直流电动机的基本原理及结构.docx

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直流电动机的基本原理及结构

第一章引言

在日常生活中有直流电和交流电随之产生重要的直流电动机与交流电动机，然而直流电动机与交流电动机相比具有调速范围广，调速平滑方便，过载能力大，能承受平凡的冲击负载，可实现平凡的无极快速启动、制动和反转等优点，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。

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、龙门刨床、电动机车、大型车床和大型起重机等生产机械。

在机床等设备中，应用较多的是他励直流电动机，本设计（论文）以他励直流电动机为例介绍。

第二章直流电动机的基本原理及结构

2.1直流电动机的基本原理

直流电动机通过换向器配合电刷，当电枢通电时位于磁场N极下的绕组电流从首端流至尾端，位于磁场S极下的绕组电流从尾端流至首端。

因此产生一个可使转子持续转动的电磁转矩。

直流电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，它能使绕组在气隙磁场中旋转感生出交流电动势，并依靠换向装置，将此交流电变为直流电。

其产生交流电的物理根源在于，电机中存在磁场和与之有相对运动的电路，即气隙磁场和绕组。

旋转绕组和静止气隙磁场相互作用的关系可通过电磁感应定律和电磁力定律来分析。

根据电磁感应定律，在恒定磁场中，当导体切割磁场磁力线时，导体中将感应电动势。

如果磁力线、导体及其运动方向三者互相垂直，则导体中产生的感应电动势的大小为

e=Blv（2—1）

式中,B为磁感应强度,单位为T;l为导体切割磁力线的有效长度,单位为m;v为导体切割磁场的线速度,单位为m/s;e为导体感应电动势,单位为V。

依据电磁力定律，当磁场与载流导体相互垂直时，作用在载流导体上的电磁力为

f=Blv（2—2）

式中，为载流导体中电流，单位为A；为电磁力，单位为N。

电磁力的方向用左手定则确定。

直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。

但要获得恒定方向的转矩，需将其外电路的直流电流变为绕组中的交流电流，即同样需要机械整流装置，见图2-1。

实际上，直流电动机的电枢上有许多线圈，这些线圈产生的电磁转矩合成为一个总的电磁转矩，拖动负载转动。

总之，在上述直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。

因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。

直流电机作为发电机运行时，电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边中便感应出电动势e。

显然，每一有效边中的电动势是交变的，在N极下是一个方向，当它在转到S极下时又是另一个方向。

电刷和换向器的作用在于将发电机电枢绕组内的交流电动势换成电刷之间的极性不变的电动势。

一但电刷之间接有导体时，那么在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。

从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和

图2-1直流电动机工作原理组图

在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。

在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。

所以直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。

电刷就是完成这个任务的装置。

2.2直流电动机的基本结构

直流电动机由定子部分与转子部分组成。

定子部分包括主磁极（线圈、绕组）、换向器、电刷、附件。

转自部分包括电枢（电枢铁芯、电枢绕组）、换向器、附件。

分为两部分：

定子与转子。

记住定子与转子都是由那几部分构成的，注意：

不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。

定子包括：

主磁极，机座，换向极，电刷装置等。

转子包括：

电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等

图2-2所示为电动机内部基本机构：

图2-2直流电动机结构图

2.3直流电动机的分类

直流电机按照励磁方式可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。

1.他励直流电动机

励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。

如图2-3所示：

图2-3他励直流电动机工作原理图

2．并励直流电动机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图2-4所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

图2-4并励直流电动机工作原理图

3．串励直流电动机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图2-5所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

图2-5串励直流电动机工作原理图

4.复励直流电动机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图2-6所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

图2-6复励直流电动机工作原理图

第三章直流电动机的起停控制线路以他励直流电动机为例

3.1他励直流电动机的起动控制线路

电动机接入电源后，转速从零逐渐上升到稳定转速的过程称为起动。

直流电动机起动的基本要求是：

有足够的起动转矩，一般为额定转矩的1.5~2.5倍，以便快速起动，缩短起动时间；起动电流不能过大，一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5~2.5倍；起动设备安全、可靠、经济。

