直流電動(dòng)機(jī)原理

1、力拖動(dòng)基礎(chǔ)過程自動(dòng)化電氣單機(jī)自動(dòng)化開環(huán)自動(dòng)控制非電氣閉環(huán)自動(dòng)控制現(xiàn)代電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制器微機(jī)原理 C語(yǔ)言與控制單片技術(shù)機(jī)原理計(jì)算機(jī)控制技術(shù)功率電子技術(shù)功率放大 變流裝置反饋檢測(cè)器件檢測(cè)技術(shù)執(zhí) 行 電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)內(nèi)容：交直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理、起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)運(yùn)行控 制方法。 1 直流電動(dòng)機(jī)原理電動(dòng)機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化和電氣化設(shè)備中最基本也是最重要的部件之一，不難列出許多電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用例子：洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、抽油煙機(jī)、錄像機(jī)、VCD 、隨身聽、計(jì)算機(jī)硬件中的軟驅(qū)、硬盤、散熱風(fēng)扇、各種金屬加工機(jī)床的拖動(dòng)等等。電動(dòng)機(jī)根據(jù)它使用的電源可分為交流和直流兩大類。其中直流電動(dòng)機(jī)由于其在控制性能方面的優(yōu)勢(shì)，在 2

2、0 世紀(jì) 70 年代以前一直在控制要求較高的電力拖動(dòng)領(lǐng)域占踞主導(dǎo)地位，近年來雖然這種情況因交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的巨大進(jìn)步已有很大改變，但直流電動(dòng)機(jī)在近代工業(yè)中的地位仍然十分重要。例如在一輛豪華轎車中就使用了多達(dá)80 多臺(tái)的直流電動(dòng)機(jī)作各種輔助自動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)。因此，學(xué)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，掌握對(duì)它的控制方法，仍然是十分必要的。1 1 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和額定數(shù)據(jù)兩個(gè)重要公式：法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)電機(jī)原理：e =Blv有效長(zhǎng)度為l 的導(dǎo)體以線速度v 在磁通密度為B 的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e ，若B、 l、 v 在空間相互垂直，則e的大小等于三者的乘積，方向由右手定則確定

3、。B 為媒介，機(jī)電轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)描述。li安培力定律電動(dòng)機(jī)原理：有效長(zhǎng)度為l 并載有電流i 的導(dǎo)體在磁通密度為B 的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體上將受到電磁力 F 的作用 ，若B、 l 在空間相互垂直，則F 的大小等于三者的乘積，方向由左手定則 確定。直流電動(dòng)機(jī)的物理模型B 為媒介，電機(jī)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)描述。機(jī)械功率vF主磁極cin特點(diǎn)： 每個(gè)磁極下的線圈元件邊中電流方向固定不變。Nda電樞氣隙S特點(diǎn)：電樞旋轉(zhuǎn)方向不變時(shí)，電刷上的電壓極性恒定。發(fā)電機(jī)模型同一直流電機(jī)即可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)鍵在 發(fā)電：輸出電功率同時(shí)導(dǎo)體元件中產(chǎn)生電流依電動(dòng)機(jī)原理平衡原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 電動(dòng)：軸上輸出機(jī)械功率同

4、時(shí)導(dǎo)體元件在主極下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。平衡外加電源電壓，限制導(dǎo)體元件電流和電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。1、 主磁極 2、 電樞繞組3、 電樞鐵心4、 換向器5、 換向極6、7、機(jī)座三、直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)額定電壓 U N ：額定工況下加在電樞繞組上的工作電壓。（ V、kV）額定電流I N ：額定工況下長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電樞電流。（ A）額定功率PN ：額定工況下電機(jī)軸上允許長(zhǎng)期輸出的最大機(jī)械功率。 （ W、 kW）PN U N I N NN ：額定工況下直流電動(dòng)機(jī)的工作效率。額定轉(zhuǎn)速 n N ：額定工況下電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。（ r/min） 額定轉(zhuǎn)矩 TN ：額定工況下電動(dòng)機(jī)軸上

5、的輸出轉(zhuǎn)矩。（ N m）PNTN9550； PN 的單位為kW。nN N 1 2 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征與工作特性物理概念和定律的復(fù)習(xí)：1 、磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B Wb/m 2：?jiǎn)挝唤孛娣e上的磁通，描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向。B 與產(chǎn)生它的電流（ 勵(lì)磁電流）之間的關(guān)系用畢奧 （Biot） 薩伐（Savart）拉普拉斯（Laplace）定律描述：設(shè)在載流導(dǎo)線上沿電流方向取線元d l ，其中通過電流強(qiáng)度為I 。電流元Id l 在真空中給定點(diǎn)P所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB 的大小和I d l 及線元到P 點(diǎn)的矢徑r 間的夾角 （ d l ,r）的正弦成正比，Idl sin（dl,r）和由線元到P 點(diǎn)的距離的平方

