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直流電動機

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直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類,其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。

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直流電動機簡介

  直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類,其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。

  當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時,電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流,根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時針方向的力矩作用;電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流,同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方向的力矩作用。這樣,整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn),輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成,定子:基座,主磁極,換向極,電刷裝置等;轉(zhuǎn)子(電樞):電樞鐵心,電樞繞組,換向器,轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

直流電動機百科

  直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類,其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。

  當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時,電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流,根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時針方向的力矩作用;電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流,同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方向的力矩作用。這樣,整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn),輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成,定子:基座,主磁極,換向極,電刷裝置等;轉(zhuǎn)子(電樞):電樞鐵心,電樞繞組,換向器,轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

  控制原理

  直流無刷電機的控制原理,要讓電機轉(zhuǎn)動起來,首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置,然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序,inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管),使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用,如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時,控制部又再開啟下一組功率晶體管,如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反?;旧瞎β示w管的開法可舉例如下:AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組,但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間,所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去,否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉,下臂(或上臂)就已開啟,結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

  當(dāng)電機轉(zhuǎn)動起來,控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通,以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長,速度過頭則減短,此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式,如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達到較精準(zhǔn)速度控制的核心[4] 。

  高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間,另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢,怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?;蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考,使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好,P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制,因此回授信號就等于是告訴控制部電機轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少,這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償,方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的,若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握,所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

  直流電動機主要由什么組成

  直流電動機主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。

  定子由主磁極、換向極、電刷裝置和機座組成。主磁極鐵芯上套有線圈,通入直流勵磁電流便會產(chǎn)生磁場,即主磁場。換向極也由鐵芯及套在上面的線圈組成,其作用是產(chǎn)生附加磁場。以減弱換向片與電刷之間的火花,避免燒蝕。機座除作電動機的機械支架外,還作為各磁極間磁的通路。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、換向器、軸和風(fēng)扇組成。轉(zhuǎn)子鐵芯用來安裝轉(zhuǎn)子繞組,并作為電動機磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組的主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并通過電流,以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。換向器由換向片組成,換向片按一定規(guī)律與轉(zhuǎn)子繞組的繞組元件連接。

  直流電動機的工作特性

  直流電動機的工作特性是指供給電機額定電壓額定勵磁電流時,轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系、轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流之間的關(guān)系及效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系。這三個關(guān)系分別稱為電動機的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。

 ?。ㄒ唬┧麆睿ú睿┲绷麟妱訖C的工作特性

  他勵直流電動機的工作特性與并勵直流電動機的工作特性相同。

  1.轉(zhuǎn)速特性

  他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速特性可表示為,把上一節(jié)式(1—19)代入式(1—20),整理可得:

  

  此式即為轉(zhuǎn)速特性的表達式。如果忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng),則轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化,當(dāng)負(fù)載電流增加時,轉(zhuǎn)速有所下降。并勵直流電動機的工作特性如圖1—24所示

  

  圖1—24 并勵電動機的工作特性

  2.轉(zhuǎn)矩特性

  

  由此式可見,在忽略電樞反應(yīng)的情況下電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比,若考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降,電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流的上升的速度要慢一些,曲線的斜率略有下降。

  3.效率特性

  

  從前面敘述可知,空載損耗P0是不隨負(fù)載電流變化的,當(dāng)負(fù)載電流較小時效率較低,輸入的功率大部分消耗在空載損耗上;當(dāng)負(fù)載電流增大時效率也增大,輸入的功率大部分消耗在機械負(fù)載上;但當(dāng)負(fù)載電流大到一定程度時銅損快速增大此時效率又開始變小。

 ?。ǘ┐畡钪绷麟妱訖C的工作特性

  串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組相串聯(lián),電樞電流即為勵磁電流。串勵電動機的工作特性與并勵電動機有很大的區(qū)別。當(dāng)負(fù)載電流較小時,磁路不飽和,主磁通與勵磁電流(負(fù)載電流)按線性關(guān)系變化,而當(dāng)負(fù)載電流較大時,磁路趨于飽和主磁通基本不隨電樞電流變化。因此討論串勵電動機的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和機械特性必須分段討論。

  

  由上述可知,當(dāng)負(fù)載電流較小時,轉(zhuǎn)速較大,負(fù)載電流增加,轉(zhuǎn)速快速下降,當(dāng)負(fù)載電流趨于零時,電機轉(zhuǎn)速趨于無窮大。因此串勵電動機不可以空載或在輕載下運行,電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流的平方成正比。

