第5章 直流电动机及其应用

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5.2.3 串励直流电动机
串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联后，由一个电源供电，其等效电路 如图5-10所示。
可见串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流，其数值为
（5-11）
Ia
If
U Ea Ra Rf
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图5-10 串励直流电动机的等效电路图
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5.2.4 复励直流电动机
复励直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组。 一个励磁绕组与电枢电路并联，称为并励绕组；另一个励磁绕组与电动机电枢 串联，称为串励绕组；两绕组共同由一个直流电源供电。
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5.4 无刷直流电机
–5.4.1 无刷直流电动机的结构 –5.4.2 无刷直流电动机的工作原理
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无刷直流电动机按照其工作特性，基本上可以分为两大类。 （1）具有直流电动机特性的无刷直流电动机 （2）具有交流电动机特性的无刷直流电动机
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5.4.1 无刷直流电动机的结构
无刷直流电动机的组成：电动机本体、位置传感器和电子换向线路。
额定数据主要有如下几个。
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1．额定电压
额定电压（UN）指直流电动机额定运行时，电枢绕组外接电源的电压，也是电 动机安全工作的最高电压。
2．额定电流
额定电流（IN）指直流电动机额定运行时，电枢绕组流过的直流电流，也是电 动机按规定长期额定运行时电枢绕组可以通过的最大电流。
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3．额定功率
额定功率（PN）指电动机额定运行时，轴上输出的机械功率。即 PN = UNIN N
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2．改变励磁电流调速
图5-17 励磁电路串联电阻调速原理图
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图5-18 调速物理过程图
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这种调速方法的特点如下。 ① 调速平滑，可做到无级调速。 ② 流经调速电阻（Re）的励磁电流较小，故功率损耗小，比较经济。 ③ 调速后机械特性变软，运行的稳定性差。 ④ 调速范围比较小。 ⑤ 只能在额定转速（nN）以上调速，简称上调，也称为弱磁调速。
电磁转矩 –5.1.4 直流电动机的转矩平衡 –5.1.5 直流电动直流电动机的结构
直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成。 图5-1所示为直流电动机的结构图。
图5-1 直流电动机的结构图
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1．定子
定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。 （1）主磁极 主磁极的作用是产生主磁场。
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图5-12 复励直流电动机的等效电路图
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5.3 直流电动机的启动、反转和调速
–5.3.1 启动 –5.3.2 反转 –5.3.3 调速
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5.3.1 启动
电动机在启动的瞬间转速n=0，所以此时Ea=0，此时电枢电流称为启动电流
（Ist），根据式（5-2）可知
（5-16）
根据式（5-16）可知为了减小启动电流，对于容量稍大的直流电动机，启动时
Ke Ke
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5.1.5 直流电动机的铭牌
直流电动机的铭牌上标明其型号、额定数据和励磁方式等。 型号主要说明产品代号和规格代号。 例如，型号为Z-132L-TH的直流电动机，说明此直流电动机是中心高为 132mm，长机座，适用于湿热带地区使用的普通直流电动机。
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直流电动机在标准环境温度下，带额定负载、按规定励磁方式励磁且使励磁电 流为额定值、电枢绕组加额定电压时的运行方式，称为额定运行。
图5-13 并励直流电动机串 变阻器启动原理电路
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5.3.2 反转
改变电动机的旋转方向叫反转。 改变电动机的旋转方向就是改变电动机电磁转矩方向。 电磁转矩的方向是由主磁通方向和电枢电流的方向共同决定的。 因此，改变电枢电流或主磁通的方向都能使电磁转矩方向改变。 实现电动机反转的具体方法有改变电枢电压极性和改变励磁电压极性。
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图5-23 车用直流起动机结构图 1—磁场绕组 2—磁极铁芯 3—起动机外壳 4—磁极固定螺钉
5—换向器 6—转子铁芯 7—电枢绕组 8—电枢轴
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1．磁极 2．机壳
机壳的作用是固定机件和构成导磁回路。壳体用铸铁浇铸或钢板卷焊而成。 壳体上设有一个接线端子并在内部与磁场绕组的一端相接。
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图5-2 主磁极结构图
