電瓶叉車直流電機(jī)簡介

1、 直流電機(jī)簡介1.1 直流電機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)1.1.1 直流電機(jī)的工作原理 直流電機(jī)的工作原理是建立在皮-薩電磁力定律的基礎(chǔ)上。我們先回顧一下皮-薩電磁力定律。定律1：通電導(dǎo)體在磁場中，如果電流方向和磁力線方向有一定的角度。那么此導(dǎo)體就會收到電磁力的作用，受力方向用左手定則決定。左手定則是磁力線從掌心穿過。四指指向電流方向，大拇指的指向?yàn)槭芰Ψ较?。定?：如果導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動，那么，在導(dǎo)體的兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的方向用右手定則決定。右手定則是磁力線從掌心穿過，大拇指指向運(yùn)動方向，大拇指指向運(yùn)動方向，四指指向?yàn)楦袘?yīng)電勢方向。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，若磁場和載流導(dǎo)體互相垂直（圖1），

2、則作用在導(dǎo)體上的電磁力應(yīng)為 f=Bil 圖1 圖2其中 B 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（韋/米2） I 導(dǎo)體中的電流（安）L 導(dǎo)體的有效長度（米）算出的電磁力單位就是牛。力的方向用左手定則（圖2）決定。由于決大多數(shù)的電動機(jī)都須作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此必須載流導(dǎo)體在磁場中所受到的電磁力，形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩。先觀察一下圖3所示的一種簡單的電磁裝置，看它能否使導(dǎo)體所受的電磁力形成一種轉(zhuǎn)矩？圖3中N、S為一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵），兩磁極間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體表面固定著一個線圈，上線圈邊為a,下線圈邊為x（下面把這個裝有線圈的鐵質(zhì)圓柱體稱為電樞）。N極和S極的磁力線所通過

3、圓柱體的途徑如圖3所示。當(dāng)線圈a、x中通入直流電流（由a邊流入，從x邊流出）時，線圈邊a和x上均受到電磁力，根據(jù)左手定則決定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向。若電樞轉(zhuǎn)動，線圈邊a和x的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向卻變成了順時針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉(zhuǎn)矩。這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回擺動，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進(jìn)行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，如圖4.換向器由

4、互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。換向器又與兩個固定不動的電刷A、B相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣使電動機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是電動機(jī)的工作原理。圖3 圖41.1.2 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的工作原理僅僅揭示了如何利用基本電磁規(guī)

5、律以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換的道理，要想攫取這些能量為生產(chǎn)服務(wù)，還得制造既經(jīng)濟(jì)又良好的電機(jī)。為此任何旋轉(zhuǎn)電機(jī)都必須具有能滿足電磁和機(jī)械兩方面要求的合理的結(jié)構(gòu)形式。 要實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換，電路和磁場之間必須有相對運(yùn)動，所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備靜止和轉(zhuǎn)動的兩大部分，靜止和轉(zhuǎn)動部分之間要有一定大小的間隙（以后稱為氣隙）。直流電機(jī)的靜止部分就是定子，它的主要作用是產(chǎn)生磁場，由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)動部分就是轉(zhuǎn)子，通常稱為電樞，它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢，由電樞鐵芯和電樞繞組、換向器、軸和風(fēng)扇等組成?，F(xiàn)對各主要結(jié)構(gòu)部件的基本結(jié)構(gòu)及其作用作簡要介紹如下： 直流電機(jī)的靜止部分 a)磁極：在一般中小型直

6、流電機(jī)中，主磁極是一種電磁鐵。主磁極的鐵芯用1-1.5毫米厚的鋼板沖片疊壓緊固而成。繞制好的勵磁繞組套在鐵芯外面，整個磁極用螺釘固定在機(jī)座上。各主磁極上的勵磁繞組聯(lián)接必須使通過勵磁電流時，相鄰磁極的極性呈N極和S極交替的排列。 b)換向極：又稱附加極或間極，其作用是用以改善換向。換向極裝在兩主磁極之間，它也是由鐵芯和繞組構(gòu)成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。c)機(jī)座：機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。它有兩個用處，一個是用來固定主磁極、換向極和端蓋；另一個用處是作為磁路的一部分。d)電刷裝置：電刷裝置是把直流電壓，直流電流引入或引出的裝置。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿座和銅絲

