第三章 直流电机 北京理工大学 自控元件.ppt

1、1,第三章 直流电机,4-0 概述4-1 直流电机的基本原理和结构4-2 直流电机的电枢绕组和磁场4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩4-4 直流电机的换向和火花4-5 直流测速发电机4-6 直流伺服电动机,2,特点： 具有优良的制动和调速性能。 应用： 执行元件，电源和测量元件。,4-0 概 述,分类：,3,4-1 直流电机的基本原理和结构,4-1-1 直流电机的基本原理,无论直流电动机, 还是直流发电机，它们的作用原理都是建立在电与磁相互作用和相互转化的基础上。,一. 直流电动机的工作原理,4,电枢绕组内电流沿a-b-c-d方向流动。,5,电枢绕组转过180，电流沿d-c-b-a方向流动。

2、,6,电枢绕组通过电刷接到直流电源上，在电磁转矩的作用下，电机带动轴上的机械负载沿着与电磁转矩相同的方向旋转，向负载输出机械功率。 -直流电动机运行状态。 电流： 外部输入是直流电 内部交流电 受力： 大小 f = IBL 方向 左手定则,7,说明： 1在直流电动机中为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路的直流电必须改变成电机内部的交变电流。 这一过程称为电流的换向换向用的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片的总体称为换向器。 2直流电动机的电枢在电磁转矩的作用下旋转，电枢上的导体又会切割磁力线，产生感应电势。方向与外 界电源的电流方向相反，故称其为反电势。,8,Ud,I,f,M,带动电机旋转,

3、反电势e（与I方向相反）,电机向负载输出机械功率的同时， 电源向电机输入电功率,电源只有克服反电势才能向电机输入电流,电动机将电能转为机械能,9,二. 直流发电机的工作原理,将电刷两端接到一电气负载上，而电枢由原动机带动以恒定转速逆时针方向旋转。这时就构成了直流发 电机运行状态。,原动机,10,可见：外部输出的直流电；内部交流电。,内部电流： d-c-b-a 外部电流： A-RL-B,转过180 内部电流：a-b-c-d 外部电流： A-RL-B,11,这种情况下，直流电机对外电路便是一个直流电源，电机向负载输出电功率。电机此时起着将机械能转换成电能的作用。,发电机向负载输出电功率的同时， 原

4、动机向电机输入机械功率,M外,e（原动势，方向与I相同）,输出到电器负载,电磁制动转矩 Mem（与M外方向相反） 原动机只有克服这一电磁转矩才能带动电枢旋转。,f 电磁力,I,12,4-1-2 直流电机的基本结构,电机的特征：电机磁极与电枢绕组之间存在相对运动。,13,14,1、定子： 由机壳、主磁极、电刷架组件、电刷、端盖和轴承组成。 主要作用：产生磁场和机械支撑。,1）机壳： 在小型直流电机中，仅起支撑作用。 在中型以上电机中，由铸铁或铸钢制成，不仅起支撑作用，而且还是电机磁路的一部分，又称 磁轭。,15,2）主磁极： 用来产生电机的主磁场。 除小型直流电机 用永久磁铁外，大部分直流电机主

5、磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成。,主磁极的形状：,16,电机中磁极总是成对出现的，习惯上用 p 表示磁极对数。例如，四极电机 2p =4，磁极对数 p=2 。 励磁绕组通以直流电产生磁场的方式，称为电磁式。 用永久磁铁产生磁场的方式，称为永磁式。,3）电刷盒组件： 电刷盒固定在端盖上，电刷放在电刷盒中。,4）端盖和轴承： 用来放置电刷盒和轴承。,17,2、转子： 直流电机的转子又称为电枢。 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴构成。,1）电枢铁心 主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。,18,2）电枢绕组： 由许多绝缘导线绕制成。 绕组元件按一定规律联结，并焊接换向片上。,19,3）换向器： 由

6、一定片数相互绝缘的换向铜片组成。电枢绕组内电路的交流电，通过电刷和换向器与外电路的直流电相互转换。,20,第四章 直流电机,4-0 概述4-1 直流电机的基本原理和结构4-2 直流电机的电枢绕组和磁场4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩4-4 直流电机的换向和火花4-5 直流测速发电机4-6 直流伺服电动机,21,3.2.1 直流电机的电枢绕组 直流电机的电枢绕组产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的关键部件。,3.2 直流电机的电枢绕组和磁场,一、环形绕组 简单的两极（P=1)环形绕组直流发电机模型。,22,环形铁心上每一个线圈称为一个元件。 换向片数=绕组元件数。,结构,23,环形铁

