《電機(jī)學(xué)直流電機(jī)》課件

直流電機(jī)基礎(chǔ)直流電機(jī)是電氣工程領(lǐng)域中最常見和重要的電機(jī)類型之一。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、家電等各個(gè)領(lǐng)域,是電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的關(guān)鍵部件。了解直流電機(jī)的基本原理和特性是電機(jī)學(xué)的核心知識(shí)。課程目標(biāo)與內(nèi)容簡(jiǎn)介學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、特性曲線及應(yīng)用分析。課程內(nèi)容包括直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、磁路分析、特性方程、損耗與效率、勵(lì)磁方式等。實(shí)踐應(yīng)用通過(guò)案例分析,掌握直流電機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)速及維護(hù)等實(shí)際應(yīng)用技能。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子和勵(lì)磁系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)子通過(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng),與定子的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。工作原理根據(jù)洛倫茲定律,當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與定子的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。整流原理直流電機(jī)通過(guò)換向裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,使轉(zhuǎn)子始終保持同一方向的旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的磁路分析1磁路分析理解電機(jī)磁路的結(jié)構(gòu)和工作原理2磁場(chǎng)分布分析電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布狀況3磁感通量計(jì)算電機(jī)中的磁感通量4磁導(dǎo)率研究電機(jī)材料的磁導(dǎo)率特性直流電機(jī)的工作原理離不開其內(nèi)部的磁路結(jié)構(gòu)。通過(guò)詳細(xì)分析電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布,可以更深入地理解電機(jī)的工作原理,為后續(xù)的電路分析、性能計(jì)算等提供必要的基礎(chǔ)。直流電機(jī)的電路方程直流電機(jī)的電路方程描述了電機(jī)內(nèi)部電路的行為。這包括電源電壓、電樞電流、電樞電阻和電樞電感等參數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)建立電路方程，可以更好地分析和預(yù)測(cè)直流電機(jī)的工作特性。電源電壓U電樞電阻Ra電樞電流Ia電樞電感La反電動(dòng)勢(shì)E電樞轉(zhuǎn)速n電樞磁鏈Ψa極對(duì)數(shù)p直流電機(jī)的電壓方程直流電機(jī)的電壓方程描述了電機(jī)端子電壓與電流、磁通量等電機(jī)內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系。該方程可用于分析電機(jī)的性能特性并指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)。根據(jù)電機(jī)的電壓方程U=Ia+L(dI/dt)+ωNΦ,可以分析出電機(jī)的性能并指導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程T轉(zhuǎn)矩描述電機(jī)提供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Kb反電勢(shì)常數(shù)與電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和繞組參數(shù)有關(guān)I電流流經(jīng)定子繞組的電流P功率電機(jī)輸出的機(jī)械功率直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程是T=Kb*I，描述了轉(zhuǎn)矩與電流的線性關(guān)系。轉(zhuǎn)矩的大小由反電勢(shì)常數(shù)Kb和定子電流I共同決定。通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的有效控制。直流電機(jī)的功率方程輸入功率Pi=Ua*Ia輸出功率Po=Te*ω電機(jī)損耗Ploss=Pi-Po效率η=Po/Pi=(Te*ω)/(Ua*Ia)直流電機(jī)的輸入功率是電壓和電流的乘積。輸出功率則是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。通過(guò)這些功率方程，可以全面分析電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換情況。直流電機(jī)的效率電磁損耗電刷損耗銅損耗機(jī)械損耗從效率損耗的角度來(lái)看，直流電機(jī)主要有電磁損耗、電刷損耗、銅損耗以及機(jī)械損耗等四大損耗。其中電磁損耗占比最大，達(dá)到40%左右，是直流電機(jī)效率損耗的主要因素。直流電機(jī)的磁飽和及其影響磁飽和概念當(dāng)電機(jī)電磁鐵的電流足夠大時(shí),鐵磁體會(huì)達(dá)到磁飽和狀態(tài),磁通量無(wú)法繼續(xù)增加。