直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立
第3章直流电机原理
电动势平衡方程式:
根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和
等于所有电压降和（ EU）， 有：
+
Ea UIaRa
U
-
Uf If Rf
其中：Ea Cen
R a ：电枢回路总电阻 R f ：励磁回路总电阻
Ia T1 n Ea T0 T
If
他励
转矩平衡方程式：
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n，作用在电枢上的转矩共
一、直流电机的磁路和励磁方式：
1.磁路
2.直流电机的磁势 主极磁势: Ff=IfWf 电枢磁势: Fa=IaWa 换向极磁势: FK=IKWK ( IK=Ia)
3.直流电机的励磁方式：主极励磁线圈的供电方式
直流电机的励磁方式
他励式
自励式
并励式
串励式
复励式
(不同励磁方式电机的特性不同)
二、空载时直流电机的磁场分布
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，也是通过电流和感应电动 势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
3.4 直流电机的铭牌数据(额定值)
为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的 运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的 设计数据，对每台电机在运行中的电压、电 流、功率、转速等规定了保证值，这些保证 值称为电机的额定值。
仅交链励磁绕组本身不进入电枢铁心不和电枢绕组相交链不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙显然极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外在两极之间的几何中心线处磁场等于零
直流电机的优缺点
直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 直流电机由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
直流电动机工作原理
cd转到
N极下.
ab转到
S极下..如图
8.1(b)所示..
由于电流仍从电刷
A流入..使
cd中的电流变为由
d流向
c..而
ab中的电流由
b流向
a..从
电刷
B流出..用左手定则判别可知..电磁转矩的方向仍是逆时针方同。
由此可见..加于直流电动机的直流电源..借助于换向器和电刷的作用..使直流电动机电枢线
中的感应电动势的方向也是交变的..而通过换向器和电刷的整流作用..在电刷
A、B上输出
的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷
A、B之间接上负载..发电机就能向负载供给直
流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。
图
8.2直流发电机工作原理示意图
从以上分析可以看出..一台直流电机原则上可以作为电动机运行..也可以作为发电机运行..
载运行。在额定运行状态下..电机利用充分..运行可靠..并具有良好的性能。如果电机的
电枢电流小于额定电流..称为欠载运行..电机的电枢电流大于额定电流..称为过载运行。欠
载运行..电机利用不充分..效率低..过载运行..易引起电机过热损坏。
取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷..输入电能..电机能将电能转换为机械能..
拖动生产机械旋转..作电动机运行..如用原动机拖动直流电机的电枢旋转..输入机械能..电
机能将机械能转换为直流电能..从电刷上引出直流电动势..作发电机运行。同一台电机..
既能作电动机运行..又能作发电机运行的原理..称为电机的可逆原理。
图
1.6换向极图
1.7电刷装置
直流电机的工作原理
图解直流电机的工作原理一.直流电机的物理模型图解释。
这是分析直流电机的物理模型图。
其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
二.直流发电机的工作原理直流发电机的原理图直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。
如何转换？分以下步骤说明：设原动机拖动转子以每分转n转转动；电机内部的固定部分要有磁场。
这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。
其中If 称之为励磁电流。
这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。
这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。
在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度B 、导体的有效长度l 和导体切割磁场速度v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。
但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。
而经电刷输出的电动势确是直流电了。
这便是直流发电机的工作原理。
如下动画演示：三.直流电动机的工作原理直流电动机的原理图对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
直流电机介绍
一、直流电机的磁路
图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；
4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
N
A
If0 If
0
I fN F f 0 IN
图1.18 电机的磁化曲线
§1.3.2 直流电机负载时的磁场
负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作 用所建立。
一、电枢磁通势和电枢磁场
图1.2 直流发电机原理模型
