磁力方向向左，而導體cd所受電磁力的方向向右，這樣就產生了一個轉矩。在此轉矩的作用下，電樞便按逆時針方向旋轉起來。當電樞從圖1-7所示的位置轉過900時，電刷不與換向片接觸 而與換向片間的絕緣物接觸，這時線圈中電流為零，因而電樞旋轉的轉矩消失。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,由于機械慣性，電樞仍能轉過一個角度，使電刷A,B分別與換向片2,1接觸，于是線圈中又有電流流過。此時電流從正極流出，經(jīng)過電刷A、換向片2、線圈到換向片1和電刷B，最后回到電源負極，此時導體a

12、b中的電流改變了方向，同時導體ab已由N極下轉到S極下，其所受電磁力方向向右。同時，處于N極下的導體cd所受的電磁力方向向左。因此，在轉矩的作用下，電樞繼續(xù)沿著逆時針方向旋轉。因此電樞便一直旋轉下去，這就是直流電動機的基本原理。 由上可知，直流電動機電刷位置固定，直流電流經(jīng)電刷和換向片接入處于N極(或S極)下的線圈，而不是恒接入某個線圈，所以產生的轉矩是脈動的。如果每極換向片數(shù)增至8片以上(相應也增加線圈數(shù))，就可得到幾乎不變的轉矩。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,直流電機可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，這就是直流電機的可逆原理。如果原動機拖動電樞旋轉，通過電磁感應

13、，將機械能轉換為電能供給負載，這就是發(fā)電機;如果由外部電源供給電機，由于載流導體在磁場中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩拖動負載轉動，又成為直流電動機。 二、直流電動機的電磁轉矩和電壓平衡方程 1.電磁轉矩 和交流電動機一樣，直流電動機的電磁轉矩也是載流的轉子導體在磁場中受電磁力作用而產生的，所以電磁轉矩T與磁通及電樞電流Ia成正比。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,即 式中CT為與電機結構有關的轉矩常數(shù)。 2.電樞電動勢 當直流電動機轉動時，電樞繞組因切割磁感應線而產生的感應電動勢稱為電樞電動勢，電樞電動勢也與磁通成正比，而且還與導體切割磁感應線的速度(即電動機的轉速n

14、)成正比，即 式中Ce為電動勢常數(shù)，也是取決于電機的結構。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,3.電樞回路的電壓平衡方程式 由直流電動機的電樞回路(如圖1 -8所示)，可列出電樞回路的電壓平衡方程式 或 式中的U為電源電壓，Ra為電樞回路的電阻，通常Ra很小，所以E與U很接近，由圖可見E為反電動勢，即與外加電壓的方向相反。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,例1-1 一臺直流電動機在正常運行時外加直流電源電壓為220V，電樞電流為10 A，電樞電阻為0. 5，試求反電動勢。 解: E=U- Ra Ia =(220-0.5 x10)V=215 V 三、

15、直流電動機的機械特性 1.他勵(并勵)式電動機的機械特性 直流電動機的機械特性也是指其轉矩T與轉速n之間的關系。在他勵(或并勵)式直流電動機中，如果勵磁電壓不變，磁通也就恒定不變。由式(1-1),(1-2),(1-3)可推出,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,將式(1 -5)所示的T-n關系用曲線畫出，就是直流電動機的機械特性曲線，如圖1-9所示。 由式(1 -5)中的第一項n0:若T=0，則n=U/(Ce)=n0 。 n0為曲線與縱坐標軸的交點，稱為“理想空載轉速”，當U, 不變時， n0為一定值。 由式(1 -5)中的第二項n:因磁通少恒定，C e、CT為常數(shù)，Ra為

16、電樞回路的電阻，也基本為一定值，所以Ra /(C e CT 2)可視為常數(shù)，轉速降nT,T-n之間為線性關系，由圖1 -9可見直流電動機的機械特性曲線為一條略為下垂的直線。這是因為R。很小，所以n也很小，隨著轉矩T的增加而轉速n略有下降。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,一般從空載到滿載，電動機的轉速降n僅為額定轉速的5%10%。由此可見，(他勵、并勵式)直流電動機具有較“硬”的機械特性，因而被廣泛應用于要求轉速較穩(wěn)定且調速范圍較大的場合。 綜合式(1-1)式(1-5)所反映的直流電動機內部各物理量之間的關系，可分析直流電動機在運行時內部各物理量的調節(jié)和能量平衡的關系。 (1)當電動機穩(wěn)定運行時,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 直流電機的基本原理與結構,設此時工作點為(如圖1-9所示)機械特性曲線上的a點。 (2)當電動機的負載變化時(以負載增加造成轉速下降為例) 電動機內部的自動調節(jié)過程為 調節(jié)后電動機的工作點為(如圖1-9所示)機械特性曲線的b點。 由以上分析可見，直流電動機的反電動勢E(式(1-2)的作用是:當電動機的機械負載變化時，通過E的變化反映到電樞電