這會(huì)影響電機(jī)的性能。飽和的影響磁飽和會(huì)降低電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩輸出,增加電機(jī)的發(fā)熱和漏磁。控制飽和是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要考慮。應(yīng)對(duì)措施通過(guò)優(yōu)化電磁鐵的材料和結(jié)構(gòu),合理控制電流,可以減小磁飽和的影響,提高電機(jī)性能。直流電機(jī)的電刷問(wèn)題電刷的作用電刷是直流電機(jī)中極其重要的一個(gè)部件,其主要作用是將轉(zhuǎn)子繞組中的交流電流集電轉(zhuǎn)換為直流電流,并傳輸給外部電路。電刷還能夠保持良好的接觸和低電阻,保證電機(jī)的高效運(yùn)行。電刷問(wèn)題及其影響電刷可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)度磨損、打火、火花等問(wèn)題,這些問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的性能和使用壽命。電刷問(wèn)題還可能導(dǎo)致電機(jī)效率下降、過(guò)熱、振動(dòng)等情況。因此電刷的設(shè)計(jì)和維護(hù)至關(guān)重要。齒形感應(yīng)直流電機(jī)齒形感應(yīng)直流電機(jī)是一種特殊的直流電機(jī)結(jié)構(gòu),通過(guò)利用鐵芯上的槽齒產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勵(lì)磁,無(wú)需獨(dú)立的勵(lì)磁繞組。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高,廣泛應(yīng)用于小型電機(jī)及伺服系統(tǒng)中。齒形感應(yīng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用沖壓槽齒結(jié)構(gòu),磁場(chǎng)繞組位于定子上。電流通過(guò)定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng),與轉(zhuǎn)子鐵芯的槽齒相互作用,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)是一種中高速、中大功率電機(jī),它借助電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)直流供電而無(wú)需機(jī)械換向器和集電刷。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功率密度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、噪音低、維護(hù)方便的特點(diǎn),使得它在工業(yè)自動(dòng)化、家電、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn)包括高效率、長(zhǎng)壽命、低噪音、可變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等,可廣泛應(yīng)用于各種變頻調(diào)速裝置。其結(jié)構(gòu)與交流異步電機(jī)類似,但取消了換向裝置和集電刷,通過(guò)電子換向器實(shí)現(xiàn)。直流電機(jī)的啟動(dòng)電機(jī)斷電啟動(dòng)直流電機(jī)斷電后靜止，需要通過(guò)供電啟動(dòng)。通過(guò)對(duì)電機(jī)的定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組施加電壓可以產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。限流啟動(dòng)為了避免啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)吸收過(guò)大的電流而損壞電路，通常在電路中加入限流電阻或限流電抗。星三角啟動(dòng)對(duì)于大功率直流電機(jī)，可以采用星三角換接法來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)。先采用星形連接減小啟動(dòng)電流,然后切換到三角形連接。直流電機(jī)的調(diào)速1電壓調(diào)速通過(guò)改變電機(jī)的供電電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,既能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速,也易于控制。2電阻調(diào)速串聯(lián)電阻可降低電機(jī)的電壓,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,但會(huì)增加電耗和發(fā)熱。3PWM調(diào)速利用脈寬調(diào)制技術(shù),可精準(zhǔn)控制電機(jī)的平均供電電壓,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。直流電機(jī)的調(diào)速方法1電壓調(diào)節(jié)法通過(guò)控制直流電機(jī)的輸入電壓大小來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這是最簡(jiǎn)單有效的調(diào)速方法。2電阻調(diào)節(jié)法通過(guò)在電機(jī)電路中串聯(lián)可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)電流,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3字段調(diào)節(jié)法利用電機(jī)字段繞組電流的調(diào)節(jié)來(lái)改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,達(dá)到調(diào)速的目的。