Hale Waihona Puke 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极 下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因 此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性， 所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电 动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律 把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直 流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
长期过载或欠载运行都不好。为此选择电机时 ，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状 态。
直流电动机的铭牌举例
§1.2
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识 §1.2.2 单迭绕组 §1.2.3 单波绕组简介
§1.2.1 直流电枢绕组基本知识
电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通 过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。
直流电机
直流电机的电枢绕组是由结构形状相同的元件构成的。
所谓元件，是指两端分别与两片换向片连接的单匝或多匝线 圈。元件有两个引出线，即首端和末端。
第3章 直流电机
图 3-12 元件图 （a） 单匝元件；（b） 两匝元件
第3章 直流电机
每一元件有两个有效部分，称为元件边，用于切割磁场
感应电动势。元件在槽外（电枢铁芯两端）的部分，不切割 磁通，因而不感应电动势，仅作为连接引线，称为端部。构 成元件线匝的两个有效边称为导体。
电刷及换向器的作用：
①把旋转电路与外电路联系起来
②把电枢绕组中的交流电整流为外电路 中的直流电
第3章 直流电机
3.1.2
直流电机的主要结构部件
图 3-5 直流电机的剖面图
第3章 直流电机
图 3-6 直流电机横截面示意图
第3章 直流电机
定子
主磁极 换向磁极 电刷装置
电机结构
转子
机座 端盖
电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
若PN的单位为kW，则系数9.55应改为9550。
第3章 直流电机
【例3-1】
一台直流电动机的额定值为PN=160 kW，
UN=220 V，nN=1500 r/min，ηN=90%，求该电机的额定输入 功率P1N、额定电流IN、额定输出转矩T2N。 解：额定输入功率为
P1 N PN
N
160 0 .9
第3章 直流电机 3.3.1 直流电机的磁路、磁密与磁通
图 3-20 直流电机的磁路
第3章 直流电机
主磁通所经过的磁路应分为以下几段：磁极极身、气隙、
转子齿、转子铁轭、定子铁轭。根据磁路欧姆定律有
2 Ff 2 R m 2 R m p 2 R m t R m yr R m yt
无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的特点直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。
1．有刷直流电机直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图所示。
电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢）、换向器和电刷等构成。
只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。
由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点：z 结构相对复杂，增加了制造成本；z 容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性；z 换向时会产生火花，限制了使用范围；z 容易损坏，增加了维护成本等。
2．无刷直流电机无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。
图所示无刷直流电机模型，它是从图转化过来的模型。
它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可有可无）组成。
可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的连线也基本相同。
但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。
这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向（相），牺牲的代价是电机控制器成本的提高（如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管）。
图所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，它的定子在内，转子在外，结构和图所示的直流电机很相似。
直流电机
第一章直流电机直流电机是一种通过磁场的耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械，包括直流发电机和直流电动机。
将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。
与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。
但直流电动机调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合，仍获得广泛应用。
作为直流电源的直流发电机虽已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解行业中仍被继续使用。
第一节直流电机的基本原理与基本结构直流电机是根据导体切割磁感线产生感应电动势和载流导体在磁场中受到电磁力的作用这两条基本原理制造的。
