1、第五章第五章 直流电机直流电机5.1 直流电机的工作原理和构造特点直流电机的工作原理和构造特点5.2 直流电机的励磁方式和运行特性直流电机的励磁方式和运行特性5.3 无刷直流电动机无刷直流电动机第五章小结第五章小结学习第五章应该注意的点学习第五章应该注意的点第五章学习应注意的几个问题第五章学习应注意的几个问题：1.直流电机由什么组成？换向器的作用是什么？绕组元直流电机由什么组成？换向器的作用是什么？绕组元件中的电量是交流还是直流件中的电量是交流还是直流？2.电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它们进行分析计算？们进行分析计算？3.直流发电机
2、有什么特性直流发电机有什么特性？直流发电机如何自励起压？直流发电机如何自励起压？4.直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动机通常不能直接起动？机通常不能直接起动？本章的计算任务主要是本章的计算任务主要是：根据电压平衡方程和有关特性进行计算。根据电压平衡方程和有关特性进行计算。比较难理解的点比较难理解的点：1.直流电机电刷位置；直流电机电刷位置；2.直流电机电枢反应去磁作用。直流电机电枢反应去磁作用。直流电机电动与发电原理5.1 直流电机的直流电机的工作原理和构造特点工作原理和构造特点n直流电机的工作原理直流电机的工作原理n直流电机的主要结构
3、直流电机的主要结构n直流电机的额定值直流电机的额定值(a)(a)导体导体abab处于处于N N极下极下 (b)(b)导体导体abab处于处于S S极下极下 图图 5-1 5-1 直流发电机的原理图直流发电机的原理图5.1.1直流电机的工作原理直流电机的工作原理1、直流发电机的工作原理：、直流发电机的工作原理：说明：说明：在直流电动机中，线圈中的电流是交在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。v补充：直流电机的可逆性：补充：直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发
4、电机运行，只是外界条件不同也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。从而把电能转变成机械能。这种同一台电机这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。理论中称为可逆原理。图图 5-3 5-3 直流电机绕组示
5、意图直流电机绕组示意图3 3）电磁绕组和电刷的正确位置）电磁绕组和电刷的正确位置B-10991011121234567834A+图图 电枢绕组的连接电路图电枢绕组的连接电路图图图 电刷偏离几何中性线示意图电刷偏离几何中性线示意图SN电刷放置的原则：电刷放置的原则：为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱（几何短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱（几何中性线）的位置上。中性线）的位置上。电刷的位置：电刷的位置：1.实际位置：磁极的实际位置：磁极的正中（说明不了原理等问正中（说明不了原理等问题）。题）。2.示意
6、图位置：直接示意图位置：直接放在几中线的元件上。放在几中线的元件上。展开图上位置展开图上位置原理图上位置原理图上位置电刷与磁极的相对位置不变电刷与磁极的相对位置不变 (a)(b)(c)图图 5-4 5-4 电刷位置与电枢反应电刷位置与电枢反应 换向定义：换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 电磁原因电磁原因（还有机械、电化学等原因）。（还有机械、电化学等原因）。换向火
7、花危害：换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。换向火花克服：换向火花克服：1.换向极换向极；2.移动电刷移动电刷（没有换向极的电机。转向有关，发电机和电动（没有换向极的电机。转向有关，发电机和电动 机正好相反）。机正好相反）。见图见图5-4 注意：注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。克服火花应克服火花应移动的方向移动的方向（助记）：（助记）：“顺发、逆动顺发、逆动”。换向及换向火花换向及换向火花v5.1.2直流电机的主要结构：直流电机的主要结构：图图 5-5 5-5 直流电机解体图直流电机解体图返
8、回图图 5-6 5-6 换向器的结构换向器的结构基本构造：基本构造：定、转子定、转子。电刷、换向器作用：电刷、换向器作用：起机械起机械整流器作用整流器作用。后续基本原理中进一。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直步介绍（元件交流，电刷两端直流）。流）。注意：注意：各部件的作用各部件的作用。一、构造一、构造结构结构细说细说NP额定功率发电机：指电刷间输出的额定电功率。发电机：指电刷间输出的额定电功率。电动机：指轴上输出的机械功率。电动机：指轴上输出的机械功率。发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。在额定电压下，运行于额
