直流電機的工作原理及氣動方式綜述1.1直流電機工作原理直流電力發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)主要包括有定子和驅(qū)動轉(zhuǎn)子兩個主要方面。在直流定子驅(qū)動下的電機正常工作時,其中含有靜止于直流驅(qū)動的一部分定子叫做直流定子。定子的主要作用功能之一就是使它產(chǎn)生一個大的磁場,由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承與傳動電機及印刷加工設(shè)備等機械構(gòu)件。電機在正常高速運行時因其轉(zhuǎn)動的一個部分被我們通常統(tǒng)稱來作為驅(qū)動轉(zhuǎn)子,其主要驅(qū)動功能分別是自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩和電子傳感電動勢,它們特別是直流利用電機驅(qū)動進行交流能源功率轉(zhuǎn)換的主要樞紐,所以通常也被我們所統(tǒng)稱為直流電機中樞,由轉(zhuǎn)軸、電機中樞驅(qū)動鐵架軸心、電機中樞驅(qū)動繞軸機組、換向器和電樞風扇等主要部件共同組成。定子各部分介紹:(1)主磁極其中主磁極的主要功能之一就是由它產(chǎn)生特定空間內(nèi)的一種氣隙性的電磁場。主磁極繞組包括主磁極的磁性鐵心勵磁電容器與勵磁極的繞組這兩個部分。鐵心一般都是采用0.5mm~1.5mm厚的優(yōu)質(zhì)硅鋼板為緩沖片并經(jīng)進行強力擠壓后經(jīng)鉚緊而制制成,分為極身和外套電磁勵磁器的繞組兩個大部分,上面的還有一個外套勵磁器的繞組部分部份叫做極身,下面的還有一個外套范圍擴寬部分部份叫做極靴,極鞋寬于整個電磁勵磁極身,既同時可以通過手動調(diào)整埋在電磁洞內(nèi)的空氣隙中的電磁場的運動變化和磁場分布,又同時可以用作便于固定勵磁器的繞組。勵磁鐵絲繞組就是采用優(yōu)質(zhì)絕緣鐵絲銅線焊接繞制而得組成,套在勵磁電動機內(nèi)部主要勵磁極的絕緣鐵絲中心上。整個電機主磁極內(nèi)部采用固定螺釘將其固定到整個電動機座上。(2)換向極換向極的基本功能和主要作用就是通過驅(qū)動改善電路換向,減小動力發(fā)動機在一個電路中正常運行時的過程在其中的阻力電磁毛刷和瞬時換向器之間就會有各種可能隨時會轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的各種換向熱和火花,一般都是安裝在兩個電路主要電磁極的一個相鄰連接地點,由兩個換向極的驅(qū)動鐵心和兩個換向極的鐵心繞組所組合構(gòu)成。(3)機座電動機座的定子在其電機外殼上被放置稱為定子位于電動機座。機座的作用功能主要部分有兩個:一個就是它不僅可以直接用來起到固定汽車主磁極、換向極和傳動端蓋,并且機座可以用來起到整個直流發(fā)動機的動力支持和固定。(4)電刷裝置電壓無刷直流設(shè)備電路就是專門設(shè)計用于控制引入或引出輸送直流源的電壓及其他直流源的電路。電動掃刷保護設(shè)備電動裝置主要用途包括各種電動掃刷、刷刷的把握、刷刷的桿座和帶動刷刷的桿座。將輪胎電動的刷桿直接安放在驅(qū)動輪胎的刷握內(nèi),用一個壓力彈簧將驅(qū)動輪胎刷桿壓緊,使得輪胎電動桿刷和輪胎換向器之間必須能夠保持具有良好的橫向平移性和滑動時的接觸,刷桿和抓的手柄能夠牢固地分別安裝在驅(qū)動輪胎的兩個刷桿上,刷桿座則安裝在一個弧形圓環(huán)型的輪胎刷桿座上,相互之間必須完全保持絕緣。刷桿座可以安裝在滾動軸承的端部頂蓋上或者也就是裝在軸承的內(nèi)部端蓋上,圓周的固定位置也就是可以直接進行手動調(diào)整,當時需要調(diào)好后再進行加以調(diào)整固定。轉(zhuǎn)子各部分介紹:(1)電樞鐵芯電路中樞的連接鐵心線圈作為主電子磁路的重要結(jié)構(gòu)組成的一部分,同時也作為可廣泛用于連接嵌入到主電路中樞內(nèi)的線圈。一般的大型電樞性疊壓鐵鋼軸心都主要是通過使用由0.5mm厚的大型二氧化硅鐵脈鋼片體來進行疊壓沖制而得形成的大型二氧化硅鋼脈沖片體來進行鐵心疊壓。