項目七：軋鋼機電動機的調速控制4123直流電機的工作原理與基本結構他勵直流電動機的起動與反轉他勵直流電動機的制動控制他勵直流電動機的調速控制5直流電動機的方程式和機械特性項目情境描述軋鋼機是一種將熱的金屬（主要是鋼坯）重復通過軋輥以輾軋成形的機器，簡稱軋機。兩輥式軋機的基本結構圖軋輥是一套兩個或兩個以上的有關聯的輥子。按軋輥的數目不同，軋鋼機可分為兩輥式、三輥式、四輥式和多輥式。軋鋼機由軋鋼機械和傳動機構組成。軋鋼機械主要包括主機和輔機兩大部分。傳動機構包括齒輪機座、減速機、飛輪、聯軸器、萬向節等。項目情境描述◆軋鋼機的工藝流程從煉鋼廠出來的鋼坯是由鋼錠軋制成的半成品，形狀比較簡單，經過軋鋼廠的軋制以后，才能成為合格產品。1.熱軋工藝熱軋：從煉鋼廠送來的連鑄坯（厚度為150～250mm），被送入加熱爐加熱、除磷，然后通過輥道送入軋機，經過初軋機反復軋制之后，再進入精軋機（由7架4輥式軋機組成）進行軋制。熱軋后的鋼軌分為鋼卷和錠式板兩種，厚度一般為幾毫米。如果用戶要求鋼板更薄，還要經過冷軋。軋鋼機的壓軋工藝流程分熱軋和冷軋兩步。項目情境描述2.冷軋工藝從熱軋廠送來的鋼卷，先用鹽酸除去氧化膜，然后才能送到冷軋機上，由開卷機將鋼卷打開，再將鋼帶引入五機架連軋機軋成薄帶卷。冷軋產品主要有普通冷軋板、涂鍍層板也就是鍍錫板、鍍鋅板和彩涂板。一、直流電機簡介1.直流電機的定義任務1.直流電機的工作原理與基本結構與交流電機一樣，直流電機的工作也遵循“導體切割磁力線產生感應電動勢”“載流導體在磁場中會受到電磁力的作用”，這兩條基本物理原理。直流電機是通產生或者使用直流電的旋轉電機，是電能和機械能相互轉換的設備。將機械能轉換為電能的是直流發電機；將電能轉換為機械能的是直流電動機。2.直流電機的特點（與交流電機相比）●直流電機的缺點調速性能好，起動轉矩大，過載能力強。運行性能好，能提供無脈動的大功率直流電源，輸出電壓可以精確調節和控制。1）制造工藝復雜，消耗有色金屬較多，生產成本高。2）運行時電刷和換向器之間容易產生火花，工作可靠性較差，維護比較困難?！裰绷麟妱訖C的優點●直流發電機的優點3.直流電機的應用在調速性能要求不高的領域，直流電機已逐漸被交流變頻調速系統所取代。在某些要求調速范圍大、調速性能好、精密度高、控制性能優越的場合，直流電機的應用仍占有較大的比重?！裰绷麟妱訖C的應用：大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、電力機車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械等?！裰绷靼l電機的應用：化學工業中所需的低電壓大電流直流電源、直流電焊機電源等。直流電機的應用，遠不如交流電機廣泛。二、直流電機的基本結構氣隙轉子定子1-機座2-主磁極3-轉軸

4-電樞鐵心

5-換向磁極6-電樞繞組7-換向器8-電刷二、直流電機的基本結構定子結構示意圖由機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置、端蓋等組成。直流電機的機座和端蓋，與交流電機的機座和端蓋基本相同。電刷裝置前端蓋后端蓋二、直流電機的基本結構1.直流電機的定子主磁極結構示意圖主磁極通常由螺桿固定在機座上，N、S兩極成對出現?！裰鞔艠O主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成。勵磁繞組通入直流電，就產生了N、S磁極。NS

定子結構簡圖+-1.直流電機的定子換向極是直流電機所特有的小磁極，位于兩個主磁極之間，包括鐵心和繞組兩部分。當直流電機的功率很小時，換向極可以減少到主磁極極數的一半，甚至可以不裝換向極。換向極繞組與電樞繞組串聯，在電機運行時產生附加磁場，能減小電刷與換向片之間的火花，改善換向性能?！駬Q向磁極1.直流電機的定子●電刷裝置交流電機沒有電刷裝置，直流電機才有。電刷裝置由電刷座、電刷盒、刷辮、壓簧等組成。1.直流電機的定子三相繞線轉子異步電動機轉子繞組連接的電刷與此并不相同。●電刷裝置電刷是用石墨等做成的導電塊，放在刷握內，由彈簧壓指壓緊在換向器上。電樞繞組通過換向器和電刷裝置與外電路相連。電刷結構圖1.直流電機的定子直流電機的轉子也稱為電樞，電樞槽內放置電樞繞組。由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。電樞繞組是實現機電能量轉換的樞紐。小型電機的電樞繞組通常是銅導線。大中型電機的電樞繞組多是成型線圈。與交流電機相比，直流電機的轉子上多了個換向器。2.直流電機的轉子電樞鐵心由許多0.5mm厚的硅鋼片沖壓成，各個硅鋼片相互絕緣。電樞硅鋼片電樞鐵心的外圓周上均勻開設了許多形狀相同的槽，這些槽用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心內部開有一些與轉軸平行的孔，稱為軸向通風孔，專門用來散熱。2.直流電機的轉子換向器剖面圖1-螺旋壓圈2-換向器套筒

