汽车电工电子技术学习情境4汽车电动机任务2 直流电动机.docx
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汽车电工电子技术学习情境4汽车电动机任务2直流电动机
任务4.2直流电动机
与异步电动机相比,直流电动机的结构复杂,使用和维护不如异步电动机方便,而且要使用直流电源。
特别是近年来,由于变频调速技术的发展,在中小功率的电动机调速领域中,交流电动机正逐步取代直流电动机。
尽管如此,由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。
因此,广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需频繁正、反转和启、停,多单元同步协调运转的生产机械等,例如:
轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备;用蓄电池做电源的地方,如汽车、拖拉机;家庭使用电动缝纫机、电动自行车、电动玩具等。
4.2.1直流电机的基本结构
直流电机包括静止的和转动的两大部分,静止部分称为定子,转动部分就是转子,静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(称为气隙)。
1.定子
定子的主要作用是产生磁场和构成磁路以及电机机械支撑。
由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。
如图4-13所示。
(a)直流电动机定子
(b)直流电动机结构示意图
图4-13直流电动机
从图4-13(b)看出,主磁极包括铁芯(铁扼)和励磁绕组两部分。
当励磁绕组中通入直流电流后,铁芯中即产生励磁磁通,并在气隙中建立主磁场,它可以是一对、两对或多对磁极。
换向极也由铁芯和绕组构成,位于两主磁极之间,并与电枢串联,通以电枢电流,产生附加磁场,以改善电动机的换向条件,减少换向器上的火花。
在小功率直流电动机中不装换向极。
电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧和刷杆座等组成。
从图4-14可以看到电刷。
电刷是用碳-石墨等做成的导电块,电刷装在刷握的盒内,用压紧弹簧把它压紧在换向器的表面上。
压紧弹簧的压力可以调整,保证电刷与换向器表面有良好的滑动接触,刷握固定在刷杆上,刷杆装在刷杆座上,彼此之间绝缘。
刷杆座装在端盖或轴承盖上,根据电流的大小,每一刷杆上可以有几个电刷组成的电刷组,电刷组的数目一般等于主磁极数。
电刷的作用是与换向器配合引入、引出电流。
(a)
(b)
图4-14电刷
机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成。
它用来固定主磁极、换向极及端盖,借助底脚将电机固定于基础上、机座还是磁路的一部分,用以通过磁通的部分称为磁轭,端盖主要起支撑作用,端盖固定于机座上,其上放置轴承,支撑直流电机的转轴,使直流电机能够旋转。
2.转子
转子又叫电枢 ,包括转子铁芯、转子绕组、换向器、风扇、轴等。
转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势。
如图4-15所示。
(a)转子实物
1-风扇;2-绕组;3-转子铁芯;4-绑带;5-换向器;6-轴
(b)转子示意图
图4-15直流电动机转子
电枢铁芯一般用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠成,这样铁芯在主磁场中转动时可以减少磁滞和涡流损耗。
铁芯表面有均匀分布的齿和槽,槽中嵌放电枢绕组。
电枢铁芯构成磁的通路。
电枢铁心固定在转子支架或转轴上。
电枢绕组是用绝缘铜线绕制成的线圈按一定规律嵌放到电枢铁心槽中,并与换向器作相应的连接。
线圈与铁芯之间以及线圈的上下层之间均要妥善绝缘,用槽楔压紧,再用玻璃丝带或钢丝扎紧。
电枢绕组是电机的核心部件,电机工作时在其中产生感应电动势和电磁转矩,实现能量的转换。
换向器又叫整流子,换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片(即换向片)组成,如图4-16所示。
换向器与电刷配合,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。
以产生恒定的电磁转矩。
(a)实物
(b)结构示意图
图4-16换向器
3.气隙
静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙。
气隙既保证了电机的安全运行,又是磁路的重要组成部分。
在小容量电机中,气隙为0.5~3mm。
气隙数值虽小,但磁阻很大,为电机磁路的主要组成部分。
气隙大小对电机运行性能有很大影响。
4.2.2直流电动机的工作原理
为了讨论直流电机的工作原理,可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极,电枢绕组只是一个线圈,线圈两端分别联在两个换向片上,换向片上压着电刷A和B。
如图4-17所示。
当励磁绕组上加上直流电压,电枢绕组在固定的磁场中旋转。
由于电刷固定不动,换向片和电源固定联接,这样线圈无论怎样转动,总是上半边的电流流向里(在图中是从a流向b),下半边的电流流向外(在图中是从c流向d),电枢导体的电流的方向不变,根据电磁力(安培力)定律,电枢绕组通入直流电后,每根有效导体均受到电磁力的作用。
电磁力的方向可由左手定则确定,其方向如图所示,这一对电磁力以产生恒定的电磁转矩,使电枢逆时针旋转。
图4-17直流电动机工作原理图
4.2.3直流电动机的分类
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系,励磁式的直流电机又可细分为4类。
1.他励式直流电动机
这种电机的励磁绕组和电枢绕组各自分开。
励磁电流由另外单独的直流电源提供,如图4-18所示。
由于这种电机的励磁电流仅取决于他励电源,而不受电枢端电压的影响,因而称为他励式。
图4-18他励式电动机
2.并励式直流电动机
这种电机的励磁绕组和电枢绕组并联,如图4-19所示。
电子励磁绕组承受了电枢两端的全部电压,为了减小绕组的铜损耗,励磁电流越小越好,故绕组的匝数较多,导线较细。
图4-19并励式电动机
3.串励式直流电动机
这种电机的励磁绕组和电枢绕组串联,如图4-20所示。
为了减小励磁绕组的电压降和铜损耗,绕组应具有较小的电阻,因此它一般用截面较大的导线,且匝数较小。
图4-20串励式电动机
4.复励式直流电动机
这种电机有两个励磁绕组,一个同电枢并联,一个同电枢串联,如图4-21所示。
图4-21复励式电动机
4.2.4直流电动机转矩自动调节
直流电动机加速到某个速度或减速到某个速度,在新的速度下仍能匀速转动,为什么?
