1、第一篇 电动机及其控制,第一章 直流电动机及其控制 1.1 直流电机及其基本结构,一、 概述,应用： 1 高精度位置伺服系统； 2 大转矩设备，如轧钢机、电气铁道牵引机、起重机械等； 3 高精度速度控制系统； 4 航天器及其它 只有直流电源的场合。,优点：l）调速范围宽（可稳定运行的速度范围大）； 2）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置的可靠性高。 缺点：有换向器。费工费料，造价贵，运行时换向器需要经常维修，寿命较短，换向条件又使直流电机的容量受到限制。 特殊点：用直流电源,二、结构,按运动状态：定子和转子两部分。 按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。 磁极在定子上，电枢绕组在转子上
2、。,1 磁极和定子铁心,功能：产生磁场 电磁式直流电机：用直流电产生恒定磁场，应用；功率大的场合，中、大型电机。,永磁式电机:由永磁体产生恒定磁场。 优点：体积小，重量轻，结构紧凑。 缺点：磁场弱。 应用：微型和小型电机。,2.电枢绕组和电枢铁心,电机的负载电流，发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法是，把带绝缘的铜导线预制成形，在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线）按着一定的规律接到换向器上。直流电枢绕组本身自成闭合回路。,3换向器和电刷装置,换向器在转子上。 电刷在定子上。 将电刷上的直流变为绕组内部的交流 。
3、,三、图形符号,1.2 电机中的磁性材料,1.2.1 铁磁物质 磁性：能产生磁场，在磁场中受到力作用。 铁磁性物质 1）磁导率 大，是真空磁导率 的20006000倍。2）不是恒量，随磁场强度H变化。3）存在一个临界温度居里点 ，高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。,：剩磁磁密（简称剩磁）：矫顽磁力。 去磁曲线或退磁曲线：磁滞回线在第2象限（或第4象限）的部分。 软磁材料：矫顽磁力小，磁滞回线狭窄，磁导率高，如硅钢片、纯铁、铸钢等，常用来作电机、变压器的铁心。 硬磁材料：矫顽磁力大，磁滞回线宽。,磁滞：B的变化滞后于H的变化。 磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将要发热，引起损耗。
4、磁滞回线的面积越大，磁滞损耗也越大。 涡流损耗：铁磁材料处于交变的外磁场中时，铁心中还会产生涡流，涡流在铁心中引起的热损耗。铁心采用片状的并有绝缘薄膜的材料叠压而成，就是为了减少涡流损耗 。 铁心损耗（铁耗）：磁滞损耗加涡流损耗。,1.2.2 永磁材料的磁化特性,永磁材料：被外磁场磁化，去掉外磁场后仍然保持较强的磁性。在电机中作磁极用。 磁化曲线同硬磁材料。,铝镍钴（AlNiCo），稀土材料和铁氧体两类。,永磁材料最重要的三个参数,剩磁磁密 矫顽力 最大磁能积,1.2.3 永磁材料的工作点,永磁材料的工作点(磁铁工作点):在B-H 坐标图上，表示永磁电机的磁极中B和H的点。 永磁磁路,工作点K
5、，直线0K 与退磁曲线（或恢复 直线）的交点，气隙 越大，直线0K 与横轴 的夹角越小。其它 去磁因素同样使 该夹角减小。,1.2.4 常用的永磁材料,铝镍钴（AlNiCo）： 剩磁高，容易去磁 。 铁氧体：价低，剩磁低。 稀土类：磁性能优良。 钐钴类贵。 钕铁硼（NdFeB ）应 用广，居里点低。,1.3 直流电机工作原理 1.3.1 电磁力定律和电磁感应定律,电磁力定律 大小：方向： 左手定则,直流电机要保持恒定方向转矩，每个磁极下导体的电流方向应保持不变。,电磁感应定律大小： 方向： 右手定则,1.3.2 直流电动机的工作原理,一、模型电机,换向器的作用：导体从一个磁极转到相邻的异性磁极