4功率電子調(diào)速法采用功率電子開關(guān)設(shè)備如晶閘管、IGBT等,通過(guò)控制電源的頻率和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流電機(jī)的特性曲線轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載扭矩的變化顯示出一條下降特性曲線,體現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速能力。轉(zhuǎn)速-電流特性直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電流的增加而增加,表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。這反映了電機(jī)的調(diào)速機(jī)理。效率-轉(zhuǎn)矩特性直流電機(jī)在不同負(fù)載下會(huì)表現(xiàn)出不同的效率特性,通常在中負(fù)載區(qū)達(dá)到最高效率。轉(zhuǎn)矩-電流特性直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流呈線性關(guān)系,這為電機(jī)的控制提供了依據(jù)。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式串勵(lì)電機(jī)磁場(chǎng)線圈與電機(jī)電路串聯(lián),功率大,轉(zhuǎn)矩大,且轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化。并勵(lì)電機(jī)磁場(chǎng)線圈與電機(jī)電路并聯(lián),轉(zhuǎn)速基本恒定,功率小,常用于精密調(diào)速。分勵(lì)電機(jī)磁場(chǎng)線圈由獨(dú)立電源供電,更加靈活可控,適用于精密調(diào)速場(chǎng)合。串勵(lì)直流電機(jī)磁場(chǎng)源獨(dú)立串勵(lì)直流電機(jī)的磁場(chǎng)由獨(dú)立的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生,不依賴于電機(jī)本身的電樞電流。強(qiáng)大起動(dòng)力矩由于串勵(lì)機(jī)的磁場(chǎng)隨負(fù)載電流增大而增大,因此具有強(qiáng)大的起動(dòng)力矩。特性曲線陡峭串勵(lì)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線較陡峭,適用于需要大起動(dòng)力矩的場(chǎng)合。不適合恒速運(yùn)行串勵(lì)機(jī)在負(fù)載變化大時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,不適合恒速運(yùn)行。并勵(lì)直流電機(jī)獨(dú)立勵(lì)磁并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁電路獨(dú)立于主電路,可以獨(dú)立控制。這種結(jié)構(gòu)更加靈活,適用于大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。高轉(zhuǎn)矩并勵(lì)直流電機(jī)可以提供較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,適用于需要大力矩的場(chǎng)合,如起重機(jī)和電梯等。調(diào)速范圍廣并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)廣泛調(diào)節(jié),適用于需要寬調(diào)速范圍的場(chǎng)合。穩(wěn)定性強(qiáng)并勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化小,適用于需要高穩(wěn)定性的場(chǎng)合,如數(shù)控機(jī)床等。分勵(lì)直流電機(jī)定義分勵(lì)直流電機(jī)是一種獨(dú)立勵(lì)磁的直流電機(jī),其勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互獨(dú)立,可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)使電樞電流和勵(lì)磁電流可以獨(dú)立控制。優(yōu)點(diǎn)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)電樞電流和勵(lì)磁電流具有良好的調(diào)速性能轉(zhuǎn)矩特性平穩(wěn),適合精密驅(qū)動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)寬范圍的速度調(diào)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)景分勵(lì)直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于精密儀器儀表、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電梯等對(duì)速度和轉(zhuǎn)矩有特殊要求的場(chǎng)合?？刂品绞酵ㄟ^(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)電樞電路和勵(lì)磁電路,可實(shí)現(xiàn)分別調(diào)整電樞電流和勵(lì)磁電流,從而實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)速性能。