电机拖动课程设计--直流电机调速系统的设计

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1、设计名称：直流电机调速系统的设计 - 1 - 一、 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

2、 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 设计名称：直流电机调速系统的设计 - 2 - 二、 直流电动机的结构

3、与工作原理 2.1 直流电动机的结构 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

4、）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。 设计名称：直流电机调速系统的设计 - 3 - 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 设计名称：直流电机调速系统的设计 - 4 - 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 2.2 直流电动机的工作原理 U + - A B N S I I F F C

5、 a b d 图 6 直流电动机原理图 设计名称：直流电机调速系统的设计 - 5 - 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 ab，cd。由安培定律可知， ab 边和 cd 边所受的电磁力为： F=BILF=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

6、 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 dc、ba，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。 M If UfU 图 7 他励电动机 设计名称：直流电机调速系统的设计 - 6 - 三、 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