直流電動(dòng)機(jī)及其控制

關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)及其控制第一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

第一章直流電動(dòng)機(jī)及其控制1.1

直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)第二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日一、概述應(yīng)用：1

高精度位置伺服系統(tǒng)；2

大轉(zhuǎn)矩設(shè)備，如軋鋼機(jī)、電氣鐵道牽引機(jī)、起重機(jī)械等；3高精度速度控制系統(tǒng)；4

航天器及其它只有直流電源的場(chǎng)合。第三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：

1)調(diào)速范圍寬，可穩(wěn)定運(yùn)行的速度范圍大；

2）轉(zhuǎn)矩大；

3）控制方法簡(jiǎn)單，控制裝置可靠性高。缺點(diǎn)：費(fèi)工費(fèi)料，造價(jià)貴，運(yùn)行時(shí)換向器需要經(jīng)常維修，壽命較短（350～400h）。特殊點(diǎn)：第四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日二、結(jié)構(gòu)按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：定子和轉(zhuǎn)子兩部分。按功能：磁極、電樞繞組、換向器和電刷三部分。磁極在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。換向器在轉(zhuǎn)子上，電刷在定子上。第五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.磁極和定子鐵心功能：產(chǎn)生磁場(chǎng)電磁式直流電機(jī)：用直流電產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，應(yīng)用：功率大的場(chǎng)合，中、大型電機(jī)。第七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日永磁式電機(jī):由永磁體產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：磁場(chǎng)弱。應(yīng)用：微型和小型電機(jī)。第八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日2.電樞繞組和電樞鐵心第九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電樞繞組：電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)的電勢(shì)。電機(jī)的中樞和樞紐。電樞繞組的制造方法把帶絕緣的銅導(dǎo)線預(yù)制成形，在鐵心糟內(nèi)放好絕緣層后將繞組嵌入。每個(gè)繞組元件的兩個(gè)端頭（引出線）按著一定的規(guī)律接到換向器上。直流電樞繞組本身自成閉合回路。第十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日3.換向器和電刷裝置換向器在轉(zhuǎn)子上。電刷在定子上。功能將電刷上的直流變?yōu)槔@組內(nèi)部的交流。第十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日三、圖形符號(hào)第十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.2

電機(jī)中的磁性材料

鐵磁物質(zhì)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中受力作用。鐵磁性物質(zhì)特點(diǎn)1）磁導(dǎo)率大，是真空磁導(dǎo)率0的

2000～6000倍。

2）不是恒量，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化。

3）存在一個(gè)臨界溫度——居里點(diǎn)，高于此溫度時(shí)，磁導(dǎo)率降到真空磁導(dǎo)率。第十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日Br

：剩磁磁密（簡(jiǎn)稱剩磁）Hc

：矯頑磁力。去磁曲線或退磁曲線：磁滯回線在第2象限或第4象限的部分。第十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日軟磁材料：磁滯回線狹窄，磁導(dǎo)率高。如硅鋼片、純鐵、鑄鋼等。常用來作電機(jī)、變壓器的鐵心。硬磁材料：矯頑磁力大，磁滯回線寬。常用作永磁體。第十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日B的變化滯后于H的變化。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場(chǎng)作用下，反復(fù)磁化時(shí)將要發(fā)熱，引起的損耗。磁滯損耗與頻率f成正比，磁滯回線的面積越大，磁滯損耗也越大。第二十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日渦流損耗：鐵磁材料處于交變的外磁場(chǎng)中時(shí)，鐵心中還會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流在鐵心中引起的熱損耗。鐵心采用片狀的并有絕緣薄膜的材料疊壓而成，就是為了減少渦流損耗。第二十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日鐵心損耗（鐵耗）：磁滯損耗加渦流損耗。單位質(zhì)量的鐵耗：第二十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.3

直流電機(jī)工作原理

電磁力定律和電磁感應(yīng)定律電磁力定律

大小：方向：左手定則

第二十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：同性磁極下電流相同。異性（相鄰）磁極下電流相反。直流電機(jī)要保持恒定方向轉(zhuǎn)矩的條件：每個(gè)磁極下導(dǎo)體的電流方向應(yīng)保持不變。第二十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電磁感應(yīng)定律

大?。?/p>

方向：右手定則

第二十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理一、模型電機(jī)

第二十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日換向器的作用：導(dǎo)體從一個(gè)磁極轉(zhuǎn)到相鄰的異性磁極時(shí)，改變導(dǎo)體電流方向，保持每個(gè)磁極下電流方向不變，使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)角范圍小，不用換向器。改變電刷電壓的極性。存在的問題：轉(zhuǎn)矩小，波動(dòng)大。原因：匝數(shù)少（1匝），磁路是空氣，磁密低。第二十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

二、環(huán)形繞組的直流電動(dòng)機(jī)環(huán)形鐵心，多繞組。兩條支路。第二十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日存在的問題：

1）環(huán)形鐵心內(nèi)部無磁場(chǎng)，內(nèi)部導(dǎo)體不受電磁力，銅的利用率低。

2）制造困難，工藝性和經(jīng)濟(jì)性不好。

第二十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

三、鼓形繞組

第三十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.5

直流電動(dòng)機(jī)的特性與控制方法直流電動(dòng)機(jī)的接線第三十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