因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分；从原理上讲，任何电机都体现了电和磁的相互作用。
一、直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理图 1-1 所示两极直流发电机模型，可说明直流发电机的基本工作原理。
图中，N 、S 是一对固定不动的磁极。
磁极可以由永久磁铁制成，但通常是在磁极铁心上绕制励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电流，即可产生N 、S 极。
在N 、S 磁极之间装有由铁磁性物质构成的圆柱体，在圆柱体外表面的槽中嵌放了线圈abcd ，整个圆柱体可在磁极内部旋转。
整个转动部分称为转子或电枢。
电枢线圈abcd 的两端分别与固定在轴上相互绝缘的两个半圆铜环相连接，这两个半圆铜环称为换向片，即构成了简单的换向器。
换向器通过静止不动的电刷 A 和 B ，将电枢线圈与外电路接通。
电枢由原动机拖动，以恒定转速按逆时针方向旋转，转速为n （r/min ）。
若导体的有效长度为 l ，线速度为v ，导体所在位置的磁感应强度为B ，根据电磁感应定律，则每根导体的感应电动势为e Blv =，其方向可用右手定则确定。
当线圈有效边ab 和cd 切割磁感线时，便在其中产生感应电动势。
如图1-1所示瞬间，导体ab 中的电动势方向由b 指向a ，导体cd 中的电动势则由d 指向 c ，从整个线圈来看，电动势的方向为d 指向a ，故外电路中的电流自换向片1流至电刷A ，经过负载，流至电刷B 和换向片2，进入线圈。
最全直流电机工作原理与控制电路解析(无刷+有刷+伺服+步进)
最全直流电机工作原理与控制电路解析（无刷+有刷+伺服+步进）直流电动机是连续的执行器，可将电能转换为（机械）能。
直流电动机通过产生连续的角旋转来实现此目的，该角旋转可用于旋转泵，风扇，压缩机，车轮等。
与传统的旋转直流电动机一样，也可以使用线性电动机，它们能够产生连续的衬套运动。
基本上有三种类型的常规电动机可用：AC 型电动机，（DC）型电动机和步进电动机。
典型的小型直流电动机交流电动机通常用于高功率的单相或多相（工业）应用中，需要恒定的旋转扭矩和速度来控制大负载，例如风扇或泵。
在本（教程）中，我们仅介绍简单的轻型直流电动机和步进电动机，这些电动机用于许多不同类型的（电子），位置控制，微处理器，（PI）C和（机器人）类型的电路中。
基本直流电动机该直流电动机或直流电动机，以给它的完整的标题，是用于产生连续运动和旋转，其速度可以容易地控制，从而使它们适合于应用中使用是速度控制，伺服控制类型的最常用的致动器，和/或需要定位。
直流电动机由两部分组成，“定子”是固定部分，而“转子”是旋转部分。
结果是基本上可以使用三种类型的直流电动机。
有刷（电机）–这种类型的电机通过使（电流）流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中产生磁场，因此称为“有刷”。
定子(静止部分)的磁场是通过使用绕制的定子励磁绕组或永磁体产生的。
通常，有刷直流电动机便宜，体积小且易于控制。
无刷电动机–这种电动机通过使用附着在其上的永磁体在转子中产生磁场，并通过电子方式实现换向。
它们通常比常规的有刷型直流电动机更小，但价格更高，因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序，但是它们具有更好的转矩/速度特性，效率更高且使用寿命更长比同等拉丝类型。
伺服电动机–这种电动机基本上是一种有刷直流电动机，带有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。
它们连接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置（控制系统）和无线电控制模型。
普通的直流电动机具有几乎线性的特性，其旋转速度取决于所施加的直流电压，输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
得
作拉普拉斯变换可解得电枢电流ｉa 与电枢电压 uａ,之间得传递 函数
转子转速 n 与动态转矩（Ｍ-ML）之间得传递函数
其中 Ka=１/Ra—电枢回路放大倍数； T=La／Ｒ—电枢回路电磁时间常数(s）；
令
Tm = -机电时间常数 （s) 建立精确模型时要考虑到机电(Tm)与电磁（Ta）得过渡过程，反 映在传递函数中，即它形成了一个有反馈得闭环二阶系统，由此系 统 可得电机精确模型得传递函数框图（如图 2 所示)，则可得到转 速与 电枢电压得传递函数。
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得 两端分别接在两个换向片上,换向器得结构如图 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。微弱得火花对电机运行并无危害,若换 向不良,火花超过一定程度，电刷与换向器就会烧 坏,使电机不能继续运行。
此外，在静止得主磁极与电枢之间,有一空气隙，它得大小与形 状对电机得性能影响很大.空气隙得大小随容量不同而不同。空气隙 虽小，但由于空气得磁阻较大，因而在电机磁路系统中有着重要得 影响。
式中,T 为电磁转矩(Ｎ·m）;Iａ为电枢电流(A）;Ｃm 为与电机结构 有关得常数，称为转矩常数,Cm ＝ 9、５5Ce。
当线圈在磁场中转动时，线圈得有效边也切割磁力线,根据对发 电机所作得分析可知,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得方向，总就是与 其中得电流方向相反,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得机械能。 三、有刷直流电机建模
直流电机工作原理与有刷直流电机得模型建立
一、 直流电机得基本结构 直流电机可概括地分为静止与转动两大部分。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、机座与电刷装置等组成。 (1)主磁极 它得作用就是产生恒定得主极磁场,由主磁极铁 心与套在铁心上得励磁绕组组成。
1 典型得单位反馈系统 一般研究得传递函数就是将时域函数经拉普拉斯变换后得复频 域 函数。 如图:WO（ｓ） 为系统得开环传递函数，R（s） 与 C(s）分 别为系 统得输入与输出而 E(Ｓ）为系统得误差.
