模块五 直流电动机

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模块五 直流电动机§课题一 直流电动机的启动§课题二 直流电动机的调速 §课题一 直流电动机的启动 【知识点】 (1)直流电动机的外形和内部结构,各部件的作用。 (2)直流电动机的铭牌数据和额定值的含义。 (3)直流电动机的电势、电磁转矩。 【技能点】 (1)学会直流电动机直接启动、串电阻启动的操作方法。 (2)学会直流电动机反转的接线操作方法。 【任务导入】 与交流电动机相比,直流电动机结构复杂、成本高、维护麻烦,但直流电动机具有调速性能好、启动转矩大、过载能力强等优点,广泛应用于轧钢机、电力机车、大型机床拖动系统中。 下一页 §课题一 直流电动机的启动在应用中首先遇到的是直流电动机的启动问题,本任务就是要学会直流电动机的启动。 【相关知识】 一、直流电动机的结构 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动直流电动机的结构如图5-1所示。 1.定子 定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。 (1)主磁极。主磁极的作用是产生主磁场,它由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成,如图5-2所示。 (2)换向极。换向极的作用是用以改善换向。换向极装在两个主磁极之间,它也是由铁心和绕组构成,换向极绕组与电枢绕组串联,如图5-3所示。 (3)电刷装置。电刷装置的作用是使旋转的电枢绕组与固定不动的外电路相连接,引人或引出直流电流。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座组成,如图5-4所示。 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 (4)机座。机座既是电机磁路的一部分,又是用来固定主磁极、换向极、端盖等零部件的,所以要求它有良好的导磁性能和机械强度,一般采用低碳钢浇注而成或钢板焊接而成。 2.转子 转子是直流电动机的转动部分,主要由电枢铁心、电枢绕组和换向器组成。 (1)电枢铁心。电枢铁心的作用一方面是嵌放电枢绕组,另一方面是作为磁路的一部分。它是由硅钢片冲成一定形状的电枢铁心冲片叠装而成,如图5-5(b)所示。 (2)电枢绕组。电枢绕组是用绝缘铜线绕成一定形状的电枢元件 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动(即线圈)嵌放在电枢铁心槽中,电枢绕组产生感应电动势和电磁转矩,从而实现机电能量转换,如图5-5(a)所示。 (3)换向器。对于直流发电机,它将电枢绕组中的交变电动势转换成直流电动势,由电刷引到外电路,即整流作用;对于直流电动机,它将外加的直流电动势逆变成交变电流,如图5-6所示。 二、直流电动机的型号和额定值 1.型号 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 2.铭牌 如表5-1所示为一个直流电动机铭牌。3.电动机的额定值 (1)额定功率PN:指在额定运行状态下,发电机向负载输出的电功率PN=UNIN;或指电动机轴上输出的机械功率PN=UNINηN,单位为W或kW 。 (2)额定电压UN:指在额定运行状态下,发电机允许输出的最高电压或加在电动机电枢两端的电源电压,单位为V。 (3)额定电流IN:指电动机按规定的方式运行时,电枢绕组允许流过的最大安全电流,单位为A。 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 (4)额定转速nN:指在额定运行状态时电动机的转速,单位为r/min。 (5)额定励磁电压UN:指在额定情况下,励磁绕组所加的电压,单位为V。 (6)额定励磁电流几:指在额定情况下,通过励磁绕组的电流,单位为A。 若电动机运行时,各物理量都与额定值一样,则称为额定运行状态。电动机在实际运行时,由于负载的变化和生产工艺需要,经常不在额定状态下运行。电动机在接近额定的状态下运行,才是经济合理的。三、直流电动机的分类 直流电动机按励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同,可分为4类。 1.他励直流电动机 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 励磁绕组Nf与电枢绕组Na都由各自单独的电源供电,如图5-7(a)所示,其特点是电枢总电流Ia等于负载电流I,即 Ia=I (5-1-1) 2.并励直流电动机 励磁绕组N与电枢绕组Na并联,如图5-7(b)所示。