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（2）换向磁极 在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由铁芯和绕组构成。 其作用是消除或减小换向时的火花，保护换向器，使电动机可靠安全的运行。
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（3）机座
图5-3 机座结构图
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（4）电刷装置 电刷装置一般由电刷、刷握、引线、电刷弹簧等构成。
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2．电枢
直流电动机的转子是电动机实现能量转换的枢纽，所以常称之为电枢。 电枢部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。
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（1）电枢铁芯 （2）电枢绕组
图5-4 小型直流电动机电枢冲片和电枢铁芯示意图
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（3）换向器
图5-5 换向器结构示意图
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5.1.2 直流电动机的工作原理
流电动机也是由磁路和电路两个基本部分组成的。 它的工作原理仍以电磁力定律和电磁感应定律为基础。
图5-6 直流电动机的工作原理图
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1．电动机本体
图5-19 曲型无刷直流电动机本体基本结构
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2．位置传感器
位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电 路提供正确的换相信息，即将转子磁铁磁极的位置信号转换成电信号，然后去控 制定子绕组换相。
位置传感器种类较多，目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有电磁式位 置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。
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图5-24 磁场绕组的连接方式图
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3．电枢 4．换向器
图5-25 换向器剖面图 1—铜片 2—轴套 3—压环 4—云母
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换向器的作用是连接磁场绕组、电枢绕组和电源，并保证电枢产生的电磁力矩 方向不变，使电动机轴能输出固定方向的转矩。
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5.3.3 调速
由直流电动机的机械特性方程式（5-19）可知，当转矩（T）不变（负载不变） 时，影响电动机转速高低的主要是电枢回路电阻（Ra）、主磁通（Φ）、电源电 压（U）3个因素。
因此电动机的转速可由下述3种方法调节。
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1．改变电枢电路的电阻调速
图5-15 电枢电路串联电阻调速原理图
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3．降低电源电压
直流电动机常由单独的可调整流装置供电。 目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流（SCR）装置。 调节电源电压就可均匀调速。因为加在电枢上的电压不能超过额定值（UN）， 所以这种调速方法只能在额定转速（nN）以下作均匀调速。 这种调速方法具有调速范围广、平滑性好等优点，但需要专用的直流调压电源。
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图5-7 他励直流电动机的等效电路图
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5.2.2 并励直流电动
并励直流电动机的励磁绕组与其电枢电路并联后，共同由一个直流电源供电，
其等效电路如图5-8所示，这时电源输出的电流等于电枢电流与励磁电流之和，
即
I = Ia+If
（5-9）
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图5-8 并励直流电动机的等效电路图
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图5-9 并励直流电动机的机械特性曲线
U 可降低加在电枢绕组上的电压，或在电枢电路中串联启动变阻器。 Ist R a
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1．降压启动
降压启动的方法只适用于他励直流电动机。这种方法要求有一个电压可变的直 流电源（如可控硅电源）专供电枢使用。
启动时，降低电枢电压，待启动后，随着转速的升高逐步升高电枢电压，直到 转速达到额定值。
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2．串联启动变阻器
第五章 直流电动机及其应用
5.1 直流电动机的结构和工作原理 5.2 直流电动机的励磁方式 5.3 直流电动机的启动、反转和调速 5.4 无刷直流电机 5.5车用直流起动机 5.6 典型汽车电动机控制电路
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5.1 直流电动机的结构和工作 原理
–5.1.1 直流电动机的结构 –5.1.2 直流电动机的工作原理 –5.1.3 直流电动机的反电动势和
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3．电子换向线路