7、心外表面的导体切割磁通产生感应电势 每一根导体的感应电势为e=Blv。,工作原理,24,等效电路图,25,安放电刷的原则 为使电刷两端间获得的电势最大，电刷必须通过换向器与位于几何中性线上的元件相连接。即由电刷短路的元件应处于感应电势为零的位置。,26,二、鼓形绕组,27,1.鼓形绕组铁心冲有齿和槽，呈圆柱形。槽中安放 电枢绕组元件。而且一个槽中可放2个元件边。,28,2. 一个绕组元件有两条有效边，一条有效边放在N极下 一个槽的上层，另一条有效边放在相邻的S极下对应 位置的槽的下层,电枢绕组自成闭合回路。 3. 感应电势比环形绕组将增加一倍。,29,4. 电刷安放原则：如前所述，电刷放置位置

8、应短路 掉感应电势为零的元件。对鼓形绕组，电刷A、B 应放在电机的磁极轴线处。,30,为了讨论方便，今后直流电机一般表示成下述形式：,此时电刷所放位置仅表示电刷短路掉电势为零的 元件，电刷间获得的电势最大。,31,4-2-2 直流电机的磁场,直流电机的磁场包括： 励磁绕组产生的主磁场（空载磁场） 负载时，电枢绕组中电流产生的电枢磁场,32,一、空载时的磁场 1直流电机空载的概念 发电机空载时，外电路开路，电枢绕组没有电流。此时，电机磁场仅由励磁绕组产生的励磁磁势产生。 电动机空载时，输出不带负载。空载转矩很小，空载电流也很小。电枢电流所产生的磁场不足以影响主磁场，故可忽略。,33,2磁极与磁路

9、,主磁路： 磁极铁心、空气隙、电枢齿槽、电枢磁轭、定子磁轭,34,3空载时气隙内磁场分布图,当磁势一定，忽略铁心内的磁压降，气隙磁感应强度 B 与气隙大小 成反比。,35,极距 ： 相邻两个磁极间沿电枢表面的距离。,D为电枢直径,36,二、负载时的电机磁场： 负载时，电枢中有电流流过，电枢电流产生电枢磁势Fa，从而在气隙中产生电枢磁场。 电枢磁场对主磁场的影响，称为电枢反应。,假设铁心没有饱和，磁场近似是线性的，则负载时的磁场可看成是空载主磁场和电枢磁场的线性叠加。,37,1 空载主磁场,对主磁极轴线对称 对几何中心线对称,38,2电枢磁场,与主磁极一样，也是两极磁场。 2) 磁场空间位置不变

10、。 3) 电枢磁场的轴线与主磁场轴线相垂直，称交轴电枢反应。(若相重合，称直轴电枢反应。),电刷位于几何中性线上,电枢磁场的方向取决于 电枢电流的方向。电刷将电枢元件分成上下两半。,39,3合成磁场,交轴电枢反应对主磁场的影响：,在主磁极下，电枢磁场在半个极下与主磁场同向，加强主磁场；在另半个磁极下与主磁场反向，削弱主磁场。 使主磁场发生了畸变。几何中心线磁密不为零。,磁密为零处 物理中性线,40,铁心饱和使每一个磁极下总的磁通量减小，即去磁作用。,3合成磁场,交轴电枢反应对主磁场的影响：,41,当电刷不在几何中性线上时,电枢磁场不仅包括交轴分量，还包括直轴分量。即: 不仅存在交轴电枢反应，还

11、存在直轴电枢反应。,42,第四章 直流电机,4-0 概述4-1 直流电机的基本原理和结构4-2 直流电机的电枢绕组和磁场4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩4-4 直流电机的换向和火花4-5 直流测速发电机4-6 直流伺服电动机,43,4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩,4-3-1 电枢电势 1、定义 电刷两端间的感应电势称为电枢电势。,2、感应电势分布 每一根有效边的感应电势： ei = Blv,44,它反映了任一瞬间，某一磁极下各个导体感应电势大小的分布曲线。 它也反映了一根导体感应电势在一个磁极下的变化波形。,45,3、电枢电势的计算,a) 一根导体有效边感应电势：,46,若绕组元件数

12、为 S，每一元件有 Ny 匝线圈，则电枢绕组总有效导体数 N = 2SNy 。 设绕组支路对数为 a , 则每条支路内的有效导体数为 N/2a。,电刷两端总的感应电势平均值：,47,其中： 电势常数；, 韦伯 (wb)； n 转/分 (rpm)； Ea 伏 (v)。,电枢电势的计算公式表明：感应电势的大小与每极的磁通和电枢转速的乘积成正比。,48,4-3-2 电磁转矩,一根导体受力大小为：,一根导体产生的力矩为：,当通有电流的电枢绕组元件处于气隙磁场中时，导体会受到电磁力的作用，形成电磁转矩。,49,用平均电磁力来进行计算：,其中： 为一个极下气隙平均磁感应强度;,Ia 电枢绕组总电流; 2a

