文档介绍：直流电动机调速系统设计
直流电动机
直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械。直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它与交流电动机(如三相异步电动机)相比,虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等,目前已不如交流电动机应用普遍,但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩,得到广泛应用。本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍。
下图为直流电动机的结构原理图,图中的N和S是一对固定不动的磁极,
用以产生所需要的磁场。容量较大一些的电机,磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生。为了清晰,图中只画出了磁极的铁心,没有画出励磁绕组。在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组。直流电机这部分称为电枢,而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内,电枢绕组的电流称为电枢电流。
线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接,铜片上有各压着一个固定不动的电刷。
在直流电动机中,为了产生方向始终如一的电磁转矩,外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流,这一过程称为电流的换向。换向的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。
图1:直流电动机原理图

直流电动机的结构与工作原理

直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成。
(1)磁极。
磁极是电动机中产生磁场的装置,如图2所示。它分成极心1和极掌2两部分。极心上放置励磁绕组3,极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适,并用来挡住励磁绕组;磁极是用钢片叠成的,固定在机座4(即电机外壳)上,机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。
图2直流电动机的磁极及磁路
1-极心 2-极掌 3-励磁绕组 4-机座
(2)电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的,电枢铁心呈圆柱状,由硅钢片组成,表面冲有槽,槽中放有电枢绕组。
(3)换向器(整流子)。换向器是直流电动机的一种特殊装置,其外形如图3所示,主要由许多换向片组成,每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷,使转动的电枢绕组得以同外电路联结。
换向器是直流电动机的结构特征,易于识别。
图3:换向器
1—换向片 2—连接部分
图4 直流电机装配结构图
图5 直流电机纵向剖视图
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极
6
—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电动机的工作原理
图6 直流电动机原理图
图6是直流电动机的示意图。若在A、B之间外加一个直流电压,A接电源正极,B接负极,则线圈中有电流流过。当线圈处于图5所示位置时,有效边ab在N极下,cd在s极上,两边中的电流方向为a→b,c→d。由安培定律可知,ab边和cd边所受的电磁力为:
F=BIL
式中,I为导线中的电流,单位为安(A)。根据左手定则知,两个F的方向相反,如图6所示,形成电磁转矩,驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时,cd边处于N极下,ab边处于S极上。由于换向器的作用,使两有效边中电流的方向与原来相反,变为d→c、b→a,这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变,因而其受力方向、电磁转矩方向都不变。
由此可见,正是由于直流电动机采用了换向器结构,使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变,在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转,即由电动机向机械负载输出机械功率。
在直流电动机中,除了必须给电枢绕组外接直流电源外,还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电,也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同,直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式。由于励磁方式不同,它们的特性也不用。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电,如图7所示。他励电动机由于采用单独的励磁电源,设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽,多用于主机拖动中。
图7 他励电动机
他励直流电动机的调速
与交流电动机相比,直流电动机具有较好的调速性能,它能在宽广的范围内平滑而经济的调速,因此多用于调速要求较高的场合。
根据直流电动机调速公式n=
可见,当电枢电流不变时(即负载不变),只要在电枢电压U、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中,任意改变一个,都能引起转速的变化。因此,他励直流电动机可以有三种调速方法。
为了评价各种调速方法的优缺点,对对调速方法提出了一定的技术经济指标,通常称为调速指标。下面下面对调速指标做一简要说明。

(1)调速范围
调速范围是只指电动机在额定负载下