6、r2 成反比：dB2。4r方向垂直于由線元和矢徑所決定的平面，指向由右手螺旋法則確定。磁感應(yīng)強(qiáng)度服從疊加原理：某一給定的電流分布在空間某點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng) 度等于組成這電流分布的各電流元分別地在這同一點(diǎn)上所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢 量和。磁力線方向與電流方向滿足右手螺旋關(guān)系。2 磁感應(yīng)通量（磁通） Wb ：穿過某截面S 的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的通量SB dS在均勻磁場(chǎng)中，如果截面S 與 B 垂直，則BS3 磁場(chǎng)強(qiáng)度H 安培 /米 ：計(jì)算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場(chǎng)用輔助物理量：BH ：導(dǎo)磁物質(zhì)磁導(dǎo)率。空氣的磁導(dǎo)率為0 。鐵磁材料的0 （幾千幾萬倍）。4 安培環(huán)路定律：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H 沿任何閉合路徑的線積分等于該回路

7、所環(huán)鏈的所有電流的代數(shù)和：l H d l Il H dl I l H dl l H dl l H dl 123NI設(shè)各段磁路中磁通均勻分布，l 為磁路平均長(zhǎng)度，則上式簡(jiǎn)化為：Hl NI 或 Um F其中 U m Hl 稱為該段磁路的磁壓；F NI 稱為磁通勢(shì)（磁勢(shì)） 。5、N 為線圈匝數(shù)BS S HHl Um FlRmRm 或 F R m磁路歐姆定律其中定義磁阻為：Rm結(jié)構(gòu)特征主極（定子） B電樞（轉(zhuǎn)子）繞組換向極換向片、電刷B的安排的安排工作特征主極磁場(chǎng)、勵(lì)磁方式電樞磁場(chǎng)、電樞反應(yīng)B、的共同作用換向主磁極與主極磁場(chǎng)電樞磁軛主磁感應(yīng)線：N極N極下氣隙電樞鐵心相鄰S極下氣隙相鄰S極定子磁軛四極直

8、流電機(jī)空載時(shí)磁場(chǎng)示意圖主磁極：套裝有勵(lì)磁繞組的電磁鐵。磁路的等效簡(jiǎn)化：設(shè) 1 個(gè)主極的勵(lì)磁磁通勢(shì)、主磁通量分別為F0，0；Rm 為主磁極磁感應(yīng)線所經(jīng)路徑上的總磁阻。則有：為知道F、 e的大小，必須知道電樞鐵心表面 B 的大小，因?yàn)楫a(chǎn)生電磁力矩的載2F00Rm0F=Bli 、 e=Blvo直流電動(dòng)機(jī)的磁化曲線流導(dǎo)體都分布于此。 F0N在磁極下：中性線鐵心磁阻BS2F02F0RmRm0 Rms0Sl2sSR ms氣隙磁阻Rm0在極靴外并在兩極分界處降為0。幾何中性線：與主磁極軸線正交的電樞徑向軸線；磁場(chǎng)中性線、物理中性線：電樞表面B 0處的電樞徑向軸線。僅存在主磁通時(shí)二者重合。取磁力線穿出電樞表面

9、的B 為正。相鄰兩主磁極軸線間的距離稱為極距 電樞繞組( l) ：保證在同一主磁極下電流方向不變。F=Bli 、 e=Blv 的正交條件成立。I=常數(shù)時(shí)，元件邊受電磁力F 的大小決定于元件邊所在空間位置上B 的大小。當(dāng)電樞作勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)(t)的變化規(guī)律與B(x) 的空間分布規(guī)律一致，但因電刷和換向片的作用， F 的方向不變：存在問題： 轉(zhuǎn)矩小、波動(dòng)大、有零轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。對(duì)策：增加繞組元件數(shù)、合理聯(lián)接，增大轉(zhuǎn)矩、減小脈動(dòng)。例： 1 對(duì)磁極、6 繞組元件模型：6234561B1Va 運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩條并聯(lián)支路繞組元件和電刷A 的換接后仍保持使同一磁極下的電流方向不變。換接順序?yàn)? 23456 ，5、并聯(lián)支路

10、對(duì)稱，電樞旋轉(zhuǎn)不改變特點(diǎn)1 、元件頭尾相接，自成閉合回路。2、加上電刷后，變成兩條并聯(lián)支路。I a 2aia ， a 為并 聯(lián)支路對(duì)數(shù)3、同支路繞組元件上層邊均在同主磁極下4、電刷位于主磁極軸線通過的換向片上3。6、電磁轉(zhuǎn)矩等于各繞組元件建立的T 之和：幅值增加，脈動(dòng)減小，零轉(zhuǎn)矩消除。7、進(jìn)一步增加繞組元件數(shù)，Tem 、脈動(dòng)。實(shí)際電樞的常用繞組結(jié)構(gòu)：疊繞(a=p)、波繞(a=1)：閱讀。三、 電樞反應(yīng)( B， l) 電樞電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響Fa的性質(zhì)：空間靜止；與F0正交。合成磁通使主磁極軸線扭曲；b,d 附近 B 增加， a,c附 近 B 減小。飽和特性使增加值小于減小值，導(dǎo)致每極總磁通量隨電