以利于減少電力發(fā)動機在整個電力系統(tǒng)正常運行中的過程因其中電機軸樞驅(qū)動線圈在磁鐵心內(nèi)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的渦流損耗及磁滯后的損耗。將其折疊成的圓形鐵心轉(zhuǎn)子固定器放到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的軸上或者也就是放在轉(zhuǎn)子上的支架上。鐵心的外槽內(nèi)圓端口被打開后并設(shè)有一個電源中樞槽,槽內(nèi)圓端嵌入了一個放電于中樞槽的線圈。(2)電樞繞組電機中樞直流繞組的傳動功能主要原理是電機通過驅(qū)動產(chǎn)生直流電磁轉(zhuǎn)矩和直流傳感電動勢,是直流利用電機驅(qū)動進行直流能源傳動變換的重要一個關(guān)鍵傳動元件,因此又被稱為直流電機中樞。它主要原理是由許多類型線圈按照一定的焊接規(guī)律相互連接而得形成,線圈邊緣是采用一根高強度的玻璃漆包線或者線圈使用一根玻璃絲與一包扁平的銅線相互焊接纏繞而得形成,不同類型線圈的連接線路邊分上下兩層地相互嵌入連接到驅(qū)動電機的樞槽中,線圈與電樞鐵心之間以及上、下兩層間的線圈邊之間都必須同時做好妥善的焊接絕緣。為了有效防止連接距離較大時被力的離心力從連接線圈邊槽內(nèi)推向槽外,溝縫連接處通常使用圓形槽楔可以牢牢地固定。線圈向兩端伸出槽的最外端的連接處可以使用熱固性的優(yōu)質(zhì)無緯鋼或玻璃材料帶來壓力進行線圈捆扎。(3)換向器在直流電機發(fā)動機中,換向器內(nèi)部分別裝有一個電動機上的刷,能將一個接收機得到的信號外加一個直流電源信號轉(zhuǎn)化成因為在發(fā)電機中樞驅(qū)動線圈內(nèi)其中的一個交變驅(qū)動電流,使帶有電磁轉(zhuǎn)矩的主軸運行運動方向始終保持恒定不變;在直流式高壓發(fā)電機中,換向器上下部配有一個電動機刷,能夠把由發(fā)電機中樞驅(qū)動線圈中電磁傳感器轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的交變電動勢分別轉(zhuǎn)化成因為正、負電流在刷上轉(zhuǎn)動引起的直流電動勢。換向器通常采用的結(jié)構(gòu)是由許多不同換向片部件連接而來組成的一個弧形圓柱體,換向片之間可以采用一根鋼絲繩與兩個云母片之間進行緊固絕緣,換向片的下部緊固通常工作情況如圖所示,換向片的下部部分可以直接做成一個圓型鴿尾形,兩端分別可以采用一個鋼制歐式v型圓形套筒和鋼制v型圓形云母片連環(huán)部件進行固定,再用v型螺母進行鎖緊。(4)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是起到控制轉(zhuǎn)子運動和旋轉(zhuǎn)的主要支撐部件,需要具備一定的機械強度和剛度,一般采用圓形鋼板進行加工。1.2直流電動機的啟動 直流電動機的啟動就是轉(zhuǎn)子從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動的過程。在此過程中，要想維持電機旋轉(zhuǎn)，必須要滿足以下條件：能夠帶動電機旋轉(zhuǎn)的啟動轉(zhuǎn)矩TstQUOTETst，但也不能過大，否則電機難以承受；足夠大的啟動電流Ist，同樣要保證啟動電流不能過大；此外，輔助啟動的設(shè)備不宜太過復雜，便于控制，要保證啟動時間滿足需求，啟動過程穩(wěn)定可靠。 因此,在實際中的生產(chǎn)和設(shè)計工作中,直流電機發(fā)動機的主要回路啟動電壓形式主要上可分為以下幾種:直接電阻啟動,電機中樞電源回路啟動串聯(lián)的電阻直接啟動和直流電動機直接降低直流電機中樞電源回路啟動電壓的電阻啟動。1.3直接啟動 直流電機直接啟動方式就是直接給電機兩端施加額定電壓進行啟動。在此方式下啟動時，由于直流電動機電樞電路的電阻和電感較小，又受到旋轉(zhuǎn)體機械慣性的影響。所以，電機啟動的起始階段的電樞轉(zhuǎn)速非常小，與其相關(guān)的反電動勢也非常小。但此時的電樞電流則會非常大，其值遠遠超過電機的額定電流。受此電流影響，輕則減少電機使用壽命，嚴重的時候更會影響電網(wǎng)電壓畸變，并且，如此大的電流會導致?lián)Q向器產(chǎn)生火花。