1、 第一章第一章 直流电动机及其控制直流电动机及其控制1.1 直流电机及其基本结构直流电机及其基本结构一、一、 概述概述o应用：应用：1 高精度位置伺服系统；高精度位置伺服系统；2 大转矩设备，如轧钢机、电气铁道牵大转矩设备，如轧钢机、电气铁道牵引机、起重机械等；引机、起重机械等；3 高精度速度控制系统；高精度速度控制系统；4 航天器及其它只有直流电源的场合。航天器及其它只有直流电源的场合。o优点：优点： 1 )调速范围宽，可稳定运行的速度范围大；调速范围宽，可稳定运行的速度范围大； 2）转矩大；）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。）控制方法简单，控制装置可靠性高。o缺点：缺点： 费
2、工费料，造价贵，运行时换向器需要费工费料，造价贵，运行时换向器需要 经常维修，寿命较短（经常维修，寿命较短（350400h）。）。o特殊点：特殊点：有有换换向向器器。用用直直流流电电源源。二、结构二、结构o按运动状态：按运动状态： 定子和转子两部分。定子和转子两部分。o按功能：按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。o磁极在定子上，电枢绕组在转子上。磁极在定子上，电枢绕组在转子上。 换向器在转子上，电刷在定子上。换向器在转子上，电刷在定子上。1. 磁极和定子铁心磁极和定子铁心o功能：产生磁场功能：产生磁场o电磁式直流电机：电磁式直流电机： 用直流电产生恒
3、定磁场，用直流电产生恒定磁场， 应用：应用： 功率大的场合，功率大的场合， 中、大型电机。中、大型电机。o永磁式电机永磁式电机: 由永磁体产生恒定磁场。由永磁体产生恒定磁场。o优点：体积小，重量轻，结构紧凑。优点：体积小，重量轻，结构紧凑。o缺点：磁场弱。缺点：磁场弱。 o应用：微型和小型电机。应用：微型和小型电机。2.电枢绕组和电枢铁心电枢绕组和电枢铁心o电枢绕组：电枢绕组： 电磁转矩和发电机的电势。电磁转矩和发电机的电势。 电机的中枢和枢纽。电机的中枢和枢纽。o电枢绕组的制造方法电枢绕组的制造方法 把带绝缘的铜导线预制成形，把带绝缘的铜导线预制成形， 在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。在铁
4、心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。o每个绕组元件的两个端头（引出线）每个绕组元件的两个端头（引出线） 按着一定的规律接到换向器上。按着一定的规律接到换向器上。 直流电枢绕组本身自成闭合回路。直流电枢绕组本身自成闭合回路。产产生生电电动动机机的的负负载载电电流流、3. 换向器和电刷装置换向器和电刷装置o换向器在转子上。换向器在转子上。 电刷在定子上。电刷在定子上。o功能功能 将电刷上的直流将电刷上的直流 变为绕组内部的交流变为绕组内部的交流 。三、图形符号三、图形符号 1.2 电机中的磁性材料电机中的磁性材料1.2.1 铁磁物质铁磁物质o 能产生磁场，在磁场中受力作用。能产生磁场，在磁场中受力作用。
5、o铁磁性物质特点铁磁性物质特点1）磁导率）磁导率 大，是真空磁导率大，是真空磁导率 0 的的 20006000倍。倍。 2） 不是恒量，随磁场强度不是恒量，随磁场强度H变化。变化。 3）存在一个临界温度）存在一个临界温度居里点居里点 ， 高于此温度时，磁导率降到真空磁导率高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。 磁性：磁性： 用用磁磁化化曲曲 线线表表示示磁磁性性材材料料的的磁磁性性能能磁磁滞滞回回线线oBr ：剩磁磁密（简称剩磁）：剩磁磁密（简称剩磁）oHc ：矫顽磁力。：矫顽磁力。o去磁曲线或退磁曲线：去磁曲线或退磁曲线： 磁滞回线在第磁滞回线在第2象限象限 或第或第4象限的部分。象限的部分
