第5章-直流电动机及其应用课件.ppt
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- 直流电动机 及其 应用 课件
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1、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5.1.1 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
2、 直流电动机主要由定子(固定部分)和直流电动机主要由定子(固定部分)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 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 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(2 2)换向磁极)换向磁极 在相邻的主磁极之间装有换向磁极,它在相邻的主磁极之间装有换向磁极,它也是由铁芯和绕组构成。也是由铁芯和绕组构成。其
3、作用是消除或减小换向时的火花,保其作用是消除或减小换向时的火花,保护换向器,使电动机可靠安全的运行。护换向器,使电动机可靠安全的运行。(3 3)机座)机座 (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、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(
4、3 3)换向器)换向器 流电动机也是由磁路和电路两个基本部分流电动机也是由磁路和电路两个基本部分组成的。组成的。它的工作原理仍以电磁力定律和电磁感应它的工作原理仍以电磁力定律和电磁感应定律为基础。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E Ea aK Ke en n (5-15-1)式中,式中,K Ke e 电动势常数,由电动机本身电动势常数,由电动机本身的结构所决定。的结构所决定。直流电动机运转时,电枢中的电流为直流电动机运转时,电枢中的电流为(5-25-2)式中,式中,U U 外加电压;外加电压;R Ra a 电枢绕组的电阻。电枢绕组的电阻。5.1.3 直流电动机的
5、反电动势和电磁转矩直流电动机的反电动势和电磁转矩aaaUEIR 于是得于是得U U=E Ea a+R Ra aI Ia a(5-35-3)这是直流电动机的电压平衡方程式,显这是直流电动机的电压平衡方程式,显然然E Ea aU U。上式两边乘以电流(。上式两边乘以电流(I Ia a),即得功),即得功率平衡方程:率平衡方程:UIUIa a=E=Ea aI Ia a+R+Ra aI Ia a2 2(5-45-4)式中,式中,E Ea aI Ia a 电磁功率,它转化为电动电磁功率,它转化为电动机的机械功率,如果不计摩擦损耗,它也就机的机械功率,如果不计摩擦损耗,它也就是电动机的输出功率;是电动机的
6、输出功率;R Ra aI Ia a2 2电枢绕组的铜耗;电枢绕组的铜耗;UIUIa a 电源供给的电功率(不计铁耗)。电源供给的电功率(不计铁耗)。直流电动机的电磁转矩(直流电动机的电磁转矩(T T)与每极磁通)与每极磁通()和电枢电流()和电枢电流(I Ia a)成正比:)成正比:TT=K KT TIIa a (5-55-5)式中,式中,KTKT 转矩常数,取决于电动机的转矩常数,取决于电动机的结构。结构。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
7、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aa aeeEUR InKK 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132mm132mm,长机座,长机座,适用于湿热带地区
8、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 直流电动机在标准环境温度下,带额定直流电动机在标准环境温度下,带额定负载、按规定励磁方式励磁且使励磁电流为负载、按规定励磁方式励磁且使励磁电流为额定值、电枢绕组加额定电压时的运行方式,额定值、电枢绕组加额定电压时的运行方式,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。额定电压(额定电压(U UN N)指直流电动机额定运行时,)指直流电动机额定运行时,电枢绕组外接电源的电压,也是电动机安全工电枢绕组外接电源的电压,也是电动机安全工作的最高电压。作的最高电压。1
9、 1额定电压额定电压 额定电流(额定电流(I IN N)指直流电动机额定运行)指直流电动机额定运行时,电枢绕组流过的直流电流,也是电动机按时,电枢绕组流过的直流电流,也是电动机按规定长期额定运行时电枢绕组可以通过的最大规定长期额定运行时电枢绕组可以通过的最大电流。电流。2 2额定电流额定电流 额定功率(额定功率(P PN N)指电动机额定运行时,轴)指电动机额定运行时,轴上输出的机械功率。即上输出的机械功率。即P PNN=U UN NI IN N N N (5-75-7)式中,式中,N N 额定效率。额定效率。3 3额定功率额定功率 额定转速(额定转速(n nN N)指电动机额定运行时的转)指
10、电动机额定运行时的转速。速。根据铭牌上一些物理量的额定值,可以计根据铭牌上一些物理量的额定值,可以计算另一些物理量的额定值,则额定转矩为算另一些物理量的额定值,则额定转矩为(5-85-8)4 4额定转速额定转速NNN9 550PTn 励磁方式是指励磁绕组的供电方式,励磁励磁方式是指励磁绕组的供电方式,励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。直流电动机有他励、并励、串励和复励直流电动机有他励、并励、串励和复励种励磁方式。种励磁方式。5 5励磁方式励磁方式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5.2.3 串励直流电动机串励直流电动机
11、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(包括励磁绕组电阻和励磁电阻(包括励磁绕组电阻和励磁调节电阻)。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fffUIR 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
12、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 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aafafU
13、EIIRR 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)
14、,),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staUIR 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,
15、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 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。改变电动机的旋转方向就是改变电动机电改变电动机的旋转方向就是改变电动机电磁转矩方向。磁转矩方向。电磁转矩的方向是由主磁通方向和电枢电磁转矩的方向是由主磁通方向和电枢电流的方向共同决定的。电流的方向共同决定的。因此,改变电枢电流或主磁通的方向都因此,改变电枢电流或主磁通的方向都能使电磁转矩方向改变。能使电磁转矩方向改变。实现电动机反转的具体方法有改变
16、电枢实现电动机反转的具体方法有改变电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 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 由直流
17、电动机的机械特性方程式(由直流电动机的机械特性方程式(5-195-19)可知,当转矩(可知,当转矩(T T)不变(负载不变)时,影)不变(负载不变)时,影响电动机转速高低的主要是电枢回路电阻响电动机转速高低的主要是电枢回路电阻(R Ra a)、主磁通()、主磁通()、电源电压()、电源电压(U U)3 3个个因素。因素。因此电动机的转速可由下述因此电动机的转速可由下述3 3种方法调节。种方法调节。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 这种调速方法的特点如下。这种调速方法的特点如下。只能在额定转速(只能在额定转速(n nN N)以下进行调节,)以下进行调节,简称
18、下调。简称下调。由于流过调速电阻(由于流过调速电阻(R Re e)上的电流为)上的电流为电枢电流,其数值较大,故电枢电流,其数值较大,故R Re e上的能量损耗上的能量损耗大,不经济。大,不经济。使电动机的机械特性变软。当负载变使电动机的机械特性变软。当负载变动时,电动机的速度变化较大,这对于要求动时,电动机的速度变化较大,这对于要求稳速的负载来说是不利的。稳速的负载来说是不利的。电枢电流不受影响,数值保持不变,电枢电流不受影响,数值保持不变,故这种调速叫作恒转矩调速。故这种调速叫作恒转矩调速。调控方法简单,容易实现。调控方法简单,容易实现。2 2改变励磁电流调速改变励磁电流调速 这种调速方法
19、的特点如下。这种调速方法的特点如下。调速平滑,可做到无级调速。调速平滑,可做到无级调速。流经调速电阻(流经调速电阻(R Re e)的励磁电流较小,)的励磁电流较小,故功率损耗小,比较经济。故功率损耗小,比较经济。调速后机械特性变软,运行的稳定性调速后机械特性变软,运行的稳定性差。差。调速范围比较小。调速范围比较小。只能在额定转速(只能在额定转速(n nN N)以上调速,简)以上调速,简称上调,也称为弱磁调速。称上调,也称为弱磁调速。直流电动机常由单独的可调整流装置供电。直流电动机常由单独的可调整流装置供电。目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流(流(SCRS
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