直流電機工作原理和有刷直流電機的模型建立

1、精選文檔直流電機工作原理和有刷直流電機的模型建立一、 直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機可概括地分為靜止和轉(zhuǎn)動兩大部分。靜止部分稱為定子；轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子。定、 轉(zhuǎn)子之間由空氣隙分開，如圖。圖a所示為直流電機結(jié)構(gòu)，圖b所示為直流電機剖面圖。1. 定子部分定子由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。(1)主磁極 它的作用是產(chǎn)生恒定的主極磁場，由主磁極鐵心和套在鐵心上的勵磁繞組組成。 (2)換向極 換向極的作用是消除電機帶負載時換向器產(chǎn)生的有害火花，以改善換向。 (3)機座 機座的作用有兩個，一是作為各磁極間的磁路，這部分稱為定子磁軛；二是作為電機的機械支撐。(4)電刷裝置 其作用，一是使轉(zhuǎn)子繞組能與外電

2、路接通，使電流經(jīng)電刷輸入電樞或從電樞輸出；二是與換向器相配合，獲得直流電壓。2. 轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子是直流電機的重要部件。由于感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩都在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生是機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的樞紐，因此稱作電樞。電樞主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。另外轉(zhuǎn)子上還有風扇、轉(zhuǎn)軸和繞組支架等部件。（1）電樞：鐵心電樞鐵心的作用有兩個，一是作為磁路的一部分，二是將電樞繞組安放在鐵心的槽內(nèi)。（2）電樞繞組：電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和通過電流，使電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換它由許多形狀完全相同的線圈按一定規(guī)律連接而成。每一線圈的兩個邊分別嵌在包樞鐵心的槽里，線圈的這兩個邊也稱為有效線圈邊。（3）換向器：換向器又稱整流

3、子，在直流電動機中，是將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流，以保證同一磁極下電樞導體的電流方向不變，使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩恒定；在直流發(fā)電機中，是將繞組中的交流感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)換為電刷上的直流電勢，所以換向器是直流電機中的關(guān)鍵部件。換向器由許多鴿尾形銅片（換向片）組成。換向片之間用云母片絕緣，電樞繞組每一個線圈的兩端分別接在兩個換向片上，換向器的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。直流電機運行時在電刷與換向器之間往往會產(chǎn)生火花。微弱的火花對電機運行并無危害，若換向不良，火花超過一定程度，電刷和換向器就會燒壞，使電機不能繼續(xù)運行。此外，在靜止的主磁極與電樞之間，有一空氣隙，它的大小和形狀對電機的性能影響很大?？諝庀兜拇?/p>

4、小隨容量不同而不同?？諝庀峨m小，但由于空氣的磁阻較大，因而在電機磁路系統(tǒng)中有著重要的影響。二、直流電機的基本工作原理在A、B電刷上接入直流電源U，則該電機模型為電動機模型。按入直流電源以后，電刷A為正極性，電刷B為負極性。電流從正電刷A經(jīng)線圈abcd，到負電刷B流出。根據(jù)電磁力定律在載流異體與磁力線垂直的條件下，線圈每一個有效邊將受到一電磁力的作用。電磁力的方向可用左手定則判斷。在換向器與靜止電刷的相互配合作用下，線圈不論轉(zhuǎn)到何處，電刷A始終與運動到N極下的線圈邊相接觸，而電刷B始終與運動到S極下的線圈邊相接觸，這就保證了電流總是由電刷A經(jīng)N極下的導體流入，再沿S極下的導體經(jīng)電刷B流出。因而電

