第四章直流电动机及其驱动技术
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第四章 驱动电机及控制系统
组通过的线电流值。
额定转速
在额定电压输入下以额定功率输出时对应的电机最低转速。
额定功率
额定条件下，电机轴上输出的机械功率。
峰值功率
在规定的时间内，电机允许输出的最大功率。
最高工作转速 相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。
最高转速
在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速。
额定转矩
电机在额定功率和额定转速下的输出转距。
整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机 控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出，以实现整车的 怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功能。电机 控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障 检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。
第四章 驱动电机及控制系统
2.电动汽车对驱动电机性能的要求
由于存在电刷、 换向器等易损件, 所以必须进行定期维护 或更換。
第四章 驱动电机及控制系统
2.新能源汽车直流电动机的性能要求 （1）低能耗性
为了延长一次充电续驶里程以及抑制电动机的温升、 尽量 保持低损耗和高效率成为直流电动机的重要特性 。 近年来, 由 于稀土系列永磁体的研究开发, 直流电动机的效率已明显提高, 能耗明显减低。 （2）环境适应性
直流电动机作为新能源汽车的驱动电机时, 与在室外使用时 的环境大致相同, 所以要求在设计时充分考虑密封的问题, 防止 灰尘和水汽侵入电动机, 另外还要考虑电动机的散热性能。
第四章 驱动电机及控制系统
（3）抗振动性 由于直流电动机具有较重的电枢, 所以在颠簸的路况行驶时,
车辆振动会影响到轴承所承受的机械应力, 对这个应力进行监 控和采取相应的对策是很有必要的。 同时由于振动, 很容易影 响到換向器和电刷的滑动接触, 因此必须采取提高电刷弹簧预 紧力等措施。
九年级物理全册 直流电动机课件
人机交互与物联网
人机交互和物联网技术将为直流电动机的发展带来新的机遇。通过与计算机、传感器和执 行器的配合，实现电机的远程监控和管理，提高生产效率和安全性。同时，人机交互技术 的应用将使电机更加智能化和易于操作，提高用户体验。
THANKS
感谢观看
03
闭环控制系统广泛应用于高精度、高稳定性的控制系统中，如
工业生产中的精密加工、航空航天等领域。
05
直流电动机的维护保养
日常维护保养
保持电动机清洁
经常用干燥的布擦拭电动机，以防止灰尘和污垢堆积，同时要定 期清理散热风扇和通风口，确保良好的散热效果。
检查电动机的接线
定期检查电动机的接线是否牢固，是否出现裸露或断裂现象，以防 因接线不良导致电动机工作异常。
汽车电器
汽车中的电器设备如雨刷器、空调 等也常常使用直流电动机进行驱动 。
其他领域
航空航天
在航空航天领域，直流电 动机作为驱动电机被用于 各种飞行器中。
医疗设备
医疗设备中也有很多地方 使用到直流电动机，如假 肢、轮椅等设备的驱动。
机器人
机器人是近年来直流电动 机应用的新兴领域之一， 作为驱动电机被广泛应用 于各种类型的机器人中。
换向器
换向器是直流电动机的重要组 成部分，它由许多铜片组成， 每个铜片的外沿套着绝缘材料 。
转轴
转轴连接着电枢和负载，是支 撑电枢和传递扭矩的重要部件 。
磁极
定子，提供磁场，通常由铁和 铜制成。
直流电动机的工作原理
通电导体在磁场中受到力的作用
当直流电流通过导体时，导体受到安培力的作用，从而产生旋转力矩。
注意电动机的噪音和振动
倾听电动机运转时是否有异常的噪音或振动，如有则需及时停机检 查并修复。
人机交互和物联网技术将为直流电动机的发展带来新的机遇。通过与计算机、传感器和执 行器的配合，实现电机的远程监控和管理，提高生产效率和安全性。同时，人机交互技术 的应用将使电机更加智能化和易于操作，提高用户体验。
THANKS
感谢观看
03
闭环控制系统广泛应用于高精度、高稳定性的控制系统中，如
工业生产中的精密加工、航空航天等领域。
05
直流电动机的维护保养
日常维护保养
保持电动机清洁
经常用干燥的布擦拭电动机，以防止灰尘和污垢堆积，同时要定 期清理散热风扇和通风口，确保良好的散热效果。
检查电动机的接线
定期检查电动机的接线是否牢固，是否出现裸露或断裂现象，以防 因接线不良导致电动机工作异常。
汽车电器
汽车中的电器设备如雨刷器、空调 等也常常使用直流电动机进行驱动 。
其他领域
航空航天
在航空航天领域，直流电 动机作为驱动电机被用于 各种飞行器中。
医疗设备
医疗设备中也有很多地方 使用到直流电动机，如假 肢、轮椅等设备的驱动。
机器人
机器人是近年来直流电动 机应用的新兴领域之一， 作为驱动电机被广泛应用 于各种类型的机器人中。
换向器
换向器是直流电动机的重要组 成部分，它由许多铜片组成， 每个铜片的外沿套着绝缘材料 。
转轴
转轴连接着电枢和负载，是支 撑电枢和传递扭矩的重要部件 。
磁极
定子，提供磁场，通常由铁和 铜制成。
直流电动机的工作原理
通电导体在磁场中受到力的作用
当直流电流通过导体时，导体受到安培力的作用，从而产生旋转力矩。
注意电动机的噪音和振动
倾听电动机运转时是否有异常的噪音或振动，如有则需及时停机检 查并修复。
第四章 直流电力拖动
n
n
0
TL
0 T0
TL
图4-04 通风机 类负载转矩特性
图4-05 通风机 类负载转矩特性
在实际工程中，生产机械的负载转矩特 性需要考虑很多方面的因素。如通风机除了 主要是通风机负载特性之外，轴承上还有一 定的摩擦转矩 T0，因此实际通风机的负载特 性应为 TL = T0+ K n2 与此公式相应的特性如图4-05所示。 如图4-07所示为机床移动平台的负载转 矩特性曲线。
对于反转方向（逆时针方向），则拖动 转矩 T 如果与反转的方向相同时则取负号， 相反时则取正号；阻转矩TL如果与反转方向 相同时取正号，相反时则取负号。 总的来说，上述规定可以归纳为：以转 速方向为参考，拖动转矩 T 正向取正，反向 取负；而阻转矩TL正向取负，反向取正。 而加速转矩的大小和正负则由拖动转矩 T 和阻转矩TL的代数和来决定。
转速降Dn 他励直流电动机带负载后，将产生转速 降落，如果用Dn表示，则有
R Δn T T 2 CeCT Φ
式中 b = R/CeCTF 2为机械特性的斜率，b 越 大，Dn越大，则机械特性越下倾。通常称 b 小的机械特性为硬特性，b大的为软特性。
电枢反应对机械特性能影响
根据第三章中电枢电流引起电枢反应的 相关分析可知，当电枢电流较大时，由于饱 和的影响，其所产生的磁动势具有明显的去 磁作用，从而使每极磁通有所降低。从机械 特性方程式可以看出，磁通降低，转速就要 上升，机械特性在较大负载时呈上翘现象， 如图4-10所示。
二、固有机械特性和人为机械特性
当他励直流电动机电枢电压Ua及磁通F 为额定值UN 及FN ， 电枢电路没有串联电阻 时的机械特性称为固有机械特性。其机械特 性方程式为
UN Ra n T 2 CeΦN CeCT ΦN 按此公式绘出的固有机械特性如图4-11 所示。由于Ra较小，他励直流电动机的机械 特性比较硬。
第四章直流电动机的电力拖动基础
率损耗，要下落必须电动机帮忙（反向转动）
好处：比如电梯，由于设计时有意使传动机构损耗大，
故提升效率 c ＜０.５，这个代价才能保证突然断电
时电梯无法下降（
全．
' c
＜０），以保证人的生命安
四．传动机构和工作机构飞轮矩的折算
即
，
J
，
1
J
，
2
J3
（
传
动
机
构
）
+J
j (工
作
机
构
)
折
算
到
电
动
机
轴
上
恒量，稳态
2）M
Mz
dn dt
0
n
加速状态
3）M
Mz
dn dt
0
n
减速状态
§４—２ 工作机构及传动机构参数的折算
一．实际拖动系统与等效拖动系统
１．实际拖动系统
特点：转轴有多根（多级传动）
各轴上有本身的转动惯量及转
M
J1 传动系统
速从而要列出每根轴的运动方
Jd
1 J2
程及相互联系的运动方程联立
2
Jz 求解，才能了解负载的运动状 z Mz 况——太复杂。
(GD2 )'
Fz
Gz mg
Vz
电动机
J
' z
折算原则——储存动能等效
1 2
JZ'2
1 2
mzVz2
JZ '
mz
Vz2 2
转
换
为
飞
轮
转
矩
：( G D 2 ) ' 4g
Gz g
电动机驱动与控制技术
电动机驱动与控制技 术
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
目录 /目录
01
点击此处添加 目录标题
02
电动机驱动技 术
03
电动机控制技 术
04
电动机驱动与 控制技术的应 用
05
电动机驱动与 控制技术的发 展趋势
01 添加章节标题
02 电动机驱动技术
直流电动机驱动
单击此处添加标题
未来发展：随着人工智能和物联网技术的不断发展，智能控制技术在电动机控制领域的 应用将更加广泛，未来将会有更多的智能化算法和传感器应用于电动机的控制中。
04
电动机驱动与控制技术 的应用
工业自动化领域的应用
电机驱动与控制 技术在工业自动 化领域的应用广 泛，如数控机床、 自动化流水线等。
发展趋势：随着电力电子技术和控制理论 的发展，调速控制技术也在不断发展和完 善，未来将更加注重节能、环保、智能化 等方面的发展。
定位控制技术
定义：通过控制电动机的输入电压、电流或频率等参数，实现电动机精 确位置控制的技术。 应用领域：机器人、数控机床、自动化生产线等需要精确控制的领域。
控制方式：开环控制、闭环控制和半闭环控制等。
添加 标题
应用场景：调速控制技术在工业自动化、 交通运输、家用电器等领域广泛应用，例 如数控机床、电梯、空调等都需要用到调 速控制技术。
添加 标题
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分类：调速控制技术可以分为直流调速和 交流调速两大类，其中直流调速又可以分 为线性直流调速和脉宽调制直流调速，交 流调速又可以分为变频调速和变极调速。
定义：利用直流电源为直流电动机提供动力，实现机械能与电能相互转换的技术。
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电动机驱动技 术
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电动机控制技 术
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电动机驱动与 控制技术的应 用
05
电动机驱动与 控制技术的发 展趋势
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02 电动机驱动技术
直流电动机驱动
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未来发展：随着人工智能和物联网技术的不断发展，智能控制技术在电动机控制领域的 应用将更加广泛，未来将会有更多的智能化算法和传感器应用于电动机的控制中。
04
电动机驱动与控制技术 的应用
工业自动化领域的应用
电机驱动与控制 技术在工业自动 化领域的应用广 泛，如数控机床、 自动化流水线等。
发展趋势：随着电力电子技术和控制理论 的发展，调速控制技术也在不断发展和完 善，未来将更加注重节能、环保、智能化 等方面的发展。
定位控制技术
定义：通过控制电动机的输入电压、电流或频率等参数，实现电动机精 确位置控制的技术。 应用领域：机器人、数控机床、自动化生产线等需要精确控制的领域。
控制方式：开环控制、闭环控制和半闭环控制等。
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应用场景：调速控制技术在工业自动化、 交通运输、家用电器等领域广泛应用，例 如数控机床、电梯、空调等都需要用到调 速控制技术。
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分类：调速控制技术可以分为直流调速和 交流调速两大类，其中直流调速又可以分 为线性直流调速和脉宽调制直流调速，交 流调速又可以分为变频调速和变极调速。
定义：利用直流电源为直流电动机提供动力，实现机械能与电能相互转换的技术。
机电一体化系统设计04电动机及其驱动电路
07
结论
电动机及其驱动电路在机电一体化系统中的重要地位
电动机是机电一体化系统的核心组成部分，负责将电能转换为机械能，驱动系统 运动。
电动机及其驱动电路的性能直接影响整个机电一体化系统的运行效果，包括运动 精度、稳定性、效率等。
电动机及其驱动电路的研究方向与发展趋势
研究方向
深入研究电动机及其驱动电路的原理、性能、优化设计等， 以提高机电一体化系统的性能和稳定性。
度的场合。
常见的直流电动机有永磁式和励 磁式两种，其中永磁式直流电动
机具有更高的效率和可靠性。
交流电动机
交流电动机是指通过交流电来产生旋转的电动机， 其工作原理基于法拉第电磁感应定律。
交流电动机具有结构简单、维护方便、成本低等 优点，广泛应用于工业、商业和家庭等领域。
常见的交流电动机有异步电动机和同步电动机两 种，其中异步电动机具有更高的效率和可靠性。
02
在选择电动机时，应优先选择具 有良好性能和可靠性的品牌和型 号，以确保系统的稳定性和可靠 性。
03
电动机驱动电路基础
驱动电路的作用与要求
驱动电路的作用
为电动机提供所需电压和电流，实现电机的启动、调速、制动等功能。
驱动电路的要求
能够提供稳定的输出电压和电流，保证电机正常运行；具备过载保护、短路保 护等功能，确保系统安全；同时要求驱动电路具有较高的效率，降低能耗。
改进控制策略
采用矢量控制、直接转矩控制等先进的控制策略，提高电动机的 控制精度和动态响应能力。
实施参数自适应调整
根据运行工况和电动机参数的变化，自适应调整控制参数，提高 电动机的适应性和鲁棒性。
06
电动机及其驱动电路的发展趋势与挑
战
直流电动机
学习任务3 直流电机的控制
问题1：直流电动机机械特性参数有哪些？
1）电枢电动势 电枢电动势是直流电动机在正常工作时，电枢绕组切割气隙磁场所产生的电动势。根据直流电动机的 运行原理，可以推导出电枢电动势Ea为
学习任务3 直流电机的控制
问题1：直流电动机机械特性参数有哪些？
2）电磁转矩
电磁转矩是直流电动机的电枢绕组流过电流时，载流导体在磁场中受力而产生的总转矩。
学习任务1 直流电机的基本结构
问题2：什么是直流电机的转子？它的作用是什么？ 3）换向器 在直流电发电机中，换向器器整理作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器 是直流电动机的关键部件之一。
学习任务1 直流电机的基本结构
问题1：什么是直流电机的定子？它的作用是什么？ 4）端盖 端盖装在基座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定子连为一体，同时端盖对直流电动机 内部还起防护作用。 5）电刷装置 电刷装置的作用是把直流电压、直流电流引入或引出。电刷的数目一般等于主磁极的数目。 电刷装置由电刷、电刷盒、刷瓣和压簧等部分组成
学习任务2 直流电机的工作原理
问题3：直流电动机的励磁方式有哪些？ 3）串励式电动机 励磁绕组和电枢绕组串联在同一电源上，通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，电动机的 磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。
学习任务2 直流电机的工作原理
问题3：直流电动机的励磁方式有哪些？ 4）复励式电动机 复励电动机的励磁绕组既有并联绕组，又有串联绕组，串励绕组和并励绕组共同接在主极上， 并励匝数较多，串励励匝数较少。
问题3：如何对直流电动机进行制动控制？
1）能耗制动 （1）能耗制动方法 制动电流产生的转矩也和原来的方向相反，成为制动转矩，这 个转矩使电动机很快减速以至停转。这种制动是把贮存在系统 中的动能变换成电能，并消耗在制动电阻中，故称为能耗制动。
