直流电动机原理

电力拖动基础自动化电气非电气过程自动化单机自动化开环自动控制闭环自动控制现代电气自动控制系统的基本构成指令系统计算机控制器单片机、数字模拟器件、控制电器功率放大变流装置执行电动机执行机械反馈检测器件反馈控制理论微机原理电路、电子学功率电子技术检测技术电力拖动基础电力拖动自动控制系统C语言计算机控制技术单片机原理与控制技术学习内容：交直流电动机的运行原理、起动、调速、制动运行控制方法。§1直流电动机原理电动机是工业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一，不难列出许多电动机的应用例子：洗衣机、洗碗机、抽油烟机、录像机、VCD、随身听、计算机硬件中的软驱、硬盘、散热风扇、各种金属加工机床的拖动等等。电动机根据它使用的电源可分为交流和直流两大类。其中直流电动机由于其在控制性能方面的优势，在20世纪70年代以前一直在控制要求较高的电力拖动领域占踞主导地位，近年来虽然这种情况因交流电动机控制技术的巨大进步已有很大改变，但直流电动机在近代工业中的地位仍然十分重要。例如在一辆豪华轿车中就使用了多达80多台的直流电动机作各种辅助自动控制的驱动。因此，学习直流电动机的工作原理，掌握对它的控制方法，仍然是十分必要的。§1－1直流电动机的基本工作原理、结构和额定数据一、基本原理两个重要公式：法拉第电磁感应定律－发电机原理：e=Blv有效长度为l的导体以线速度v在磁通密度为B的磁场中运动时，导体内将产生感应电动势e，若B、l、v在空间相互垂直，则e的大小等于三者的乘积，方向由右手定则确定。B为媒介，机－电转换数学描述。安培力定律－电动机原理：F＝Bli有效长度为l并载有电流i的导体在磁通密度为B的磁场中时，导体上将受到电磁力F的作用，若B、l在空间相互垂直，则F的大小等于三者的乘积，方向由左手定则确定。B为媒介，电－机转换数学描述。直流电动机直流发电机机械功率ieB·lFvB·l··直流电功率直流电动机的物理模型NφφSiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线圈电枢气隙NφφSiabcdFFii+-n电动机模型1主磁极线圈电枢气隙特点：每个磁极下的线圈元件边中电流方向固定不变。NφφSeabcde+AB-电刷换向片n发电机模型n原动机特点：电枢旋转方向不变时，电刷上的电压极性恒定。NφφSiabcdFFii+AB-n电动机模型NφφSeabcde+AB-n发电机模型·同一直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行，关键在输入功率的性质；·发电机原理和电动机原理总是同时出现的。··发电：输出电功率同时导体元件中产生电流依电动机原理产生反转矩；平衡原动机拖动转矩，使发电机转速稳定。··电动：轴上输出机械功率同时导体元件在主极下运动产生反电动势。平衡外加电源电压，限制导体元件电流和电动机电磁转矩，平衡负载转矩，使电动机转速稳定。二、基本结构1、主磁极2、电枢绕组3、电枢铁心4、换向器5、换向极6、电刷装置7、机座三、直流电动机的额定参数·额定电压NU：额定工况下加在电枢绕组上的工作电压。（V、kV）·额定电流NI：额定工况下长期运行的最大电枢电流。（A）·额定功率NP：额定工况下电机轴上允许长期输出的最大机械功率。（W、kW）NNNNIUP＝N：额定工况下直流电动机的工作效率。·额定转速Nn：额定工况下电动机的运行速度。（r/min）··额定转矩NT：额定工况下电动机轴上的输出转矩。（N·m）NNNnP9550T；NP的单位为kW。§1－2直流电动机的结构特征与工作特性物理概念和定律的复习：1、磁感应强度（磁通密度）B[Wb/m2]：单位截面积上的磁通，描述磁场强弱及方向。