他励直流电动机有三种起动方式：

直接起动、降压起动和电枢串电阻起动。

（一）直接起动

所谓直接起动，是指不采取任何措施，直接将静止电枢投入额定电压电网的起动过程。

如上所述，直流电机不宜于采用直接起动。

因此，这里所讲的直接起动只限于小容量电机，对电网和自身的冲击都不太大，但操作简便，毋需添加任何起动设备。

直接起动过程中电枢电流和转速的变化规律如图3-1所示。

考虑电枢回路电感的作用，电流不突变，但很快上升至最大冲击值Ist，不过，此时转子已开始转动，并具有一定速度，E＞0，因此，实际的起动电流冲击值Ist会略小于U/Ra。

图3-1直接起动时电枢电流与转速特性曲线

（二）降压起动

启动时降低端电压，使Ia=（1.5～2）IN,既在不大的起动电流下使系统顺利起动。

随着转速的提高，反电动势增大，电枢电流开始下降，这时可以逐渐升高端电压直至UN，在整个过程中保持起动电流与转矩在此范围不变，直至起动完毕。

最大起动电压Ust为

（三）电枢串电阻起动

电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动电流的目的，使

在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。

图3-2、3-3所示串电阻的接线图。

图3-2电枢串入固定电阻起动的接线图

图3-3控制线路工作过程如下，合上电源开关QF1、QF2，时间继电器KT1、KT2线圈得电，两者的常闭触点断开，为电枢回路串电阻起动作准备；按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，其辅助常开触点闭合自锁，KM1主触点闭合，电动机电枢回路串两级电阻R1、R2起动，同时KM1辅助常闭触点断开，KT1、KT2断电延时；KT1延时时间到，其常闭触点复位，KM2线圈得电，常开主触点闭合，电动机电枢回路切除电阻R1。

接着KT2延时时间到，其常闭触点复位，KM3线圈得电，常开主触点闭合，电动机电枢回路切除电阻R2，电动机正常运行。

图3-3他励直流电动机电枢回路串电阻二级起动控制线路

3.2他励直流电动机的制动控制线路

电动机大多运行于电动状态但在电力拖动系统中，为了满足生产上的技术要求或者为了安全，往往需要电动机尽快停转或由高速运行迅速变为低速运行，为此，需要对电动机进行制动。

与交流电动机一样，直流电动机的制动发式也有机械制动和电气制动两大类。

电气制动方法中常用的有：

能耗制动、反接制动和回馈制动，这三种制动方法的共同点是，在保留原来磁场大小和方向不变的情况下，使电电磁转矩方向与旋转方向相反，从而产生制动转矩。

（一）能耗制动

能耗制动是指在维持直流电动机的励磁电源不变的情况下，断开正在运行的电动机的电枢电源，再串接一个外加制动电阻组成制动回路，将高速旋转所产生的机械能转变为电能，再以热能的形式消耗在电枢和制动电阻上。

由于电动机因惯性继续旋转，直流电动机此时变为发电机状态，所产生的电磁转矩与转速方向相反，为制动转矩，从而使电动机由高速转变为低速。

图3-4所示为他励直流电动机能耗制动控制线路，图3-4中制动电阻R3与中间继电器KA组成能耗制动回路。

图3-4他励直流电动机能耗制动控制电路

该控制线路工作过程如下，合上电源开关QF1、QF2，按下起动按钮SB2，电动机通电并串两级电阻起动；当需要制动时，按下停止按钮SB1,接触器KM1线圈断电，其主触点断开，电动机电枢回路断开，电动机惯性运转，同时KM1的辅助常闭触点复位，KA线圈通电，其常开触点闭合使KM2线圈得电，KM2辅助常开触点闭合，接入能耗制动电阻R3，产生制动转矩使电动机能耗制动；当电动机转速下降到一定程度时，电枢绕组产生的感应电势小于KA线圈的释放值，KA线圈释放，其常开触点断开，KM2线圈断电，能耗制动结束，电动机自由停车至零。