9、定功率时对应的电流。NI额定电流电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。励磁方式在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。Nn额定转速 1、直流电机如何给他的 励磁绕组通电,直接关系到电机的运行特性。2、按励磁绕组与电枢绕组的连接方式关系，直流电机分为：他励、并励、串励、复励。5.2 直流电机的励磁方式和运
10、行特性直流电机的励磁方式和运行特性5.2.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式他励式积复励差复励1.串励式2.并励式3.复励式自励式直流电机的励磁方式5.2 直流电机的直流电机的励磁方式励磁方式和运行特性和运行特性faIIIafUUfaIII+1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式：1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励）复励式：在整个励磁回
11、路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励：励和差复励：积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加，反之，叫做动势方向一致，互相叠加，反之，叫做差复励：差复励：fSFFF+SfFFF-5.2.2直流电机的基本理论nCnapNEea60发电机发电机电源电势电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向););电动机电动机反电势反电势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向
12、).).)(电动势常数电动势常数 为电机的结构常数为电机的结构常数 其中其中 apNCe60 5.2.2直流电机的基本理论aTaICIapNT2发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。为电机的转矩常数，有 其中 apNCT2eTCC55.9 5.2.2直流电机的基本理论aaaTIEnICTP602发电机发电机 为转子电枢输出电功率；为转子电枢输出电功率；对应对应 为轴上输入的机械功率为轴上输入的机械功率 电动机电动机 为转子电枢吸收电功率；为转子电枢吸收电功率；对应对应 为转子输出的机械功率为转子输出的机械功率 。aaIETa
13、aIETadcubcuacufFepppppPP+21+pP2nCEeNnnI ,0)(0fIfU)(fIfE 场阻线场阻线0fiffftdui RLd+（1 1）电机的主磁路有剩磁；）电机的主磁路有剩磁；（3 3）励磁回路的总电阻小）励磁回路的总电阻小 于该转速下的临界电阻。于该转速下的临界电阻。（场阻线与空载特性有一个（场阻线与空载特性有一个 确定的交点）确定的交点）（2 2）并联在电枢绕组两端）并联在电枢绕组两端 的励磁绕组极性要正确；的励磁绕组极性要正确；（励磁与剩磁同向）（励磁与剩磁同向）00()fUf I00f fU rI（1）他、并励他、并励直流发电机的外特性直流发电机的外特性f
14、NfNIInn,)(IfU aaeRInCU-IIafaIII+faIII+aaeRInCU-2fIFGIaI1fIF-+UIIafaIII+4 4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIF-+UIG-+UaI1fI2fIF5.2.4直流电动机的的运行特性)(RRIEUaa+faIII+ffRUI 和02 TTT+5.2.4直流电动机的的运行特性);(200-TeaeCCRkCUnkTnn-CeRIUnaa)(aIfn
15、)(Tfn aTICT5.2.4直流电动机的的运行特性5.2.5直流电动机的电枢反应和换向xB（b）气隙磁密分布直流电机的空载磁场5.2.5直流电动机的电枢反应和换向5.2.5直流电动机的电枢反应和换向直流电机的电枢反应特点：直流电机的电枢反应特点：5.2.5直流电动机的电枢反应和换向当电刷不在几何中性线上时当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏电刷从几何中性线偏移移 角，电枢磁动角，电枢磁动势轴线也随之移动势轴线也随之移动 角。角。adFaqF这时电枢磁动势可以这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动和直轴电枢磁动势势 。5.
