1、第5章 直流电机,5.1 直流电机的工作原理和结构特点 5.2 直流电机的励磁方式和运行特性 5.3 无刷直流电动机,内容简介,本章主要内容包括：直流电机的结构特点、工作原理和直流发电机、直流电动机的基本运行特性、无刷直流电动机等。,电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转,发电机的电动势为电源电动势。电枢中有电流以后, 电流与磁场相作用产生电磁转矩。 方向与转动方向相反, 故称反转矩 。,1) 直流发电机的工作原理,5. 1 直流电机的工作原理和结构特点,5.1.1 直流电机的工作原理,电动机的电磁转矩是驱动转矩. 在旋转的过程中, 电枢线圈也切割磁场而产生电动势, 该电动势的方向总是与电流方
2、向相反, 故称为反电动势.,2) 直流电动机的工作原理,3) 直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置,直流电机的电枢绕组实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个闭合回路,电刷的位置正确与否, 将影响到正负电刷间的电动势E, 从而影响到发电机的电压和电动机的转速; 同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。,电刷的正确位置,确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势,电刷放在磁场几何中性线上,为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确装配的“标记”。在运行管理中
3、应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记”加以校正和固定。,5.1.2 直流电机的构造,换向器的结构,5.1.3 直流电机的额定值,1.额定容量（KW）:是指额定状态下, 发电机输出的电功率Pn=UnIn, 或电动机轴上输出的机械功率Pn=UnInn;,2.额定电压（V） ：端电压Un;,3.额定电流（A） ：发电机输出的或电动机输入的额定电流In;,4.额定转速nN ：额定状态下的转速;,此外, 还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等 。,5.励磁方式及额定励磁电流If(A);,按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为：他励（或称它励）、并励、串励和复励4种 ：,他励电动机：励
4、磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,5. 2 直流电机的励磁方式和运行特性,5.2.1 直流电机的励磁方式,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,5.2.2 直流电机的基本理论,CE:与电机结构有关的常数称为电势常数,CT:与电机结构有关的常数, 称为转矩常数,P1:输入的机械功率, P2:输出的电功率, P电机内部各种损耗,因为E=Ken, 而与If之间为
5、磁化曲线关系, 所以空载特性曲线与磁化曲线相似。,1) 空载特性,剩磁电压Er：励磁电流等于零时的开路电压, 约为额定电压的25。,当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时, 电枢电动势(或空载电压U0)与励磁电流If之间的关系E=f(If)。,5.2.3 直流发电机的运行特性,自励发电机靠剩磁建立电压。非线性的空载特性曲线(E=f(If)与线性的场阻线(Rf=E/If)的交点即为自励的稳定电压。,电路暂态过程的电压平衡方程,2) 自励发电机的建压条件,在稳定交点之前, dIf/dt0, 励磁电流If一直增加 。,在稳定交点处, E-IfRf=0和dIf/dt=0, If和E都不再变化 。,
6、3.励磁电路的电阻要适当。,自励发电机的自励起压条件:,1.发电机要有剩磁；,2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；,3) 外特性,在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下, 发电机的有载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。,直流发电机电枢电路的电压平衡方程为,（1）他励发电机,电枢电流Ia等于负载电流I，只有电枢电阻引起端电压的微小变化,（2）并励发电机,电枢电流 Ia= I + If,电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小, 电动势的减小, 又使电压进一步下降,(3) 复励发电机,电枢电流 Ia= I + If,复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流(短
7、复励)或电枢电流(长复励), 复励发电机又分为积复励发电机和差复励发电机。,串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机,串励与并励磁场方相反的复励发电机称为差复励发电机。,根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和过复励发电机。,直流发电机从空载到满载端电压变化的程度用电压变化率表示, 即,4) 电压变化率,他励发电机u(510); 并励u(1030); 平复励u= 0; 欠复励u 0; 过复励u 0。,5) 转矩和功率的平衡,当发电机稳定运行时,发电机机械转矩 T1= T + T0,机械功率 P1= Pe + P0,将发电机的电压平衡方程式两边乘以电枢电Ia, 便得到他励发
8、电功平衡方程式, 即,对于并励和复励发电机, Ia=I+If, 由上式可得其输出电功率为,发电机的效率:,当电动机稳定运行时电枢电路的电压平衡方程式为,并励和复励电动机的输入线路电流I与电枢电流Ia、励磁电流If的关系为,5.2.4 直流电动机的运行特性,Rf为并励电路的总电阻。当励磁电流比负载电流小得多时, 常可忽略, 这时可认为 I Ia 。,直流电动机产生的电磁转矩T与负载转矩T2和空载转矩T0相平衡, 即,当P2以kW为单位、T2以Nm为单位时，负载转矩与负载功率的关系为,机械特性 n = f ( T ),将反电动势E=Cen代入U=E+Ia(Ra+R) 的电压方程中, 并当电枢电路的
