直流电动机的设计

引言直流电动机：是以直流电为电源的直流电机，它具有良好的启动性能，并能经济地实现范围较广的平滑调速。因此，直流电机在启动和调速要求较高的机械上广泛地使用保持转矩，近似于传统电机所称的“功率〞。当然，有着本质的区别。电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电动机的输出功率是可变的。直流电动机分为定子绕组和转子绕组.定子绕组产生磁场.当通直流电时.定子绕组产生固定极性的磁场.转子通直流电在磁场中受力.于是转子在磁场中受力就旋转起来.直流电机构造复杂.造价高.。1概述1.1直流电机的分类电机：应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电机。电动机是指把电能转换为机械能的电机。按照产生或取用电能种类的不同，电机分为直流电机与交流电机。产生电能的称为发电机，取用电能的称为电动机。电动机分为交流电动机和直流电动机两大类．交流电动机又分为单相的和三相的，异步的和同步的。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。交流电动机应用较为普遍，特别是异步电动机应用广泛，因为它的结构简单、巩固耐用、维护方便、价格廉价和工作可靠等。直流电机是人类最早创造和应用的一种电机，虽然目前不如交流电机应用普通，但是，直流电动机具有比交流电动机较为优良的调速和起动性能。它的调速范围广，平滑性、经济性较好，采用晶闸管调速系统更为方便；它的起动转矩较大。这种性能对有些机械的拖动是十分重要的，例如大型机床、电力机车、大型轧钢机、大型起重设备等。直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，生产本钱高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，维护较麻烦。人们虽做过很多研究工作来改善交流电动机的性能，但还不能全部用交流拖动来代替直流拖动。因而，在某些机械的拖动中，仍需用直流电动机。1.2直流电动机的系列为了满足各行各业对产品的不同要求，生产厂商将产品制成不同型号系列。所谓系列就是指产品的结构和形状根本相似，而某种性能参数例如容量则按一定等级递增的一系列产品。对于电动机来说，系列产品的电压、转速、机座号和铁心长度都有一定的等级。〔1〕Z型系列Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风防护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度低的场所。〔2〕Z2型系列它是Z型系列的改良型，也是防护式。调速范围可达2：1，即可超过额定转速的一倍。〔3〕ZO型系列这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。〔4〕ZD型系列主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型机床、卷扬机、起重设备。〔5〕ZQD型系列它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。2直流电动机的工作原理〔a〕ab边在N极下时〔b〕ab边在S极下时图1-1直流电动机的结构原理图如图1-1是直流电动机的结构原理图。途中N和S是一对拱顶不动的磁极，用以产生所需要的磁场。图1-1所示那样将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图1-1〔a〕所示位置时,线圈的ab边在N极下，cd边在S极下，电枢绕组中的电流沿着a→b→c→d的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。同理在图1-1〔b〕中，电磁力及电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。由此可见，在直流电动机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，电流必须经过换向，换向用的铜片称为称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转时，电机向负载输出机械功率。与此同时，由于电枢绕组旋转，线圈ab和cd边切割磁感线产生了感应电动势e。根据右手定则，其方向与电枢电流的方向相反，故称反电动势。电源只有克服这一反电动势才能向电机输出电流。因此，电机向机械负载输出机械功率的同时，电源却向电机输出电功率。可见，在这种情况下，电机起着将电能转换成机械能的作用，也就是说，电机作为电动机运行。