7、辯組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊在換向器上，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，彼此之間都市絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，調(diào)整位置以后，將它固定。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分： a)電樞鐵芯：電樞鐵芯也有兩個作用，一個是作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。電樞鐵芯由于和主磁場之間有相對運(yùn)動，為了減少鐵耗，通常用0.5毫米厚的硅鋼片的沖片疊壓而成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。 b)電樞繞組：電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電勢，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換的關(guān)鍵部件。 c）換向器：換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流電機(jī)中，它的作用是將電刷上的直流

8、電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交流電流，在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交流電勢轉(zhuǎn)化為電刷端上的直流電勢。換向器由許多換向片組成。換向片之間用云母絕緣。電樞繞組的每一個線圈兩端分別接在兩個換向片上。1.2 直流電機(jī)運(yùn)行原理1.2.1直流電機(jī)的勵磁方式 在直流電機(jī)中，由磁極的勵磁磁勢單獨(dú)建立的磁場是電機(jī)的主磁場，有時也稱為勵磁磁場。勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁勢而建立主磁場的問題。按勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為： 圖5 圖6 圖7 圖8 a) 他勵直流電機(jī) 他勵直流電機(jī)是一種勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源供電的直流電機(jī)，如圖5所示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)，因其主磁場與電

9、樞無關(guān)。b)并勵直流電機(jī) 并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖6所示。這種直流電機(jī)的勵磁繞組上所加的電壓就是電樞電路兩端的電壓。c)串勵直流電機(jī)串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖7所示。一般情況下，這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。d)復(fù)勵直流電機(jī) 這種直流電機(jī)的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞電路并聯(lián)（稱為并勵繞組），另一個和電樞電路串聯(lián)（稱為串勵繞組），如圖8所示。若串聯(lián)繞組產(chǎn)生的磁勢與并聯(lián)繞組產(chǎn)生的電磁勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。1.2.2 直流電機(jī)的基本方程式 直流電機(jī)運(yùn)行時，一方面電樞通過電流以后，在磁場的作用下，按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，另

10、一方面轉(zhuǎn)動的電樞回路切割氣隙磁場，則其中存在一種由旋轉(zhuǎn)而感應(yīng)的電勢，根據(jù)基爾霍夫定律，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的方程式為 U=Ea+RaIa Ea=Ce n =KfLfM=Cm ia其中 U電源電壓 Ea感應(yīng)電勢 Ra電樞繞組電阻 Ia電樞電流 Ce電勢常數(shù) 勵磁磁通道 If勵磁電流 n電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) Kf比例常數(shù) Cm轉(zhuǎn)矩常數(shù) M電磁轉(zhuǎn)矩1.3直流電動機(jī)機(jī)械特性直流電動機(jī)的機(jī)械特性是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系。根據(jù)基本方程式可以得到下式。U R n= M (1) Ce CeCm2其中R-電樞電路總電阻1.3.1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性 對于他勵直流電動機(jī)來講，在機(jī)械特性方程式（1）Ce、Cm、R、U為常數(shù)時