11、樞電流增加而下降。電樞反應(yīng)具有去 磁作用 ?？赡苡绊戇\(yùn)行的穩(wěn)定。換向 ：兩點(diǎn)結(jié)論DC M 的容量、轉(zhuǎn)速、IaIa 勵(lì)磁產(chǎn)生磁通抵銷電樞反應(yīng)勵(lì)磁方式U他勵(lì)（并勵(lì)）Ia復(fù)勵(lì)I(lǐng)a M1-3 電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電動(dòng)勢(shì)直流機(jī)原理的基礎(chǔ)1-31-41-5F 1Bli一條支路1電磁轉(zhuǎn)矩TemI a 各支路電流之和2 電樞電動(dòng)勢(shì)43 關(guān)系？3電動(dòng)勢(shì)平衡方程2功率平衡方程Eane=Blv 一條支路4 機(jī)械特性1、 電磁轉(zhuǎn)矩Tem B(x)是 x的函數(shù)某一根導(dǎo)體的 T(x) dx 弧長(zhǎng)內(nèi)導(dǎo)體所建立的 dT 2 dT T Tem 2pT2分析：1、 1根導(dǎo)體：Fx BxliaTx (Bxlia D2a)N) ：2、 d

12、x 弧長(zhǎng)中的導(dǎo)體數(shù)(假設(shè)導(dǎo)體在電樞表面均分，總數(shù)dx3、 dx 區(qū)間內(nèi)導(dǎo)體所建立的轉(zhuǎn)矩：NNdT Tx( N dx) Bxlia N dxDa2Nia 24、 一個(gè)主極下導(dǎo)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：NiT 2 dT Nia 2 Bxldx222其中磁通2 Bxldx25、 I 2ai aaNTem 2pT 2p22aia2a2pNa Ia KT Ia重要結(jié)論 ：Tem KT I a其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)KTpN2a特點(diǎn)：p 或總導(dǎo)體數(shù)N 可增大電磁轉(zhuǎn)矩。DC M，不考慮電樞反應(yīng)影響時(shí)、勵(lì)磁電流恒定時(shí)，有Tem CTIa， CT KT 常數(shù) 優(yōu)點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接受電樞電流控制。2、 電樞電動(dòng)勢(shì)電角度和

13、機(jī)械角度：機(jī)械角度x：電樞旋轉(zhuǎn)一周，機(jī)械角度變化360 度或 2 弧度。機(jī)械角速度弧度/秒 =n 60e ： 電樞旋轉(zhuǎn)經(jīng)過2 個(gè)極距， 電角度變化360 度或2 弧度。pe pm2 p p60nEa為支路各串聯(lián)繞組元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和。 ， 2 ，各元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值不同，但轉(zhuǎn)過一極距時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值相等。de N s dt ；N s為每個(gè)繞組元件的匝數(shù)。一元件 轉(zhuǎn)過一極距后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值（數(shù)值）轉(zhuǎn)過一極距：電角度e t ,即 tEavNstNs2 Ns4Ns pn602pn60S，每支路串聯(lián)元件數(shù)為S2aN 2SNssSEa 2aE avS4pNNs pn n Ke n 2a s

14、 6060aepN重要結(jié)論 ： Ea Ke n ，Ke 60a （電勢(shì)系數(shù)、電勢(shì)常數(shù)）特點(diǎn) ：對(duì)他勵(lì)，磁通不變時(shí)， Ea Ce n ， Ce Ke 常數(shù)方程代表電動(dòng)機(jī)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。KTKeCT60Ce29.55 1 4 電動(dòng)勢(shì)平衡方程與功率平衡方程他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理電路（穩(wěn)態(tài)）Ra 為電動(dòng)機(jī)電樞繞組和換向器總電阻各電量假定正向按電動(dòng)機(jī)慣例：與電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際方向一致重要結(jié)論：穩(wěn)態(tài)電動(dòng)勢(shì)平衡方程：U EaRa I aUIaEaIa RaIa2忽略勵(lì)磁功率時(shí)，輸入功率P1Ea I a2銅耗PcuRa I aEaIaKeaa eTemKeTemn Tem2 n TemPKTKT60電磁功率Pem重要關(guān)系式： 電磁轉(zhuǎn)矩Tem重要關(guān)系式：em機(jī)械角速度空載損耗P0 ：軸承摩擦、冷卻風(fēng)扇風(fēng)阻、鐵心渦流損耗軸上輸出功率P2Pem P0功率平衡方程（忽略勵(lì)磁損耗）：P1 Pcu Pem Pcu P0P2P2PemP0T Tem T0即 軸上輸出轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩通常將空載轉(zhuǎn)矩作為一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩并入機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩考慮認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩就是電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩，稱為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩：