直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

1、直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立一、直流电机的基本结构直流电机可概括地分为静止和转动两大部分。静止部分称为定 子；转动部分称为转子。定、转子之间由空气隙分开，如图。图a所示为直流电机结构，图b所示为直流电机剖面图。1.定子部分定子由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。(1)主磁极它的作用是产生恒定的主极磁场，由主磁极铁心和套 在铁心上的励磁绕组组成。(2)换向极换向极的作用是消除电机带负载时换向器产生的有害 火花，以改善换向。(3)机座机座的作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这部分 称为定子磁钝；二是作为电机的机械支撑。(4)电刷装置其作用，一是使转子绕组能与外电路接通，使电流 经

2、电刷输入电枢或从电枢输出；二是与换向器相配合，获得直流电 压。2.转子部分转子是直流电机的重要部件。由于感应电势和电磁转矩都在转 子绕组中产生.是机械能与电能相互转换的枢纽，因此称作电枢。 电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。另外转子上还有风 扇、转轴和绕组支架等部件。(1)电枢：铁心电枢铁心的作用有两个，一是作为磁路的一部 分，二是将电枢绕组安放在铁心的梢内。(2)电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流， 使电机实现机电.能量转换它由许多形状完全相同的线圈按一定规律连接而成。每一线圈的两个边分别嵌在包枢铁心的梢里，线圈的 这两个边也称为有效线圈边。(3)换向器：换向器又称整流

3、子，在直流电动机中，是将电刷 上的直流电流转换为绕组内的交变电流，以保证同一磁极下电枢导 体的电流方向不变，使产生的电磁转矩恒定；在直流发电机中，是 将绕组中的交流感应电势转换为电刷上的直流电势，所以换向器是 直流电机中的关键部件。换向片之间用云母片绝缘，电枢绕组每一个线圈.厂的两端分别接在两个换向片上，换向器的结构如,:一、图1-2所示。,毒暹研二直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会_ f r _ 八，r _ . f 图】T慨向器结构广生火花。微弱的火花对电机运行并无危害，若.换向不良，火花超过一定程度，电刷和换向器就 会烧坏，使电机不能继续运行。止匕外，在静止的主磁极与电枢之间，有一空气

4、隙，它的大小和 形状对电机的性能影响很大。空气隙的大小随容量不同而不同。空 气隙虽小，但由于空气的磁阻较大，因而在电机磁路系统中有着重 要的影响。二、直流电机的基本工作原理在A、B电刷上接入直流电源U,则该电机模型为电动机模型。按入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈abcd,到负电刷B流、山广已二出。根据电磁力定津在载流异体与j1丝三巴磁力线垂直的条件下，线圈每一个有f效边将受到一电磁力的作用。电磁力号A的方向可用左手定则判断。在换向器与静止电刷的相互配合作用下，线圈不论转到何处， 电刷A始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电刷 B始终与运动 到S极下的线圈边相

5、接触，这就保证了电流总是由电刷 A经N极下 的导体流入，再沿S极下的导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁 转矩的方向始终保持不变，使电机能沿逆时针方向连续转动。在如图所示的电动机模型中，转子线圈中流过电流时，受电磁 力的作用而产生的电磁转矩可用下式表示：式中，T为电磁转矩(NT项CMa为电枢电流(A); Cm为与电 机结构有关的常数，称为转矩常数，Cm=当线圈在磁场中转动时，线圈的有效边也切割磁力线，根据对 发电机所作的分析可知，显然其中也会出现感应电势。根据右手法 则，由磁场及转动方向不难判断出有效边中感应电势的方向，总是 与其中的电流方向相反，故该感应电势又常称为电枢反电势。这时 电机将电能

6、转换成了轴上输出的机械能。三.有刷直流电机建模1典型的单位反馈系统一般研究的传递函数是将时域函数经拉普拉斯变换后的复频域 函数。如图：W(s)为系统的开环传递函数，R(s)和C(s)分别为系统的 输入和输出而E(S)为系统的误差。系统开环传递函数的一般形式:W)(s)=K(bmsm+bm_1 sm-1 +?+b 1s+1)s T(a nsn +a n_1 sn-1 +?+a 1s+1)2直流电机的数学模型直流电动机中，有电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁过程这两个过程，按照实际情，在此模型中，我们认为它们同时发生。 据此，从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发，建立其状态方 程及传递函数关

7、系。电枢电压平衡方程为转矩平衡方程为其中Ua电枢电压(V)； 一电枢反电势(V)；i a电枢电流(A);La、R一电枢电感(H)、电枢电阻(Q);一每极磁通(Wb);n一转子转速(r /min)G、C一直流电机电势常数和转矩常数，Ce=P#(60a)、Cm=PN/(2兀a),其中P为电机极对数，N为电枢总导体数，a为并联支路 数M M电磁转矩和负载转矩(Nm);J一转速惯量(Nmsmini/r).其中转速惯量J,与转动惯量J0(Nms/rad)之间关系如下。 由得作拉普拉斯变换可解得电枢电流i a与电枢电压Ua,之间的传递函数转子转速n与动态转矩(M-ML)之间的传递函数其中(=1 / r 电

8、枢回路放大倍数；T=La/RH电枢回路电磁时间常数(s);令T=J卫一机电时间常数(s) CM Ce?建立精确模型时要考虑到机电(Tm)和电磁(Ta)的过渡过程，反映 在传递函数中，即它形成了一个有反馈的闭环二阶系统，由此系统框图:n(s)=1/C e?Ua(s) - TmTaS2+TmS+1可得电机精确模型的传递函数框图(如图2所示)，则可得到转速与 电枢电压的传递函数。传递函数:注意到实际情况下，系统中时间常数 r和在数量上差别较大， 由转子惯性引起的机电时间常数往往比电枢回路电磁时间常数大一 个数量级，两个过程可以不看作同时发生而是接续发生，这样可以 近似认为较快电流变化时，电机转递不变，即电枢反向电动势s不变，而在研究比较缓慢的变化过程时，可以认为电磁过程已经衰减 完毕，即认为T=0,这样可以简化电机模型，得到简化传递公式：n(s) _ 1/Ce?Ua(s) Tm s+1当输入电压为单位阶跃函数时，即0,t 0将n(s)转换为时域形式1n(t)=/(TnG)(1- ef例如取/(T nQ)=1 , Tm=,则可得到下图示例n-t图若电机为永磁式的则有简化形式1n(t)=K(1- e Tm)在上式中取