直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立

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、

图a 所示为直流电机结构，

1.定子部分

(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

转子之间由空气隙分开，如图。 图b 所示为直流电机剖面图。 定子由主磁极、 换向极、机座和电刷装置等组成。

1£

7

2

6 U 冷 ISI

(b

10

12

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， 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。

国1心怏向器皓构 I —感盘込母开; A 换向昇「1—连接片

它的大小和

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ab7cd，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 1 a

式中，T为电磁转矩（N • m ; la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 =。

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

K(brs"' + bhi - |5* " + biS + 1)

式:W(s)二

$ r fanS" + an is" ' +…+ 3113 + 0

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

理H L

df

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)；

①一每极磁通(Wb);

n—转子转速(r / min)

Ce、C—直流电机电势常数和转矩常数，Ce二PN/(60a)、Cm =

PN/(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 ML —电磁转矩和负载转矩(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。

作拉普拉斯变换可解得电枢电流i a与电枢电压Ua,之间的传递函数

*

叭一小 1+$£//?■

转子转速n与动态转矩(M-ML)之间的传递函数

其中

K a=1/R—电枢回路放大倍数;

T二La/ R-电枢回路电磁时间常数(S);

JR*

Tm =两机电时间常数(S)