新汽车电机基础控制 1

直流电机第3章

作为新能源汽车的直流驱动电动机主要是他励式直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励式直流电动机和复励式直流电动机三种类型。优点

调速范围宽广、平滑；

起动、制动转矩大。缺点

存在换向器：

结构复杂,成本高；可靠性较差。3.1直流电机的原理图3-1直流发电机物理模型3.1.1直流电机的工作原理如图3-2a所示，假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经A→a→b→c→d→B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针旋转。图3-2直流电动机物理模型转子旋转180度后：线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。图3-3两极直流电机3.1.2直流电机的结构及类型旋转的直流电机总体结构可以分成两大部分：静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。图3-4直流电机的结构图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子转子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）1直流电机的结构（1）定子定子主要由主磁极、换向磁极、电刷和机座等部分组成。定子的功能是用来产生磁通和进行机械固定。1）主磁极主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成，如图3-5所示。图3-5

主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座2）机座机座一般用铸钢铸成或用厚钢板焊接而成，机座有两个作用：一个是用来固定主磁极、换向极和电动机端盖；另一个作用是作为磁场的通路，定子的导磁部分称为磁轭。3）换向极如图3-6所示，换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电动机的换向情况，使直流电动机运行时不产生有害的火花。

图3-6换向极

1—换向极铁心2—换向极绕组4）端盖端盖装在基座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定子连为一体，同时端盖对直流电动机内部还起防护作用。5）电刷装置电刷装置的结构如图3-7所示，电刷装置的作用是把直流电压、直流电流引入或引出。电刷的数目一般等于主磁极的数目。电刷装置由电刷、电刷盒、刷瓣和压簧等部分组成。

图3-7

电刷装置

1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫（2）转子转子主要由电枢铁心、电枢绕组及换向器等部分组成，如图3-8所示。1）电枢铁心电枢铁心有两方面作用：一是作为主磁路的一部分，即导磁；二是用于嵌放电枢绕组，即放置绕组。由于电枢铁心和主磁场之间有相对运动，会在铁心中引起铁耗。为减小铁耗，电枢铁心通常用0.35~0.5mm厚的硅钢片叠压而成，各硅钢片之间涂有绝缘漆。电枢铁心固定在轴上。电枢铁心表面有均匀分布的槽，用以嵌放电枢绕组。图3-8转子结构图a）电枢铁心

b）电枢铁心冲片2）换向器换向器结构如图3-9所示，是由许多换向片组成的整体，装在转子的一端，与换向片间相互绝缘，转动的换向器与固定的电刷滑动接触，使转动的电枢绕组与静止的外电路相连接。

图3-9换向器结构图

1—换向片2—连接片3）电枢绕组

转子上的绕组是直流电动机能量转换的枢纽绕组，称之为电枢绕组。电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转换的关键部件。2.直流电机的类型直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。直流电机一般是根据励磁方式进行分类：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。直流电机的励磁方式并励串励复励他励自励直流电机的额定值额定状态下电机的输出功率发电机：PN=UNIN（电功率）电动机：PN=UNINηN（机械功率）额定功率PN（W，kW）额定电压UN（V，kV）额定电流IN

（A，kA）额定转速nN

（r/min）额定励磁电压UfN（V，kV）额定效率ηN额定转矩TN（单位N·m）例如UN=220V;IN

=2.84A;PN=0.4KW;ηN=?3.1.3直流电机电枢绕组

图3-11单叠绕组的两个元件边1—上元件边2—后端部3—下元件边4—前端部电枢绕组的基本单元是元件，一个元件由两条元件边和端接线组成，如图3-11所示。每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图3-12所示。图3-12单匝和多匝线圈a）单匝线圈

b）多匝线圈元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图3-13所示。

图3-13元件边在槽内的放置情况a）

线圈元件嵌放次序b）每层含有3个元件的线圈槽电枢绕组可分为叠绕组和波绕组，叠绕组是指绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上；而波绕组是指两个相连接的单匝线圈成波浪形前进

图3-14绕组的连接形式a）

单叠绕组b）单波绕组图中共有四条支路，每条支路由3个元件串联组成，另有4个元件被电刷短路。图3-16单叠绕组的电路图3.1.4

直流电机的磁场1.空载时的电机气隙磁场空载磁场：当电枢电流为零或很小时，由励磁电流单独建立的磁场。空载磁通用Φm表示。

图3-17空载时直流电机的磁场分布a）

空载时的磁场分布

b）

主磁场磁密分布曲线电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。直轴（d轴）：主极轴线。dq交轴（q轴）：与直轴正交的轴线。几何中性线：相邻两主极之间的中心线，也就是交轴。几何中性线2.负载时电枢磁动势和电枢反应基本概念：电枢磁动势是一个三角形波。两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。