11、，即可畫出一條向下傾斜的直線如圖9，這條直線就是他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性。 由此特性可見，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而降低，這說明電動機(jī)一加負(fù)載，轉(zhuǎn)數(shù)會有一些降落。由于R很小，他勵電動機(jī)的機(jī)械特性比較硬，換句話說，就是他勵電動機(jī)在負(fù)載增加很大時，轉(zhuǎn)速下降并不大。從式（1）中我們可以看出，對于恒定的負(fù)載，電流電壓U越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，GE公司的他勵直流電機(jī)控制器就是通過改變電機(jī)電樞的電壓，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速的。 圖91.3.2 串勵直流電機(jī)的機(jī)械特性 對于串勵直流電機(jī)來講，其勵磁繞組和電樞串聯(lián)，因此電樞電流就是勵磁電流，也就是說磁通與電樞電流Ia成正比。機(jī)械特性方程式（1）變?yōu)榉匠淌剑?）. U R N=

12、 (2) CeIa Ce 其中R-電樞電路總電阻 Ce=CeKf由此特性可見，負(fù)載較大時，Ia及M較大，磁路飽和，此時串勵電動機(jī)的機(jī)械特性方程式與他勵電動機(jī)相似，機(jī)械特性近似直線，但轉(zhuǎn)速比較低。當(dāng)空載時，Ia比較小，變得比較小，串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，一般會達(dá)到5-6倍的額定轉(zhuǎn)速，這會造成電機(jī)的損壞。因此，串勵電動機(jī)不容許空載運(yùn)行。從式（2）中我們可以看出，對于恒定的負(fù)載，電源電壓U越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，GE公司的串勵直流電機(jī)控制器就是通過改變電機(jī)電樞上的電壓，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速的。 1.3.3 復(fù)勵直流電機(jī)的機(jī)械特性 復(fù)勵直流電機(jī)有兩個勵磁繞組：一個串勵繞組CQ，另一個是他勵繞組TQ，兩個繞組的

13、勵磁磁勢方向一般是相同的，即是所謂積復(fù)勵接法。 復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性介乎他勵和串勵電動機(jī)之間。當(dāng)他勵繞組磁勢起主要作用時，特性接近于他勵電動機(jī)。當(dāng)串勵繞組磁勢起主要作時，特性接近于串勵電動機(jī)。1.4 直流電機(jī)的起動、制動和調(diào)速 下面簡單介紹一下直流電動機(jī)的起動、制動和調(diào)速。具體控制器如何控制直流電動機(jī)的起動、制動和調(diào)速，詳見控制器說明部分。1.4.1 直流電動機(jī)的起動 直流電動機(jī)起動時，必須先保證有磁場，而后加電樞電壓。當(dāng)忽略電樞電感時，根據(jù)直流電機(jī)的基本方程式，可得下式： UEaIa= Ra剛起動時，轉(zhuǎn)速n=0,Ea=-0,電動機(jī)的電樞繞組電阻Ra很小，如直接加額定電壓起動，Ia可能突增到額

14、定電流的十多倍。這樣，電動機(jī)會產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，而且與電流成正比的轉(zhuǎn)矩將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)。為此在起動時必須設(shè)法限制電樞電流。為了限制起動電流，往往采用降壓起動的方法。起動時，電壓U比較低，電流Ia不大；隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高。反電勢Ea也逐漸增長，但此時電壓U也在人為的不斷升高，U與Ea的差值使電流仍可保持在允許的數(shù)值范圍以內(nèi)。1.4.2 直流電動機(jī)的制動 直流電動機(jī)的電氣制動方法有三種：能耗制動、反接制動、再生制動。下面以他勵電動機(jī)為例作以介紹。a) 能耗制動 電動狀態(tài) 能耗制動 如上圖，在電動狀態(tài)時，各參數(shù)的方向均為正方向。制動時，磁場保持不變，常開觸點(diǎn)C斷開，電樞脫離電源，同時常閉觸點(diǎn)C