直流電機(jī)的負(fù)載特性95%效率直流電機(jī)在滿載時(shí)可達(dá)95%的高效率4四象限直流電機(jī)可在四個(gè)工作象限中自由運(yùn)行50扭矩百分比直流電機(jī)可在額定功率下提供150%的瞬時(shí)過(guò)載扭矩四象限工作的直流電機(jī)1正轉(zhuǎn)正負(fù)載正常工作狀態(tài)下的直流電機(jī)2正轉(zhuǎn)負(fù)負(fù)載制動(dòng)狀態(tài)下的直流電機(jī)3反轉(zhuǎn)正負(fù)載反向工作狀態(tài)下的直流電機(jī)4反轉(zhuǎn)負(fù)負(fù)載反向制動(dòng)狀態(tài)下的直流電機(jī)直流電機(jī)可以在四個(gè)工作象限中任意切換,靈活應(yīng)對(duì)不同的工作需求。這種四象限工作特性是直流電機(jī)的一大優(yōu)勢(shì),有利于實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制。直流電機(jī)的熱特性溫升特性直流電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,溫升特性反映了電機(jī)各部位的溫度變化規(guī)律。合理的溫升設(shè)計(jì)可確保電機(jī)安全可靠運(yùn)行。散熱設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化電機(jī)外殼和散熱片的設(shè)計(jì),可有效提高熱量的散發(fā)能力,確保電機(jī)在各種工況下不會(huì)過(guò)熱損壞。絕緣等級(jí)選擇合適的絕緣材料和工藝是保證電機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,不同應(yīng)用場(chǎng)景需要選擇不同的絕緣等級(jí)。電機(jī)壽命合理的熱設(shè)計(jì)可延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命,減少維護(hù)成本,提高設(shè)備可靠性。直流電機(jī)的損耗及熱分析內(nèi)部損耗直流電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生鐵損、銅損和其他附加損耗,這些損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量,需要進(jìn)行熱分析。散熱裝置通過(guò)合理的散熱裝置設(shè)計(jì),如風(fēng)扇、葉片等,可以有效地將電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量從機(jī)體中帶走。溫升分析電機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)溫升,需要分析其溫升特性,確保電機(jī)在允許的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。直流電機(jī)的通風(fēng)冷卻強(qiáng)制通風(fēng)通過(guò)電機(jī)外殼內(nèi)的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)冷卻。散熱片在電機(jī)外殼上設(shè)有散熱片,增加電機(jī)的散熱面積。自然對(duì)流電機(jī)外殼設(shè)有出入風(fēng)孔,依靠熱量引起的自然對(duì)流進(jìn)行散熱。直流電機(jī)的絕緣絕緣材料的選擇直流電機(jī)的絕緣材料應(yīng)具有良好的絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。常用的絕緣材料有絕緣紙、絕緣漆、絕緣膠等。繞組絕緣電機(jī)定子繞組需要進(jìn)行可靠的繞組絕緣,包括線圈絕緣、層間絕緣和端部絕緣。絕緣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電壓分布、溫升和振動(dòng)等因素。定子鐵芯絕緣定子鐵芯上的絕緣應(yīng)能有效防止電磁感應(yīng)電流的產(chǎn)生,常用的絕緣材料有絕緣漆和絕緣紙。定子鐵芯絕緣需考慮鐵芯鐵損和功率損耗。機(jī)械部件絕緣電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸承、軸承座等機(jī)械部件也需要絕緣處理,以防止接地短路和靜電干擾。絕緣材料需要具備良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性。直流電機(jī)的安裝及維護(hù)1安裝位置選擇良好的安裝環(huán)境,避免潮濕、粉塵和振動(dòng)等不利因素,以確保電機(jī)運(yùn)行可靠。2校準(zhǔn)調(diào)試仔細(xì)檢查接線,確保各接點(diǎn)接觸良好。調(diào)試電機(jī)的啟動(dòng)、負(fù)載、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)。3定期維護(hù)定期檢查電機(jī)繞組、軸承、電刷等關(guān)鍵部件,及時(shí)清潔并補(bǔ)充潤(rùn)滑油,延長(zhǎng)使用壽命。直流電機(jī)的應(yīng)用1電動(dòng)工具直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電鉆、電錘、電鋸等電動(dòng)工具中,為工具提供強(qiáng)大的動(dòng)力。2工業(yè)自動(dòng)化在工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線上,直流電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械裝置,實(shí)現(xiàn)高精度、高效的制造過(guò)程。3交通運(yùn)輸直流電機(jī)是電動(dòng)車、電梯、電梯等交通工具和設(shè)備的主要?jiǎng)恿?lái)源。4醫(yī)療設(shè)備直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備,如手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)輔助裝置等,提高了醫(yī)療效率和精準(zhǔn)度。典型直流電機(jī)案例分析我們將分析三個(gè)典型的直流