5、磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使電機能沿逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。在如圖所示的電動機模型中，轉(zhuǎn)子線圈中流過電流時，受電磁力的作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可用下式表示： 式中，T為電磁轉(zhuǎn)矩(N·m）；Ia為電樞電流（A)；Cm為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Cm = 9.55Ce。當線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時，線圈的有效邊也切割磁力線，根據(jù)對發(fā)電機所作的分析可知，顯然其中也會出現(xiàn)感應(yīng)電勢。根據(jù)右手法則，由磁場及轉(zhuǎn)動方向不難判斷出有效邊中感應(yīng)電勢的方向，總是與其中的電流方向相反，故該感應(yīng)電勢又常稱為電樞反電勢。這時電機將電能轉(zhuǎn)換成了軸上輸出的機械能。三.有刷直流電機建模1典型的單位反饋系統(tǒng)一般研究的

6、傳遞函數(shù)是將時域函數(shù)經(jīng)拉普拉斯變換后的復頻域 函數(shù)。如圖：WO(s) 為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，R(s) 和C(s)分別為系 統(tǒng)的輸入和輸出而E(S)為系統(tǒng)的誤差。系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式:W0(s)=K(bmsm+bm-1sm-1+b1s+1)s(ansn+an-1sn-1+a1s+1)2直流電機的數(shù)學模型直流電動機中，有電機轉(zhuǎn)速變化的機械過程和電量變化的電磁 過程這兩個過程,按照實際情，在此模型中，我們認為它們同時發(fā) 生。據(jù)此，從電樞電壓的平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程出發(fā)，建立其狀 態(tài)方程及傳遞函數(shù)關(guān)系。電樞電壓平衡方程為轉(zhuǎn)矩平衡方程為其中ua 電樞電壓(V)；電樞反電勢 (V)；ia 電樞電流

7、(A)；La 、Ra電樞電感(H)、電樞電阻(Q)；每極磁通(Wb)；n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(rmin)Ce、Cm直流電機電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ce =PN(60a)、Cm = PN(2a)，其中P為電機極對數(shù)，N為電樞總導體數(shù)，a 為并聯(lián)支路數(shù)M、ML 電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩 (Nm)；J轉(zhuǎn)速慣量(Nmsminr)其中轉(zhuǎn)速慣量J,與轉(zhuǎn)動慣量J0(Nmsrad) 之間關(guān)系如下。由得作拉普拉斯變換可解得電樞電流ia與電樞電壓ua,之間的傳遞 函數(shù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與動態(tài)轉(zhuǎn)矩(M-ML)之間的傳遞函數(shù)其中Ka=1Ra電樞回路放大倍數(shù)；T=LaR電樞回路電磁時間常數(shù)(s)；令Tm =JRaCMCe2機電時間常數(shù) (s)建立精

8、確模型時要考慮到機電(Tm)和電磁(Ta)的過渡過程，反映在傳遞函數(shù)中，即它形成了一個有反饋的閉環(huán)二階系統(tǒng)，由此系統(tǒng) 可得電機精確模型的傳遞函數(shù)框圖(如圖2所示)，則可得到轉(zhuǎn)速與 電樞電壓的傳遞函數(shù)?？驁D：傳遞函數(shù)： n(s)ua(s)=1/CeTmTas2+Tms+1注意到實際情況下，系統(tǒng)中時間常數(shù)r和在數(shù)量上差別較大，由轉(zhuǎn)子慣性引起的機電時間常數(shù)往往比電樞回路電磁時間常數(shù)大一個數(shù)量級，兩個過程可以不看作同時發(fā)生而是接續(xù)發(fā)生，這樣可以近似認為較快電流變化時，電機轉(zhuǎn)遞不變，即電樞反向電動勢s不 變，而在研究比較緩慢的變化過程時，可以認為電磁過程已經(jīng)衰減 完畢，即認為T=0，這樣可以簡化電機模型，得到簡化傳遞公式：n(s)ua(s)=1/CeTms+1當輸入電壓為單位階躍函數(shù)時，即0,t<01,t0將n(s)轉(zhuǎn)換為時域形式n(t)=/(TmCe)(1-e-1Tm)例如取/(TmCe)=1，Tm=0.5，則可得到下圖示例n-t圖若電機為永磁式的則有簡化形式n(t)=K(1-e-1Tm)在上式中取t=Tm,則有n(T