图3-19电枢磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图a）

电枢磁场磁通分布

b）

磁通和磁密分布曲线图3-20为负载后交轴电枢反应时电机合成磁场的分布情况。可以看出，直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应图3-20合成磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图3.1.5电枢的感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势电枢旋转时，电枢导体“切割”气隙磁场，电枢绕组中产生感应电动势。电枢绕组电动势Ea＝电刷两端的电动势＝一条并联支路的电动势。每根导体中的感应电动势：1.电枢绕组的感应电动势电枢感应电动势：注意：该公式对发电机和电动机都适用；电枢电动势与每极气隙磁通量和转速成正比；只要有磁通量和转速，电枢内就有电动势。其中，电动势常数：2.电枢的电磁转矩分析思路：直流电机的转矩公式：其中，转矩常数：3.1.6直流电机的基本方程1.电压方程---他励电动机情况下电枢电阻电刷压降注意：Ia=I-If（并励），Ia=I（他励、串励）电动机：Ea与Ia方向相反，Ea为反电动势，是电动机从电源吸收电功率的要素。Ra电枢总电阻2.功率方程---他励电动机情况下Pe＝P2＋p0P1＝Pe＋pCuap0:空载损耗pCua:电枢总铜耗电磁功率包括两部分：一部分为电动机输出的机械功率，另一部分空载损耗空载损耗包括：1）机械损耗包括轴承、电刷摩擦损耗，空气摩擦损耗以及通风损耗等。2）铁耗

电枢铁心中磁场交变产生的磁滞损耗和涡流损耗。3）杂散损耗又称附加损耗，包括主磁场脉动和畸变引起的铁耗、漏磁场在金属紧固件中产生的铁耗和换向元件内的附加损耗等。

直流电动机的转矩方程T2TeT0nPe＝P2＋p0TeΩ＝T2Ω＋T0ΩTe＝T2＋T0驱动性质的电磁转矩例3-1已知一台他励直流电动机额定电压220V，额定电流100A，额定转速1150r/min，电枢电阻0.095Ω，空载损耗1500W。求：（1）电枢感应电动势；（2）电磁转矩；（3）效率。（1）电枢感应电动势（2）电磁转矩（3）电枢输入功率轴上输出功率额定效率有一台17kW、220V的并励电动机，额定转速nN=1450r/min，额定线电流和励磁电流分为IN=95A和IfN=4.3A，电枢电阻R=0.09，2△Us=2V。试求额定负载时电动机的下列数据：（1）电枢电流和电枢电动势；（2）电磁功率和电磁转矩；（3）输入功率和效率。解：（1）IaN=IN-IfN=95-4.3=90.7AEaN=UN-IaNR-2△Us=220-90.7×0.09-2=209.8V(2)PeN=EaNIaN=209.8×90.7=19028W

TeN=PeN/Ω=125.3N.m(3)P1N=UI=220×95=20900W例题3-2旋转电机的运行是可逆的；一台直流电机，既可以作发电机运行，也可以作电动机运行。判别直流电机运

行状态的条件是：

Ea>U（发电机）Ea<U

（电动机）4.直流电机的可逆性机械特性：n=f(Te)工作特性转速特性：n＝f(P2)转矩特性：Te＝f(P2)效率特性：η＝f(P2)备注：运行特性与电动机的励磁方式（并励、串励、他励）有很大的关系。3.2直流电动机的运行特性1.他励直流电动机的运行特性—机械特性随着电磁转矩Te的增加，他励电动机的转速n变化不大，其机械特性为硬特性。TeOnUNTeNU=UN，If=IfN定义：U=UN，Ia=Is=I；分析：n=f(Te)n=f(Te)TeOn2.串励直流电动机的运行特性—机械特性随着电磁转矩Te的增加，串励电动机的转速n迅速下降，其机械特性为软特性。定义：U=UN，If=IfN(Rf=C)；分析：n,Te,η=f(P2)n0n=f(P2)T0Te=f(P2)T2=f(P2)P2Oη=f(P2)3.他励直流电动机的运行特性—工作特性4.电力拖动系统的稳定性必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即存在Tem=TL充分条件：在交点的转速以上存在Tem＜TL，而在交点的转速以下存在Tem＞TL。不稳定运行稳定运行调速：负载不变情况下的速度改变。调速方法：

电枢控制：改变电压，电枢串电阻；磁场控制：改变励磁电流。调速要求：

调速范围：D=nmax/nmin；平滑性；经济性；调速设备简单、可靠、操作方便。注意：因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。tOnn1t1nN3.3直流电机的调速控制nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→B（1）直流电机调速--电枢回路串电阻调速优点：调速设备简单、操作方便。缺点：耗能，只能调低转速，调速平滑性差。优点：