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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 v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。 v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。 v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。 v特殊点：用直流电源 二、结构 v按运动状态：定子和转子两部分。 v按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷三 部分。 v磁极在定子上，电枢绕组在转子上。 1 磁极和定子铁心 v功能：产生磁场 v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。 v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 v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。 v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。 v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 v换向器在转子上。 v电刷在定子上。 v将电刷上的直流 变为 绕组内部的交流 。 三、图形符号 1.2 电机中的磁性材料 1.2.1 铁磁物质 v磁性：能产生磁场，在磁场中受到力作用。 v铁磁性物质 1）磁导率 大，是真空磁导率 的 2000 6000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 。 v ：剩磁磁密（简称剩磁） v ：矫顽磁力。 v 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。 v 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。 v 硬磁材料：矫顽磁力大，磁滞回线宽。 v磁滞： B的变化滞后于 H的变化。 v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。磁滞回线的面 积越大，磁滞损耗也越大。 v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 。 v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 v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。 v磁化曲线同硬磁材料。 v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 v 剩磁磁密 v 矫顽力 v 最大磁能积 1.2.3 永磁材料的工作点 v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。 v永磁磁路 v工作点 K， 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 v铝镍钴（ AlNiCo）： 剩磁高，容易去磁 。 v铁氧体：价低， 剩磁低。 v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 v电磁力定律 大小： 方向： 左手定则 v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。 v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 v一、模型电机 v换向器的作用：导体从一个磁极转到相邻的 异性磁极时，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。 v转角范围小，不用换向器。 v反转：改变电刷电压的极性。 v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 。 v二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。 两条支路。 v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。 v三、鼓形绕组 1.4 电机磁场、电枢反应与换向 v一、 电机磁场： 磁极（主）磁场，电枢磁场 v电角 =极对数 机械角（几何角） = v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。 v电磁转矩为 v直流电动机转矩最大。 v二、电枢反应 v气隙磁场是磁极磁场 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。 v物理中性面：气隙磁密为零或最小的位置。 v几何中性面：相邻磁极之间的几何对称面。 v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。 v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。 v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，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。 v 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 向火花也就越强烈。 v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。 v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 v直流电动机的接线 1.5.1 直流电动机的基本关系式 v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） v二、 转矩平衡方程式 v由转子受力图和力学定律 动态转矩平衡方程式 v动态： 静态： v静态转矩平衡方程式 v 加速 减速 匀速 v 三、 电压平衡方程式 v 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 v 动态： 静态： v 静 态电压 平衡方程式： v 四 大关系式 动态： 通用： 静态 v 参数关系 v四、几点说明 v1.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： v2.电磁转矩 由于有齿槽，由前式求得的电 磁转矩是它的平均值，瞬时转矩是波动的， 与电势相同。 v槽中磁密 较 小。 v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。 v有 齿 槽 时 ，主要是 铁 心的 齿 受力。 v3. 和 的关系 v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： v4.电阻 电 枢回路 总 电 阻。 v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 v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。 v常用 静 态 特性 机械特性： 转 速与 转 矩的关系 调节 特性： 转 速与控制量（如 电压 ）的关系 v电机的电流 电流与转速有关 v转速（利用上式）： v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。 v电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 v磁场控制，输入量是磁通， 激磁 电 流 或电压 。 v 二、电枢控制时的机械特性 v 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。 v 图象：下垂的直线。 v 斜率： v 理想空载转速 v 实际空载转速 v 堵转转矩 v机械特性硬： 小。 v机械特性族：改变电枢 压，平行直线。 v电压提高，工作状态变化。 不变， v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 。 v 斜率 v 直线过原点。 v 始动电压 由摩檫力引起。 v 起动电流 v电枢控制的优点：机械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。 v电枢控制的缺点：控制功率 大，要用较 大容量的功率放大器。 v四、磁场控制时的机械特性和调节特性 v数学表达式 v机械特性：磁通是参变量， 的关系。交叉的直 线。 v调节特性：转矩是参变量， 的关系。曲线。 v磁场控制时电机是非线性的。 v方法：变激磁电压，电流。 v优点：控制大功率电机。 v五、由 曲线判定电机 -负载稳定运行条件 v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。 v稳定运行的条件是 v恒转矩负载，稳定 工作区域是机械特性 曲线的下降段（转矩增大，转速下降）。 1.5.3 直流发电机 v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。 v发电机的基本关系 式与电动机类似。 v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 v 电机和外加电压结合，工作状态分 4 种 。 v 关系式 v 设 v 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。 v 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。 v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。 v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。 v 五、实际应用 负载转矩 不变， 对应 ， v 希望 发电机状态 ，加快减速。 v 停转 能耗制动 反接制动 v制动转矩加快减速过程。 1.5.5 直流电动机的动态特性 v 一、电枢控制时的动态特性 v 1.电枢电压 为输入，转速 为输出。扰动力矩 v直流电动机的动态方框图 v 远远超过了控制系统的通频带 v机电时间常数 电磁时间常数 v2.角位移 为输出 v3. 电流 为输入量 v设扰动力矩 v 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 v直流电动机 驱动用：效率高 控制用：响应快 v直流伺服电动机 传统（普通）型直流伺服电动机 低惯量型直流伺服电动机 宽调速直流伺服电动机等。 v直流力矩电动机 v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。 v 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 v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。 v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。 v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。 v一、无槽电枢直流伺服电动机 v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。 v无齿槽，铁心可细长， 绕组在表面，电感小， 冷却条件好。 v功率大。 v二、 盘式电枢直流伺服电动机 v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。 v特别适用于轴向尺寸小的场合 v三、空心杯电枢直流伺服电动机 v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 v 采用 铁 氧体作磁极以降低成本。 v 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 。 v 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。 v 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 v 一、概述 v ,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。 v 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。 v 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，机械特性和调节特性线 性度好，特别适用于高精度的位置伺服系统。 v二、 直流力矩电动机 v1.结 构特点 永磁，多极， 外形扁平。 v组 装式由制造厂在出厂 时 装配好。 v分装式，包括定子