直流電動(dòng)機(jī)的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢(shì)一根導(dǎo)線受力一根導(dǎo)線的電磁轉(zhuǎn)矩各導(dǎo)線轉(zhuǎn)矩相加可得

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為第三十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

直流電動(dòng)機(jī)的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢(shì)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)磁通Φ為常值時(shí)該式可寫為Kt——轉(zhuǎn)矩靈敏度，或稱轉(zhuǎn)矩系數(shù)第三十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電樞反電勢(shì)由電磁感應(yīng)定律，一根導(dǎo)線的電勢(shì)各導(dǎo)線電勢(shì)相加可得電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)為電動(dòng)機(jī)中稱為電樞反電勢(shì)

Ke

：反電勢(shì)系數(shù)

采用國(guó)際單位制（SI）第三十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由轉(zhuǎn)子受力圖和力學(xué)定律

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式動(dòng)態(tài)：

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式第三十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

第三十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

三、電壓平衡方程式電樞繞組有自感和電阻，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電樞中又有感應(yīng)電勢(shì)，稱電樞反電勢(shì)，因此電樞等效電路。第三十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日三、電壓平衡方程式動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式動(dòng)態(tài)：靜態(tài)：靜態(tài)電壓平衡方程式：

第三十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日四大關(guān)系式

第四十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日※Ke

和Kt

的關(guān)系電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率為電動(dòng)機(jī)做出的總的機(jī)械功率為

電樞繞組發(fā)出的熱能功率為能量守恒定律：第四十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.5.2直流電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性與控制方法

一、概述靜態(tài)：靜態(tài)特性：常用靜態(tài)特性機(jī)械特性：調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速與控制量（如電壓）的關(guān)系。

第四十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日靜態(tài)時(shí)的電樞等效電路圖靜態(tài)時(shí)的電樞電流

直流電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用上式求轉(zhuǎn)速：第四十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日靜態(tài)時(shí)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速又一表達(dá)形式靜態(tài)特性方程第四十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)速：開環(huán)調(diào)速方法：改變電樞電壓，磁通，電樞回路電阻。電樞控制：磁場(chǎng)控制：輸入量是磁通，激磁電流或激磁電壓。第四十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

二、電樞控制時(shí)的機(jī)械特性磁通Φ不變，電樞電壓為常數(shù)或參變量時(shí)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。表達(dá)式

圖象：下垂的直線。斜率：第四十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日二、電樞控制時(shí)的機(jī)械特性斜率：理想空載轉(zhuǎn)速實(shí)際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

第四十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日二、電樞控制時(shí)的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速n0

實(shí)際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts

機(jī)械特性硬度：

的大小。

小，機(jī)械特性硬。第四十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)械特性族改變電樞電壓，機(jī)械特性族是平行直線。分析：電壓提高時(shí)，工作狀態(tài)如何變化。

Tc

不變，

第四十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

三、電樞控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性

電磁轉(zhuǎn)矩為參變量時(shí)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。表達(dá)式斜率直流電機(jī)調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。

直線過原點(diǎn)。第五十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

三、電樞控制時(shí)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。

Tem=Tc=0時(shí)直線過原點(diǎn)。

直線與橫軸交點(diǎn)：起動(dòng)（死區(qū)）電壓。由摩檫力和負(fù)載引起。起動(dòng)電流：第五十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電樞控制的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線，這表明直流電機(jī)是理想的線性元件。電樞控制的缺點(diǎn)：控制功率UaIa

大，對(duì)于較大電機(jī)，要用較大容量的功率放大器。第五十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

四、磁場(chǎng)控制時(shí)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

機(jī)械特性：磁通是參變量，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系。機(jī)械特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式n與Tem是線性關(guān)系。斜率與磁通有關(guān)機(jī)械特性族是交叉的直線。第五十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

四、磁場(chǎng)控制時(shí)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)矩是參變量，

轉(zhuǎn)速n與磁通Φ的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性數(shù)學(xué)表達(dá)式調(diào)節(jié)特性是非線性曲線。具有明顯的非線性?？刂品椒ǎ焊淖兗ご烹妷篣f，電流If。磁場(chǎng)控制的優(yōu)點(diǎn)：

控制功率UfIf

小，可控制大功率電機(jī)。第五十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.5.3直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性一、電樞控制時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速為輸出。擾動(dòng)力矩為Tc。第五十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日1.5.5直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性一、電樞控制時(shí)的動(dòng)態(tài)特性1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速ω

為輸出。擾動(dòng)力矩為Tc。

繪框圖，求傳遞函數(shù)。

第五十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)框圖從輸出Ω(s)開始。第五十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)框圖第五十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)框圖第五十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)第六十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)1/e

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了控制系統(tǒng)的通頻帶第六十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日直流電機(jī)傳遞函數(shù)參數(shù)與靜態(tài)特性的關(guān)系機(jī)電時(shí)間常數(shù)與機(jī)械特性斜率成正比。1/Ke

是調(diào)節(jié)特性斜率線性元件：靜態(tài)特性平行直線。第六十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日

2.角位移(t)

為輸出第六十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日例1

一臺(tái)電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，激磁電壓保持恒定。當(dāng)電樞電壓時(shí)，空載轉(zhuǎn)速，電樞電流。已知電樞電阻。求：當(dāng)，時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩及輸出轉(zhuǎn)矩。第六十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日例2

一臺(tái)永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩靈敏度摩擦轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)