  當(dāng)負(fù)載電流較大時,磁路已經(jīng)飽和,磁通基本不隨負(fù)載電流變化,串勵電動機的工作特性與并勵電動機相同。

  串勵直流電動機的工作特性曲線如圖1—25所示。

  

  圖1—25 串勵直流電動機的工作特性

  (三)復(fù)勵直流電動機的工作特性

  如果是他勵(并勵)繞組磁勢起主要作用,復(fù)勵電動機的轉(zhuǎn)速特性就與他勵(并勵)電動機接近;如果是串勵繞組磁勢起主要作用,復(fù)勵電動機的轉(zhuǎn)速特性就與串勵電動機接近。由于有串勵和他勵(并勵)磁勢的存在,復(fù)勵電動機既有較高的起動能力和過載能力,又可允許空載或輕載運行。

  二、直流電動機的機械特性

  (一)他勵直流電動機的機械特性

  1.機械特性的表達式

  直流電動機的機械特性是指在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下,即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時,電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系:n=f(Tem)。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機械量,所以把它稱為機械特性。

  

  圖1—26 他勵直流電動機電路原理圖

  圖1—26所示是他勵直流電動機的電路原理圖。圖中U為外施電源電壓,Ea是電樞電動勢,Ia是電樞電流,Rs是電樞回路串聯(lián)電阻,If是勵磁電流,是勵磁磁通,Rf是勵磁繞組電阻,Rsf是勵磁回路串聯(lián)電阻。按圖中標(biāo)明的各個量的正方向,可以列出電樞回路的電壓平衡方程式

  U=Ea+RIa (1—43)

  

  

  2.固有機械特性和人為機械特性

  事實上,式(1—46)中的電樞回路電阻R、端電壓U和勵磁磁通都是可以根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)的,每調(diào)節(jié)一個參數(shù)可以對應(yīng)得到一條機械特性,所以可以得到許多條機械特性。其中,電動機自身所固有的,反映電動機本來“面目”的機械特性是在電樞電壓、勵磁磁通為額定值,且電樞回路不外串電阻時的機械特性,稱為電動機的固有(自然)機械特性;調(diào)節(jié)U、R、等參數(shù)后得到的機械特性稱為人為機械特性。

 ?。?)固有機械特性

  

  (2)人為機械特性

 ?、匐姌写娮钑r的人為特性

  

 ?、诮档碗姌须妷簳r的人為特性

  

  由于電動機的工作電壓以額定電壓為上限,因此改變電壓時,只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化,與固有特性比較,降低電壓時人為特性的斜率不變,但理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓的降低而正比減小。因此降低電壓時的人為特性是位于固有特性下方,且與固有特性平行的一組直線,如圖1—29所示。

  

  圖1— 28 電動機的固有特性和電樞串聯(lián)電阻的人為特性 圖1—29 電動機的固有特性和降低電壓的人為特性

  ③減弱勵磁磁通時的人為特性

  在圖1—26中,改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻Rsf,就可以改變勵磁電流,進而改變勵磁磁通。由于電動機額定運行時,磁路已經(jīng)開始飽和,即使再成倍增加勵磁電流,磁通也不會有明顯增加,何況由于勵磁繞組發(fā)熱條件的限制,勵磁電流也不允許大幅度地增加,因此,只能在額定值以下調(diào)節(jié)勵磁電流,即只能減弱勵磁磁通。

  

  

  改變磁通可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,從圖1—30(b)看出,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大時,磁通減小使轉(zhuǎn)速升高;當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特別大時,減弱磁通才會使轉(zhuǎn)速下降,然而,這時的電樞電流已經(jīng)過大,電動機不允許在這樣大的電流下工作。因此,實際運行條件下,可以認(rèn)為磁通越小,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高。

  3.機械特性的求取

  在設(shè)計電力拖動系統(tǒng)時,首先應(yīng)知道所選擇電動機的機械特性,可是電動機的產(chǎn)品目錄或銘牌中都未直接給出機械特性的數(shù)據(jù),因此通常是根據(jù)銘牌數(shù)據(jù):計算或通過實驗來求取機械特性。

 ?。?)固有機械特性的求取

  他勵直流電動機的固有機械特性為一條直線,所以只要求出直線上任意兩點的數(shù)據(jù)就可以畫出這條直線。一般計算理想空載點數(shù)據(jù),具體步驟如下:

 ?、俟浪鉘a

  

