直流电动机控制技术.ppt

,机电液系统控制 直流电机控制技术,哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所,本章内容,直流电机的电枢绕组和磁场,直流电机的基本结构与铭牌,直流电机基本原理,直流电机的电枢电势和电磁转矩,他励直流电机的稳态方程和外特性,一、直流电机原理,定义,直流电机是指发出直流电的发电机或通以直流电而转动的电动机，是电机的主要类型之一。,用途,（1）由于直流电动机能在宽广的范围内平滑而经济地 调节速度，所以它在精密机床和以蓄电池为电源的小型起 重运输机械等设备中应用较多； （2）在机器人领域，小容量直流电动机的应用也很广 泛。,直流电动机的基本工作原理,一、直流电机原理,图3-1 直流电动机物理模型,一、直流电机原理,图3-1是最简单的直流电动机的物理模型，N和S是一对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个圆弧形铜片上。弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体叫作转子或称为电枢。,一、直流电机原理,此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B。例如将电源正极加于电刷A，电源负极加于电刷B，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a流向b，在导体cd中，电流由c流向d。载流导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中，受到电磁力的作用，其方向由左手定则确定，可知这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180，导体cd转到N极下，ab转到S极，如图3-1所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流方向变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则可判别，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。,一、直流电机原理,由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保了直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 实际的直流电动机，电枢四周上均匀地嵌放许多线圈；相应地，换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。,一、直流电机原理,直流发电机的基本工作原理,直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。 直流发电机的模型与直流电动机相同，不同的是电刷上不加直流电压，而是利用原动机拖动电枢朝某一方向（例如逆时针方向）旋转，如图3-2所示。,一、直流电机原理,图3-2 直流发电机物理模型,一、直流电机原理,这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右手定则确定。图示情况下，导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势的方向由d指向c，所以电刷A为正极性，电刷B为负极性。电枢旋转180时，导体cd转至N极下，感应电动势的方向由c指向d，电刷A与d所连换向片接触，仍为正极性；导体ab转至S极下，感应电动势的方向变为a指向b，电刷B与a所连换向片接触，仍为负极性。可见，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的作用，在电刷A、B两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。若在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能，这就是直流发电机的基本工作原理。,一、直流电机原理,从以上分析可见：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。如果在电刷端外加直流电压，则电机把电能转变成机械能，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，电机能将机械能转换为直流电能，作发电机运行。这种同一台电机既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。,二、直流电机的基本结构与铭牌,直流电机基本结构,由直流电动机和直流发电机工作原理可以看到，直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，其主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。,二、直流电机的基本结构与铭牌,图3-3 直流电机结构图,二、直流电机的基本结构与铭牌,图3-4 直流电机横剖面示意图,二、直流电机的基本结构与铭牌,1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图3-5所示。铁心用0.51.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可使气隙中磁场分布比较理想，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在极身上，再将整个主磁极用螺钉固定在机座上。,定子部分,图3-5 主磁极,二、直流电机的基本结构与铭牌,2）换向极 两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或间极。换向极的作用是改善电机换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和换向极绕组构成。换向极铁心一般用整块钢制成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上。整个换向极用螺钉固定于机座上。换向极的数目一般与主磁极相等。,图3-6 换向极,二、直流电机的基本结构与铭牌,3）机座 电机定子部分的外壳称为机座。机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖，并起到整个电机的支撑和固定作用；另一方面也是磁路的一部分，借以构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。,二、直流电机的基本结构与铭牌,4）电刷装置 电刷装置用以引入或引出直流电压和直流电流。电刷装置由电刷、刷握杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，如图3-7所示，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。