直流电机原理与控制方法

电机简要学习手册

2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法

1直流电机简介

直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能

（直流发电机）的旋转电机。

它是能实现直流电能和机械

能互相转换的电机。当它作电

动机运行时是直流电动机，将

电能转换为机械能；作发电机

运行时是直流发电机，将机械

能转换为电能。

直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现

以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技

术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流

电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用

于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机

械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然

意义重大。

2 直流电动机基本结构与工作原理

2.1 直流电机结构

如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。

2.2 直流电机工作原理

如图所示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。如果

转子转到如上图（b）所

示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。

如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。

3直流电机重要特性

如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。

我们可以得到直流电机的四个基本方程：

U=E+I*R (1)

电枢绕组端电压等于反电动势+内阻电流压降

E=Ce*n (2)

反电动势=与电机相关的常数*转速

T=Ct*I (3)

转矩=与电机相关的常数*电流

Tm-TL-T0=J*dw/dt (4)

动力学方程

3.1直流电机反电动势推导

3.2 转矩方程推导

一个主极下导体产生的转矩：

由φπ

=τ2a

Ni T ，因a a ai I 2=，p 为磁极对数，

则电枢全部导体产生的电磁转矩为： a T a a em I K I a

pN a ai N p

pT T φφπφπτ====222222 重要结论：a T em I K T φ=∴ 其中转矩系数、转矩常数a

pN

K T π2=

特点：

直流电动机电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。

对他励DCM ，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有 ＝常数＝，φT T a T em

K C I C T =〖有量纲：[Wb]〗

优点：直流电动机的电磁转矩直接受电枢电流控制【线性、能观能控】

KT 与Ke 的关系

公式T*Ω=Pm=Ea*Ia 正好验证了反电动势产生的电磁能全部转化成总的机械能。

其中，T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (单位：W)

3.3 能量关系

⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫

⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫

⎝⎛, 摩擦损耗的能

通风上加输出的机械能铁芯中损耗的能量

上加磁场中能量的增加电阻中能量损耗

去减电源输入的电能并励时

a

a f UI UI UI UI +=+==cuf 1P P

忽略励磁电路铜耗：

2

0cua 2Fe cua em cua a 1P P P P P P P P P UI P ++=+++=+=≈Ω

P1

P

c u f P

c u a

P em

P F e P

P2

P

电动机的功率流图

其中P0就是空载转矩，基本可认为变化不大，常当做恒定值。

现在看第四个方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,两边同乘于Ω，用电机常用参数表示，则可得公式

Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt.

3.4 直流电机特性曲线

在励磁磁通恒定的情况下，电机特性曲线如下图，由于良好的线性特性，所以电机调速范围广，线性度好。

4直流电机控制系统

传统的直流电机调速，通常是以下几种

4.直流电机调速

由于传统调速原理已被大家广为熟知，所以不再赘述，这里主要介绍直流双闭环调速系统。

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。

以下是基于直流电机的双闭环调速系统：

该调速系统的特点是：