其特点是 I=Ia+If (5-1-2) 以上两类电动机的励磁电流If=(1%~5%)IN,所以励磁绕组的导线细而匝数多。3.串励直流电动机励磁绕组N与电枢绕组Na串联,如图5-7(c)所示,其特点是 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 I=Ia=If (5-1-3)由于励磁电流等于电枢电流,所以励磁绕组导线粗而匝数少。 4.复励电动机 每个主磁极上所套励磁绕组分为两部分: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动势方向相同时,则称为积复励,相反则称为差复励,通常采用积复励,如图5-7(d)所示。 不同励磁方式的直流电动机,机械特性有着较大的差别,适用于不同的生产机械。 四、直流电动机电势、电磁转矩 1.直流电动机的基本工作原理 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 图5-8是直流电动机的原理图。直流电动机工作时接于直流电源上,如A刷接电源正极,B刷接电源负极。电流从A刷流入,经线圈abed,由B刷流出。如图5-8所示瞬间,在N极下的导线ab中的电流是由a到b;在S极下的导线cd中电流方向由c到d。根据左手定则判定导线ab受力的方向向左,导线cd受力的方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为逆时针方向,使电枢逆时针方向旋转。 当线圈转过180°,换向片2转至与A刷接触,换向片1转至与B刷接触。电流由正极经换向片2流入,导线dc中电流由d流向c,导线ba中电流由b流向a,由换向片1经B刷流回负极。导线中的电流方向改变了,导线所在磁场的极性也改变了,电磁力及电磁力对转轴 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动所形成的转矩的方向未变,仍为逆时针方向,这样可使电动机沿一个方向连续旋转下去。 通过换向装置,使每一极面下的导体中的电流方向始终不变,因而产生单方向的电磁转矩,电枢向一个方向旋转,这就是直流电动机的基本工作原理。 2.电枢电动势Ea 只要电枢绕组在磁场中旋转,必然产生感应电动势。电枢电动势即为正、负电刷间电动势,电枢电动势为 Ea=CeΦn (5-1-4)式中,Ce为电动势常数,它由电动机的结构决定;Φ为电机气隙磁通量, 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动单位为Wb;n为电动机的转速,单位为r/min;电枢电势Ea的单位为V。3.电磁转矩Tem 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。根据电磁力定律,任一导体受到电磁力为 f =Bli (5-1-5) 考虑到电枢表面共有N根导体,进一步导出整个电枢的电磁转矩为 Tem=CeΦIa (5-1-6) 式中,CT为转矩常数,它由电动机的结构决定;Φ为电动机气隙磁通量,单位为Wb;Ia为电枢电流,单位为A;电磁转矩Tem,单位为N·m。 4.直流电动机的基本方程式 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 直流电动机电势、转矩方程式是分析直流电动机各种运行特性的基础。下面以并励直流电动机为例进行讨论。 (1)直流电动机的电势平衡方程式。直流电动机运行时,电枢两端接人电源电压U,若电枢绕组的电流丈方向以及主磁极的极性如图5-9所示。可由左手定则判定电动机产生的电磁转矩M驱动电枢以转速n旋转,旋转的电枢绕组又将切割主磁极磁场感应电动势Ea,可由右手定则判定电动势E 与电枢电流Ia的方向是相反的。各量的方向如图5-9(b)所示,可得电枢回路的电势平衡方程式为 U=Ea+Ia Ra (5-1-7) 式中尺为电枢回路的总电阻,包括电枢绕组、换向器、补偿绕组的电阻以及电刷与换向器间的接触电阻等。 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动由于电动势Ea与电枢电流Ia方向相反,故Ea又称为“反电动势”。加在电动机的电源电压U是用来克服反电动势Ea及电枢回路的总电阻压降Ia Ra的。可见U>Ea电源电压U决定了电枢电流丈的方向。 (2)直流电动机的转矩平衡方程式。电动机产生的电磁转矩减去空载阻力转矩之后就是电动机输出的机械转矩了。用M0表示电动机本身的机械阻力转矩,通常称为空载损耗转矩,M表示电动机电磁转矩,M2表示电动机输出机械转矩。 电动机稳定运行时转矩平衡方程式为 M=M0+M2 (5-1-8) 上一页 下一页 §课题一 直流电动机的启动 电动机的电
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