第四章 直流电动机的电力拖动
电动机带负载后的转速降 : n
Ra T Te 2 e CeCT
5
β=Ra/( CeCTΦ2 ), 机械特性的斜率
由表达式可知，当U, R, Ф为常数时，机械特性曲线为一条向 下倾斜的直线。 β决定了机械特性倾斜的程度 β小—硬机械特性，直线平缓，随 着T的增加，n变化小。 β大—软机械特性，直线较陡，随 着T的增加，n变化大。 额定转速变化率： n=n0-βTe
①理想空载转速n0减小 ②与固有机械特性相比，转速降Δn未变, 斜率β未变, 机械 特性与固有机械特性平行，属硬特性。 ③降低电枢电压主要用于电动机的起动和调速，并能保持 机械特性硬度不变。
12
3. 减弱电动机磁通时的人为机械特性 ◆条件：U=UN, R=Ra，减弱励磁； ◆方程式： ①减弱磁通时人为机械特性方程式为
1.固有机械特性的绘制
他励直流电动机的固有特性为一条直 线，只需求出线上两个点的数据，即 可绘出该直线。 一般选取的点：理想空载点(T=0, n0), 额定运行点(TN, nN)
15
① 理想空载点 n0=UN /(CeФN ) UN已知，CeФN由额定状态下的电枢电路电压方程式求得： CeФN = EN /nN = (UN-INRa) /nN Ra的测定：
第四章 直流电动机的 电力拖动
1
主要讲述: ◆电动机的机械特性：固有机械特性和人为机械特性； ◆电动机的启动：降压启动和电阻分级启动 ◆电动机的过渡过程 ◆电动机的制动：能耗制动、反接制动、回馈制动 ◆电动机的调速：调速的方式、指标
2
第一节
他励直流电动机的机械特性
电动机的机械特性：电动机的转速n和转矩Te之间的关系:
2.人为机械特性的绘制
17
[例9]他励直流电动机, PN =13kW，UN=220V，Ra=0.225Ω， IN=68.6A，nN=1500r/m，负载转矩为额定值不变，求： (1)电枢回路串入附加电阻Rad=1Ω时的人为机械特性方程及 电动机转速； (2)电压降至151.4V时的人为机械特性方程及电动机转速； (3)磁通减至额定磁通的2/3时的人为机械特性及电动机转速.
Ra T Te 2 e CeCT
5
β=Ra/( CeCTΦ2 ), 机械特性的斜率
由表达式可知，当U, R, Ф为常数时，机械特性曲线为一条向 下倾斜的直线。 β决定了机械特性倾斜的程度 β小—硬机械特性，直线平缓，随 着T的增加，n变化小。 β大—软机械特性，直线较陡，随 着T的增加，n变化大。 额定转速变化率： n=n0-βTe
①理想空载转速n0减小 ②与固有机械特性相比，转速降Δn未变, 斜率β未变, 机械 特性与固有机械特性平行，属硬特性。 ③降低电枢电压主要用于电动机的起动和调速，并能保持 机械特性硬度不变。
12
3. 减弱电动机磁通时的人为机械特性 ◆条件：U=UN, R=Ra，减弱励磁； ◆方程式： ①减弱磁通时人为机械特性方程式为
1.固有机械特性的绘制
他励直流电动机的固有特性为一条直 线，只需求出线上两个点的数据，即 可绘出该直线。 一般选取的点：理想空载点(T=0, n0), 额定运行点(TN, nN)
15
① 理想空载点 n0=UN /(CeФN ) UN已知，CeФN由额定状态下的电枢电路电压方程式求得： CeФN = EN /nN = (UN-INRa) /nN Ra的测定：
第四章 直流电动机的 电力拖动
1
主要讲述: ◆电动机的机械特性：固有机械特性和人为机械特性； ◆电动机的启动：降压启动和电阻分级启动 ◆电动机的过渡过程 ◆电动机的制动：能耗制动、反接制动、回馈制动 ◆电动机的调速：调速的方式、指标
2
第一节
他励直流电动机的机械特性
电动机的机械特性：电动机的转速n和转矩Te之间的关系:
2.人为机械特性的绘制
17
[例9]他励直流电动机, PN =13kW，UN=220V，Ra=0.225Ω， IN=68.6A，nN=1500r/m，负载转矩为额定值不变，求： (1)电枢回路串入附加电阻Rad=1Ω时的人为机械特性方程及 电动机转速； (2)电压降至151.4V时的人为机械特性方程及电动机转速； (3)磁通减至额定磁通的2/3时的人为机械特性及电动机转速.