3直流电动机的结构电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求:使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一定的绝缘强度。其次是机械方面的要求：电机能传递一定的转矩，保持机械上的巩固稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。从电机的根本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两局部组成，在这两局部之间的间隙叫空气隙。下面介绍直流电机的结构。〔1〕主磁极主磁极的作用是产生主磁通φ，主磁极铁心包括极心和极掌两局部。极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。〔2〕换向磁极在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏。主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。〔3〕电刷装置电刷装置主要由用碳与石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。固定在机座上(小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。〔4〕机座机座用铸钢或铸铁制成。用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一局部。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。〔5〕端盖端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。〔6〕转子转子又称电枢，是电机的旋转局部。它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作为电机磁路的一局部。绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。为了使电机平安而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标e表示。这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前，应熟悉铭牌。使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。型号：它表示电机的类别。例如：Z2—12〔Z：直流；2：设计序号；1：铁心长度；2：机座号〕额定电流Ie是指发电机长期运行时电枢输出给负载的允许电流。对于电动机则是指电源输入到电动机的允许电流。额定电压Ue是指发电机输出的允许端电压。对于电动机则指输入到电动机端钮上的允许电压。额定转速ne是指电机在额定工作状态时，应到达的转速。额定功率(额定容量)Pe对于发电机来说，这是指在额定电压下，输出额定电流时，向负载提供的电功率Pe,对于电动机来说，则是指在额定电压，额定电流和额定转速下，电动机轴上输出的机械功率Pe=UeIeηe额定效率ηe：额定功率与输入功率之比，称为电机的额定效率，即ηe=〔额定功率/输入功率〕×100%4直流电动机的机械特性直流电动机按励磁方式可分为四种，以并励电动机应用得比拟广泛。转速需要保持恒定或需要在广泛范围内进行调速的生产机械，常采用并励电动机，例如大型车床、磨床、刨床和某些冶金机械等。他励电动机和并励电动机只是联接方式不同，两者的特性是一样的。下面我们以并励电动机为例，来讨论它们的机械特性。4.1直流电动机的机械特性〔1〕机械特性表征电动机运行状态的两个主要物理量是：电动机的电磁转矩T和电动机的转速n。直流电动机的机械特性是指电动机的端电压等于额定值，励磁电路的电流和电枢电路的电阻不变的条件下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机最重要的工作特性，它是讨论电动机稳定运行、启动、调速和制动等运行的根底。机械特性可分为固有(自然)机械特性和人为机械特性。固有特性，表示电动机在额定参数运行条件下的机械特性；人为特性，表示改变电动机一种或几种参数，使之不等于其额定值时的机械特性。〔2〕机械特性硬度一般用特性硬度来评价电动机机械特性变化程度。所谓机械特性硬度定义为在机械特性曲线的工作范围内某一点转矩对该点转速的微分,即在曲线上该点的斜率。因此，按照机械特性硬度的概念，将电动机的机械特性分为以下三类：1)绝对硬特性转矩变化时，转速不变化。2)硬特性转矩变化时，转速降落较小。3)软特性转矩变化时，转速降落大。