13、 支路数;,为每一根导体中流过的电流。,则每一根导体的电磁转矩为：,50,每根导体所受电磁转矩方向一致，总的电磁转矩应是所有导体 ( N个 ) 所受电磁转矩之和。,其中：, 转矩常数,51,电磁转矩的计算公式表明：电磁转矩的大小与每极的磁通和电枢电流的乘积成正比。,52,第四章 直流电机,4-0 概述4-1 直流电机的基本原理和结构4-2 直流电机的电枢绕组和磁场4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩4-4 直流电机的换向和火花4-5 直流测速发电机4-6 直流伺服电动机,53,4-4 直流电机的换向和火花,换向过程： 当元件处于N极下时电流是一个方向，当经过电刷几何中性线进入S 极下时，将改变

14、为另一个方向。这个过程叫换向过程。,换向周期： 换向元件从开始换向到换向结束所需的时间称为换向周期。,换向元件: 进行换向的元件叫换向元件。,54,延迟换向： 由于绕组元件具有电感，因此在元件换向时会产生一定的自感电势，其方向是力图阻止换向元件的电流改变方向。这种效应称延迟换向。,换向磁极： 为了克服火花的产生，常常在定子上增加换向磁极，使换向元件产生感应电势，与自感电势相反，削弱电流的延迟作用。,55,56,第四章 直流电机,4-0 概述4-1 直流电机的基本原理和结构4-2 直流电机的电枢绕组和磁场4-3 直流电机的电枢电势、电磁转矩4-4 直流电机的换向和火花4-5 直流测速发电机(P6

15、2+P193)4-6 直流伺服电动机,57,4-5 直流测速发电机,在控制系统中，它是一种测量转速的小型直流发电机。 它既具有直流电机的共性，又必须满足控制系统的特性要求。,58,4-5-1 直流发电机的型式与励磁方式,永磁式,永久磁铁作定子 磁极产生主磁场,电磁式,励磁绕组通直流电产生主磁场,按照励磁方式可分为：,59,自励式发电机必须满足下列两个条件： 磁极必须有剩磁； 靠剩磁产生的励磁电流要使剩磁磁场增加。,60,4-5-2 直流发电机的基本电磁关系 以他励式直流发电机为例分析。,1. 电势平衡方程式,瞬时电压平衡方程式：,61,其中 ua 电枢绕组端电压， ua = iaRL Ra 电

16、枢绕组回路总电阻，包括电枢绕组电 阻，电刷与换向器的接触电阻，电刷 电阻等； La 电枢绕组的电感。,62,直流发电机的稳态电压平衡方程式：,Ea=Ua+IaRa=Ia ( RL+Ra ),感应电势 = 负载电压 + 内阻消耗,63,2. 转矩平衡方程式,空载转矩： 发电机电枢转动时存在机械摩擦力矩等阻转矩。即使在发电机空载时，就存在这些转矩，称为空载转矩，用 M0 表示。,电磁转矩： 电枢电流 Ia 流过电枢绕组，会产生电磁转矩 Mem ，它与原动机及电枢旋转方向相反，是制动转矩。,64,动态转矩平衡方程式：,65,直流发电机的稳态转矩平衡方程式:,原动机的输入转矩 =电磁转矩+空载转矩,M

17、1 = Mem+ M0,66,3. 电磁功率和功率平衡方程式,一、由电压平衡方程式：,67,二、由转矩平衡方程式：,其中，P1= M1 原动机输入的机械功率； Pem= Mem 电磁功率，用来转换为电功 率的那部分机械功率； P0= M0 发电机的空载损耗；,68,电磁功率Pem： 电动机发出的电功率 EaIa； 电动机消耗的机械功率 Mem ； 电磁功率 Pem 就是直流发电机中把机械能转换为电能的那部分功率。,69,三、直流发电机的能流图,P1=P0+Pcu+P2 P =P0+Pcu 直流发电机的总损耗,70,四、直流发电机的外特性,1、定义： 直流发电机的外特性是指电机转速为额定转速 n

18、N ，他励式直流发电机的励磁电流达到额定值IjN 时，发电机负载两端电压 Ua 与负载电流 之间的关系 Ua =f (Ia) 。,电压变化的程度可用电压调整率Ua 表示，,71,1、直流测速发电机的输出特性,直流测速发电机的输出特性是指当励磁保持不变，负载也保持一定的情况下，发电机的转速与负载端电压之间的关系，即 Ua = f (n) 。,4-5-3 直流测速发电机,72,空载时： Uao= Ea= Cen = Ken 其中:Ke Ce 电势系数,负载时：,73,可见：, 当 Ke ，Ra，RL一定时，Ua与 n 之间呈线性关系；, RL，特性斜率增大，,74,2、控制系统对直流测速发电机的要求,正反转时，输出特性要一致； 温度变化对特性的影响要小；,输出电压和转速关系应为线性； 输出特性斜率要大，电压对转速的灵敏度要高；,75,输出纹波要小。,76,3、直流测速发电机的误差及其减小的方法,温度的影响及采取的措施 电机发热 Rj Ij Ua 磁路设计得较饱和，使 Rj 变化对 的影响小； 附加热敏