6、。o软磁材料：软磁材料： 磁滞回线狭窄，磁导率高。磁滞回线狭窄，磁导率高。 如硅钢片、纯铁、铸钢等。如硅钢片、纯铁、铸钢等。 常用来作电机、变压器的铁心。常用来作电机、变压器的铁心。o硬磁材料：硬磁材料： 矫顽磁力大，矫顽磁力大， 磁滞回线宽。磁滞回线宽。 常用作永磁体。常用作永磁体。矫顽磁力小，矫顽磁力小，o B的变化滞后于的变化滞后于H的变化。的变化。o磁滞损耗：磁滞损耗： 铁磁材料在交变磁场作用下，铁磁材料在交变磁场作用下， 反复磁化时将要发热，引起的损耗。反复磁化时将要发热，引起的损耗。o磁滞损耗与频率磁滞损耗与频率f成正比，磁滞回线成正比，磁滞回线 的面积越大，磁滞损耗也越大。的面积
7、越大，磁滞损耗也越大。hmPfB m=1.01.6 T2B 磁滞：磁滞：o涡流损耗：涡流损耗： 铁磁材料处于交变的外磁场中时，铁磁材料处于交变的外磁场中时， 铁心中还会产生涡流，铁心中还会产生涡流， 涡流在铁心中引起的热损耗。涡流在铁心中引起的热损耗。o铁心采用片状的铁心采用片状的 并有绝缘薄膜的材料叠压而成，并有绝缘薄膜的材料叠压而成， 就是为了减少涡流损耗就是为了减少涡流损耗 。2222wm()(6 )P = f d BV/o铁心损耗（铁耗）：铁心损耗（铁耗）： 磁滞损耗加涡流损耗。磁滞损耗加涡流损耗。 单位质量的铁耗：单位质量的铁耗：2Fe1/50m( /50)P= PfB =1.21.
8、6 1.3 直流电机工作原理直流电机工作原理 1.3.1 电磁力定律和电磁感应定律电磁力定律和电磁感应定律o电磁力定律电磁力定律 大小：大小： 方向：方向： 左手定则左手定则 F = IlB o电动机产生转矩的条件：电动机产生转矩的条件： 同性磁极下电流相同。同性磁极下电流相同。 异性（相邻）磁极下电流相反。异性（相邻）磁极下电流相反。o直流电机要保持恒定直流电机要保持恒定 方向转矩的条件：方向转矩的条件：o 每个磁极下导体每个磁极下导体 的的 电流方向应保持不变。电流方向应保持不变。o电磁感应定律电磁感应定律 大小：大小： 方向：方向： 右手定则右手定则 e = vBl1.3.2 直流电动机
9、的工作原理直流电动机的工作原理一、模型电机一、模型电机 o换向器的作用：换向器的作用： 导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时，导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时， 改变导体电流方向，保持每个磁极下电改变导体电流方向，保持每个磁极下电 流方向不变，使电机连续转动。流方向不变，使电机连续转动。o转角范围小，不用换向器。转角范围小，不用换向器。o 改变电刷电压的极性。改变电刷电压的极性。o存在的问题：存在的问题： 转矩小，波动大。转矩小，波动大。 原因：匝数少（原因：匝数少（1匝），匝）， 磁路是空气，磁密低。磁路是空气，磁密低。 反反转转： 二、环形绕组的直流电动机二、环形绕组的直流电动机 环形铁心
10、，多绕组。环形铁心，多绕组。 两条支路。两条支路。 o存在的问题：存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场，）环形铁心内部无磁场， 内部导体不受电磁力，内部导体不受电磁力， 铜的利用率低。铜的利用率低。 2）制造困难，工艺性和）制造困难，工艺性和 经济性不好。经济性不好。 三、鼓形绕组三、鼓形绕组 1.5 直流电动机的特性与控制方法直流电动机的特性与控制方法o直流电动机的接线直流电动机的接线1.5.1 直流电动机的基本关系式直流电动机的基本关系式 一、电磁转矩与电枢反电势一、电磁转矩与电枢反电势 一根导线受力一根导线受力 一根导线的电磁转矩一根导线的电磁转矩o各导线转矩相加可得各导线转矩相加可得