,图3-7 电刷装置,转子（电枢）部分,二、直流电机的基本结构与铭牌,1）电枢铁心 是主磁通磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心用0.5mm厚的硅钢片冲制的冲片叠压而成，冲片形状如图3-8所示。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。,图3-8 电枢铁心冲片,二、直流电机的基本结构与铭牌,2) 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的关键部件。它由许多线圈按一定规律连接而成，线圈用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成。不同线圈边分上、下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图3-9所示。线圈边的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。,二、直流电机的基本结构与铭牌,图3-9 电枢绕组在槽中的绝缘情况,二、直流电机的基本结构与铭牌,3) 换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。换向片的紧固通常如图3-10所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制形套筒和形云母环固定， 再加螺母锁紧。,二、直流电机的基本结构与铭牌,图3-10 换向器,4) 转轴 转轴起支撑转子旋转的作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。,二、直流电机的基本结构与铭牌,直流电机的额定值及铭牌,电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据所规定的每台电机的主要数据称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌或产品说明书上。 直流电机的额定值主要有下列几项： (1) 额定功率PN：是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率，单位为KW(千瓦)。,二、直流电机的基本结构与铭牌,(2) 额定电压UN：是指电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。 (3)额定电流IN：是指电机按照规定的工作方式运行时电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安)。 (4)额定转速nN ：额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为rmin(转/分)。,二、直流电机的基本结构与铭牌,额定值一般标在电机的铭牌上，故又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩TN、额定效率N和额定温升N等， 不一定标在铭牌上，可查产品说明书或由铭牌上的数据计算得到。 额定功率与额定电压和额定电流的关系： 直流电动机 ： 直流发电机：,二、直流电机的基本结构与铭牌,直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。根据负载选择电机时，最好使电机接近于满载运行。,二、直流电机的基本结构与铭牌,例3-1 某台直流电动机的额定值为：PN12KW，UN220V，nN 1500rmin，892，试求该电动机额定运行时的输入功率P1及电流IN。,解：额定输入功率： 额定电流：,二、直流电机的基本结构与铭牌,例3-2 某台直流发电机额定值为：PN95KW，UN230V，nN1450rmin，N91.8，试求该发电机的额定电流IN。,解：额定电流：,二、直流电机的基本结构与铭牌,为了满足各行各业对产品的不同要求，生产厂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基本相似，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。 型号 它表示电机的类别。例如：Z212 的含义为 Z：直流；2：设计序号；1：铁心长度；2：机座号,直流电机主要系列介绍,二、直流电机的基本结构与铭牌,国产直流电机主要系列简介 (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。是Z型系列的改进型，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。,二、直流电机的基本结构与铭牌,(4) ZD型系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大过载能力的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。 (5) ZQD型系列是直流牵引电动机， 用于牵引车辆。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,直流电机的电枢绕组,电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘铜线绕制而成，每个元件有两个嵌放在电枢槽中，能与磁场作用产生转矩或电动势的有效边，称为元件边。元件的槽外部分亦即元件边以外的部分称为端接部分，如图3-11所示。,直流电枢绕组的基本知识,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-11 直流电枢绕组元件 (a)、 (b) 叠绕组元件； (c)、 (d) 波绕组元件,三、直流电机的电枢绕组和磁场,每个元件有两个出线端，称首端和末端，与换向片相连的一端为前端接，另一端叫后端接。为便于嵌线，每个元件的一个元件边嵌放在某一槽的上层，称为上元件边，画图时以实线表示；另一个元件边则嵌放在另一槽的下层，称为下元件边，画图时以虚线表示，图3-12所示。,图3-12 电枢绕组在槽内的放置,三、直流电机的电枢绕组和磁场,每一个元件有两个元件边，每片换向片又总是接一个元件的上层边和另一元件的下层边，所以元件数 S 总等于换向片数 K，即,每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数 S 又等于槽数 Z ，即,对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放两个元件边，即把一个实槽当成u个虚槽使用。虚槽数与实槽数Z之间的关系为 为分析方便起见，本书中均设u=1。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,三、直流电机的电枢绕组和磁场,节距 表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距，直流电机电枢绕组的节距有第一节距yl、第二节距y2、合成节距 y 和换向器节距 yk 四种。 （1）第一节距 同一元件的两个元件边在电枢周围上所跨的距离，称为第一节距 yl，用槽数来表示。