（二）反接制动

反接制动是在保持他励直流电动机励磁为额定状态不变情况下，将电枢绕组的极性改变，使得电流方向改变，产生制动力矩，迫使电动机迅速停止的一种制动方式。

反接制动分为改变电枢电压极性的电枢反接制动和电枢回路串大电阻的倒拉反接制动两种方法。

与交流异步电动机相同，在反接制动时应注意以下两点：

第一，要限制过大的制动电流。

第二，要防止电动机反向再起动。

通常采用限流电阻进行限流，根据电流原则和速度原则进行反接制动控制。

图3-5所示为他励直流电动机反接制动控制线路。

图3-5他励直流电动机反接制动控制电路

该控制线路工作过程如下，合上电源开关QF1、QF2，按上按钮SB1接触器KM1线圈得电，时间继电器KT1、KT2线圈失电，接触器KM6、KM7线圈得电，KA线圈得电，接触器KM4线圈得电，正向运转。

按上SB3按钮，接触器KM1线圈失电，KM3线圈得电，KM2线圈得电（电枢串R3反接制动），KA线圈失电，接触器KM3、KM4、KM2线圈失电。

电动机反接制动。

第四章直流电动机的调速控制线路

为了提高生产效率和保证产品质量，需要人为地对电动机的转速进行控制。

所谓调速就是人为地改变电气参数，使电动机的工作点由一条机械特性曲线转移到另一条机械特性曲线上，从而在同一负载下得到不同的转速。

直流电动机具有优良的调速性能，可在宽广范围内平滑二经济的调速，特别适用于调速要求较高的电力拖动系统。

他励直流电动机的一般机械特性方程如下：

由上式可见，由上式可见，当负载不变时（T=TL），只要改变电枢电压U、电枢回路串入的电阻RP、每极磁通

三量中任一个就能改变电动机转速。

因此，他励直流电动机可以有三种调速方法：

电枢串电阻调速、改变励磁磁通调速、改变电枢电压调速。

4.1电枢串电阻调速

他励直流电动机拖动负载运行时，他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压U及磁通

为额定值，改变电枢回路所串的电阻值，电动机就能运行于不同的转速。

图4-1所示为他励直流电动机电枢回路串电阻调速原理图。

电枢回路串电阻调速只能使电动机在小于额定转速的范围内进行调速，调速范围较小、稳定性较差、能量消耗大。

因此这种调速方式只适于调速性能要求不高、容量不大、短期工作的中小型直流电动机。

图4-1他励直流电动机电枢回图4-2他励直流电动机调磁

路串电阻调速原理图调速原理图

4.2改变励磁磁通调速

在保持电源电压为额定值、电枢回路不串电阻的条件下，通过在励磁回路串入可调电阻改变励磁电流，以改变磁通，从而达到调速的的目的。

由于电动机在额定状态运行时，磁路已接近饱和，所以通常只能减小磁通，将转速往上调，故此种方法又称为弱磁调速。

图4-2所示为他励直流电动机调磁调速原理图。

图4-3他励直流电动机改变励磁电流的调速控制线路

弱磁调速的优点是调速平滑、可实现无级调速，调速经济、控制方便，机械特性较硬、稳定性好。

缺点是调速范围小，最高转速一般为额定转速的1.2倍。

弱磁调速一般与降压调速配合使用以扩大调速范围，即额定转速以下，采用降压调速；额定转速以上，采用弱磁调速。

图4-3所示为他励直流电动机改变励磁电流（即调磁）的调速控制线路图。

图4-3中，电动机的直流电源采用两厢零式整流电路，起动时电枢回路串电阻R起动，并在起动后由KM3切除电阻R。

电阻R还兼用作制动时的限流电阻。

电动机的并励绕组串入调速电阻R3，调节R3即可对电动机实现调速。

电阻R2与励磁绕组并联以吸收励磁绕组的磁场能，以免接触器断开瞬间产生过高的自感电动势击穿绝缘。