9、外串电阻R=0时, 可得直流电动机的转速特性n=f(Ia)的表示式, 即,电动机的转速与转矩之间的关系n=f(T)曲线, 称为机械特性曲线。将Ia=T/(CT)代入上式中, 则得自然机械特性关系式, 即,n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。,系数k = Ra / (CeCT2)表明特性曲线的斜率。,当电枢的外串电阻R0时, 斜率k变大, 这时的机械特性称为人为机械特性。,1) 他（或并）励电动机,由于电枢电阻很小, 转速随负载的变化不大, 其转速变化率仅为(38), 故为硬机械特性。适于拖动要求恒转速的生产机械。,根据 n-T 公式画出特性曲线,直流电动机的机械特性及转速特性均与励磁方式有
10、关:,串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同，随负载的增加而增加。,2) 串励电动机,（2）机械特性软。,转速随负载的增加而迅速下降。该特性曲线有两个特点:,（1）空载转速非常高（不允许空载运行，以防转速过高）；,3) 复励电动机,复励电动机的机械特性介于并励和串励之间。,电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系T=KTIa, 称为转矩特性。 励磁方式不同, 转矩特性T=f(Ia)曲线不同。,2串励电动机的磁通几乎与电枢电流成正比, 故电磁转矩近于与电枢电流的平方成正比, 其转矩特性曲线近似于抛物线;,转矩特性,1他(或并)励电动机, 磁通恒定不变, 电磁转矩只与电枢电流成正比;,3复励电
11、动机的则介于前两者之间。,启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则,Ist 太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Ist 限制在(1.5-2.0)IN 内。,起动和反转,1 .起动,（2）启动时降低电枢电压。,限制Ist的措施：,（1）启动时在电枢回路串电阻。,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia，而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。,直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通， 不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：,注意：,（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，
12、则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。,2.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（1）改变励磁电流的方向。,改变直流电机转向的方法：,注意： 改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,（2）或改变电枢电流的方向。,5.2.5 直流电机的电枢反应和直流电机的换向,当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。,电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应,当电刷位于几何中性线上时，由于电枢磁场的方向总是与主磁极磁场相正交，因此电枢反应的结果将导致主磁极磁场发生畸变，
13、同时也使得主磁极磁场的磁通有所削弱，这对直流电机的换向以及运行特性都会带来不利的影响。,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极
14、面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。,在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的,在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法。,此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。,5.3 无刷直流电动机,无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代
15、替了一般直流电动机的机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。,无刷直流电动机原理框图,5.3.1无刷直流电动机的基本结构,是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生信号触发开关线路中的电力电子元件使之导通或截止。,无刷直流电动机基本结构 1 电动机定子 2 电动机转子 3 传感器定子 4 传感器转子 5 电子开关电路,1. 电动机本体,2 转子位置传感器,转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，其
16、作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，由电子换向代替有刷电机的电刷和换向器。,常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。,1）电磁式位置传感器,电磁式位置传感器,由定子和转子两部分组成。传感器定子磁心及传感器转子上的扇形部分均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为60，其中三个为励磁极，外施高频电源励磁（一般的频率为几千赫到几十千赫），另外三个极分别绕上二次绕组W U、WV、WW ，之间分别相隔120。,当转子处在如图所示的位置时，励磁极的高频磁通通过转子扇形导磁材料耦合到感应极上的绕组WV、并产生感应电压，该信号经过电子线路处理，变成与电动机定、转子
17、位置相对应的换向信号。但是其它两个绕组W U、WW ，因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路，感应电压为零。,电磁式位置传感器,2）光电式位置传感器,这种传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。遮光盘开口的角度近似等于绕组导通角相对应的机械角度，且开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。,光电式位置传感器,光电式位置传感器,几个光电耦合开关沿着圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相互对应的红外发光二极管（或激光器）和光电管所组成。红外发光二极管（或激光器）通电后发出红外光（或激光）；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过遮光盘开口，使对着的光电管导通，相应地产生反