一个磁极在电枢圆周上所跨的距离称为极距，当用槽数表示时，极距的表达式为 式中：p 为磁极对数。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,为使每个元件的感应电动势最大，第一节距应等于一个极距，但不一定是整数，而 yl 必须是整数，为此，一般取第一节距 式中：为小于1的数。 y1=的元件为整距元件，绕组称为整距绕组；y1的元件，其电磁效果与y1的元件相近，但端接部分较长，耗铜多，一般不用。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,（2）第二节距y2：第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距 y2 。 （3）合成节距y：直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成节距 y，有 单叠绕组取“-”号， 单波绕组取“+”号。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,（4）换向器节距 yk : 每个元件的首、末两端所接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距 yk 。换向器节距 yk 与合成节距 y 总是相等的， 即,三、直流电机的电枢绕组和磁场,单叠绕组,电枢绕组中任何两个串联元件，后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分，称为叠绕组。叠绕组的换向器节距yk=1时称为单叠绕组，如图3-11（a）所示。现举例说明单叠绕组的连接方法和特点。 【例3-3】一台直流电机的有关数据为ZSK16，2p=4， 试绕制其单叠整距绕组。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,解：首先进行节距计算。第一节距 换向器节距与合成节距 第二节距，由式（3-8）可见，对于单叠绕组,三、直流电机的电枢绕组和磁场,绘制绕组展开图,假想把电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图形称为绕组展开图，如图3-13所示。 绘制直流电机单叠绕组展开图的步骤如下： （1）画16根等长、等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁画16根平行虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽，编上槽号，如图3-13所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,A,B,图3-13 单叠绕组的展开图,三、直流电机的电枢绕组和磁场,（2）按节距 y1 连接一个元件。例如将1号元件的上层边放在1号槽的上层，其下层边应放在1+ y1 =1+45号槽的下层。由于一般情况下，元件是左右对称的，为此，可把1号槽的上层（实线）和5号槽的下层（虚线）用左右对称的端接部分连成1号元件。注意首端和末端之间相隔一片换向片宽度( yk 1)，为使图形规整起见，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与1号元件首端相连的1号换向片，末端和相邻的2号换向片相连，可以依次画出2至16号元件，从而将16个元件通过16片换向片连成一个闭合的回路。显然，元件号、上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号相同。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,本例单叠绕组的联接顺序表如图3-14所示。表中上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换向片号，下排带“”的数字代表下层元件边所在的槽号。,图3-14 单叠绕组连接顺序图,三、直流电机的电枢绕组和磁场,单叠绕组的展开图已经画成，但为了帮助理解绕组的工作原理和确定电刷的位置，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。 本例有4个主磁极，在圆周上应该均匀分布，即相邻磁极中心之间应间隔4个槽。设某一瞬间，4个磁极中心分别对准3、7、11、15槽，并让磁极宽度约为极距的60%70%，画出4个磁极，如图3-13所示，依次标上极性N、S，一般假设磁极在电枢绕组的上面。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,电刷组数（也就是刷杆数）等于极数，本例中为4。电刷必须均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔1644片换向片。为使被电刷短路的元件中感应电动势最小，正、负电刷之间引出的电动势最大，由图3-13分析可以看出，当元件左右对称时，电刷中心线应对准磁极中心线。图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,设此电机工作在电动机状态，并欲使电枢绕组向左移动，根据左手定则可知电枢绕组各元件中电流的方向应如图3-13所示。为此应将电刷A1、A2连起来作为电枢绕组的“”端，接电源正极；将电刷B1、B2连起来作为“”端，接电源负极。如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向不变，则电枢绕组各元件中感应电动势的方向用右手定则确定，与电动机状态时的电流方向相反，因此电刷的正负极性不变。,（3）保持图3-13中各元件的连接顺序不变，将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画，可以得到如图3-15所示的并联电路。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-15 单叠绕组展开的并联电路,图3-13 单叠绕组的展开图,对照图3-15和图3-14可以看出，从电刷外面看绕组时，电枢绕组由4条并联支路组成，上层边处在同一极下的元件中感应电动势方向相同，串联起来构成一条支路；被电刷短路的元件中电动势等于0，此时这些元件不参加组成支路，因此，单叠绕组的并联支路对数a总等于极对数p， 即：,三、直流电机的电枢绕组和磁场,三、直流电机的电枢绕组和磁场,（4）单叠绕组有以下特点： 位于同一磁极下的各元素串联起来组成一条支路， 并联支路对数等于极对数。 当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。 电刷组数等于极数。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,单波绕组,单波绕组是直流电机电枢绕组的另一种基本形式，其元件如图3-11所示，首尾端分别接到相距约两个极距的换向片上，yk=2，串联起来形成波浪形，故称为波绕组。若将所有同极下的元件串联后回到原来出发的那个换向片的相邻换向片上，则该绕组称之为单波绕组。