3-V形壓圈4-V形云母環

5-換向銅片6-云母片2.直流電機的轉子換向器又稱整流子，由所有換向片組合而成。制作換向器的材質通常是紫銅或銅合金，導電性能好，又比較耐磨。直流電機在工作時，換向器和電刷不斷相互摩擦，很容易磨損，磨損嚴重就要更換。換向器和電刷是日常維護和檢修的重要部位。3.直流電機的總結構圖直流電機結構圖1-直流電機總成2-后端蓋3-通風器4-定子總成5-轉子（電樞）總成6-電刷裝置7-前端蓋3.直流電機的總結構圖主磁極固定不動，通常用N、S來表示。主磁極可以由永久磁鐵制成。不過，生產實際中的直流電機通常在磁極鐵心上纏繞勵磁繞組，在勵磁繞組中通入直流電，使之產生磁場。物理模型實物簡化NS三、直流電機的物理模型轉子通常又稱為電樞。它是由鐵磁性物質構成的圓柱體，安裝在主磁極之間。電樞外表面的槽中嵌放著電樞線圈。如果有足夠大的轉矩作用在電樞上，電樞就會帶著電樞線圈在主磁極之間旋轉。NS三、直流電機的物理模型換向片1和2是半圓形的銅環，分別連接在電樞線圈的兩端，能隨電樞旋轉。兩個換向片彼此絕緣。電刷A和B固定不動。電刷和換向片緊密接觸，形成電樞電流和外電路的通路。三、直流電機的物理模型NS四、直流發電機的工作原理1）勵磁繞組通入直流電，產生靜止的、恒定的磁場。1.直流發電機的工作條件SN兩個條件缺一不可：2）原動機拖動電樞，以恒定的轉向、恒定的轉速旋轉。給直流發電機的電刷兩端接上負載，并用原動機帶動電樞逆時針旋轉。電樞導體切割磁力線，在電樞線圈中產生感應電動勢與感應電流。圖a導體ab處于N極下當電樞導體ab處于N極下、cd處于S極下時，用右手定則可判定ab中的感應電流方向由b指向a，cd中的感應電流方向由d指向c，整個電樞線圈中的感應電流為逆時針方向。感應電流自換向片1流經電刷A，流向外電路，再經電刷B和換向片2回流到電樞線圈中。對外電路而言，電刷A為正極性，電刷B為負極性。2.直流發電機的工作原理分析直流發電機物理模型

當電樞轉過180°，導體ab處于S極下、cd處于N極下時（圖b），用右手定則判定電樞線圈中的感應電流仍為逆時針方向。感應電流自換向片2流經電刷A，流向外電路，再經過電刷B和換向片1，回流到電樞線圈中。圖b導體cd處于N極下對外電路而言，電刷A仍為正極性，電刷B仍為負極性。2.直流發電機的工作原理分析圖a導體ab處于N極下圖1假想起點圖2和圖4：導體ab和cd位于磁場的物理中性面上，導體運動方向與磁力線平行，不切割磁力線，不產生感應電動勢，電壓表的指針指在0位，無偏轉。圖1：電樞導體ab處于N極下、cd處于S極下，電壓表的指針向下偏轉。圖3：電樞導體cd處于N極下、ab處于S極下，電壓表的指針向上偏轉。圖2轉過90°

圖3轉過180°

圖4轉過270°

直流發電機電樞旋轉過程分解圖電壓表結論：電樞導體中產生的感應電動勢的方向是變化的！2.直流發電機的工作原理分析電刷A、B兩端輸出的是直流電動勢。電樞導體ab和cd中流過的是交變的感應電流。位于N極下的導體電流，總是由線圈流入換向片，再流入電刷A，A的極性總為正；位于S極下的導體電流，總是由電刷B流入換向片，再流入線圈，電刷B的極性總為負。直流發電機物理模型

2.直流發電機的工作原理分析圖b導體cd處于N極下圖a導體ab處于N極下實際電機有多個位于不同角度的電樞線圈，不用擔心有導體位于磁場的物理中性面上時，發電機會斷流。NSNS-E+-E+如果原動機帶動電樞順時針旋轉，則電樞線圈中的電流順時針流動，電刷A的極性總為負，電刷B的極性總為正。ABAB2121FFFF電樞線圈里有電流，在磁場中就會受到電磁力的作用。該電磁力與原動機的作用力方向相反，其數值較小，改變不了電樞的轉向。2.直流發電機的工作原理分析電刷AB兩端極性恒定，輸出直流電原動機帶動