6、时，改变导体电流方向，保持每个磁极下电流方向不变，使电机连续转动。 转角范围小，不用换向器。 反转：改变电刷电压的极性。 存在的问题：转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝），磁路是空气，磁密低。,二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。两条支路。,存在的问题：1）环形铁心内部无磁场，内部导体不受电磁 力，铜的利用率低。2）制造困难，工艺性和经济性不好。,三、鼓形绕组,1.4 电机磁场、电枢反应与换向,一、 电机磁场：磁极（主）磁场，电枢磁场,电角=极对数机械角（几何角）= 直流电机电枢磁场轴线与磁极主磁场轴线的夹角为90电角。 电磁转矩为直流电动机转矩最大。,二、电枢反应 气隙磁场是磁极磁
7、场和电枢磁场的合成磁场。由于电枢磁场的存在， 使气隙中的合成磁场与 磁极磁场的大小、方向 不同，这一现象叫 电枢反应。,物理中性面：气隙磁密为零或最小的位置。 几何中性面：相邻磁极之间的几何对称面。 电枢反应的表现： 1）磁场扭斜：气隙合成磁场的物理中性面逆着电动机旋转方向偏转。几何中性面有磁场。 2）去磁作用：半个极下磁场增加，另半个极下减小。由于磁路接近饱和，磁通的增加值小于磁通的减少值，总磁通将有所减小。,由于磁路接近饱和，磁通的增加值小于磁通的减少值，总磁通将有所减小。,三、换向被电刷短路的过程。 换向时在电刷下可能 产生火花，影响电机工作。换向火花还产生高频电磁波。转速和电枢电流越大
8、，换向火花越大，因此直流电机的转速及电枢电流的最大值都要受换向条件的限制。,换向火花产生的电磁方面的原因：换向元件中产生电势和电流。 1）换向前后电流方向变化，产生自感电动势 ，方向与换向前电流的方向一致。 电枢反应使气隙合成磁场扭斜后，位于磁极几何中性面上的换向元件切割合成磁场的磁力线，或，换向元件切割电枢电流的磁通产生的感应电势 ，由右手定则可知其方向与方向相同。 换向元件中的总电势 。 换向元件中产生了附加电流 。换向结束的瞬间，电流发生突变，由于绕组电感的作用，产生很大的感应电势，使电刷与换向片间产生火花。电枢电流越大，电机转速越高，换向元件中的感应电势和附加电流就越大，换向火花也就越
9、强烈。,直流电动机运行时允许有轻微的火花，但不允许有强烈的火花。 减小和消除换向火花的方法。 第一，移动电刷，将电刷逆着电枢旋转方向移动。 第二，在几何中性面处加换向磁极，它的绕组与电枢绕组串联，换向极的磁场方向与电枢磁场方向相反。 第三，选用合适的电刷。,1.5 直流电动机的特性与控制方法,直流电动机的接线,1.5.1 直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势 由电磁力定律 可以推得直流电机电枢所受到的电磁转矩为 当磁通为常值时该式可写为 由电磁感应定律 可以推得直流电机电枢绕组感应电势（电动机中称为电枢反电势）为转矩灵敏度，或称转矩系数反电势系数 采用国际单位制（SI）,二、转矩平
10、衡方程式 由转子受力图和力学定律动态转矩平衡方程式动态： 静态：静态转矩平衡方程式,加速减速匀速,三、电压平衡方程式 电枢绕组有电阻和自感，在外磁场中转动时电枢中又有感应电势（电枢反电势），因此电枢回路可用图1-27表示。动态电压平衡方程式 动态：静态： 静态电压平衡方程式：,四大关系式 动态：通用：静态参数关系,四、几点说明 1.感应电势 实际的感应电势是波动的。波动的主要原因是因为实际电机有齿槽存在，电枢导体集中在有限的槽内而不在电枢表面。 感应电势的平均值仍符合前式，瞬时值随着电枢转动而上下波动，如图所示。 波动的频率为齿频率 纹波系数：,2.电磁转矩 由于有齿槽，由前式求得的电磁转矩是