为此，换向器节距必须满足以下关系：,三、直流电机的电枢绕组和磁场,则换向器节距 合成节距 第一节距的确定原则与单叠绕组相同， 则第二节距,三、直流电机的电枢绕组和磁场,【例3-5】直流电机极数2p=4，且Z=S=K=15，试接成单波绕组。 解： (1) 节距计算。 单波绕组的合成节距为 第一节距,三、直流电机的电枢绕组和磁场,第二节距 虚槽数,单波绕组的展开图,三、直流电机的电枢绕组和磁场,绘制单波绕组展开图的步骤与单叠绕组相同，本例的展开图如图3-16所示。,图3-16 单波绕组的展开图,由于波绕组的端接通常是对称的，这就意味着与每一元件所接的两片换向片自然会对称位于该元件轴线的两边，因此电刷均位于与主磁极轴线对准的换向片上。要注意的是由于本例的极距不是整数，所以相邻主磁极中心线之间的距离不是整数，相邻电刷中，用换向片数表示时也不是整数。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,三、直流电机的电枢绕组和磁场,绕组顺序连接表,采用与单叠绕组相同的方法，即可得到单波绕组的连接顺序表，如图3-17所示。所有元件依次串联，最终构成一个闭合回路，故单波绕组又称为串联绕组。,图3-17 单波绕组元件连接顺序表,三、直流电机的电枢绕组和磁场,绕组并联支路,按图3-17中各元件的连接顺序，将此刻不与电刷接触的换向片略去不画，可以得出此单波绕组的并联支路如图3-18所示。可以看出，单波绕组将上层边在N极下的所有绕组元件串联起来组成一条支路，将上层边在S极下的所有绕组元件串联起来组成另一条支路，因此单波绕组的并联支路数总是2，并联支路对数恒等于1。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-18 单波绕组并联支路,三、直流电机的电枢绕组和磁场,单波绕组的特点,上层边位于同一极性磁极下的所有绕组元件串联组成一条支路，不论极数为多少，单波绕组的并联支路数总等于2；当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准主磁极中心线时，支路电势最大；单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，然而在实际电机中，为缩短换向器长度以降低成本，仍使电刷杆数等于极数，即采用全额电刷。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,单叠绕组和单波绕组的主要差别在于并联支路对数的多少。 由于在同样元件数的情况下，单叠绕组的并联支路多，但各支路的元件数较少，因而单叠绕组的电压低于单波绕组，而允许通过的电枢电流却大于单波绕组。因此，单叠绕组适用于低电压、大电流的电机，单波绕组适用于高电压、小电流的电机。,设绕组的支路电流为ia，电刷电流为Ia，对单叠绕组和单波绕组均有 其中：a 为并联支路对数。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,直流电机的磁场,直流电机的励磁方式,主磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场， 又称为励磁磁场。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。 直流电机按励磁方式的不同可以分为他励直流电机、并励直流电机、 串励直流电机、复励直流电机4类。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-19 直流电机的励磁方式 (a) 他励； (b) 并励； (c) 串励； (d) 复励,三、直流电机的电枢绕组和磁场,他励直流电机,他励直流电机的励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图3-19(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，其励磁磁场与电枢电流无关。图3-19中的电流正方向是以电动机为例设定的。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图3-19（b）所示，励磁电压等于电枢绕组端电压。 他励直流电机和并励直流电机的励磁电流只有电机额定电流的15，因此励磁绕组的导线细而匝数多。 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图3-19 （c）所示，励磁电流等于电枢电流，因此励磁绕组的导线粗而匝数较少。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,复励直流电机 复励直流电机的每个主磁极上套有两个励磁绕组：一个与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图3-19(d)所示。 两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，磁动势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。 直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,直流电机的空载磁场和磁化曲线,直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，因此空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场，亦称为主磁场。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-20 直流电机的空载磁场分布示意图,一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图3-20所示，图中只画了一半。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,主磁通和漏磁通 图3-20表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)到S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座(定子磁轭)形成闭合回路。这部分同时与励磁绕组和电枢绕组相匝链的磁通称为主磁通，用0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通不进入电枢铁心，仅与励磁绕组匝链，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20左右。,直流电机的空载磁化特性 直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通，当励磁绕组的匝数Nf一定时，每极磁通的大小主要决定于励磁电流。