電樞旋轉電樞繞組中產生交變的感應電動勢和感應電流電樞在定子磁場中受到電磁轉矩的作用被克服（做功）Φ換向Φ阻轉矩3.直流發電機的電磁關系1.直流電動機的工作條件兩個條件缺一不可：1）勵磁繞組通入直流電，產生靜止的、恒定的磁場。2）在電刷AB兩端接上直流電源。S+-N五、直流電動機的工作原理當導體ab處于N極下、cd處于S極下時，ab中的電流由a流向b，cd中的電流由c流向d，整個線圈中的電流順時針流動。2.直流電動機的工作原理分析電刷AB接直流電源：A接正極，B接負極。圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉用左手定則判定：導體ab受力方向從右向左；導體cd受力方向從左向右，形成逆時針方向的電磁轉矩，帶動電樞逆時針旋轉。當電樞轉過90°，使導體ab和cd位于磁場的物理中性面上時，換向片1和2與電刷A和B都接觸，電樞線圈被短路，其中無電流，電磁轉矩消失。圖b導體ab和cd位于物理中性面上時，線圈中無電流，電樞因慣性旋轉圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉在機械慣性作用下，電樞仍能轉過一個角度，使電刷A與換向片2接觸、電刷B與換向片1接觸。2.直流電動機的工作原理分析圖c導體ab處于S極下時，電樞逆時針旋轉當電樞轉到90°~180°之間，電刷A與換向片2接觸，電刷B與換向片1接觸，則導體ab和cd中的電流都反向，但是整個電樞線圈中的電流流向仍為順時針。用左手定則可判定：電樞仍然受到逆時針方向的電磁轉矩作用，電樞繼續逆時針旋轉。圖a導體ab處于N極下時，電樞逆時針旋轉2.直流電動機的工作原理分析直流電動機電刷兩端接入的是直流電源，經過換向片和電刷流到電樞線圈中的電流，卻是交變的。在恒定的勵磁磁場作用下，位于N極下的電樞導體受力方向始終不變，位于S極下的電樞導體受力方向也始終不變。直流電動機工作過程分解圖2.直流電動機的工作原理分析圖a圖c圖b圖d實際電機有多個位于不同角度的電樞線圈，它們產生的電磁轉矩方向始終不變，能夠帶動電樞朝某個方向連續旋轉。NSAB21NS電樞一旦旋轉起來，電樞線圈就會切割磁力線，就會在電樞線圈中產生感應電動勢和感應電流。此感應電動勢稱為反電動勢，因為它產生的感應電流（黑色）與電樞電流（紅色）的方向相反。AB21FFFF2.直流電動機的工作原理分析電直刷流兩電端源接電流樞過線交圈流中電電電樞磁受轉電矩磁的力作和用

帶動機械負載工作克服反電動勢做功換向Φ旋轉Φ動力矩3.直流電動機的電磁關系注意事項：直流電機物理模型中只有一對N、S磁極和一個電樞線圈。實際上，很多直流電機的磁極不止一對，電樞線圈往往有很多個，每個電樞線圈的兩端都連接一個換向片。這些換向片構成換向器，通過電刷連接外電路。4.直流電動機的工作過程演示六、直流電機的可逆原理勵磁繞組通入直流電原動機拖動電樞旋轉直流電機的可逆原理：一臺直流電機，既可作發電機運行，也可作電動機運行。勵磁繞組通入直流電電刷兩端接直流電源直流發電機直流電動機它以永磁體提供勵磁，使結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了集電環和電刷，提高了運行的可靠性；無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了功率密度和效率(>90%)。七、永磁同步電機永磁同步電機主要由定子、轉子、機座和端蓋等部件構成。定子與普通感應電動機基本相同，由疊片疊壓而成以減少運行時產生的鐵耗，其中裝有三相交流繞組，稱作電樞。a)突出式b)內置式兩種結構形式的轉子的磁路結構（一）永磁同步電機的結構轉子可以制成實心的形式，也可以由疊片壓制而成，其上裝有永磁體材料。根據電機轉子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機可以分為突出式與內置式兩種結構形式。突出式轉子的磁路結構簡單，制造成本低，但由于其表面無法安裝起動繞組，不能實現異步起動。內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種，主要區別在于永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關系的不同。三種不同形式內置式轉子的磁路結構a)徑向式b)切向式c)混合式（一）永磁同步電機的結構由于永磁體置于轉子內部，轉子表面便可制成極靴，極靴內置入銅條或鑄鋁等便可起到起動和阻尼的作用，穩態和動態性能都較好。又由于內置式轉子磁路不對稱，這樣就會在運行中產生磁阻轉矩，有助于提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結構更易于實現弱磁擴速。當三相電流通入永磁同步電機定子的三相對稱繞組中時，電流產生的磁動勢合成一個幅值大小不變的旋轉磁動勢。由于其幅值大小不變，這個旋轉磁動勢的軌跡便形成一個圓，稱為圓形旋轉磁動勢，其大小正好為單相磁動勢最大幅值的1.5倍，即式中，F為圓形旋轉磁動勢，單位是T?m；Fφl為單相磁動勢的最大幅值，單位是T?m；k為基波繞組系數；p為電機極對數；N為每一線圈的串聯匝數；I為線圈中流過電流的