11、直流电机的电磁转矩为直流电机的电磁转矩为11= k I lBemta=TC I11=FI lBem111=Tk F电电磁磁转转矩矩em14a=Tk I2=k B,31a=Ik I1.5.1 直流电动机的基本关系式直流电动机的基本关系式 一、电磁转矩与电枢反电势一、电磁转矩与电枢反电势o直流电机的电磁转矩为直流电机的电磁转矩为o当磁通当磁通为常值时该式可写为为常值时该式可写为oKt 转矩灵敏度，转矩灵敏度， 或称转矩系数或称转矩系数emta=TC Iemta=TK Io电枢反电势电枢反电势o由电磁感应定律，一根导线的电势由电磁感应定律，一根导线的电势o各导线电势相加可得电枢绕组感应电势各导线电势
12、相加可得电枢绕组感应电势为为o电动机中称为电枢反电势电动机中称为电枢反电势 Ke ：反电势系数：反电势系数 采用国际单位制（采用国际单位制（SI）et=KKae=EK ae=EC n1123=ek k lnk n12,v = k n B = k 1=evBl 二、二、转矩平衡方程式转矩平衡方程式o 由转子受力图和力学定律由转子受力图和力学定律 动态转矩平衡方程式动态转矩平衡方程式动态：动态： o静态转矩平衡方程式静态转矩平衡方程式em0Ld=+dTTTJtem0Ld-=dTTTJtd /d = 0tem0L=+TTTd /d0t 静静态态： 2em0L=-d /d 0TTTTt2em0L=-d
13、 /d 0TTTTt2em0L=-=d /d = 0TTTTtem0Ld=+dTTTJtem0LddJTTTt2LddJT -Tt2em0-T = TT设设输输出出转转矩矩加加速速减减速速匀匀速速 三、三、电压平衡方程式电压平衡方程式o电枢绕组有自感和电阻，电枢绕组有自感和电阻， 转动时电枢中又有感应电势，转动时电枢中又有感应电势， 称电枢反电势，因此称电枢反电势，因此o电枢等效电路。电枢等效电路。o三、三、电压平衡方程式电压平衡方程式动态电压平衡方程式动态电压平衡方程式 动态：动态： 静态：静态：静静态电压平衡方程式：态电压平衡方程式： aaaa=+UR IEaaaaaad=+dIULR I
14、Etad/d0It =ad /d0It 忽忽略略电电感感压压降降o四大关系式四大关系式 emtata=；TC IK I em0Ld=+d；TTTJtaee=EC nK em0L=+；TTTet=KKaaaaaad=+dIULR IEtaaaa=+UR IE静静态态动动态态通通用用参参数数关关系系Ke 和和Kt 的关系的关系o 电动机从电源输入的电功率为电动机从电源输入的电功率为o 电动机做出的总的机械功率为电动机做出的总的机械功率为 o 电枢绕组发出的热能功率为电枢绕组发出的热能功率为o 能量守恒定律：能量守恒定律：1aa=PU IMem=PT 2cuaa=PI R22aaeataaa+=+I
15、 RK IK I I Ret=KKta= K I 利利用用能能量量守守恒恒定定律律证证明明2aaea=+I RK I1Mcu=+PPP2aaaaaaaa= (+)=+I REII RI E1.5.2 直流电动机的静态特性与控制方法直流电动机的静态特性与控制方法 一、概述一、概述o静态：静态：o静态特性：静态特性： 常用常用静态特性静态特性o机械特性机械特性：o调节特性调节特性：转速与控制量（如电压）的：转速与控制量（如电压）的关系。关系。 转速与转矩的关系。转速与转矩的关系。静静态态时时各各变变量量间间的的关关系系。电电流流和和转转速速不不变变。o 静态时的电枢等效电路图静态时的电枢等效电路图