16、2.5直流电动机的电枢反应和换向 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换元件里的电流方向改变，即换向。向。换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。面，使电机不能正常工作。5.2.5直流电动机的电枢反应和换向2）直流电机的换向）直流电机的换向一、换向的物理过程：如图所示，一、换向的物理过程：如图所示，5.2.5直流电动机的电枢反应和换向（1）换向极应装在
17、几何中性线处；）换向极应装在几何中性线处；（2）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势的方向相反。势的方向相反。（3）换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁）换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路应不饱和。路应不饱和。5.2.5直流电动机的电枢反应和换向例题一：解解：.并励电路的两端电压：Uf=U+IRs=115+87 0.046=119.002（V）；.满载时，并励电流：If=Uf/Rf=119.002/37=3.2163（A）；.电枢电流：Ia=I+If=87+3.2163=90.2163（A）；.电动势：E=Uf+IaRa=11
18、9.002+90.2163 0.083=126.4900（V）。2fIFGIaI1fIF-+U目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 无刷直流电动机无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、转子位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。如下图所示：如下图所示：直流电源直流电源控制信号控制信号逆变器逆变器控制器控制器电动机本体电动机本体转子装置检测器转子装置检测器输出输出目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 无刷直流与换向器式直流电动机相比，不同的是其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，嵌有多相对
19、称绕组。无刷直流电动机实际上是一种永磁无刷直流电动机。无刷直流电动机实际上是一种永磁无刷直流电动机。除了普通的内转子无刷直流电动机之外，在电动机驱动中还常常采用外转子结构目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 逆变器将直流电转换成交流电向电动机供电。与一般逆变器不同，它的输出的频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器自控式逆变器”无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和三角形之分，而逆变器又有半桥型 和全桥型两种。不同的组合会使电动机产生不同的性能和成本。应用系统设计三大指标：绕组利用率绕组利用率 转矩脉动转矩脉动 制造成本制造成本 目前
20、以星形联结的三相桥式主电路三相桥式主电路应用最多。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服的控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服的指挥中心指挥中心 控制器的主要形式有：模拟控制系统，基于专用的集成电路的控制系统，数模混合控制系统和全数字控制系统。位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位 置信号，为逆变器提供正确的换相信息。置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出右图右图所示无刷直流电动所示无刷直流
21、电动机系统来说明无刷直流机系统来说明无刷直流电动机的工作原理电动机的工作原理.电电动机本体电枢绕组为三动机本体电枢绕组为三相星型联结相星型联结,位置传感位置传感器与电动机本体同轴器与电动机本体同轴,控制电路对位置信号进控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动行逻辑变换后产生驱动信号信号,驱动信号经驱动驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管变器的功率开关管,使使电机的各相绕组按一定电机的各相绕组按一定的顺序工作。的顺序工作。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出VT3、VT2导通导通B、C相通电相通电VT3、VT4导通导通B、A相通电相通电FrFrS SN NF
22、aFaA AX XZ ZC CB BY YFaFaFaFaS SN NA AX XZ ZC CB BY YFrFrS SN NA AX XZ ZC CB BY YFaFaS SN NA AX XZ ZC CB BY YFrFrFaFaVT1、VT6导通导通A、B相通电相通电VT1、VT2导通导通A、C相通电相通电目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达到数滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达到数 十十万小时。万小时。维护和修理简单。无电气火花。无
23、电气火花。可工作于高真空，不良介质环境。可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可到达到每分钟作转速可到达到每分钟1010万转以上。万转以上。机械噪声低。发热的绕组安装在定子上，有利于散热。发热的绕组安装在定子上，有利于散热。必须与一定的电子换向电路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看，有更大的使用灵活性。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在电力拖动系现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在电力拖动系统中占地位，但无刷直流电动机正受到普遍关注。统中占地位，但无刷直流电动机正受到普遍关注。尤其在要求良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床，机器人等应用中，无刷直流电动机比交流伺服电动机和直流伺服电动机显示了更多的优越性。目前无刷直流电动机的应用范围已普及国民经济的各个领目前无刷直流电动机的应用范围已普及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器，电动汽车，航天航域，并日趋广泛，特别是在家用电器，电动汽车，航天航空等领域已得到大量应用。空等领域已得到大量应用。