11、它的平均值，瞬时转矩是波动的，与电势相同。 槽中磁密较小。 由电磁理论可知铁磁性物质表面所受磁场作用力与其法向磁密的平方成正比，方向向外。 有齿槽时，主要是铁心的齿受力。,3. 和 的关系 利用能量守恒定律证明 电动机从电源输入的电功率为电动机做出的总的机械功率为 电枢绕组发出的热能功率为 能量守恒定律：,4.电阻电枢回路总电阻。 包括电枢绕组电阻，电刷接触电阻，电枢回路中存在或故意加入的其他电阻，如功放内阻，调节电阻等。,1.5.2 直流电动机的静态特性与控制方法,一、概述 静态：电流和转速不变。 静态特性：静态时各变量间的关系。 常用静态特性 机械特性：转速与转矩的关系 调节特性：转速与控
12、制量（如电压）的关系,电机的电流电流与转速有关 转速（利用上式）：调速：改变和控制电动机的转速。 开环调速：电枢电压，磁通，电阻。 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压。,二、电枢控制时的机械特性 磁通不变，电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。 图象：下垂的直线。 斜率： 理想空载转速实际空载转速 堵转转矩,机械特性硬： 小。 机械特性族：改变电枢压，平行直线。 电压提高，工作状态变化。不变，,三、电枢控制时的调节特性 电磁转矩为参变量时转速与电枢电压的关系。平行直线 。斜率直线过原点。 始动电压由摩檫力引起。 起动电流,电枢控制的优点：机械
13、特性和调节特性曲线族是平行直线，这表明直流电机是理想的线性元件。 电枢控制的缺点：控制功率 大，要用较大容量的功率放大器。,四、磁场控制时的机械特性和调节特性 数学表达式 机械特性：磁通是参变量，的关系。交叉的直 线。 调节特性：转矩是参变量，的关系。曲线。 磁场控制时电机是非线性的。 方法：变激磁电压，电流。 优点：控制大功率电机。,五、由 曲线判定电机-负载稳定运行条件 稳定运行状态：设电机转速为n 。若由于某种扰动，转速发生变化。当扰动消失后，电机能恢复到原转速n，则称n所表示的状态是稳定运行状态，否则是不稳定状态。 稳定运行的条件是恒转矩负载，稳定工作区域是机械特性曲线的下降段（转矩增
14、大，转速下降）。,1.5.3 直流发电机,直流电机被外力拖动而旋转时，电机电枢两端就会产生直流电压发电机。 发电机的基本关系式与电动机类似。 发电机的特点：电流的实际方向与电势相同。,1.5.4 直流电动机的工作状态,电机和外加电压结合，工作状态分4 种 。 关系式设,一、电动机状态 外加电压：大于电枢感应电势，方向相反。 电流：正值，小于堵转电流，与感应电势相反。 电磁转矩：方向与转速相同，电动机的特点。 能量关系：电能转化为机械能。 转速：低于空载转速。 机械特性：1、3象限。,二、发电机状态 外加电压：小于感应电势，方向相反。 电流：与感应电势方向相同（负）。 电磁转矩：与电机转速n 相
15、反，是制动转矩（负）。 能量关系：机械能转化为电能。 转速：高于理想空载转速。发电机状态的特点。 机械特性：2、4象限。,三、能耗制动状态 外加电压：零。 电流：与电势同向。 电磁转矩：与电机转速n 相反，是制动转矩（负）。（符号与电流相同，与转速相反）。 能量关系：机械能转化为电能。 机械特性：通过原点。,四、反接制动状态 外加电压：与感应电势同向。 电流：与外电压、感应电势同向。大与堵转电流。 电磁转矩：特点是大于堵转转矩。方向与转速相反，见机械特性。 能量关系：电源和电机输出电能，电阻耗能。 机械特性：4、2象限。,五、实际应用负载转矩 不变， 对应 ， 希望发电机状态 ，加快减速。 停
16、转 能耗制动 反接制动 制动转矩加快减速过程。,1.5.5 直流电动机的动态特性,一、电枢控制时的动态特性 1.电枢电压 为输入，转速 为输出。扰动力矩,直流电动机的动态方框图远远超过了控制系统的通频带,机电时间常数 电磁时间常数2.角位移 为输出,3. 电流 为输入量 设扰动力矩,二、磁场控制时的动态特性 假设电枢电流不变，工作状态变化不大，以激磁电压 为输入量，角速度为输出量，传递函数如下( 激磁绕组电阻、电感分别是 、 ）机械时间常数 电磁时间常数 一般不能忽略,1.6 直流伺服电动机,直流电动机 驱动用：效率高 控制用：响应快 直流伺服电动机 传统（普通）型直流伺服电动机 低惯量型直流