系统开环传递函数得一般形式：Ｗ0(s）
= 2 直流电机得数学模型 直流电动机中,Leabharlann 电机转速变化得机械过程与电量变化得电磁
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,从电枢电压得平衡方程与转矩平衡方程出发，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
其中 ua -电枢电压（V); ε-电枢反电势 (V）； iａ -电枢电流 (A）； La 、Ｒa—电枢电感（H)、电枢电阻(Q）; Φ—每极磁通（Ｗb）; ｎ—转子转速(r/miｎ） Ce、Ｃｍ—直流电机电势常数与转矩常数，Ce =ＰN/（60a)、 Cm = PN/（2πａ),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、ML — 电磁转矩与负载转矩 (Ｎ•m）； J-转速惯量（N•m•ｓ•ｍin／r）. 其中转速惯量 J，与转动惯量 J0(N•m•s•/ｒaｄ) 之间关系如下。 由
二、直流电机得基本工作原理
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得条件下,线圈每一个有效边将受到一电磁力 得作用.电磁力得方向可用左手定则判断. 在换向器与静止电刷得相互配合作用下,线圈不论转到何处，电 刷 A 始终与运动到Ｎ极下得线圈边相接触，而电刷 B 始终与运动到 Ｓ极下得线圈边相接触,这就保证了电流总就是由电刷 A 经 N 极下得 导体流入，再沿Ｓ极下得导体经电刷 B 流出。因而电磁力与电磁转 矩得方向始终保持不变，使电机能沿逆时针方向连续转动。 在如图所示得电动机模型中，转子线圈中流过电流时,受电磁力 得作用而产生得电磁转矩可用下式表示:
(2)换向极 换向极得作用就是消除电机带负载时换向器产生 得有害火花,以改善换向。
（3）机座 机座得作用有两个，一就是作为各磁极间得磁 路，这部分称为定子磁轭;二就是作为电机得机械支撑。
(4）电刷装置 其作用,一就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;二就是与换向器相配合，获得直 流电压。
框图：
传递函数： 注意到实际情况下,系统中时间常数ｒ与在数量上差别较大,由 转子惯性引起得机电时间常数往往比电枢回路电磁时间常数大一个
数量级,两个过程可以不瞧作同时发生而就是接续发生,这样可以近 似认为较快电流变化时,电机转递不变，即电枢反向电动势ｓ不
变，而在研究比较缓慢得变化过程时，可以认为电磁过程已经衰减 完毕，即认为 T＝０，这样可以简化电机模型,得到简化传递公 式: 当输入电压为单位阶跃函数时，即
2、 转子部分
转子就是直流电机得重要部件。由于感应电势与电磁转矩都在 转子绕组中产生.就是机械能与电能相互转换得枢纽，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、转轴与绕组支架等部件.
(1）电枢:铁心电枢铁心得作用有两个，一就是作为磁路得一部 分，二就是将电枢绕组安放在铁心得槽内.
（２）电枢绕组：电枢绕组得作用就是产生感应电势与通过电 流，使电机实现机电.能量转换它由许多形状完全相同得线圈按一定 规律连接而成。每一线圈得两个边分别嵌在包枢铁心得槽里，线圈 得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，就是将电刷 上得直流电流转换为绕组内得交变电流,以保证同一磁极下电枢导体 得电流方向不变，使产生得电磁转矩恒定；在直流发电机中，就是 将绕组中得交流感应电势转换为电刷上得直流电势，所以换向器就 是直流电机中得关键部件.