空载时与空载励磁电流(或空载励磁磁动势FN)的关系称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁性材料磁化时的磁感应强度BH（磁场强度）曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性在较大时也出现饱和，如图3-21所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-21 空载磁化特性曲线,由于空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。在额定状态下，电机往往工作在饱和点附近，这样既可以获得较大的磁通，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。所以电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯，亦即磁路开始饱和的部分。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,空载磁场气隙磁通密度分布曲线 主磁极的励磁磁动势主要消耗在气隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙的分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的75左右，如图3-22所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-22 空载时气隙磁通密度分布,磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数；靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小；在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。因此，空载气隙磁通密度分布为一礼帽形的平顶波。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,直流电机空载时励磁磁动势单独产生的气隙磁通密度分布为一平顶波，如图3-22所示。直流电机带负载时，电枢绕组流过电枢电流I，产生电枢磁动势Fa，与励磁磁动势Ff共同建立负载时的气隙合成磁通密度，必然会使原来的气隙磁通密度的分布发生变化。通常把电枢磁动势对气隙磁通密度分布的影响称为电枢反应（armature reaction）。,直流电机的负载磁场与电枢反应,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-23 电刷在几何中性线时的电枢磁势与磁场 (a) 电枢磁场 (b) 电枢磁势与磁场分布,直流电机的电枢磁场 图3-23表示一台两极直流电机电枢磁动势单独作用产生的电枢磁场分布情况。图中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的。电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路。电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为界，图例中设上部元件边中电流为流出，下部元件边电流为流进。由右手螺旋定则可知，电枢磁动势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电刷轴线重合在几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直，如图3-23(a)所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,三、直流电机的电枢绕组和磁场,下面进一步分析电枢磁动势和电枢磁场气隙磁通密度的分布情况。如果设元件导体数为N，元件中电流为ia，将此电机从几何中性线处切开展平，如图所示。图中磁极轴线上的O为圆点，距圆点x处作一闭合磁路。根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁动势等于它所包围的全电流， 即,三、直流电机的电枢绕组和磁场,式中：D为电枢直径；A为沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数。忽略铁磁性材料的磁阻并认为电机的气隙是均匀的， 则每个气隙所消耗的磁动势为Fax=2xA/2=Ax。一般取磁力线自电枢出、进入定子时的磁动势为正，反之为负，这样可得整个绕组元件产生的磁动势的分布情况，如图3-23(b)中的曲线Fax所示。电枢磁动势空间分布为一三角形波，三角形波磁动势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁动势全部消耗在气隙上， 则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为： 式中：Fax为气隙中x处的磁动势；Bax为气隙中x处的磁密。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,负载时气隙合成磁场 （1）当磁路不饱和或不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载时气隙合成磁场的磁通密度分布曲线B0x和电枢磁场的气隙磁密分布曲线Bax相加，即得负载气隙合成磁场的磁通密度分布曲线，如图3-24(b)中的曲线Bx所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,图3-24 直流电机的电枢反应 (a) 电枢磁场 (b) 电枢磁势与磁场分布,三、直流电机的电枢绕组和磁场,对照曲线B0x和Bx可见：电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个磁极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，因而每极总磁通维持不变。磁场发生畸变，使电枢表面磁通密度等于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图3-24(a)所示。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,（2）当考虑磁路饱和的影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，因而气隙磁通密度的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁通密度的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值。实际的气隙合成磁场磁通密度分布曲线如图3-24(b)中的曲线Bx所示。由于铁磁性材料的非线性，因而减少的面积（S3）大于增加的面积（S4），即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。,三、直流电机的电枢绕组和磁场,由以上分析可以得知，电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：使气隙磁场发生畸变，半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强；磁路饱和时有去磁作用，使每个极下部总的磁通有所减小。