  從電動機的銘牌中查得。

  根據(jù)計算所得

 ?。?)人為特性的求取

  

 ?。劾?] 他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為:PN=22kW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min,試分別求取下列機械特性方程式并繪制其特性曲線。

 ?。?)固有機械特性;

 ?。?)電樞串入電阻Rs=0.7Ω時的人為特性;

 ?。?)電源電壓降至110V時的人為特性;

 ?。?)磁通減弱至時的人為特性;

 ?。?)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時,要求電動機以n=1000r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),試問有幾種可能的方案,并分別求出它們的參數(shù)。

  [解](1)固有機械特性

  

  

 ?。?)電源電壓降為110V時

  

  其人為特性曲線如圖1—32中曲線2所示。

 ?。?)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定值,轉(zhuǎn)速下降至n=1000r/min時,可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實現(xiàn)。

  直流電動機

 ?。ǘ┐畡铍妱訖C的機械特性

  1.固有特性

  串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián),勵磁電流If等于電樞電流Ia,主磁通Φ是電樞電流Ia的函數(shù)。

  當(dāng)Ia較小,磁路未飽和時,Φ與Ia成正比,即

  Φ=kIa (1—53)

  

  直流電動機

  串勵電動機的固有特性是在U=UN,RS=0時的特性(圖1—33所示),具有以下特點:

 ?。?)它是一條非線性的軟特性,負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落很大。

  (2)空載時,Tem=0,Ia=0,Φ=0,n0=→∞,即理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。但實際上,即使Ia=0,由于存在剩磁通Φ0,故空載轉(zhuǎn)速n0為一有限值,但其值很高,一般可達(5~6)nN,這就是所謂的“飛車”現(xiàn)象,因此,串勵電動機是不允許空載或輕載運行的。

  

  圖1—33 串勵電動機的固有特性

  (3)由于Tem∝Ia2,起動和過載時Ia均較大,故串勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩大,過載能力強。

  2.人為特性

  串勵電動機同樣可以采用電樞串電阻、改變電源電壓和改變磁通的方法來獲得各種人為特性。

  1、電樞串電阻時的人為特性

  由式(1—56)或式(1—57)可見,串入電阻后,轉(zhuǎn)速降增大,所以電樞串電阻的人為特性位于固有特性的下方,且特性變得更軟,如圖1—34所示。

  2、降低電源電壓時的人為特性

  由式(1—56)可知,降低電源電壓時,理想空載轉(zhuǎn)速降低,其人為特性向下平移。如圖1—35所示。

  

  圖1—34 串電阻時的人為特性 圖1—35 降低電源電壓時的人為特性

  3、改變磁通時的人為特性

  串勵電動機改變磁通的方法之一是在勵磁繞組上并聯(lián)一個分流電阻RPf,如圖1—36(a)所示。與固有特性相比,在Ia相同的情況下,因If <Ia,故Φ減小,因此人為特性位于固有特性的上方,如圖1—36(b)所示。

  

  圖1—36 減弱磁通時的人為特性

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2021-12-20 標(biāo)簽:直流電動機 686 0

伺服控制電機如何低速

 伺服控制電機是所有機電一體化設(shè)備的核心,主要以位移、加速度、力矩等作為被控量按照指定的軌跡進行低速運動,輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能,生成適合馬達...

2021-10-11 標(biāo)簽:直流電動機伺服控制伺服控制系統(tǒng) 2878 0

直流發(fā)電機和直流電動機在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別

換向器是直流永磁串激電動機上為了能夠讓電動機持續(xù)轉(zhuǎn)動下去的一個部件,可以幫助直流電動機線圈在每當(dāng)躍過平衡位置時改變其的電流方向。 ? 直流發(fā)電機的工作原...

2021-08-23 標(biāo)簽:直流電動機直流發(fā)電機電樞 8730 0

直流電動機的工作原理

? ?直流電動機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機,有著很好的調(diào)速性能所以在電力拖動中被廣泛應(yīng)用。 ? ? ? ? 直流電機工作原理: ? ? ? 根...

2021-08-12 標(biāo)簽:電源直流電動機電能 2.3萬 0

直流電動機的工作原理是什么

直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類,其中自勵又分為并...

2021-08-03 標(biāo)簽:直流電動機勵磁鐵芯 2.5萬 0

大功率直流電機的工作原理

直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類,其中自勵又分為并...

2021-08-10 標(biāo)簽:電動機直流電動機定子 3980 0

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直流電動機數(shù)據(jù)手冊

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