直流电动机及其控制

关于直流电动机及其控制第1页，共67页，2023年，2月20日，星期五

第一章直流电动机及其控制1.1

直流电机及其基本结构第2页，共67页，2023年，2月20日，星期五一、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。第3页，共67页，2023年，2月20日，星期五优点：

1)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，控制装置可靠性高。缺点：费工费料，造价贵，运行时换向器需要经常维修，寿命较短（350～400h）。特殊点：第4页，共67页，2023年，2月20日，星期五二、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。换向器在转子上，电刷在定子上。第5页，共67页，2023年，2月20日，星期五第6页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.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。第7页，共67页，2023年，2月20日，星期五永磁式电机: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。第8页，共67页，2023年，2月20日，星期五2.电枢绕组和电枢铁心第9页，共67页，2023年，2月20日，星期五电枢绕组：电磁转矩和发电机的电势。电机的中枢和枢纽。电枢绕组的制造方法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。第10页，共67页，2023年，2月20日，星期五3.换向器和电刷装置换向器在转子上。电刷在定子上。功能将电刷上的直流变为绕组内部的交流。第11页，共67页，2023年，2月20日，星期五第12页，共67页，2023年，2月20日，星期五三、图形符号第13页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.2

电机中的磁性材料1.2.1

铁磁物质能产生磁场，在磁场中受力作用。铁磁性物质特点1）磁导率大，是真空磁导率0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。第14页，共67页，2023年，2月20日，星期五第15页，共67页，2023年，2月20日，星期五第16页，共67页，2023年，2月20日，星期五第17页，共67页，2023年，2月20日，星期五Br

：剩磁磁密（简称剩磁）Hc

：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。第18页，共67页，2023年，2月20日，星期五软磁材料：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。常用作永磁体。第19页，共67页，2023年，2月20日，星期五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，引起的损耗。磁滞损耗与频率f成正比，磁滞回线的面积越大，磁滞损耗也越大。第20页，共67页，2023年，2月20日，星期五涡流损耗：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。第21页，共67页，2023年，2月20日，星期五铁心损耗（铁耗）：磁滞损耗加涡流损耗。单位质量的铁耗：第22页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.3

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

第23页，共67页，2023年，2月20日，星期五电动机产生转矩的条件：同性磁极下电流相同。异性（相邻）磁极下电流相反。直流电机要保持恒定方向转矩的条件：每个磁极下导体的电流方向应保持不变。第24页，共67页，2023年，2月20日，星期五电磁感应定律

大小：

方向：右手定则

第25页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.3.2

直流电动机的工作原理一、模型电机

第26页，共67页，2023年，2月20日，星期五换向器的作用：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。转角范围小，不用换向器。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。第27页，共67页，2023年，2月20日，星期五

二、环形绕组的直流电动机环形铁心，多绕组。两条支路。第28页，共67页，2023年，2月20日，星期五存在的问题：

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。第29页，共67页，2023年，2月20日，星期五

三、鼓形绕组

第30页，共67页，2023年，2月20日，星期五第31页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5

直流电动机的特性与控制方法直流电动机的接线第32页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5.1

直流电动机的基本关系式

一、电磁转矩与电枢反电势一根导线受力一根导线的电磁转矩各导线转矩相加可得

直流电机的电磁转矩为第33页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5.1

直流电动机的基本关系式

一、电磁转矩与电枢反电势直流电机的电磁转矩为当磁通Φ为常值时该式可写为Kt——转矩灵敏度，或称转矩系数第34页，共67页，2023年，2月20日，星期五电枢反电势由电磁感应定律，一根导线的电势各导线电势相加可得电枢绕组感应电势为电动机中称为电枢反电势

Ke

：反电势系数

采用国际单位制（SI）第35页，共67页，2023年，2月20日，星期五

二、转矩平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：

静态转矩平衡方程式第36页，共67页，2023年，2月20日，星期五

第37页，共67页，2023年，2月20日，星期五

三、电压平衡方程式电枢绕组有自感和电阻，转动时电枢中又有感应电势，称电枢反电势，因此电枢等效电路。第38页，共67页，2023年，2月20日，星期五三、电压平衡方程式动态电压平衡方程式动态：静态：静态电压平衡方程式：

第39页，共67页，2023年，2月20日，星期五四大关系式

第40页，共67页，2023年，2月20日，星期五※Ke

和Kt

的关系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：第41页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5.2直流电动机的静态特性与控制方法

一、概述静态：静态特性：常用静态特性机械特性：调节特性：转速与控制量（如电压）的关系。

第42页，共67页，2023年，2月20日，星期五静态时的电枢等效电路图静态时的电枢电流

直流电机的电流与转速有关。利用上式求转速：第43页，共67页，2023年，2月20日，星期五静态时的直流电机转速又一表达形式静态特性方程第44页，共67页，2023年，2月20日，星期五调速：开环调速方法：改变电枢电压，磁通，电枢回路电阻。电枢控制：磁场控制：输入量是磁通，激磁电流或激磁电压。第45页，共67页，2023年，2月20日，星期五

二、电枢控制时的机械特性磁通Φ不变，电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。表达式

图象：下垂的直线。斜率：第46页，共67页，2023年，2月20日，星期五二、电枢控制时的机械特性斜率：理想空载转速实际空载转速堵转转矩

第47页，共67页，2023年，2月20日，星期五二、电枢控制时的机械特性理想空载转速n0

实际空载转速堵转转矩Ts

机械特性硬度：

的大小。

小，机械特性硬。第48页，共67页，2023年，2月20日，星期五机械特性族改变电枢电压，机械特性族是平行直线。分析：电压提高时，工作状态如何变化。

Tc

不变，

第49页，共67页，2023年，2月20日，星期五

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。表达式斜率直流电机调节特性曲线族是平行直线。

直线过原点。第50页，共67页，2023年，2月20日，星期五

三、电枢控制时的调节特性调节特性曲线族是平行直线。

Tem=Tc=0时直线过原点。

直线与横轴交点：起动（死区）电压。由摩檫力和负载引起。起动电流：第51页，共67页，2023年，2月20日，星期五电枢控制的优点：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。电枢控制的缺点：控制功率UaIa

大，对于较大电机，要用较大容量的功率放大器。第52页，共67页，2023年，2月20日，星期五

四、磁场控制时的机械特性和调节特性机械特性：磁通是参变量，转速n与转矩Tem的关系。机械特性的数学表达式n与Tem是线性关系。斜率与磁通有关机械特性族是交叉的直线。第53页，共67页，2023年，2月20日，星期五

四、磁场控制时的机械特性和调节特性

调节特性：转矩是参变量，

转速n与磁通Φ的关系。调节特性数学表达式调节特性是非线性曲线。具有明显的非线性。控制方法：改变激磁电压Uf，电流If。磁场控制的优点：控制功率UfIf

小，可控制大功率电机。第54页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5.3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Ua为输入，转速为输出。扰动力矩为Tc。第55页，共67页，2023年，2月20日，星期五1.5.5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Ua为输入，转速ω

为输出。扰动力矩为Tc。

绘框图，求传递函数。

第56页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电动机的动态框图从输出Ω(s)开始。第57页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电动机的动态框图第58页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电动机的动态框图第59页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电动机的传递函数机电时间常数电磁时间常数第60页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电动机的传递函数1/e

远远超过了控制系统的通频带第61页，共67页，2023年，2月20日，星期五直流电机传递函数参数与静态特性的关系机电时间常数与机械特性斜率成正比。1/Ke

是调节特性斜率线性元件：静态特性平行直线。第62页，共67页，202