B与产生它的电流(励磁电流)之间的关系用毕奥(Biot)－萨伐(Savart)－拉普拉斯(Laplace)定律描述：设在载流导线上沿电流方向取线元dl，其中通过电流强度为I。电流元Idl在真空中给定点P所产生的磁感应强度dB的大小和I、dl及线元到P点的矢径r间的夹角（dl,r）的正弦成正比，和由线元到P点的距离的平方2r成反比：24),sin(rdIdldBrl。方向垂直于由线元和矢径所决定的平面，指向由右手螺旋法则确定。磁感应强度服从叠加原理：某一给定的电流分布在空间某点所产生的磁感应强度等于组成这电流分布的各电流元分别地在这同一点上所产生的磁感应强度的矢量和。磁力线方向与电流方向满足右手螺旋关系。2、磁感应通量（磁通）φ[Wb]：穿过某截面S的磁感应强度B的通量dSBS在均匀磁场中，如果截面S与B垂直，则BS3、磁场强度H[安培/米]：计算导磁物质中的磁场用辅助物理量：HBμ：导磁物质磁导率。空气的磁导率为0。铁磁材料的0（几千～几万倍）。4、安培环路定律：磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于该回路所环链的所有电流的代数和：IdllHIl2l1l3S2S1NIdddIdlllllHlHlHlH321设各段磁路中磁通均匀分布，l为磁路平均长度，则上式简化为：FUNIHlm或其中HlUm称为该段磁路的磁压；F＝NI称为磁通势（磁势）。N为线圈匝数5、磁路欧姆定律：mmmRFRUSlHlHSBS＝或mRF其中定义磁阻为：SlRm结构特征工作特征B主极（定子）电枢（转子）绕组换向极换向片、电刷主极磁场、励磁方式电枢磁场、电枢反应换向B的安排的安排B、的共同作用一、主磁极与主极磁场NS励磁绕组定子磁轭极靴极身气隙电枢齿电枢磁轭四极直流电机空载时磁场示意图漏磁通主磁通主磁感应线：N极－N极下气隙－电枢铁心－相邻S极下气隙－相邻S极－定子磁轭主磁极：套装有励磁绕组的电磁铁。磁路的等效简化：设1个主极的励磁磁通势、主磁通量分别为0F，0；IN极S极F0F0fφ0oF00直流电动机的磁化曲线mR为主磁极磁感应线所经路径上的总磁阻。则有：mRF002·具有一定饱和特性·包含气隙的整个磁路由两个基本公式：F=Bli、e=Blv为知道F、e的大小，必须知道电枢铁心表面B的大小，因为产生电磁力矩的载流导体都分布于此。在磁极下：msmmRRFRFBS00022铁心磁阻SRSlRmsms0022气隙磁阻常数0022FB在极靴外，B，几何中性线NSB＝0并在两极分界处降为0。几何中性线：与主磁极轴线正交的电枢径向轴线；磁场中性线、物理中性线：电枢表面B＝0处的电枢径向轴线。仅存在主磁通时二者重合。SN极距xF取磁力线穿出电枢表面的B为正。相邻两主磁极轴线间的距离称为极距τ。二、电枢绕组（l）：保证在同一主磁极下电流方向不变。由于磁力线具有垂直出入介质表面的性质，两个基本公式F=Bli、e=Blv的正交条件成立。当绕组元件中I=常数时，元件边受电磁力F的大小决定于元件边所在空间位置上B的大小。当电枢作匀速旋转时，F(t)的变化规律与B(x)的空间分布规律一致，但因电刷和换向片的作用，F的方向不变：xtT00.5T1TBn电磁转矩T1=F×电枢半径存在问题：·转矩小、波动大、有零转矩点。对策：增加绕组元件数、合理联接，增大转矩、减小脉动。例：1对磁极、6绕组元件模型：2233445566114'5'6'1'2'3'nNSNSNAB(A)612345616123456va+i-电枢以线速度Va运动时，123654+-AB两条并联支路绕组元件和电刷A的换接顺序为1－2－3－4－5－6－···，换接后仍保持使同一磁极下的电流方向不变。特点：1、元件头尾相接，自成闭合回路。2、加上电刷后，变成两条并联支路。aaaiI2，a为并联支路对数3、同支路绕组元件上层边均在同主磁极下4、电刷位于主磁极轴线通过的换向片上5、并联支路对称，电枢旋转不改变特点3。