第一章 直流電動機及其控制

第一章直流電動機及其控制第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

第一章直流電動機及其控制1.1直流電機及其基本結(jié)構(gòu)第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四一、概述應用：1高精度位置伺服系統(tǒng)；2大轉(zhuǎn)矩設(shè)備，如軋鋼機、電氣鐵道牽引機、起重機械等；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合。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點：1)調(diào)速范圍寬，可穩(wěn)定運行的速度范圍大；

2）轉(zhuǎn)矩大；3）控制方法簡單，控制裝置可靠性高。缺點：費工費料，造價貴，運行時換向器需要經(jīng)常維修，壽命較短（350～400h）。特殊點：第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、結(jié)構(gòu)按運動狀態(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。第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.磁極和定子鐵心功能：產(chǎn)生磁場電磁式直流電機：用直流電產(chǎn)生恒定磁場，應用：功率大的場合，中、大型電機。第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四永磁式電機:由永磁體產(chǎn)生恒定磁場。優(yōu)點：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：磁場弱。應用：微型和小型電機。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四2.電樞繞組和電樞鐵心第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電樞繞組：電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的電勢。電機的中樞和樞紐。電樞繞組的制造方法把帶絕緣的銅導線預制成形，在鐵心糟內(nèi)放好絕緣層后將繞組嵌入。每個繞組元件的兩個端頭（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。第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四3.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。第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四三、圖形符號第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.2電機中的磁性材料1.2.1鐵磁物質(zhì)能產(chǎn)生磁場，在磁場中受力作用。鐵磁性物質(zhì)特點1）磁導率大，是真空磁導率0的

2000～6000倍。2）不是恒量，隨磁場強度H變化。

3）存在一個臨界溫度——居里點，高于此溫度時，磁導率降到真空磁導率。第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四Br：剩磁磁密（簡稱剩磁）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。第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四軟磁材料：磁滯回線狹窄，磁導率高。如硅鋼片、純鐵、鑄鋼等。常用來作電機、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。第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四B的變化滯后于H的變化。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下，反復磁化時將要發(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。第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四渦流損耗：鐵磁材料處于交變的外磁場中時，鐵心中還會產(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。第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四鐵心損耗（鐵耗）：磁滯損耗加渦流損耗。單位質(zhì)量的鐵耗：第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.3直流電機工作原理

1.3.1電磁力定律和電磁感應定律電磁力定律

大小：方向：左手定則

第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電動機產(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。直流電機要保持恒定方向轉(zhuǎn)矩的條件：每個磁極下導體的電流方向應保持不變。第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電磁感應定律

大小：

方向：右手定則

第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.3.2直流電動機的工作原理一、模型電機

第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四換向器的作用：導體從一個磁極轉(zhuǎn)到相鄰的異性磁極時，改變導體電流方向，保持每個磁極下電流方向不變，使電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。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，波動大。原因：匝數(shù)少（1匝），磁路是空氣，磁密低。第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

二、環(huán)形繞組的直流電動機環(huán)形鐵心，多繞組。兩條支路。第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四存在的問題：

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

2）制造困難，工藝性和經(jīng)濟性不好。

第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

三、鼓形繞組

第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5直流電動機的特性與控制方法直流電動機的接線第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5.1直流電動機的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢一根導線受力一根導線的電磁轉(zhuǎn)矩各導線轉(zhuǎn)矩相加可得

直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩為第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5.1直流電動機的基本關(guān)系式一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩為當磁通Φ為常值時該式可寫為Kt

——轉(zhuǎn)矩靈敏度，或稱轉(zhuǎn)矩系數(shù)第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電樞反電勢由電磁感應定律，一根導線的電勢各導線電勢相加可得電樞繞組感應電勢為電動機中稱為電樞反電勢

Ke：反電勢系數(shù)

采用國際單位制（SI）第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由轉(zhuǎn)子受力圖和力學定律

動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式動態(tài)：

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四三、電壓平衡方程式電樞繞組有自感和電阻，轉(zhuǎn)動時電樞中又有感應電勢，稱電樞反電勢，因此電樞等效電路。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四三、電壓平衡方程式動態(tài)電壓平衡方程式動態(tài)：靜態(tài)：靜態(tài)電壓平衡方程式：

第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四四大關(guān)系式

第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四※Ke和Kt的關(guān)系電動機從電源輸入的電功率為電動機做出的總的機械功率為

電樞繞組發(fā)出的熱能功率為能量守恒定律：第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5.2直流電動機的靜態(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。

第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四靜態(tài)時的電樞等效電路圖靜態(tài)時的電樞電流

直流電機的電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)。利用上式求轉(zhuǎn)速：第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四靜態(tài)時的直流電機轉(zhuǎn)速又一表達形式靜態(tài)特性方程第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四調(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：磁場控制：輸入量是磁通，激磁電流或激磁電壓。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

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

圖象：下垂的直線。斜率：第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、電樞控制時的機械特性斜率：理想空載轉(zhuǎn)速實際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、電樞控制時的機械特性理想空載轉(zhuǎn)速n0

實際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts

機械特性硬度：

的大小。

小，機械特性硬。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四機械特性族改變電樞電壓，機械特性族是平行直線。分析：電壓提高時，工作狀態(tài)如何變化。

Tc不變，

第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

三、電樞控制時的調(diào)節(jié)特性

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

直線過原點。第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四三、電樞控制時的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線。Tem=Tc=0時直線過原點。

直線與橫軸交點：起動（死區(qū)）電壓。由摩檫力和負載引起。起動電流：第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四電樞控制的優(yōu)點：機械特性和調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線，這表明直流電機是理想的線性元件。電樞控制的缺點：控制功率UaIa

大，對于較大電機，要用較大容量的功率放大器。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

四、磁場控制時的機械特性和調(diào)節(jié)特性

機械特性：磁通是參變量，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系。機械特性的數(shù)學表達式n與Tem是線性關(guān)系。斜率與磁通有關(guān)機械特性族是交叉的直線。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

四、磁場控制時的機械特性和調(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)學表達式調(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。磁場控制的優(yōu)點：

控制功率UfIf

小，可控制大功率電機。第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5.3直流電動機的動態(tài)特性一、電樞控制時的動態(tài)特性

1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速為輸出。擾動力矩為Tc。第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.5.5直流電動機的動態(tài)特性一、電樞控制時的動態(tài)特性1.電樞電壓Ua為輸入，轉(zhuǎn)速ω為輸出。擾動力矩為Tc。

繪框圖，求傳遞函數(shù)。

第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電動機的動態(tài)框圖從輸出Ω(s)開始。第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電動機的動態(tài)框圖第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電動機的動態(tài)框圖第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電動機的傳遞函數(shù)機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)第六十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電動機的傳遞函數(shù)1/e遠遠超過了控制系統(tǒng)的通頻帶第六十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四直流電機傳遞函數(shù)參數(shù)與靜態(tài)特性的關(guān)系機電時間常數(shù)與機械特性斜率成正比。1/Ke是調(diào)節(jié)特性斜