18、应转子相对定子位置的电信号。该信号经放大后去控制电力电子器件，使相应的定子绕组切换电流。,光电式位置传感器,光电式位置传感器抗干扰能力强，工作温度范围目前可达到55100。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才有驱动能力。但它的优点是直接输出直流电信号，不必再进行整流。,3）磁敏式位置传感器,磁敏式位置传感器是采用磁敏传感器实现位置检测的，目前常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种，以霍尔元件为最常用。它们具有不同的特性。,霍尔无刷直流电动机图,由于无刷直流电动机的转子是永磁的，可以方便地利用霍尔元件的霍尔效应进行位置检测。图中两个霍尔元件H1H
19、2以间隔90电角度粘于电机定子绕组AB的轴线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。,四相霍尔无刷直流电动机的原理图,霍尔无刷直流电动机图,当转子旋转时磁钢N极和S极轮流靠近H1H2，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率放大电路，使四个定子绕组轮流切换电流。,四相霍尔无刷直流电动机的原理图,3 电子换向开关线路,电子换向开关线路中各功率元件分别与相应的各相定子绕组串联，各功率元件的导通与截止取决于位置传感器的信号。开关电路可分为桥式和非桥式两大类。非桥式开关电路所用的功率元件较少，用于开启式电枢绕组。绕组电路的导通状态可以是一个依次通电，也可以是多
20、相同时通电，此时电枢合成磁场是由通电的多相磁场所合成。,5.3.2 无刷直流电动机的基本原理,三只功率晶体管构成功率逻辑单元来驱动两极星形三相绕组，采用光电器件作为位置传感器，并经过信号处理放大后去控制开关电路功率晶体管的导通，使串联在晶体管的定子绕组与外电源接通。由于遮光盘与电动机转子同轴旋转，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。,三相无刷直流电动机半控桥电路原理图,当电机转子处于图所示的位置时，此时光电器件VP1被光照射，功率晶体管V1呈导通状态，而V2、V3截止。电流流过主定子绕组UU，于是永磁主转子磁场与电枢磁场相互作用
21、产生转矩，使转子的磁极按图（a）中的箭头方向（顺时针方向）转动，并力图占据该绕组磁势轴线的位置。,随着电动机转子的转动，直接装在转子轴上的遮光盘跟着同步旋转，当电机转过2/3电角度使转子处于图（b）所示的位置时，遮光盘遮住VP1 而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截止、晶体管V2导通，V1、V3截止，电流从绕组UU断开而流入绕组W，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转。,当转子在空间转过4/3电角度后，位置传感器使晶体管V3开始导通，V1、V2截止，相应电枢绕组WW有电流通过。电枢磁场与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转，如图（c）所示。,依次类推，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此
22、循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，主转子随着绕组导通的顺序而旋转，并带动遮光盘同时朝顺时针方向旋转。于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到图（a）的位置。,三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与位置控制传感器导通顺序的关系如图所示。可以看出，由于一个磁状态对应一相导通，所以角aC和角am都等于2/3。当电机是p对磁极时，位置传感器遮光盘应有p个均匀分布的开口，每个开口角度为aP2/（3p）。,5.3.3 无刷直流电动机正反转控制方法,在许多场合均要求电动机能够方便地实现正反转，永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性连接（反接）来实现的。
23、,由于无刷直流电动机换向电路的电力电子器件导电具有单向性，不允许反接到电源上，因此不能简单地采用改变电源电压的极性实现电动机反转。,反转的实现可采用下法：, 将每组绕相两端头互换，变换绕组中电流的方向, 改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器，如果用霍尔元件作位置传感器，可将每片一对电流端两端互换或电势端两端互换, 逻辑门选通方法，即电机传感器设计上有专门的考虑，在控制电路用一逻辑信号（代表正反转状态）的指令来改变电机各相绕组的导通顺序,基本原理都是通过改变定子绕组磁势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向。 图（a）和（b）分别表示电枢绕组U相导通时电机正、反转时的定、转子磁场相
24、对位置，正反转时电枢电流方向不变，因而电枢磁势的方向不变。,图（a）所示的转子磁钢位置时，U相绕组导通，电流方向如图所示，在电磁转矩的作用下，转子将逆时针旋转。定子绕组通电顺序是UVW，但若如图（b）所示，当转子转过180以后，U相绕组才导通，这样产生的电磁转矩将驱使转子顺时针转动，定子绕组通电顺序变为UWV。,因此，只要能得到在时间相位上相差180的驱动信号，去控制相应的绕组导通就能实现正反转。这个信号可以通过两套在空间错开180电角度的位置传感器获得，一套控制电动机正转，另一套控制反转；也可以将正转信号通过电子线路进行一定的逻辑处理，来得到相差180电角度的反转信号。,无刷直流电动机结构上由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成，以电子换向装置代替了一般直流电动机机械换向装置 。因而既有直流电动机的优良控制特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。可以作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用。转速不受机械换向的限制，尤其适合于高级电子设备、航空航天技术、数控装置。,