16、o 静态时的电枢电流静态时的电枢电流 直流电机的电流与转速有关。直流电机的电流与转速有关。o 利用上式求转速：利用上式求转速：aaaeaaa-=UEUC nIRRaema2eet=-UT RnC C C aaaee=-UI RnC C aaae=-R IUC naemaete=-UTRC C C o静态时的直流电机转速静态时的直流电机转速 又一表达形式又一表达形式o静态特性方程静态特性方程aemaeet=-UT RKK Kaema2eet=-UT RnC C C o调速：调速：o开环调速方法：开环调速方法： 改变电枢电压，磁通，电枢回路电阻。改变电枢电压，磁通，电枢回路电阻。o电枢控制：电枢控
17、制：o磁场控制：磁场控制： 输入量是磁通，输入量是磁通，激磁电流激磁电流或激磁电压。或激磁电压。aema2eet=-UT RnC C C 改变和控制电动机的转速。改变和控制电动机的转速。输入量是电枢电压。输入量是电枢电压。 二、电枢控制时的机械特性二、电枢控制时的机械特性 o磁通磁通不变，电枢电压为常数或不变，电枢电压为常数或 参变量参变量 时转速与电磁转矩的关系。时转速与电磁转矩的关系。表达式表达式 图象：下垂的直线。图象：下垂的直线。o斜率：斜率：aa2etet-= - 0RRC C K K,aa2eteme=-URC CTC naaeteem=-URKKTK二、电枢控制时的机械特性二、电
18、枢控制时的机械特性 o 斜率：斜率：o 理想空载转速理想空载转速o 实际空载转速实际空载转速o 堵转转矩堵转转矩 em00=TTnaa2etet-= - 0C Kcem= 0TTemaa2eet=-UnT RC C C 三、电枢控制时的调节特性三、电枢控制时的调节特性 o 调节特性曲线族是平行直线。调节特性曲线族是平行直线。 Tem=Tc=0时时直线过原点。直线过原点。 o 直线与横轴交点：直线与横轴交点：o 起动（死区）电压。起动（死区）电压。 由摩檫力和负载引起。由摩檫力和负载引起。o 起动电流：起动电流： a= 0= 0nEsas=UR Icem=0TT emacastt=T RT RU
19、C C ssa=UIRemaa2eet=-UnT RC C C o电枢控制的优点：电枢控制的优点： 机械特性和调节特性曲线族机械特性和调节特性曲线族 是平行直线，是平行直线， 这表明直流电机是理想的线性元件。这表明直流电机是理想的线性元件。o电枢控制的缺点：电枢控制的缺点： 控制功率控制功率 UaIa 大，大， 对于较大电机，对于较大电机， 要用较大容量的功率放大器。要用较大容量的功率放大器。 四、磁场控制时的机械特性和调节特性四、磁场控制时的机械特性和调节特性 o机械特性：机械特性： 磁通是参变量，磁通是参变量，转速转速n与转矩与转矩Tem的关系。的关系。o 机械特性的数学表达式机械特性的数
20、学表达式o n与与Tem是线性关系。是线性关系。o 斜率斜率 与磁通有关与磁通有关o机械特性族是机械特性族是 交叉的直线。交叉的直线。aae2eetm=-URC CTCna2et-RC C 四、磁场控制时的机械特性和调节特性四、磁场控制时的机械特性和调节特性 o 调节特性：转矩是参变量，调节特性：转矩是参变量， 转速转速n与磁通与磁通的关系。的关系。o 调节特性数学表达式调节特性数学表达式o 调节特性是非线性曲线。调节特性是非线性曲线。 具有明显的非线性。具有明显的非线性。o 控制方法：控制方法： 改变激磁电压改变激磁电压Uf，电流，电流If。 o 磁场控制的优点：磁场控制的优点： 控制功率控
21、制功率 UfIf 小，小， 可控制大功率电机。可控制大功率电机。aeme2aet=-UT RCnCC1.5.3 直流电动机的动态特性直流电动机的动态特性一、电枢控制时的动态特性一、电枢控制时的动态特性 1.电枢电压电枢电压Ua为输入，转速为输入，转速 为输出。为输出。 扰动力矩为扰动力矩为Tc。emta( ) =( )TtK Itae (s) =(s)EK emc (s) = s (s)+(s)TJ Temta (s) =(s)TK Iae( ) =( )E tK temcd ( )( ) =+d tTtJTtaaaaaad( )( ) =+( )+( )dItUtLR ItE ttaaaaa
