第8章直流电动机

1、 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。NSNS 直流电机由定直流电机由定子子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由永久磁铁做成。由永久磁铁做成。磁极上绕线圈，线圈中通过直流电

2、，磁极上绕线圈，线圈中通过直流电， 形成电磁铁。形成电磁铁。磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。为励磁。 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IEUIa+_IfM复励复励U+_IMIa这是一个方形导线框，在线端头焊接两片半这是一个方形导线框，在线端头焊接两片半圆周的铜片。圆周的铜片。 两片半圆周的铜片构成换向器，两个弹性铜两片半圆周的铜片构成换向器，两个弹性铜片靠在换向器两侧是电

3、刷。片靠在换向器两侧是电刷。 电源通过电刷向导线框供电，线框中就有电流通过。电源通过电刷向导线框供电，线框中就有电流通过。 在线框两侧放一对磁极，形成磁场，线框处在线框两侧放一对磁极，形成磁场，线框处在磁场中。在磁场中。 当线框通有电流时，两侧导线就会受到磁场的作当线框通有电流时，两侧导线就会受到磁场的作用力，这个力称为洛伦兹力，方向依左手定则判用力，这个力称为洛伦兹力，方向依左手定则判断，图中紫红色箭头表示电流方向、绿色半透明断，图中紫红色箭头表示电流方向、绿色半透明箭头是受力方向。箭头是受力方向。 受到磁场作用力的线框会旋转，当旋转受到磁场作用力的线框会旋转，当旋转90度后，度后，换向器改

4、变了线框电流的方向，于是导线框会连换向器改变了线框电流的方向，于是导线框会连续旋转下去，这就是直流电动机的工作原理。续旋转下去，这就是直流电动机的工作原理。 8.3 直流电动机的实际构造模型直流电动机的实际构造模型 直流电直流电动机的定子动机的定子有一对主磁有一对主磁极，安装在极，安装在机座上，机机座上，机座也叫座也叫磁轭磁轭，是主磁极磁是主磁极磁力线的通路力线的通路。磁极与磁轭磁极与磁轭都是用导磁都是用导磁良好的钢铁良好的钢铁制成。制成。 在主磁在主磁极上安装有极上安装有励磁绕组，励磁绕组，绕组通电后绕组通电后就会在两个就会在两个主磁极间产主磁极间产生主磁场。生主磁场。 直流电机转子也称为直

5、流电机转子也称为电枢电枢，电枢铁芯由，电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布18个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。比主磁极间距离略小点。 定子铁芯与转子铁芯的定子铁芯与转子铁芯的磁路图，浅蓝色箭头线磁路图，浅蓝色箭头线表示磁力线表示磁力线 把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都有一对引出线。有一对引出线。 换向器有换向器有18个铜制换向片，排成圆筒形，固定在个铜制换向片，排成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。此一个绝缘

6、套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。此图用两个角度展示换向器的外观。图用两个角度展示换向器的外观。 把换向器把换向器安装在电枢转轴安装在电枢转轴上，把电枢绕组上，把电枢绕组的引出线按规律的引出线按规律焊接在换向片上。焊接在换向片上。 为散去为散去电机发出的电机发出的热量，还要热量，还要在电枢转轴在电枢转轴上安装风扇。上安装风扇。 电枢绕组通过电刷供电，电枢绕组通过电刷供电，电刷的主要成份是石墨电刷的主要成份是石墨，导，导电良好又润滑。电刷固定在刷握内，由弹簧片压向换向器。电良好又润滑。电刷固定在刷握内，由弹簧片压向换向器。 有两个主磁极，故有两个电刷组，每个电刷组由两有两个主磁极，故有两个电刷

7、组，每个电刷组由两个电刷构成。电刷组固定在电刷座上，构成电刷装置。个电刷构成。电刷组固定在电刷座上，构成电刷装置。 电刷装置与换向器的位置关系如图所示，根据电枢电刷装置与换向器的位置关系如图所示，根据电枢绕组的常用绕法的线端头与换向器焊接位置，当磁极在上绕组的常用绕法的线端头与换向器焊接位置，当磁极在上下方时两个电刷组分布在换向器上下两侧。下方时两个电刷组分布在换向器上下两侧。 把电枢插把电枢插入定子主磁极入定子主磁极之间，见图之间，见图 在电机前后两在电机前后两侧装上端盖（剖侧装上端盖（剖面），端盖上有轴面），端盖上有轴承，支持电枢的旋承，支持电枢的旋转。电刷装置也固转。电刷装置也固定在端盖

8、上。定在端盖上。 在电机端盖上有在电机端盖上有散热通风孔，在机座散热通风孔，在机座上有出线盒。上有出线盒。 ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。 种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。应用：应用： 步进电动机根据数控步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器装置发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中的动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后点产生电位差，经