无刷直流电动机电子换向线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和 时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系 分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便产生旋转的磁场，从而使电动机产 生持续不断的转矩。
即得功率平衡方程：
UIa = EaIa+RaIa2 （5-4） 式中，EaIa —电磁功率，它转化为电动机的机械功率，如果不计摩擦损耗，它 也就是电动机的输出功率；
RaIa2—电枢绕组的铜耗； UIa —电源供给的电功率（不计铁耗）。
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直流电动机的电磁转矩（T）与每极磁通（Φ）和电枢电流（Ia）成正比：
T = KTΦIa
（5-5）
式中，KT —转矩常数，取决于电动机的结构。
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5.1.4 直流电动机的转矩平衡
直流电动机的稳定运行状况取决于负载的大小；当负载发生变化时，电动机的 转速、电流、转矩都将自动地作相应的变化来达到新的平衡。
转速公式可由式（5-1）和式（5-3）得出
（5-6）
n Ea URaIa
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图5-22 各相绕组电流与电动机转子磁场的旋转示意图
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5.5车用直流起动机
–5.5.1 车用直流起动机的构造 –5.5.2 车用直流起动机的传动机构和电控
原理
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5.5.1 车用直流起动机的构造
车用起动机，都是用串励直流电动机。 它由磁极、电枢和换向器等主要部分组成。 其结构如图5-23所示，电枢绕组与磁场绕组的连接为串联方式。
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图5-16 调速物理过程图
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这种调速方法的特点如下。 ① 只能在额定转速（nN）以下进行调节，简称下调。 ② 由于流过调速电阻（Re）上的电流为电枢电流，其数值较大，故Re上的能 量损耗大，不经济。 ③ 使电动机的机械特性变软。当负载变动时，电动机的速度变化较大，这对 于要求稳速的负载来说是不利的。 ④ 电枢电流不受影响，数值保持不变，故这种调速叫作恒转矩调速。 ⑤ 调控方法简单，容易实现。
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1．改变电枢电压极性
图5-14 并励直流电动机改变电枢电压极性电路图
图5-1 分时四轮驱动系统的组成
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2．改变励磁电压极性
将励磁绕组两极接线调换，即可改变励磁电压的极性，使励磁电流方向改变， 从而使主磁通的方向改变。
这种实现反转的方法在实际中一般很少采用。 因为改接励磁绕组接线时，励磁电流有可能出现中断，从而引起“飞车”事故。
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在图5-21中3只光电器件（VP1、VP2、VP3）的安装位置各相差120°，均匀 分布在电动机一端。
借助安装在电动机轴上的旋转遮光板（也称截光器）的作用，使得从光源射来 的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判 断转子磁极的位置。
图5-21中所示位置传感器的转子位置和如图5-22（a）所示的位置相对应。
5.1.3 直流电动机的反电动势和电磁转矩
Ea＝KeΦn 式中，Ke —电动势常数，由电动机本身的结构所决定。 直流电动机运转时，电枢中的电流为
式中，U —外加电压；
Ra —电枢绕组的电阻。
I U R E a
a a
（5-1） （5-2）
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于是得
U = Ea+RaIa
（5-3）
这是直流电动机的电压平衡方程式，显然Ea＜U。上式两边乘以电流（Ia），
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5.2 直流电动机的励磁方式
–5.2.1 –5.2.2 –5.2.3 –5.2.4
他励直流电动机 并励直流电动机 串励直流电动机 复励直流电动机
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5.2.1 他励直流电动机
励磁电流为
Uf I f R f 式中，Uf — 励磁电压；
Rf — 励磁电阻（包括励磁绕组电阻和励磁调节电阻）。 为了能用较小的电流产生足够的磁场，励磁绕组匝数很多，导线截面很细， 所以Rf比较大，一般的关系是RfRa。
式中，N —额定效率。
（5-7）
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4．额定转速
额定转速（nN）指电动机额定运行时的转速。 根据铭牌上一些物理量的额定值，可以计算另一些物理量的额定值，则额定转 矩为
（5-8）
TN
9
550
PN nN
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5．励磁方式
励磁方式是指励磁绕组的供电方式，励磁方式与电动机的性能有密切关系。 直流电动机有他励、并励、串励和复励４种励磁方式。
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而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需 要经过一定逻辑处理后才能去控制功率逻辑开关单元。
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图5-20 无刷直流电动机工作原理的方框图
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5.4.2 无刷直流电动机的工作原 理
图5-21 三相绕组无刷直流电动机半控桥电路原理图