22、(s) =s+ (s)+(s)（）ULRIE1.5.5 直流电动机的动态特性直流电动机的动态特性一、电枢控制时的动态特性一、电枢控制时的动态特性 1.电枢电压电枢电压Ua为输入，转速为输入，转速 为输出。为输出。 扰动力矩为扰动力矩为Tc。 绘框图，求传递函数。绘框图，求传递函数。 emtaaeemcaaaaa(s) =(s)(s) =(s)(s) = s (s)+(s)(s) =s+ (s)+(s)（）TK IEK TJ TULRIEo直流电动机的动态框图直流电动机的动态框图o从输出从输出(s)开始。开始。emc(s) =s(s)+(s)TJ Temta(s) =(s)TK Iemc1(s)
23、 =(s)-(s)sTTJo直流电动机的动态框图直流电动机的动态框图emta(s) =(s)TK Iaaaaa1(s) =(s)-(s)s+IUELRemc1(s) =(s)-(s)sTTJaaaaa(s) =s+ (s)+(s)（）ULRIEo直流电动机的动态框图直流电动机的动态框图emc1(s) =(s)-(s)sTTJemta(s) =(s)TK Iaaaaa1(s) =(s)-(s)s+IUELRae(s) =(s)EK o直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数o机电时间常数机电时间常数o电磁时间常数电磁时间常数e2amem1/(s)=(s)s +s+1KU amet=R JK Ka
24、ea=LR(s)(s) =1+(s)(s)GGHo直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数o1/ e 远远超过了控制系统的通频带远远超过了控制系统的通频带 e2amem1/(s)=(s)s +s+1KU eame1/(s)=(s)(s+1)(s+1)KU eam1/(s)=ss+1KUme10o 直流电机传递函数参数与静态特性的关系直流电机传递函数参数与静态特性的关系o 机电时间常数与机械特性斜率成正比。机电时间常数与机械特性斜率成正比。o 1/Ke 是调节特性斜率是调节特性斜率o 线性元件：线性元件： 静态特性静态特性 平行直线。平行直线。eam1/(s)=(s)s+1KUamet=R JK
25、 Kaaemeet=-URTKK K= tanJ0s=JT 2.角位移角位移 (t) 为输出为输出1(s) =(s)s( ) =( )d t tt e2amem1/(s)=sss +s+1KU eame1/(s)=(s)s(s+1)(s+1)KUeam1/(s)=(s)s(s+1)KUaa(s)1(s)=(s)s(s)UU例例1 一台电磁式直流伺服电动机，激磁电一台电磁式直流伺服电动机，激磁电压保持恒定。当电枢电压时压保持恒定。当电枢电压时 ，空，空载转速载转速 ，电枢电流，电枢电流 。已知电枢电阻已知电枢电阻 。求：。求：当当 ， 时的电机转速时的电机转速 、电磁转矩电磁转矩 及输出转矩及输
26、出转矩 。VUa1001min/30001rn AIa06. 01 40aRVUa1102AIa5 . 122n2emT02T例例2 一台永磁直流力矩电动机，转矩一台永磁直流力矩电动机，转矩灵敏度灵敏度 摩擦转矩摩擦转矩 转动惯量转动惯量 电磁时间常电磁时间常数数 。连续堵转时电流。连续堵转时电流 ，电压电压 。AmNKt/1mNTf1 . 023106mkgJAI41VU201mse3o （1）求电机电感 ，机电时间常数 ，连续堵转的电磁转矩 。o （2）当电枢电压时 ，求起动时输出转矩 ，并求此电压对应的空载转速 。o （3）当 ，电磁转矩 时，求电枢电压 和输出转矩 。 aLm1TVU25220T20srad /103mNT 233U30T
