自动空竹元件-1.直流电机及控制讲解

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1、自动控制元件 宋 宇,上次课回顾,自动控制元件的定义、分类； 磁场的基本物理量：H、 B， ； 铁磁材料的特性； 1) 特性；2）磁滞；3）磁滞损耗与涡流损耗； 磁路定律：1）磁势；2）磁阻（与 反比） 电磁感应定律：1）线性电感；2）单根导体 电磁力定律；,本次课内容,主要内容： 直流电机的工作原理、基本结构及电枢反应。 直流电机的电磁转矩、反电动势及动态、静态平衡关系。 基本要求：掌握直流电机的工作原理、基本结构、电枢反应、电枢电势、电磁转矩、及动态、静态平衡关系。,第一篇. 执行元件,执行元件：控制系统最基本的组成部分，广义上是驱动控制系统动作、完成控制任务。 对于运动控制系统，是将电信

2、号、液压信号、气压信号转换为机械系统的位移或速度。 执行元件分类：根据采用的能源形式不同，可将执行元件分为电磁、液压和气动三大类； 对执行元件的要求是：良好的静特性（机械特性和调节特性）、快速响应的动特性； 本课程：直流电动机、交流电机和步进电机,第一篇. 执行元件,电动机：简称为电机或马达，是以磁场为媒介，实现电能与机械能互换的电磁执行元件。 电机的可逆原理：在原理上，任何一台电机都可在一种条件下作为电动机运行，将电能转化为机械能；而在另外一种条件下作为发电机运行，把机械能转化为电能。 电路中的表示： 电动机M 发电机G,第一篇. 执行元件,第一篇. 执行元件,第一篇. 执行元件,1. 直流

3、电机及控制,直流电机： 输入能源形式为直流电源的旋转电机，实现直流电能与机械能的相互转换。 应用领域： 1、仅有直流电供给的控制系统； 2、高精度位置、速度伺服系统； 3、调速性能要求高或较大启动转矩的控制系统 如轧钢机、动车牵引电机、起重机械等。,1. 直流电机及控制,1. 直流电机及控制,直流电机的特点 优点： l）调速范围宽，调速过程平滑； 2）启动或制动转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。 缺点： 有换向器。结构复杂、造价贵。同时使得电机容量受到限制。 特殊点： 用直流电源供电。,1.1 直流电机的结构,按结构分为两个部分：定子和转子 1、定子：固接在机壳上，为静止部分，由定

4、子铁芯与励磁绕组或永磁体、电刷装置所构成； 2、转子：为旋转部分，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、输出轴等组成； 在定子和转子之间存在间隙，称为气隙。以便定、转子间能产生相对运动。 按功能分为三部分：磁极、电枢绕组、换向器和电刷。,1.1 直流电机的结构,1.1 直流电机的结构,1.1 直流电机的结构,定子主磁极 1、功能：产生磁场。 2、按照主磁极励磁方式，又分为：永磁式和电磁式。 大多数直流电机为电磁式。 3、电磁式直流电机：主磁极为电磁铁形式，用直流电产生磁场，应用功率大的场合，中、大型直流电机。,1.1 直流电机的结构,特点： 1）为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.2mm

5、厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。 2）电磁式直流电机的主磁极上绕有励磁绕组，励磁绕组由外包绝缘材料的铜线绕制而成。 3）主磁极的个数为偶数，励磁绕组的连接使得主磁极的N和S交替出现。,1.1 直流电机的结构,永磁式电机:由永磁体产生恒定磁场。 优点：体积小，重量轻，结构紧凑。 缺点：磁场弱，励磁不能调节。 应用：微型和小型电机。,1.1 直流电机的结构,电枢，电机主磁路的一部分，位于转子上，由电枢铁心和电枢绕组构成。 1、电枢铁心：用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。,1.1 直流

6、电机的结构,2、电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流、感应电动势和产生电磁转矩，从而实现机、电能量转换的关键性部件。 电机的负载电流，发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法是，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。 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。直流电枢绕组本身自成闭合回路。,1.1 直流电机的结构,换向器和电刷 逆变作用：通过换向器配以电刷，能将供给的直流电流转换为电枢绕组内的交变电流，使得转子所受的电磁转矩方向恒定不变，使得电机连续旋