,四、电枢电动势和电磁转矩,电枢绕组的电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢绕组元件边内的导体切割气隙合成磁场，产生感应电动势，由于气隙合成磁通密度在一个极下的分布不均匀，如图3-25所示，因而导体中感应电动势的大小是变化的。为分析方便起见，可把磁通密度看成均匀分布的，取一个极下气隙磁通密度的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度产生的电动势的平均值eav，其表达式为：,直流电机的电枢电动势,四、电枢电动势和电磁转矩,图3-25 气隙磁通密度分布与平均磁通密度,四、电枢电动势和电磁转矩,式中：Bav为一个极下气隙磁通密度的平均值，称平均磁通密度；l为电枢导体的有效长度(槽内部分)；v为电枢表面的线速度。 由于,因而一根导体感应电动势的平均值：,四、电枢电动势和电磁转矩,设电枢绕组总的导体数为N，则每一条并联支路总的串联导体数为N2a， 因此电枢绕组的感应电动势：,式中：Ce=PN/60a，对已经制造好的电机是一常数，称为直流电机的电动势常数。当每极磁通的单位用Wb（韦伯），转速单位用r/min时，电动势Ea的单位为V 。 式（3-20）表明：对已制成的电机，电枢电动势Ea与每极磁通和转速n的乘积成正比，式中的一般是指负载时气隙合成磁场的每极磁通。,四、电枢电动势和电磁转矩,直流电机的电磁转矩,电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流a成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力的方向按左手定则确定，如图3-25所示。一根导体所受电磁力的大小为： 如果仍把气隙合成磁场看成是均匀的，气隙磁密用平均值Bav表示，成为载流导体，则每根导体所受电磁力的平均值为：,一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为： 式中：D为电枢外径。,四、电枢电动势和电磁转矩,不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方向都是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值Tav乘以电枢绕组总的导体数N，即： 式中：CT=PN/2a，对已制成的电机是一常数，称为直流电机的转矩常数。当磁通的单位用Wb，电流的单位用A时，电磁转矩Tem单位为Nm(牛米)。,四、电枢电动势和电磁转矩,式(3-25)表明，对已制成的电机，电磁转矩Tem与每极磁通和电枢电流Ia的乘积成正比。电枢电动势Ea=Cen和电磁转矩Tem=CTn是直流电机中两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转矩常数CT之间具有确定的关系：,四、电枢电动势和电磁转矩,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,他励直流电机的稳态方程,直流发电机,正方向如图 电枢回路方程式：,电机轴上的轴转矩：,励磁电流：,气隙每极磁通：,直流电动机,正方向如图 电枢回路方程式：,电机轴上的转矩：,机械轴的输出转矩； 空载转矩。 励磁回路、每极磁通（同发电机）,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,与发电机不同，电动机运行的目的是拖动负载运行。直流电动机稳态运行时，负载转矩TL是已知量，当电机的参数确定后，稳态运行时各物理量的大小和方向都取决于负载。稳态运行时，电磁转矩一定与负载转矩大小相同，方向相反，即 。,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,他励直流电动机的机械特性,机械特性的一般表达式,他励直流电动机机械特性是指电动机加上一定的电压 U 和一定的励磁电流If 时，电磁转矩与转速之间的关系， 即 。,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,式中，n0称为理想空载转速， 是机械特性的斜率。空载时T0 0，对应的实际空载转速n0。,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,固有机械特性,电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时的机械特性称为固有机械特性。 即：,此时，变量为Te 。,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,固有机械特性的特点： 1）特性是一条下斜直线； 2）理想空载转速（ ） 3）斜率 其值很小，特性较平，习惯上称为硬特性。,他励直流电机的固有机械特性,五、他励直流电动机的稳态方程和外特性,固有机械特性的特点： 4）转速降落 速降： 5）起动转矩和起动电流 起动转矩和起动电流比额定值大很多。,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,例：他励直流电机额定功率PN=22kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.1欧姆，忽略空载转矩T0，电机拖动恒转矩负载TL=0.85TN（TN为额定电磁转矩）运行。求稳态运行时电动机转速n、电枢电流Ia和电动势Ea的值。,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,人为机械特性,他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路 电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。,1）电枢回路串电阻,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,2）改变电枢电压,3）减小气隙磁通量,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,根据铭牌估算机械特性,他励直流电机的固有机械特性是一条斜直线。如果知道这条直线上的两点，例如空载点（0, n0）和额定工作点（TN , nN），通过这两点连成的直线，就是固有机械特性。,他励直流电机的固有机械特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,他励直流电机的功率关系,发电机,原动机输送给发电机的轴机械功率； 转化为电磁功率的机械功率， 称为电磁功率。 是发电机空载损耗功率，其中 是发电机机械摩擦损耗， 是铁损耗，即电枢铁心在磁场中旋转时，铁心中的磁滞与涡流损耗。,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,P1 = PMp0 PM = pCuaP2 p0 = pmpFe,电动机,电磁功率转化的机械功率； 是转轴上输出的机械功率； 电动机空载损耗功率； 扣除 为轴上输出的机械功率 ； Pcua：电枢回路总铜损耗。