9、放大后控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。 步进电动机的运转状态与普通电动机不同，它随步进电动机的运转状态与普通电动机不同，它随供给电源的脉冲一步一步的转动，是一种数字电动机。供给电源的脉冲一步一步的转动，是一种数字电动机。步进电动机能随供给的电源脉冲数转动相应步数，而步进电动机能随供给的电源脉冲数转动相应步数，而每一步的角度是固定的，所以步进电动机能按控制转每一步的角度是固定的，所以步进电动机能按控制转动所需的圈数、角度，广泛应用在数控机床、自动化动所需的圈数、角度

10、，广泛应用在数控机床、自动化设备、仪器仪表等行业。本节介绍应用最广的反应式设备、仪器仪表等行业。本节介绍应用最广的反应式步进电动机。步进电动机。 反应式步进电动机是根据磁阻性质产生转矩工作反应式步进电动机是根据磁阻性质产生转矩工作的，遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理，由的，遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理，由磁拉力形成转矩。前面介绍的开关磁拉力形成转矩。前面介绍的开关磁阻电动机磁阻电动机也可视也可视为步进运行，因每切换一组线圈电源时转子就转动一为步进运行，因每切换一组线圈电源时转子就转动一定角度，只要停止切换转子就停止不动了，只不过每定角度，只要停止切换转子就停止不动了，只不过每一

11、步的角度是一步的角度是30度，应用在数控设备显然过于粗糙。度，应用在数控设备显然过于粗糙。实际应用的步进电动机步进角度较小，下面介绍的步实际应用的步进电动机步进角度较小，下面介绍的步进电动机模型每步为进电动机模型每步为3度。度。 图图1是步进电动机的定子铁心，在内周有六个磁极，是步进电动机的定子铁心，在内周有六个磁极，每个磁极上有每个磁极上有5个小齿，齿中心距为个小齿，齿中心距为9度，齿宽与齿间隔度，齿宽与齿间隔大小一大小一样，径样，径向的两向的两个磁极个磁极组成一组成一对磁极，对磁极，定子铁定子铁心由冲心由冲制的硅制的硅钢片叠钢片叠制而成。制而成。 图图2是步进电动机的转子铁心，转子上没有线

12、圈，但是步进电动机的转子铁心，转子上没有线圈，但在外圆周有在外圆周有40个小齿，齿中心距为个小齿，齿中心距为9度，齿宽与齿间隔大度，齿宽与齿间隔大小一样，转子铁心也由冲制的硅钢片叠制而成。小一样，转子铁心也由冲制的硅钢片叠制而成。 由于定子磁极上的小齿的齿宽与齿间隔与转子上的由于定子磁极上的小齿的齿宽与齿间隔与转子上的小齿一样，所以当定子的一对磁极小齿与转子小齿对齐时，小齿一样，所以当定子的一对磁极小齿与转子小齿对齐时，另两对磁极小齿与转子小齿角度相差另两对磁极小齿与转子小齿角度相差3度或度或-3度。度。图图4是绕有线圈的定子与装有转轴的转子组装图。是绕有线圈的定子与装有转轴的转子组装图。 反

13、应式步进电机多为三相线圈，本模型的三对磁极反应式步进电机多为三相线圈，本模型的三对磁极可绕三组线圈组成三相绕组。由脉冲信号发生器按照给定可绕三组线圈组成三相绕组。由脉冲信号发生器按照给定的设置不断向步进电机驱动器发送控制脉冲信号，驱动器的设置不断向步进电机驱动器发送控制脉冲信号，驱动器又根据转动方向与运转状态向三相线圈供电（每输入一个又根据转动方向与运转状态向三相线圈供电（每输入一个脉冲信号切换一次供电状态），每一个控制脉冲电信号转脉冲信号切换一次供电状态），每一个控制脉冲电信号转子转动一步，每步转的角度称为步距角。子转动一步，每步转的角度称为步距角。 三相线圈分为三相线圈分为A、B、C三个线

14、圈，图三个线圈，图5是用三个开是用三个开关晶体管向三个线圈供电的关晶体管向三个线圈供电的连接图：三个线圈的一端与连接图：三个线圈的一端与电源正极相连，另一端分别电源正极相连，另一端分别与驱动器内三个开关晶体管与驱动器内三个开关晶体管连接，构成星形连接。每个连接，构成星形连接。每个时期仅有一个开关晶体管导时期仅有一个开关晶体管导通一个线圈通电，这是一种通一个线圈通电，这是一种基本的也是常用的工作方式。基本的也是常用的工作方式。 如图是步进如图是步进电机的模型正电机的模型正视图，其展示视图，其展示了三相线圈的了三相线圈的组合与连接，组合与连接，黄色线圈是黄色线圈是A相线圈、绿色相线圈、绿色线圈是线

15、圈是B相线相线圈、红色线圈圈、红色线圈是是C相线圈。相线圈。 8.5 步进电机的工作原理步进电机的工作原理图图7是是BG1导通导通A相线相线圈通电，此圈通电，此时转子被磁时转子被磁力吸引静止力吸引静止不动。不动。 第一个控第一个控制脉冲来时，制脉冲来时，BG1截止截止BG2导通，导通，B相线相线圈通电，磁通圈通电，磁通按最近的路径按最近的路径闭合，在磁力闭合，在磁力拉动下，转子拉动下，转子开始向逆时针开始向逆时针方向转动方向转动 开关晶体管开关晶体管BG1连接连接A相线圈，开关晶体管相线圈，开关晶体管BG2连接连接B相线圈，开关晶体管相线圈，开关晶体管BG3连接连接C相线圈。下面的几个图相线圈