7、转。,1、换向器：换向器由许多铜换向片组成。换向片之间用云母绝缘。电枢绕组的每一个线圈两端分别焊接在两个换向片上。,1.1 直流电机的结构,2、电刷：电刷与电机外壳固定安装。 电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。 直流电机的图形符号：,1.2 直流电机的工作原理,学习直流电机时，注意以下两个问题： 1、载流导体在磁场中受到的电磁力、力矩； 安培电磁力定律： 2、在磁场中运动的导体切割磁力线，产生感应电动势； 电磁感应定律：,1.2 直流电机的工作原理,直流电机要保持 恒定方向转矩，每个磁极下导体的电流方向应保持不变。,1.2 直流电机的工

8、作原理,简单的直流电动机模型,1.2 直流电机的工作原理,1.2 直流电机的工作原理,换向器的作用：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，保持每个磁极下电流方向不变，使电机连续转动。 转角范围小，不用换向器。 反转：改变电刷电压的极性。 存在的问题：转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝），磁路是空气，磁密低。,1.2 直流电机的工作原理,环形绕组的直流电动机,存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场，内部导体不受电磁力，仅起到连线作用，绕组的利用率低。 2）制造困难，绕组不能预制成型，工艺性和经济性不好。,1.2 直流电机的工作原理,鼓形绕组 预制成型绕组的一个有效边放在槽内的上层

9、；另一个有效边放在另一个槽的下层 两个有效边放在异性磁极下，矩距离1个极距； 绕组元件数与槽数相同。,1.2 直流电机的工作原理,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,电机磁场 1、电机磁极产生的磁场为磁极磁场，称为主磁场； 2、直流电机的电枢绕组中通以电流时，这个电流也将建立一个磁场，称为电枢磁场； 3、直流电机的气隙磁场由主磁场和电枢磁场合成；,2极电机，两个磁场轴线垂直； P对极电机，两个磁场的夹角为90/P; 电角度=P*机械夹角； 定、转子磁势相对静止原理电机稳定运行的基础。,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,电枢反应 气隙磁场是磁极磁场 和电枢磁场的合成磁场。 由于电枢磁场的存在， 使

10、气隙中的合成磁场与 磁极磁场的大小、方向 不同，这一现象叫 电枢反应。,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,物理中性面：磁场对称面。 几何中性面：相对磁极之间的几何对称面。 电枢反应的表现： 1）磁场扭斜：气隙合成磁场的物理中性面逆着电动机旋转方向偏转。几何中性面有磁场。 2）去磁作用：半个极下磁场增加，另半个极下减小。由于磁路接近饱和，磁通的增加值小于磁通的减少值，总磁通将有所减小。,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,三、换向 被电刷短路的过程。是一个包含机械、电子、电化学的复杂过程。换向时在电刷下可能产生火花，影响电机工作甚至损坏电机。换向火花还产生高频电磁波，干扰附近的电子设备。 转速和电

11、枢电流越大，换向火花越大，因此直流电机的转速及电枢电流的最大值都要受换向条件的限制。,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,换向火花产生的电磁方面的原因：换向元件中产生电势和电流。 换向前后电流方向变化，产生自感电动势 ，方向与换向前电流的方向一致。 电枢反应使气隙合成磁场扭斜后，位于磁极几何中性面上的换向元件切割合成磁场的磁力线，或，换向元件切割电枢电流的磁通产生的感应电势 ，由右手定则可知其方向与 eL方向相同。 换向元件中的总电势 。 换向元件中产生了瞬间附加电流 ，使电刷与换向片间产生火花。电枢电流越大，电机转速越高，换向元件中的感应电势和附加电流就越大，换向火花也就越强烈。,1.3 电机

