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1、,第一章 直流电动机及其控制1.1 直流电机及其基本结构,一、 概述,应用：1 高精度位置伺服系统；2 大转矩设备，如轧钢机、电气铁道牵引机、起重机械等；3 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。,优点： 1 )调速范围宽，可稳定运行的速度范围大； 2）转矩大； 3）控制方法简单，控制装置可靠性高。缺点： 费工费料，造价贵，运行时换向器需要 经常维修，寿命较短（350400h）。特殊点：,二、结构,按运动状态： 定子和转子两部分。按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷三部分。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。,1. 磁极和定子铁心,功能：产生磁场电
2、磁式直流电机： 用直流电产生恒定磁场， 应用： 功率大的场合， 中、大型电机。,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。 应用：微型和小型电机。,2.电枢绕组和电枢铁心,电枢绕组： 电磁转矩和发电机的电势。 电机的中枢和枢纽。电枢绕组的制造方法 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。,3. 换向器和电刷装置,换向器在转子上。 电刷在定子上。功能 将电刷上的直流 变为绕组内部的交流 。,三、图形符号,1.2 电机中的磁性材料,1.2.1
3、铁磁物质 能产生磁场，在磁场中受力作用。铁磁性物质特点1）磁导率 大，是真空磁导率 0 的 20006000倍。 2） 不是恒量，随磁场强度H变化。 3）存在一个临界温度居里点 ， 高于此温度时，磁导率降到真空磁导率 。,Br ：剩磁磁密（简称剩磁）Hc ：矫顽磁力。去磁曲线或退磁曲线： 磁滞回线在第2象限 或第4象限的部分。,软磁材料： 磁滞回线狭窄，磁导率高。 如硅钢片、纯铁、铸钢等。 常用来作电机、变压器的铁心。硬磁材料： 矫顽磁力大， 磁滞回线宽。 常用作永磁体。,B的变化滞后于H的变化。磁滞损耗： 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。磁滞损耗与频率f成正比，磁
4、滞回线 的面积越大，磁滞损耗也越大。,涡流损耗： 铁磁材料处于交变的外磁场中时， 铁心中还会产生涡流， 涡流在铁心中引起的热损耗。铁心采用片状的 并有绝缘薄膜的材料叠压而成， 就是为了减少涡流损耗 。,铁心损耗（铁耗）： 磁滞损耗加涡流损耗。 单位质量的铁耗：,1.3 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 大小： 方向： 左手定则,电动机产生转矩的条件： 同性磁极下电流相同。 异性（相邻）磁极下电流相反。直流电机要保持恒定 方向转矩的条件： 每个磁极下导体 的 电流方向应保持不变。,电磁感应定律 大小： 方向： 右手定则,1.3.2 直流电动机的工作原理,一、模型电
5、机,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。 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。,二、环形绕组的直流电动机 环形铁心，多绕组。 两条支路。,存在的问题： 1）环形铁心内部无磁场， 内部导体不受电磁力， 铜的利用率低。 2）制造困难，工艺性和 经济性不好。,三、鼓形绕组,1.5 直流电动机的特性与控制方法,直流电动机的接线,1.5.1 直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势 一根导线受力 一根导线的电磁转矩各导线转矩相加可得
6、 直流电机的电磁转矩为,1.5.1 直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势直流电机的电磁转矩为当磁通为常值时该式可写为Kt 转矩灵敏度， 或称转矩系数,电枢反电势由电磁感应定律，一根导线的电势各导线电势相加可得电枢绕组感应电势为电动机中称为电枢反电势 Ke ：反电势系数 采用国际单位制（SI）,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： 静态转矩平衡方程式,三、电压平衡方程式电枢绕组有自感和电阻， 转动时电枢中又有感应电势， 称电枢反电势，因此电枢等效电路。,三、电压平衡方程式动态电压平衡方程式 动态： 静态：静态电压平衡方程式：,四大关系式,Ke 和Kt 的
7、关系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：,1.5.2 直流电动机的静态特性与控制方法,一、概述静态：静态特性： 常用静态特性机械特性：调节特性：转速与控制量（如电压）的关系。,静态时的电枢等效电路图静态时的电枢电流 直流电机的电流与转速有关。利用上式求转速：,静态时的直流电机转速 又一表达形式静态特性方程,调速：开环调速方法： 改变电枢电压，磁通，电枢回路电阻。电枢控制：磁场控制： 输入量是磁通，激磁电流或激磁电压。,二、电枢控制时的机械特性 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。表达式 图象：下垂的直线。斜率：,二
8、、电枢控制时的机械特性 斜率：理想空载转速实际空载转速堵转转矩,二、电枢控制时的机械特性 理想空载转速 n0 实际空载转速堵转转矩Ts 机械特性硬度： 的大小。 小，机械特性硬。,机械特性族 改变电枢电压，机械特性族是平行直线。 分析：电压提高时， 工作状态如何变化。 Tc 不变，,三、电枢控制时的调节特性 电磁转矩为参变量时转速与电枢电压的关系。表达式 斜率直流电机调节特性 曲线族是平行直线。 直线过原点。,三、电枢控制时的调节特性 调节特性曲线族是平行直线。 Tem=Tc=0时直线过原点。 直线与横轴交点：起动（死区）电压。 由摩檫力和负载引起。起动电流：,电枢控制的优点： 机械特性和调节
9、特性曲线族 是平行直线， 这表明直流电机是理想的线性元件。电枢控制的缺点： 控制功率 UaIa 大， 对于较大电机， 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 机械特性： 磁通是参变量，转速n与转矩Tem的关系。机械特性的数学表达式n与Tem是线性关系。斜率 与磁通有关机械特性族是 交叉的直线。,四、磁场控制时的机械特性和调节特性 调节特性：转矩是参变量， 转速n与磁通的关系。调节特性数学表达式调节特性是非线性曲线。 具有明显的非线性。控制方法： 改变激磁电压Uf，电流If。 磁场控制的优点： 控制功率 UfIf 小， 可控制大功率电机。,1.5.3 直流电动机的动态特性
10、,一、电枢控制时的动态特性 1.电枢电压Ua为输入，转速 为输出。 扰动力矩为Tc。,1.5.5 直流电动机的动态特性,一、电枢控制时的动态特性 1.电枢电压Ua为输入，转速 为输出。 扰动力矩为Tc。 绘框图，求传递函数。,直流电动机的动态框图从输出(s)开始。,直流电动机的动态框图,直流电动机的动态框图,直流电动机的传递函数机电时间常数电磁时间常数,直流电动机的传递函数1/e 远远超过了控制系统的通频带,直流电机传递函数参数与静态特性的关系机电时间常数与机械特性斜率成正比。1/Ke 是调节特性斜率线性元件： 静态特性 平行直线。,2.角位移 (t) 为输出,例1 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 ，空载转速 ，电枢电流 。已知电枢电阻 。求：当 ， 时的电机转速 、电磁转矩 及输出转矩 。,例2 一台永磁直流力矩电动机，转矩灵敏度 摩擦转矩 转动惯量 电磁时间常数 。连续堵转时电流 ，电压 。,（1）求电机电感 ，机电时间常数 ，连续堵转的电磁转矩 。（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 。（3）当 ，电磁转矩 时，求电枢电压 和输出转矩 。,