接触器KM1为能耗制动接触器，KM2为工作接触器，KM3为切除起动电阻的接触器。

电动机正常运行时，调节电阻R3，电路的励磁电流变化，电动机M的转速随之改变。

4.3降低电枢电压调速

降低电枢电压调速需要有连续可调的直流电源给电枢供电。

直流电源的取得有两种发放：

一种是用直流发电机提供可调直流电源，组成G—M系统（直流发电机—电动机系统）或AGG—M系统（电机放大机—发电机—电动机系统）；另一种是采用常见的晶闸管整流装置作为直流电动机的可调电源，组成晶闸管—直流电动机拖动系统。

图4-4所示为G-M拖动系统控制线路

图4-4所示为G—M拖动系统控制线路。

M1是他励直流电动机，用于拖动生产机械；G1是他励直流发电机，为直流电动机M1提供电枢电压；G2是并励直流发电机，为直流电动机M1和直流发电机G1提供励磁电压，同时为控制电路提供电压；M2是三相笼型异步电动机，用于拖动同轴连接的直流发电机G1和G2；R1、R1和R3分别用于调节G1、G1和M1的励磁电流；KI为过电流继电器；KM1和KM2分别为正反转控制接触器。

当直接电动机需要调速时，可通过调节R1改变发电机G1的励磁电流，使发电机G1的输出电压改变，电动机M1的电枢电压随之改变，从而达到调速的目的。

M1的电枢电压不能大于额定电压，因此调速时只能使电动机的转速在额定值以下调节。

若要使电动机的转速在额定转速以上范围内进行平滑调速，可调节R3使之增大，使M1的励磁磁通减小，从而使电动机转速升高。

降低电枢电压的调速方法需要专用的调速电源，初次投机大。

但其降压调速性能好，故常用于调速要求较高的场合和大中容量电动机调速，特别适用于带恒转矩负载的电动机调速。

第五章直流电动机的个人观点

我们的生活中有很多东西是不可缺少的。

直流电动机在我们身边发挥着举足轻重的作用。

直流电动机与交流电动机相比具有调速范围广，调速平滑方便，过载能力大，能承受平凡的冲击负载，可实现平凡的无极快速启动、制动和反转。

直流电动机提供稳定的转速，跟交流电机相比，产生的磁干扰小，可控制性好。

直流电动机起动力矩大,容易改变转速,因此许多大型起重设备、电力机车、电车等都使用直流电动机。

容量范围大:

标准品可达400kW,更大容量可以订制。

电车等都使用直流电动机。

电压种类多:

直流供电,交流高低电压均不受限制。

低频转矩大:

低速可以达到理论转矩输出,激活转矩可以达到两倍或更高。

高精度运转:

不超过1 rpm.（不受电压变动或负载变动影响）。

高效率:

所有调速装置中效率最高,比传统直流电机高出5~30%。

调速范围:

简易型/通用型（1:

10）,高精度型（1:

100）,伺服型.过载容量高:

负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

体积弹性大:

实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状。

可设计成外转子电机（定子旋转）。

转速弹性大:

可以几10转到106转.制动特性良好,可以选用四象限运转。

可设计成全密闭型,IP-54,IP-65,防爆型等均可。

允许高频度快速激活,电机不发烫。

通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造无刷直流电机配以高性能高速实时数字控制器构成的调速装置，整个系统控制相对简单、成本低、转速平衡、噪音低，特别适合在家用电器产品中应用。

同时，也可推广到其它工业应用领域，如机床、机器人和电梯驱动等。