17、伺服电动机 宽调速直流伺服电动机等。 直流力矩电动机,传统（普通）型直流伺服电动机 有齿槽，结构与普通直流电动机相似，特点 1电枢细长，惯量小。 2换向性能好，瞬时电流和瞬时转矩大。 3.机械强度高，能够承受住大的加速度。 4.电刷一般都安放在几何中性面上，正、反转特性对称。 缺点 运行性能：转矩小，低速运转不平稳。电机参数： 、 小。,1.6.1 低惯量型直流伺服电动机,结构特点 性能特点 转子铁心更细长， 转子惯量小，机电时或转动部分无铁心； 间常数小。 电枢绕组与铁磁 绕组电感小，瞬时电 物质分离。 流和瞬时转矩大。 铁心无齿槽结构 力矩波动小，低速运 转平稳。应用：快速，平稳，高精度。
18、,一、无槽电枢直流伺服电动机 结构 电枢绕组直接均匀排列在光滑的铁心表面，用环氧树脂固化。 无齿槽，铁心可细长，绕组在表面，电感小，冷却条件好。 功率大。,二、盘式电枢直流伺服电动机 定子是由永久磁铁和前后磁轭组成。转子是圆盘形，大部分用印制绕组，电流径向流过圆盘表面，绕组的径向段为有效部分。 特别适用于轴向尺寸小的场合,三、空心杯电枢直流伺服电动机 电枢绕组是薄壁圆筒状。转子无铁心，故惯量和电感均大为减小。没有槽，磁阻均匀。转矩平稳，换向好，噪音小，是低惯量电机中性能最好的一种。外磁式空心杯电枢直流伺服电动机的机电时间常数在各种交直流电动机中是最小的。,1.6.2 宽调速直流伺服电动机,采用
19、铁氧体作磁极以降低成本。 采用较多的极对数，增加转子齿槽数和换向片数，降低了转矩波动，增大调速范围。 转子惯量大，比负载的折算惯量大得多，可使控制器适用于各类机床。 电机的热容量大，热时间常数大，可在3 倍额定转矩的条件下工作几十分钟。,1.7 直流力矩电动机,一、概述,在功率相同时，转速越高，力矩越小，体积和重量就越小。所以高速电机多。 直流伺服电动机属于高速电机，额定转速为每分钟几千转,低速性差，更不宜在堵转下工作。力矩小。带动低速负载及大转矩负载要用减速器。 直流力矩电机转速低（几十转/分）、转矩大，可在堵转下长期工作。可以直接带动低速负载和大转矩负载，转速和力矩波动小，机械特性和调节特
20、性线性度好，特别适用于高精度的位置伺服系统。,二、直流力矩电动机 1.结构特点 永磁，多极，外形扁平。 组装式由制造厂在出厂时装配好。 分装式，包括定子、转子和刷架三大部件。机壳和转轴由用户自行选配，便于用户把电动机和其他部件组合成一个紧凑的结构，减小系统的体积和重量。,2.电机参数与运行性能特点 转矩大，空载转速低。 、 大。 1） 、 大 设电枢电压、电流不变。由式 知，为了使 大，应选极对数p多，并联支路对数a小。为了使大，应选用磁密高的永磁材料。,2）电枢直径D大设气隙磁密B、电枢体积和导线总长度l不变。与直径D成正比。与D成反比。 所以电枢直径大，由于体积不变，故电枢是扁平形状。,3
21、.技术参数特点 连续堵转 （电压，电流，转矩）：长期运行数据，与发热和温升有关。 峰值堵转（电压，电流，转矩）：最大值。短时运行值。 关键值：峰值堵转电流。,1.8 有限转角直流力矩电动机,没有换向器和电刷的直流电动机。 电压不变，在小转角范围内力矩方向不变。工作范围有限。 结构 简单的磁极放在转子上，把复杂的绕组放在定子上。 电枢定子结构形式：齿槽结构和环形结构。,两极环形电枢。 定子是一个导磁的圆环，圆环上紧密地缠绕着两个对称分布的环形绕组，反向串联。 没有齿槽结构，完全消除了齿槽效应产生的磁阻转矩，明显减小了纹波和阻尼转矩。,有限转角无刷直流力矩电动机的优点。 机械特性和调节特性的线性度好。 没有电刷，没有相应的滑动摩擦、换向火花和转矩的脉动。结构紧凑，维护简单，寿命长。 能在低速和长期堵转下正常工作，转矩大，响应速度快，频带宽。 传递函数与直流电动机相同。 应用：小转角的高精度控制系统。,