1.电枢中的感应电动势
电枢通入电流后,产生电磁转矩,使电机在磁场中转动起来。
通电线圈在磁场中转动,又会在线圈中产生感应电动势(用E表示)。
根据右手定则知,E和原通入的电流方向相反,如图4-22所示,其大小为:
E=CEΦn(4-7)
式中:
CE—与电机结构有关的常数
Φ—磁通量
n—电动机转速
图4-22电枢绕组中电压关系图
2.电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反,所以叫反电势。
由基尔霍夫定律得到电枢绕组中电压的平衡关系式:
U=E+IaRa(4-8)
式中:
U—外加电压
Ra—电枢回路电阻,其中包括电枢绕组的电阻和电刷与换向器的接触电阻。
3.转矩平衡关系
根据安培定律,可以推出直流电动机通电后所产生的电磁转矩T与与磁极的磁通量Φ及电枢电流Ia之间的关系:
T=CTΦIa(4-9)
式中:
CT—与线圈的结构有关的常数,它与线圈大小,磁极的对数等有关。
电磁转矩M为驱动转矩,在电机运行时,必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡,即:
T=TL+T0(4-10)
式中:
TL—负载转矩,T0—空载转矩。
转矩平衡过程:
当负载转矩TL发生变化时,通过电机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩自动调整,以实现新的平衡。
例如:
设外加电枢电压U一定,T=TL+T0(平衡),这时,若TL突然增加,则调整过程为:
TL↑→n↓→E↓[由(4-7)知)]→Ia↑[由(4-8)知]→T↑[由(4-9)知]
最后达到新的平衡点。
与原平衡点相比,新的平衡点的电枢电流Ia增加,输入功率也增加。
由此可见,当负载变化时,电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要,使之能在新的转速下稳定工作。
因此直流电动机具有自动调节转矩功能。
4.2.5直流电动机的机械特性
直流电动机带负载T稳定运行时,由公式(4-7)~(4-9)可得到直流电动机的机械特性表达式为
n=
=
(U-IaRa)=
-
T=n0-Δn(4-11)
式中:
n0=
,表示电动机的理想空载转速。
Δn=
T,表示因负载而降低的转速,它表示当负载增加时,电动机的转速会下降,这是由Ra引起的。
由n=
(U-IaRa)可知,当负载增加时,Ia随之增加,于是IaRa增加。
由于电源电压U是一定的,故转速n降低了。
并励电动机的机械特性如图4-23(a)所示。
由于Ra很小,在负载变化时,转速的变化不大。
因此,并励电动机具有硬的机械特性,这是它的特点之一。
直流电动机的机械特性因励磁而异。
他励和并励电动机的励磁电流与负载无关,当励磁电压恒定时可保持常数,磁通Φ也可视为常数(忽略电枢电流的影响),所以他励和并励电动机空载转速为定值,电动机的转速随负载增大而降低。
因为电枢电阻Ra很小,电动机的转速从空载到满载变化不大,故其机械特性为硬特性。
串励电动机的转速随负载增大显著下降,如图4-23(c)所示。
复励电动机的励磁由串联和并联两部分,并励为主,串励为辅。
并励与串励的励磁方向一致时为积复励;相反时称为差复励。
复励电动机的机械特性介于并励和串励之间,如图4-23(d)所示。
(a)并励
(b)他励
(c)串励
(d)复励
图4-23直流电动机的机械特性
4.2.6直流电动机的运行
1.直流电动机的启动
在电源接通瞬间,电动机转速n为零,由公式(4-7)可知,此时反电动势E亦为零。
由公式(4-8)可知,此时电枢启动电流为
Ist=
(4-12)
由于电枢电阻Ra很小,启动电流Ist可达额定电流的10~20倍。
如此大的启动电流将在换向器与电刷之间产生强烈的火花,将换向器烧坏。
另一方面,由于电磁转矩T=CTΦIa,启动转矩也会达到额定转矩的10~20倍。
它将导致生产机械遭受巨大机械冲击,对齿轮、皮带等传动机构很不利。
因此直流电动机是不允许直接启动的。
为了限制启动电流,可以用降低电枢两端的电压或增加电枢电路电阻的方法,即在启动时在电枢电路中串联启动电阻Rst。
如图4-24所示。
图4-24他励电动机的启动电路
为了不影响换向器的正常工作又要保证一定的启动转矩,通常将启动电流限制在额定电流的2~2.5倍范围内,即
