直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

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直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

一、直流电机的基本结构

直流电机可概括地分为静止和转动两大部分。静止部分称为定子;转动部分称为转子。定、转子之间由空气隙分开,如图。

图a所示为直流电机结构,图b所示为直流电机剖面图。

1. 定子部分

定子由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

(1) 主磁极它的作用是产生恒定的主极磁场,由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。

(2) 换向极换向极的作用是消除电机带负载时换向器产生的有害火花,以改善换向。

(3) 机座机座的作用有两个,一是作为各磁极间的磁路,这

部分称为定子磁轭;二是作为电机的机械支撑。

(4) 电刷装置其作用,一是使转子绕组能与外电路接通,使电流经电刷输入电枢或从电枢输出;二是与换向器相配合,获得直流电压。

2. 转子部分

转子是直流电机的重要部件。由于感应电势和电磁转矩都在转 子绕组

中产生.是机械能与电能相互转换的枢纽,因此称作电枢。 电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。另外转子上还有风 扇、转轴和绕组支架等部件。

(1) 电枢:铁心电枢铁心的作用有两个,一是作为磁路的一部 分,

二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。

(2) 电枢绕组:电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流, 使电

机实现机电.能量转换它由许多形状完全相同的线圈按一定规 律连接而成。每一线圈的两个边分别嵌在包枢铁心的槽里,线圈的 这两个边也称为有效线圈边。

(3) 换向器:换向器又称整流子,在直流电动机中,是将电刷 上的

直流电流转换为绕组内的交变电流,以保证同一磁极下电枢导 体的电流方向不变,使产生的电磁转矩恒定;在直流发电机中,是 将绕组中的交流感应电势转换为电刷上的直流电势,所以换向器是

直流电机中的关键部件。

换向器由许多鸽尾形铜片(换向片)组成。 换向片之

间用云母片绝缘,电枢绕组每一个线圈 的两端分别接在

两个换向片上,换向器的结构如 图1-2所示。

直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会 产生火

花。微弱的火花对电机运行并无危害,若 换向不良,火

花超过一定程度,电刷和换向器就 会烧坏,使电机不能

继续运行。 此外,在静止的主磁极与电枢之间,有一空气隙,它的大小和 形状对

电机的性能影响很大。空气隙的大小随容量不同而不同。空 气隙虽小,但

由于空气的磁阻较大,因而在电机磁路系统中有着重 要的影响。

ffi 换向龄结构 i-V 陌童筒浮一云母环: 卜換向片畀一连接片

二、直流电机的基本工作原理

在A B电刷上接入直流电源U,则该电机模型为电动机模型

按入直流电源以后,电刷A为正极性,电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab-cd,到负电刷B流出。根据电磁力定律.在载流异体与磁力线垂直的条件下,线圈每一个有效边将

受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用

左手定则判断。

在换向器与静止电刷的相互配合作用

下,线圈不论转到何处,电刷A始终与运

动到N极下的线圈边相接触,而电刷B始终与运动到S极下的线圈边相接触,这就保证了电流总是由电刷A经N极下的导体流入,再沿S极下的导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变,使电机能沿逆时针方向连续转动。

在如图所示的电动机模型中,转子线圈中流过电流时,受电磁力的作用而产生的电磁转矩可用下式表示:

T C m I a

式中,T为电磁转矩(N • m) ; Ia为电枢电流(A); Cm为与电机结构有关的常数,称为转矩常数,Cm = 9.55Ce。

当线圈在磁场中转动时,线圈的有效边也切割磁力线,根据对发电机所作的分析可知,显然其中也会出现感应电势。根据右手法则,由磁场及转动方向不难判断出有效边中感应电势的方向,总是与其中的电流方向相反,故该感应电势又常称为电枢反电势。这时电机将电能转换成了轴上输出的机械能。

三.有刷直流电机建模

1典型的单位反馈系统

一般研究的传递函数是将时域函数经拉普拉斯变换后的复频域 函数。 如图:W(s)为系统的开环传递函数,R(s)和C(s)分别为系 统的输入和输出而E(S)为系统的误差。

系统开环传递

函数的一般形式 2直流电机的数学模型

直流电动机中,有电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁 过程这两个过程,按照实际情,在此模型中,我们认为它们同时发 生。据此,从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发,建立其状 态方程及传递函数关系。

电枢电压平衡方程为

转矩平衡方程为

dr

其中U a —电枢电压(V);

£ —电枢反电势(V);

i a —电枢电流(A);

L a 、R —电枢电感(H)、电枢电阻(Q)

;

:W(s )= K(b m S m +b m-1 S m-1 +?+b 1S+1) s T (a n s n +a n-1 s n-1 +?+a 1 s+1)

①一每极磁通(Wb);

n—转子转速(r / min)

C e、C—直流电机电势常数和转矩常数,Ce =PN T(60a)、Cm = PN k(2 n a),其中P为电机极对数,N为电枢总导体数,a为并联支路数M M L —电磁转矩和负载转矩(N ?m);

J —转速惯量(N?n?s?min/ r).

其中转速惯量J,与转动惯量J0(N?n?s?/rad)之间关系如下。

作拉普拉斯变换可解得电枢电流i a与电枢电压U a,之间的传递函数

L _ g二札

厂1+込况-I占匚

转子转速n与动态转矩(M-M L)之间的传递函数

a 1

—-——二

sj

其中

K a=1/R a—电枢回路放大倍数;

T=L a/ R-电枢回路电磁时间常数(s);

T m =」^—机电时间常数(s)

C M C e?2

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