这种评价分类，是因为多数电动机的机械特性是转速随转矩的增加而下降，但不同的电动机下降程度不同。下面以并励电动机为例。4.2并励电动机的机械特性方程图4-1是并励电动机的接线图，其电压与电流的关系可用以下各式表示：If=U/RfI=Ia+If图4-1并励直流电动机接线图当电源电压和励磁电路总电阻保持不变时，则励磁电流If及由它产生的磁通φ也保持不变。T＝CTφIa=KIa由Ea＝CEφn可得：将Ia=T/(CTφ)代入上式上式是并励电动机的机械特性方程。2、并励电动机的固有机械特性按固有机械特性所给定的条件，U=Ue=常数，励磁电流If调节至磁通φ=φe并保持不变。由于Ra很小，从并励电动机的机械特性方程式可知，n=f(T)将是一根倾斜度很小的直线如图4-2所示。在负载从空载到满载，转速降落，仅为额定转速的5％-10％，因此并励电动机的机械特性是硬特性。图4-2并励电动机的机械特性并励电动机在运行时，切不可断开励磁电路，使If=0。这样，主磁极上仅有很小的剩磁通，反电动势很小。在空载时，将导致转速急剧上升；在有一定负载时，电动机停转并使电枢电流急剧增加，会引起严重事故。3、并励电动极的人为机械特固有机械特性只反映电动机在额定条件下运行的性能，对应某一转矩下，电动机只能运行在某一转速。而在生产上往往有一些要求，例如在一定的转矩下，根据不同的情况，要求有不同的转速。这就必须人为地改变电动机的某些参数，来改变电动机的机械特性，以满足生产上的要求。这时的机械特性称为人为机械特性。5直流电动机的启动要正确使用电动机，首先碰到的问题是怎么使它启动？所谓直流电动机的启动，是指直流电动机接通电源后，转速由n=0升到稳定转速nl的全过程。要使电动机的启动过程合理，要考虑的问题包括：①启动电流Ist的大小；②启动转矩Tst的大小；③启动时间的长短；④启动过程是否平滑，即加速度是否均匀；⑤启动过程的能量损耗；⑥启动设备的简单可靠。其中，启动电流和启动转矩是主要的。直流电动机的启动包括直接启动、降压启动和电枢回路串电阻启动。下面着重介绍电枢回路串电阻启动。电枢回路串接电阻，启动电流为Is=Un/Ra+R,负载转矩TL可知,启动过程中要求电动机的电磁转矩必须大于负载转矩,即T>TL。根据要求，可确定串接电阻R的大小，这样有了加速转矩后才能使系统启动，而加速转矩的大小又必须满足生产工艺对加速度的要求。因此他励直流电动机启动时，必须有足够大的负载转矩，又不使启动电流过大，使电动机在满足生产工艺要求的前提下平安启动，但随着转速的升高，应逐级切除电阻，否则电枢回路长期串接较大电阻，将引起较大的能量损耗。额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法起动。起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变。再接通电枢电源，电机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比拟大的起动转矩，有使起动电流不会超过允许值。现以两级起动为例来说明起动步骤和起动过程。〔1〕起动过程起动步骤如下：1〕串联起动电阻电枢电路的总电阻为=++加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变，然后加上电枢电压，这时电动机的机械特性如图5-1中的人为特性a所示。由于起动转矩远大于负载转矩TL电动机拖动生产机械特性a由a1向a2点移动。2〕切除起动电阻3〕切除起动电阻当工作点到达点，即电磁转矩〔2〕他励直流电动机起动电阻的计算计算分级起动电阻，有两种情况：1.起动级数m未定：初选求m，整成整数m计算值计算各级电阻或分段电阻。2.起动级数m已定，选定计算值计算各级电阻或分段电阻。6无刷直流电动机以无刷直流电动机为例进行设计。无刷直流电动机由电子换向线路、转子位置传感器和电动机本体组成。电动机本体是指多相〔三相、四相、五相等〕的永磁体转子。各相电枢绕组分别与电子换向线路中相应功率开关元件相联接，功率开关元件在电子换向线路控制下，根据转子位置传感器检测出来的转子位置，按照一定规律流通或截至，这样在定子上的电枢绕组中的电流随着转子位置的变化而按一定的次序换流，并在定子内腔产生了跳跃式的旋转磁场，使永磁体转子跟着旋转起来。在无刷直流电动机中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换向线路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流的实质。图6-1为无刷直流电动机的工作原理图的方框图。图6-1无刷直流电动机的方框原理图应该指出，在无刷直流电动机中，电枢绕组和相应的功率开关元件的数目不可能很多，所以，与有刷直流电动机相比，它产生的电磁转矩波动比拟大。