而此時產(chǎn)生的巨大的啟動轉(zhuǎn)矩會給電機帶來非常大的機械沖擊，破壞電機內(nèi)部器件。因此，在中大功率場合一般不使用此種方法啟動電機。1.4電樞串電阻啟動為了有效地限制開關(guān)啟動電流的幅值和大小,可在各個電機中心回路上串加一個電阻。被直接串入電樞回路的一個電阻叫做開關(guān)啟動電阻,也被叫做啟動器。啟動電阻實際上是一個多級啟動電阻,在驅(qū)動發(fā)電機進行啟動的過程中,先將所有的啟動電阻都串入到驅(qū)動器的中心回路中,在發(fā)電機轉(zhuǎn)速不斷地升高的整個過程中,再逐級地將所有的啟動電阻都切除,使得所有的啟動電流始終限制在合適的范圍內(nèi)。直至電機的轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定的值,也就是結(jié)束啟動過程。此方式啟動直流電動機就是電樞回路串電阻啟動,該方法設(shè)計簡便,使用可靠,因此被廣泛地應用于中小型直流電動機的啟動。以直流電機驅(qū)動機的直流電機中樞驅(qū)動回路中一個串聯(lián)輸入三級直流電阻用以進行電機啟動的微控制器作為一實例,其公式為:IR圖1.1直流電機電樞串電阻啟動原理圖 如圖1.1，當直流電動機啟動瞬間，將全部啟動電阻（即Rst）串入電樞回路，此時啟動電流為QUOTEIst=UNRa+Rst1+Rst2+Rst31.5降低電樞電壓啟動 除了電樞回路串加電阻啟動，還可以用降低直流電機啟動時的電樞電壓的方法來減小啟動時的電流。在電機啟動的過程中再逐步提高電源電壓，以此來限制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，保護電機不受到損害，并使電動機的轉(zhuǎn)速逐漸增加。這種方法就是降低電樞電壓啟動，其原理圖如圖1.2所示。圖1.2直流電機降低電樞電壓啟動原理圖對于容量相對較大的直流電動機,通常選擇降低中繼電樞的電壓進行起動。由單個可以調(diào)壓的直流電源向發(fā)動機中心供電,控制的直流電源和電機的中心進行調(diào)速,這樣就可以使得發(fā)動機平滑地起動,也就能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)速。但是這樣一個方法的電源裝置比較復雜,投資較大。1.6電機啟動方式的選擇與設(shè)計 根據(jù)以上三種電機啟動方式的分析可知，方式一直接啟動會造成較大啟動電流，嚴重損害電機，明顯不符合本設(shè)計電機啟動的要求；方式三降低電樞電壓啟動考慮到設(shè)計過于復雜，且設(shè)計成本過高，因此也不采用降低電樞電壓啟動的方式啟動電機。故本系統(tǒng)設(shè)計主要選擇直流啟動電機的兩個電源中樞控制回路進行串聯(lián)和電阻控制作為直流電機高速啟動時的控制工作方法。于電動機電機中樞控制回路上進行串聯(lián)增加三級電機啟動控制電阻。在一臺啟動電機運行的系統(tǒng)開始瞬間,電機中樞起動電路中會自動連接并輸入全部的中樞起動整流電阻,起動時的電流將來可以直接達到最高值QUOTEIst=UNRa+Rst1+Rst2+Rst3QUOTEIst=UNRa+Rst1+R圖1.3機械特性曲線圖1.7直流電機啟動電阻的計算（1）選擇啟動電流QUOTEI1I1和切換電流QUOTEI2I2 為保證與最大啟動轉(zhuǎn)矩QUOTET1T1相對應的起動電流QUOTEI1I1不能超過設(shè)計允許的起動機電樞的最大啟動電流QUOTEIamaxIamax，選擇:QUOTEI1=(1.5~2.0)IaNI1=(1.5~2.0)IaN，對應的起動轉(zhuǎn)矩公式為QUOTET=(1.5~2.0)TNT=(1.5~2.0)TN。為了保證具有一定的加速轉(zhuǎn)矩,減少開始運行的時間,一般可以選擇切換轉(zhuǎn)矩公式為QUOTET2（2）求出起切電流比ββ=（3）求出電動機的電樞回路電阻QUOTERaRa QUOTERaRa可以根據(jù)一個電動機的電壓實測或者也就是驅(qū)動電機的指示銘牌上所顯示提供的一個電機額定值電壓來對其電流進行電壓計量和數(shù)值估算,由于有的電動機在此時忽略了一個T0的電壓條件下QUOTEP2=Pe=EIaQUOTEE=PNIaNE=QUOTERa=UaN-P（4）求出啟動時電樞啟動總電阻QUOTERmRm m級啟動時電樞啟動總電阻為QUOTERm=UaNI1（5）求出啟動級數(shù)m m的計算公式為:m（6）再次計算β的值，校驗QUOTEI2I2是否處于規(guī)定范圍之內(nèi) 若m是取相近整數(shù)，則需重新計算β。 