6、电磁转矩等于各绕组元件建立的T之和：幅值增加，脉动减小，零转矩消除。7、进一步增加绕组元件数，emT、脉动↓。实际电枢的常用绕组结构：叠绕(a=p)、波绕(a=1)：阅读。三、电枢反应（B，l）－电枢电流产生磁场的影响tT01tT02tT03Temt0T/62T/63T/64T/65T/6TSN电枢磁场分布电枢反应磁势Fa的性质：空间静止；与F0正交。合成磁通使主磁极轴线扭曲；b,d附近B增加，a,c附近B减小。饱和特性使增加值小于减小值，导致每极总磁通量随电枢电流增加而下降。电枢反应具有去磁作用。几何中性线NSB＝0几何中性线NS物理中性线带负载磁场分布可能影响运行的稳定。四、换向：两点结论·换向器是电机中最薄弱的环节，限制DC－M的容量、转速、过载能力、最大Ia·改善换向：增设换向极，利用Ia励磁产生磁通抵销电枢反应磁通。五、励磁方式他励MU＋－＋U－IaIffMU＋－IaIf他励（并励）MU＋－IaIfMU＋－IaIf1串励If2复励§1-3电磁转矩与电枢电动势直流机原理的基础F＝Bli一条支路TemIa各支路电流之和Ean13关系？42e=Blv一条支路1电磁转矩2电枢电动势3电动势平衡方程4功率平衡方程机械特性1-31-41-5一、电磁转矩emT∵B(x)是x的函数→某一根导体的T(x)→dx弧长内导体所建立的dT→TdT22→pTTem2分析：1、1根导体：)2(aaxxaxxDliBTliBF2、dx弧长中的导体数（假设导体在电枢表面均分，总数N）：dxDNa3、dx区间内导体所建立的转矩：dxNliBdxDNTdTaxax2)(4、一个主极下导体产生的转矩：222222axaNildxBNidTT其中磁通ldxBx225、aaaiI2aTaaemIKIapNaaiNppTT222222重要结论：aTemIKT其中转矩系数、转矩常数apNKT2特点：·增加电机磁极对数p或总导体数N可增大电磁转矩。·对他励DC－M，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有＝常数＝，TTaTemKCICT优点：直流电动机的转矩直接受电枢电流控制。二、电枢电动势电角度和机械角度：机械角度x：电枢旋转一周，机械角度变化360度或2π弧度。机械角速度[弧度/秒]=n602电角度e：电枢旋转经过2个极距，电角度变化360度或2π弧度。mep电角速度npp602＝Ea为支路各串联绕组元件内感应电动势之和。·任一元件转过τ，2＝，各元件内感应电动势瞬时值不同，但转过一极距时感应电动势的平均值相等。·由电磁感应定律：dtdNes；sN为每个绕组元件的匝数。·一元件转过一极距后感应电动势的平均值（数值）：转过一极距：电角度te,即tpnNnpNNtNEssssav6046022·电枢绕组总元件数为S，每支路串联元件数为aS2·电枢表面总导体数：sSNN2·电枢电动势nKnapNpnNaSEaSEesava6060422重要结论：apNKnKEeea60，（电势系数、电势常数）特点：·对他励，磁通不变时，常数，eeeaKnCEC·方程代表电动机机电能量的转换关系。·55.9260eTeTCCKK§1－4电动势平衡方程与功率平衡方程·他励直流电动机的原理电路(稳态)+MEa+-RaIaIf-URa为电动机电枢绕组和换向器总电阻各电量假定正向按电动机惯例：与电动机正常运行状态下的实际方向一致重要结论：·稳态电动势平衡方程：aaaIREU＝2aaaaaIRIEUI忽略励磁功率时，输入功率aaIEP1铜耗2aacuIRP电磁功率：ememememTeTemeaaPTnTnTKKKTnKIE602重要关系式：机械角速度电磁功率电磁转矩ememPT空载损耗0P：轴承摩擦、冷却风扇风阻、铁心涡流损耗·轴上输出功率02PPPem功率平衡方程（忽略励磁损耗）：201PPPPPPcuemcu＝02PP