16、。下面的几个图片显示在控制脉冲作用下驱动器对三相线圈轮流接通电源片显示在控制脉冲作用下驱动器对三相线圈轮流接通电源拉动转子旋转的状态。拉动转子旋转的状态。 在磁力在磁力拉动下，转子拉动下，转子向逆时针方向向逆时针方向转动，图转动，图9是是转到转到1.5度时度时的位置。的位置。 在磁力拉在磁力拉动下，转子向动下，转子向逆时针方向转逆时针方向转动到动到3度，见图度，见图10，如果不来，如果不来控制脉冲，转控制脉冲，转子将停止在这子将停止在这个角度不动，个角度不动，这样一个控制这样一个控制脉冲驱动转子脉冲驱动转子转了一步，一转了一步，一个步距角为个步距角为3度。度。 如果再来如果再来一个控制脉冲，一

17、个控制脉冲，开关晶体管开关晶体管BG2截止截止BG3导通，导通，C线圈通线圈通电，转子在磁拉电，转子在磁拉力作用下开始继力作用下开始继续转动。续转动。 在磁力拉动在磁力拉动下，转子向逆时下，转子向逆时针方向转动到针方向转动到6度，见图度，见图12，如，如果不来控制脉冲，果不来控制脉冲，转子将停止在这转子将停止在这个角度不动，这个角度不动，这样第二个控制脉样第二个控制脉冲驱动转子又转冲驱动转子又转了一步，总共转了一步，总共转了了6度，两个步度，两个步距角。距角。 如果再来如果再来一个控制脉冲，一个控制脉冲，开关晶体管开关晶体管BG3截止截止BG1导通，导通，A线圈线圈通电，转子在通电，转子在磁拉

18、力作用下磁拉力作用下开始继续转动。开始继续转动。 在磁力拉在磁力拉动下，转子向逆动下，转子向逆时针方向转动到时针方向转动到9度，见图度，见图14，此时状态与初始此时状态与初始位置图位置图7相同，相同，转子一共转了转子一共转了3个步距角共个步距角共9度，度，也就是转子的一也就是转子的一个齿距的角度个齿距的角度9度。度。 如果需要继续转动就继续发控制脉冲，如果需要继续转动就继续发控制脉冲，就重复图就重复图8开始的过程。不停的发控制脉冲开始的过程。不停的发控制脉冲电机就会不停的旋转，脉冲一停电机就停电机就会不停的旋转，脉冲一停电机就停止转动。需要反转就改变三相切换顺序，止转动。需要反转就改变三相切换

19、顺序，例如前面的过程是按例如前面的过程是按A-B-C顺序导通转子逆顺序导通转子逆时针转动，改为时针转动，改为C-B-A顺序导通转子则按顺顺序导通转子则按顺时针转动。时针转动。 控制脉冲频率高则转子转速高、频率低则控制脉冲频率高则转子转速高、频率低则转子转速低，可以非常低或静止固定在指定位转子转速低，可以非常低或静止固定在指定位置。但转子开始转动与停止转动时驱动器都要置。但转子开始转动与停止转动时驱动器都要适当降低切换频率，以防因负荷与转子惯量引适当降低切换频率，以防因负荷与转子惯量引起的失步。起的失步。 8.5 其他电机其他电机 伺服电动机又称执行电动机。其伺服电动机又称执行电动机。其 伺服电

20、动机可控性好，反应迅速。是自动控伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子放放大大器器检检测测元元件件2U2I+U+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组UCU1I1U+ 励磁绕组串联电容励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。是

21、为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近相位差接近9090 , ,从而产生所需的旋转磁场。从而产生所需的旋转磁场。 1UCU1I1U2UU放放大大器器检检测测元元件件2U2I+U+控制绕组控制绕组1I2I0.8 U20.6 U2on 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广等多种。它的应用很广泛，如用泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。在各种自动控制、自动记录等系统中。 测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动测速

22、发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。测速发电机分为交流和直流两种类型。 交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁

23、绕组，一个是输出绕组。一个是励磁绕组，一个是输出绕组。 1转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组输出输出绕组绕组2U+励磁励磁绕组绕组1U1I1+ 值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压现象，使得输出电压U2与转速与转速n 有一定的线性误差。有一定的线性误差。 RL越小、越小、n 越大，误差越大。因此，在使用中应使越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和和 n的大小符合的大小符合直流测速发电机的技术要求。直流测速发电机的技术要求。 测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在

24、自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。 用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。控制过程，称作自动控制。 从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。两类。 控制对象控制对象控制控制指令指令输出输出 开环控制系统结构简单，控制开环控制系统结构简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根对象按照控制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，仅用于对控据输出结