,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,P1 = PMpCua PM = p0P2 p0 = pmpFe,电机的效率,无论是发电机还是电动机，其效率都可用下式计算。,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,例：一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，并联支路对数a=1，电枢总导体数N=372，电枢回路电阻Ra=0.208欧姆。当此电机运行在电源电压U=220V，电机的转速n=1500r/min，气隙每极磁通 =0.01Wb，此时电机的损耗pFe=362W，机械摩擦损耗pm=204W。问： （1）该电机运行在发电机状态，还是电动机状态？ （2）电磁转矩、输入功率和效率各是多少？,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的稳态方程和外特性,五、他励直流电机的运行特性,下面将定性分析包括起动在内的他励直流电机的调速和各种运行。分析中如果不作特别说明，则以恒转矩负载为例，同时，不考虑电枢回路的动态。对于下式表示的由飞轮矩引起的速度变化只作定性分析。即，动转矩 不为零时，转速不发生突变，但将从原有稳态变化到另一 的稳态。,五、他励直流电机的起动和调速,他励直流电机的起动和调速,他励直流电机的起动,直流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。 若对静止的他励直流电动机加额定电压 、电枢回路不串电阻即直接起动。此时， ， ，起动电流,电流太大，使得电机不能正常换向并且会急剧发热； 转矩太大，还会造成机械撞击。,五、他励直流电机的起动和调速,1）电枢回路串电阻,2）降电压起动,电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。,他励直流电机的调速,五、他励直流电机的启动和调速,五、他励直流电机的启动和调速,电力拖动系统的调速：1）机械调速，通过改变传动机构速比进行调速的方法；2）电气调速，通过改变电动机参数进行调速的方法。 他励电动机的转速公式：,电气调速方法：1）降压调速； 2）电枢回路串电阻调速； 3）调磁调速。,调速指标,五、他励直流电机的启动和调速,1、调速范围D：,2、静差率（相对稳定性）%：指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落nN与该机械特性的理想空载转速n0之比。,从前面公式可看出，在n0相同时，机械特性越“硬”，额定负载时转速降nN越小，静差率越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。图中机械特性1比机械特性2“硬”，所以12。静差率除与机械特性硬度有关外，还与理想空载转速n0成反比。,五、他励直流电机的启动和调速,对于同样“硬度”的特性，如图中特性1和特性3，虽然转速降相同n1=n3 ，但其静差率却不同：13 。为了保证转速的相对稳定性，常要求静差率应不大于某一允许值。,五、他励直流电机的启动和调速,D与%相互制约：,越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬度。,五、他励直流电机的启动和调速,3、调速的平滑性： 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：,越接近1，平滑性越好，当=1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。 4、调速的经济性： 主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。,五、他励直流电机的启动调速,调速方法,1、电枢回路串电阻调速,五、他励直流电机的启动和调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。 缺点： 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差； 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2； 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因转矩不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了；,五、他励直流电机的启动和调速,5）通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速，电枢回路串电阻调速的方法的调速范围只能在基速与零转速之间调节。,2、降电压调速,五、他励直流电机的启动和调速,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,五、他励直流电机的启动和调速,优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。 4）电能损耗较小。 缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,五、他励直流电机的启动和调速,3、减弱磁通调速,五、他励直流电机的启动和调速,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。 缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。,五、他励直流电机的启动和调速,4、调速性能比较,五、他励直流电机的启动和调速,例：一台他励直流电动机的额定功率PN=75KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=385A，额定转速nN=1000r/min，电枢回路总电阻=0.01824，电动机带动额定负载恒转矩负载运行。若要求转速调到400r/min，假设T0不变。求： （1）采用电枢串电阻调速时，电枢回路需串入多大的电阻？该转速下电动机的效率？ （2）采用改变电枢电源电压调速时，电枢电源电压应调到多少伏？电动机的效率？,五、他励直流电机的启动和调速,解：（1）电枢回路串入电阻值及效率的计算,五、他励直流电机的启动和调速,五、他励直流电机的启动和调速,解：（2）电枢电源电压及效率的计算,五、他励直流电机的启动和调速,例：一台他励直流电动机的额定功率PN=90KW，额定电压UN=440V，额定电流IN=224A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.0938欧姆。求电动机在以下各种不同静差率要求、不同调速方式时的调速范围。 （1）静差率25%、电枢串电阻调速时； （2）静差率25%、改变电枢电源电压调速时； （3）静差率40%、电枢串电阻调速时。,五、他励直流电机的启动和调速,解：（1）静差率25%、电枢串电阻调速时的调速范围：,五、他励直流电机的启动和调速,解：（2）静差率25%、改变电枢电源电压调速时的调速范围：