Ist=
=(2~2.5)IN(4-13)
需要注意的是:
直流机在启动和工作时,励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且启动时要满励磁。
否则,磁路中只有很少的剩磁,可能产生以下事故:
(1)若电动机原本静止,由于励磁转矩T=CTΦIa,而0,电机将不能启动,因此,反电动势为零,电枢电流会很大,电枢绕组有被烧毁的危险。
(2)如果电动机在有载运行时磁路突然断开,则E,Ia,T和,可能不满足负载转矩TL的要求,电动机必将减速或停转,使Ia更大,也很危险。
(3)如果电机空载运行,可能造成飞车,危及设备和人身安全。
EIaT>>T0n飞车
为了避免这些情况的发生,可采取的措施是他励直流电动机一定要有失磁保护。
一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。
当失压或欠流时,自动切断电枢电源U。
如图4-24中k为继电器,就是起这个作用。
2.直流电动机的调速
由公式(4-7)和(4-8)得出直流电动机的速度公式是
(4-14)
我们可以通过改变Φ、Ra和U来进行调速。
1)改变磁极磁通Φ调速
改变磁通Φ值的大小,可以改变转速n。
为此在励磁电路中串接一只磁场变阻R′f,如图4-25所示。
如把磁场变阻器阻值增加,则激磁电流减小,磁通也随之减小,电动机的转速升高;反之,磁场变阻器阻值减小,则电动机的转速降低。
由于并励式电动机的励磁电流较小,而在调速过程中能量耗损也较小,故而实际使用中应用较广。
以改变磁极磁通Φ来调速,电动机的转速能在其额定转速以上平滑调节。
但转速增高受到电枢机械强度的制动,一般不超过额定转速的20%。
(a)并励电动机
(b)他励电动机
图4-25改变磁通调速的原理接线图
2)改变电枢电路中的电阻
在电枢电路中串联一个可调变阻器RSC,如图4-26所示。
当阻值RSC增大时,电枢电流ISC减小,则转速降低,反之,RSC减小时,电动机转速将升高。
由于电枢电流一般较大,故而调速电阻RSC要消耗大量的能量,不太经济。
另外,还会使电动机的机械特性变软。
采用这种调速方法,只能使电动机的转速在额定值以下作比较平滑的调节。
图4-26电枢电路中串联电阻调速
3)改变电源电压U
由公式(4-14)知,若保持激磁电路中磁通Φ不变,则改变电动机的直流电源电压U,可以实现平滑调节。
但应注意U不能超过额定电压。
3.直流电动机的反转
由电磁转矩公式T=CTΦIa可知要改变T的方向可改变Φ和Ia的方向,即改变励磁电流的方向或改变电枢电流的方向。
需要注意的是改变电动机转动方向时,励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。
4.直流电动机的制动
制动的所采用的方法有反接制动、能耗制动、发电回馈制动三种方法。
1)反接制动
如图4-27所示是他励电动机反接制动电路图,将转换开关从运行状态变成制动状态时可使电枢两端反接,改变电动机的转向而制动。
励磁绕组的接法不变,电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。
图4-27他励电动机的反接制动电路图
2)能耗制动
停车时,电枢从电源断开,接到电阻上,这时由于惯性电枢仍保持原方向运动,感应电动势方向也不变,电动机变成发电机,电枢电流的方向与感应电动势相同,从而电磁转矩与转向相反,起制动作用。
如图4-28所示。
图4-28他励电动机的能耗制动电路图
3)发电回馈制动
在特殊情况下,例如汽车下坡时、吊车重物下降时,在重力的作用下nn0(n0理想空载转速),这时电动机变成发电机,电磁转矩成为阻转矩,从而限制电机转速过分升高。
想一想
在“发电回馈制动”中讲述了“电动机变成发电机”,电动机为什么能变成发电机?
探究
1.在本任务中讲述了汽车“飞车”概念,造成直流电动机飞车的原因是励磁电路没有接通。
同学们可上网看看汽车“飞车”相关的资料,了解什么是“飞车”现象?
产生的原因有哪些?
如何解决?
2.请你查阅资料找出汽车上的哪些电气系统采用了直流电动机?
- 配套讲稿:
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