12、磁场、电枢反应与换向,产生火花的其他原因： 1、接触不良； 2、换向器表面不光滑； 3、换向器表面氧化亚铜膜损坏； 4、空气有潮器或盐雾。,1.3 电机磁场、电枢反应与换向,直流电动机运行时允许有轻微的火花，但不允许有强烈的火花。 减小和消除换向火花的方法。 在几何中性面处 加换向磁极，它的绕组 与电枢绕组串联，换向 极的磁场方向与电枢磁 场方向相反。,1.4.1直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势 由电磁力定律 可以推得直流电机电枢所受到的电磁转矩为 当磁通为常值时该式可写为 由电磁感应定律 可以推得直流电机电枢绕组感应电势（电动机中称为电枢反电势）为 转矩灵敏度，或称转矩系数

13、反电势系数 采用国际单位制（SI）,1.4.1直流电动机的基本关系式,二、转矩平衡方程式 由转子受力图和力学定律 动态转矩平衡方程式 动态： 静态： 静态转矩平衡方程式 其中：Tem为电磁转矩；TL为负载转矩；T0为电机本身的摩擦引起的阻转矩。,1.4.1 直流电动机的基本关系式,加速,减速,匀速,1.4.1 直流电动机的基本关系式,电压平衡方程式 电枢绕组有电阻和自感，在外磁场中转动时电枢中又有感应电势（电枢反电势），因此电枢回路可用图1-27表示。 动态电压平衡方程式 动态： 静态： 静态电压平衡方程式：,1.4.1 直流电动机的基本关系式,四大关系式 动态： 通用： 静态,1.4.1 直

14、流电动机的基本关系式,四、几点说明 1.感应电势 实际的感应电势是波动的。波动的主要原因是因为实际电机有齿槽存在，电枢导体集中在有限的槽内而不在电枢表面。 感应电势的平均值仍符合前式，瞬时值随着电枢转动而上下波动，如图所示。 波动的频率为齿频率（z为齿数） 纹波系数：,1.4.1 直流电动机的基本关系式,2.电磁转矩 由于有齿槽，由前式求得的电磁转矩是它的平均值，瞬时转矩是波动的，与电势相同。应注意避免机械共振。 槽中磁密较小。 由电磁理论可知铁磁性物质 表面所受磁场作用力与其 法向磁密的平方成正比，方向向外。 有齿槽时，主要是铁心的齿受力。 有齿槽时，随着旋转，磁阻波动，导致转矩波动。,1.

15、4.1 直流电动机的基本关系式,3. 和 的关系 利用能量守恒定律证明 电动机从电源输入的电功率为 电动机做出的总的机械功率为 电枢绕组发出的热能功率为 能量守恒定律：,1.4.1 直流电动机的基本关系式,4.电阻 电枢回路总电阻。 包括电枢绕组电阻，电刷接触电阻，电枢回路中存在或故意加入的其他电阻，如功放内阻，调节电阻等。,上次课回顾,直流电机及其基本结构； 直流电机的工作原理； 电机磁场及电枢反应、换向过程；,四大关系式 动态： 通用： 静态,1.4.2 直流电动机的静态特性(开环),一、概述 静态：控制电压和负载转矩不变，电机的电流和转速达到恒定的稳定值时，称电机处于稳态。 静态特性：静

16、态时各变量间的关系。 常用静态特性 机械特性：转速与转矩的关系 调节特性：转速与控制量（如电压）的关系,1.4.2 直流电动机的静态特性(开环),对于直流电机控制系统，根据被控量的不同，分为： 1）调速系统； 2）转矩控制系统； 3）机械位移（角位移控制系统）。,1.4.2 直流电动机的静态特性(开环),电机的电流 转速（利用上式）： 调速：改变和控制电动机的转速。 开环调速：电枢电压，磁场，电阻。 电枢控制，其他不变，改变电枢电压（或电流）。（最广） 磁场控制，改变定子激磁电流或电压。（少量大容量、快速性差的系统）； 对于调速系统，要求：1）调速范围宽（最大速度、最小速度） 2）调速平滑（有级和无机调速）；3）控制装置的经济性。,（电压平衡方程）,1.4.2 直流电动机的静态特性(开环),二、电枢控制时的机械特性 励磁磁通不变，电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。 图像：下垂的直线。 斜率： 理想空载转速 实