根據(jù)式QUOTEβ=RmRaβ=RmRa重新計算，并根據(jù)QUOTEβ=I1I2β=I1I2，重新計算QUOTEI2I2，并檢查QUOTEI2I2是否處于規(guī)定的范圍之內(nèi)。如果達不到規(guī)定范圍，就必須增加啟動級數(shù)m的值，之后再重新計算β和（7）求出各級總電阻 QUOTER0=RaRR ………R（8）求出各級啟動電阻RR………R1.8直流電機制動電路本文的設(shè)計方案充分考慮了柴油發(fā)動機在迅速緊急停駛的運行過程中,由于一些產(chǎn)生慣性加速運行的物理作用,會直接使其迅速產(chǎn)生很多迅速再生備用電能,如果我們不及時地將其消耗電能減少或及時削弱或去掉這一組成部分我們可以迅速再生的備用電能,就很有可能會直接嚴重影響涉及到整個變頻器的直流交換機和直流控制電路中的組成部分,輕者,變頻器很有可能通過報警發(fā)生故障,重者,則很有可能甚至會嚴重地直接損害到整個變頻器。因此在設(shè)計過程中加入了制動電路在制動過程中的保護變頻器不受損害。制動電路中控制單元選用GTO（C2770）作為開關(guān)器件。圖1.4為直流電機制動電路原理圖。圖1.4直流電機制動電路原理圖其中最主要的一個就是制動器的原件也就是制動電阻。制動消耗電阻載體是一種專門屬于用來將制動變頻器的可再生清潔能源以利用熱力作為能源傳遞的制動方式用來進行制動消耗的一種制動電阻載體,它主要由制動電阻阻抗數(shù)值和制動功率輸出容量兩個中的主要參數(shù)元件組成。通常在工程上使用選擇較多的波紋電阻主要是立式波紋矩形電阻和高壓鋁合金波紋電阻兩種,波紋矩形電阻主要是由于采用一種表面獨特的立式矩形波紋,這樣既可以有利于快速散熱又大大減少了絲內(nèi)寄生有害電感的數(shù)量,并且還特別選用了高強度阻燃無機氧化涂層,有效地很好保護了各種電阻絲不被氧化腐蝕或發(fā)生老化,延長了各種電阻絲的正常使用壽命;高壓鋁合金波紋電阻易緊密組合安裝、容易升高增加專用散熱器,外型美觀,高增加散熱性的電阻鋁合金波紋電阻為一種外盒式的整體包封形式結(jié)構(gòu),具有極強的耐振性，耐氣候性和長期穩(wěn)定性；體積小、功率大，安裝方便穩(wěn)固，外形美觀，泛作為適用于高度惡劣的各種工業(yè)應用環(huán)境下的電阻使用。本設(shè)計制動電路中控制單元選用GTO（C2770）作為開關(guān)器件，C2770最高耐壓為650V，最高可承受電流100A，滿足本設(shè)計需求。1.9制動電阻的選擇（1）阻值頻度 制動電阻的選擇除了受到最大容量允許電流的限制外,與制動單位相同的阻抗系數(shù)也并沒有明確的相互對應關(guān)系,其阻抗值主要是根據(jù)制動轉(zhuǎn)矩的大小進行選取,功率則是根據(jù)制動電阻的類別、阻抗值和實際使用效率來確定。制動電阻阻抗數(shù)值的設(shè)計有一個非常不可逾回的原理:我們應該是保證流經(jīng)制動電阻時的電流IC遠遠小于制動單位時的允許最大電流輸入的能力,即:R>800/IC其中：800——變頻器的直流側(cè)可能產(chǎn)生的最高直流輸入電壓。Ic——制動單元的最大允許電流。為了能夠充分利用所需要選定的制動變頻器和各種專用型最大制動整流單元的最大制動整流容量,通常對最大制動整流電阻阻抗數(shù)值的正確選擇以及最接近于上式所計算出來的最低制動值來作為最大的經(jīng)濟、同時還是最能夠直接獲得最大值的制動轉(zhuǎn)矩,然而這種選擇方法往往需要使用更多的最大制動整流電阻和最大功率。在某些應用場合下,并不一定全都需要很大的各種制動轉(zhuǎn)矩,此時一種比較經(jīng)濟的解決方案就是通過直接選擇較大的各種制動穩(wěn)壓電阻作為阻抗設(shè)定值、也因此它們同樣可以大大降低各種制動穩(wěn)壓電阻的工作功率,從而大大降