15、把電樞接到制動電阻Rz上。開始制動時，由于慣性，轉(zhuǎn)速n存在且轉(zhuǎn)向與電動狀態(tài)時相同，因此電樞具有感應(yīng)電勢Ea，其方向亦與電動狀態(tài)時相同。此時Ea產(chǎn)生電流Ia，其方向與Ea相同，而與電動狀態(tài)時相反。由于磁場方向未變而電流Ia反向，轉(zhuǎn)矩M也與電動狀態(tài)時相反，因此M與n的方向相反，此時為制動狀態(tài)，M為制動轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)較快地減速。制動過程中，電機(jī)靠系統(tǒng)的動能發(fā)電，把動能變成電能消耗在電樞電路內(nèi)的電阻上，因此稱之為能耗制動。 b) 反接制動 如上圖，在電動狀態(tài)時，各參數(shù)的方向均為正方向。制動時，勵磁繞組反接，磁場方向改變，由于慣性，轉(zhuǎn)速n存在且轉(zhuǎn)向與電動狀態(tài)時相同，因此電樞具有感應(yīng)電勢Ea其方向與電動狀態(tài)

16、時相反。由于磁場方向改變而電流Ia方向未變，因此M與n的方向相反，此時為制動狀態(tài)，M為制動轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)較快地減速。制動過程中，電機(jī)靠系統(tǒng)的動能發(fā)電和電源電壓的共同作用，把動能變成電能消耗在電樞電路內(nèi)的電阻上，由于反接勵磁繞組進(jìn)行制動，故稱反接制動。 電動狀態(tài) 反接制動 反向電動狀態(tài) 如果反接制動使電機(jī)n=0，不斷開電源電壓，那么電機(jī)就進(jìn)入反向電動狀態(tài)。這一點(diǎn)在使用反接制動時要注意c)再生制動 如上圖，再生制動與反接制動類似，只不過是在反接制動過程中，如果感應(yīng)電勢Ea大于電源電壓U時，斷開常開觸點(diǎn)C，同時常閉觸點(diǎn)C把電樞感應(yīng)電勢與電源并聯(lián)，對電源進(jìn)行充電。制動過程中，電機(jī)靠系統(tǒng)的動能發(fā)電，把動能

17、變成電能一部分消耗在電樞電路內(nèi)的電阻上，另一部分回饋電源，因此稱之為再生制動（或稱回饋制動）。1.5直流電機(jī)的可逆性 直流電機(jī)的可逆性是指一臺直流電機(jī)既可作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。只是外界的條件不同而已。直流發(fā)電機(jī)的工作原理見圖10.圖10.如圖10的簡易裝置中，電刷上不加直流電壓，用原動機(jī)拖動電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而感應(yīng)出電勢，電勢方向按右手定則決定。由于電樞連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。線圈邊ab和cd交替地切割N極和S極下的磁力線。每個線圈邊和整個線圈中的感應(yīng)電勢的方向是交變的，線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢是交流電勢，而在電刷A、B端的電勢卻為直流電勢（說的

18、確切一些，是方向不變的脈振電勢）。因此在電樞轉(zhuǎn)動過程中，無論電樞轉(zhuǎn)到什么位置時，由于換向器的換向作用，電刷A通過換向片所引出的電勢始終時切割N極磁力線的線圈邊的電勢，因此電刷A始終有正極性。同樣道理，電刷B始終有負(fù)極性，所以電刷端能引出方向不變的，但大小變化的脈振磁勢。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。同時也說明了直流發(fā)電機(jī)實(shí)質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機(jī)。 在直流電動機(jī)的反接制動和再生制動中，就利用了直流電機(jī)的可逆性，在制動過程中，直流電動機(jī)變?yōu)橹绷靼l(fā)電機(jī)使用。1.6 直流電機(jī)銘牌額定數(shù)據(jù) 每臺直流電機(jī)的機(jī)座上都有一個銘牌，上面標(biāo)注有一些叫做額定值的銘牌數(shù)據(jù)。額定值是電機(jī)制造廠對電機(jī)正常運(yùn)行時，對有關(guān)的電量或機(jī)械量所規(guī)定的數(shù)據(jù)。若電機(jī)運(yùn)行時，這些電量和機(jī)械量都符合額定值，這