6.1无刷直流电动机的换流在无刷直流电动机中，来自位置传感器的驱动信号，按照一定的逻辑，使某些功率开关元件在某一瞬间导通或截止，电枢绕组内的电流发生跳变，从而改变了主定子的磁状态，我们把电枢绕组内的这种电流变化过程的物理现象称为“换流〞。每换流一次，磁状态就改变一次。这样，在工作气隙内会产生一个跳跃式的旋转磁场。为了使无刷直流电动机可靠地运行，就应该正确地进行换流。6.2无刷直流电动机的电子线路一台完整的无刷直流电动机是由电动机本体、位置传感器和电子线路组成。电子线路又由振荡电路、解调电路和功放电路组成。一套良好的无刷直流电动机的电子线路必须满足工作稳定可靠，功耗小、寿命长、本钱低等要求，这些就是我们设计无刷直流电动机电子线路的出发点。电子换向线路和位置传感器相配合，起到与机械换向相类似的作用。所以，电子换向线路也是无数直流电动机实现无接触换向的一个重要组成局部。电子换向线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发未级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。1.振荡电路无刷直流电动机采用磁电式位置传感器时，它一定要与振荡电路配合才能完成位置传感器的作用。根据无刷直流电动机的工作特点，要求振荡器频率范围在几十千赫到几百千赫。这时，选用变压器反应的LC正弦波震荡器比拟适宜。变压器式的LC正弦波振荡电路是由放大电路，选频网络，反应网络和负载局部组成，如图6-2所示。图6-2LC震荡电路电路要产生振荡必须满足两个条件：一是由输出端反应到输入端的电压与放大器在同样输出情况下所需要的输入信号同相，这称为自激振荡的相位条件。二是由输出端反应到输入端的信号要足够大，其幅值大于或等于放大器要求的输入电压的幅值，此称为自激振荡的幅值条件。如果用数学表达式来表示，首先设输入信号为那末放大器输出是同频率的正弦量，这个正弦量经过反应网络后加到输入端的电压为则自激振荡的条件为对于上图所示的LC振荡电路而言，相位条件是利用变压器反应来到达的。因为在晶体管放大电路中，集电极输出具有倒相作用，即输出信号与输入信号相位相差，而反应线圈和振荡回路里中的信号也有的相位差。这样，反应信号的相位和原输入信号的相位相差，符合了自激振荡的相位条件。为了满足自激振荡的幅值条件，必须有式中——基极与发射极之间的交流等效电阻；M——和之间的互感；C——振荡回路里的电容；R——谐振电路中代表全部能量损耗的等效电阻；β——晶体管的放大倍数。在一般的LC正弦波振荡电路里，晶体管的放大倍数β很容易满足。只要电路正确，元件无损坏，电路是容易起振的。在无刷直流电动机中，振荡器的频率相当于载波频率，电动机的旋转频率〔或传感器转子的旋转频率〕相当于调制频率。对无刷直流电动机而言，有用的是调制频率，所以对载波频率稳定度的要求是不高的。但是，要求振荡器的谐振频率比电动机的旋转频率高的多，这样才能正确的反映位置传感器转子的角度和位置。对一般转速的无刷直流电动机而言，振荡器的频率选几十千频到几百千频就可以满足位置传感器的要求了。2.解调电路解调电路是把位置传感器副边绕组中获得的信号转换成驱动电压的电路，见图6-3。图6-3解调电路图6-3中，最左边是磁电式传感器的原边绕组，是磁电式传感器的副边绕组。振荡器产生几十千赫到几百千赫的等幅正弦波电压，通过输进位置传感器的原边绕组，位置传感器的转子起磁路耦合作用，在某一时间〔或角度〕内，它把U相的原边绕组耦合起来，副边绕组内就有与振荡器同频率的电压输出，即其中，为振荡器谐振频率。没有耦合的副边绕组和的输出电压和均为零。在位置传感器转子不断旋转的情况下，副边绕组输出的电压波形是振荡器输出波形被传感器转子的旋转频率调制以后的波形。由于副边绕组各路对称，解调电路也一样，所以本设计只分析一路。副边绕组的输出电压经过二极管检波，电容C滤波后，变为脉冲电压，在位置传感器转子不断旋转的情况下，经过解调电路后的电压的波形图6-4所示。图6-4三个副边绕组输出电压经过调解后的波形为防止电动机出现死区，即在某区域内没有电磁转矩，位置传感器的转子角度要设计得比理论角度大一些。所以相邻之间在时间上有重叠区。用它们来驱动电动机时，就会出现相同时导通的状态，这个状态的存在对于非桥式星形电枢绕组而言是有益无害的，它可以减小电动机的转矩脉动。但是重叠区不能太大，过大的重叠区导致电动机效率下降。7结论直流电机是由直流电源〔电池等〕驱动，具有很好的回转特性和输出效率。和相同大小的一般交流电机相比，具有更强的扭矩和过载能力。在大负荷的时候低速运转、也就是说转速与转速和负荷大小成反比，通过电压进行更好的控制。由于通过电刷来供应电流、使用寿命相对来说不是很长、必须通过维护保养来延长寿命。直流电机的一个最常见变体可以消除电致噪声，电刷也易于维护，