第一章 電動機(jī)及其控制課件

第一篇電動機(jī)及其控制第一章直流電動機(jī)及其控制1.1直流電機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)第一章電動機(jī)及其控制一、概述應(yīng)用：1高精度位置伺服系統(tǒng)；2大轉(zhuǎn)矩設(shè)備，如軋鋼機(jī)、電氣鐵道牽引機(jī)、起重機(jī)械等；3

高精度速度控制系統(tǒng)；4航天器及其它只有直流電源的場合。第一章電動機(jī)及其控制優(yōu)點：

l）調(diào)速范圍寬（可穩(wěn)定運(yùn)行的速度范圍大）；2）轉(zhuǎn)矩大；3）控制方法簡單，控制裝置的可靠性高。缺點：有換向器。費工費料，造價貴，運(yùn)行時換向器需要經(jīng)常維修，壽命較短，換向條件又使直流電機(jī)的容量受到限制。特殊點：用直流電源第一章電動機(jī)及其控制二、結(jié)構(gòu)按運(yùn)動狀態(tài)：定子和轉(zhuǎn)子兩部分。按功能：磁極、電樞繞組、換向器和電刷三部分。磁極在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。第一章電動機(jī)及其控制第一章電動機(jī)及其控制1．磁極和定子鐵心功能：產(chǎn)生磁場電磁式直流電機(jī)：用直流電產(chǎn)生恒定磁場，應(yīng)用；功率大的場合，中、大型電機(jī)。第一章電動機(jī)及其控制永磁式電機(jī):由永磁體產(chǎn)生恒定磁場。優(yōu)點：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：磁場弱。應(yīng)用：微型和小型電機(jī)。第一章電動機(jī)及其控制2.電樞繞組和電樞鐵心第一章電動機(jī)及其控制電機(jī)的負(fù)載電流，發(fā)電機(jī)的電勢和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩都要依靠電樞繞組產(chǎn)生，是電機(jī)的中樞和樞紐。電樞繞組的制造方法是，把帶絕緣的銅導(dǎo)線預(yù)制成形，在鐵心糟內(nèi)放好絕緣層后將繞組嵌入。每個繞組元件的兩個端頭（引出線）按著一定的規(guī)律接到換向器上。直流電樞繞組本身自成閉合回路。第一章電動機(jī)及其控制3．換向器和電刷裝置換向器在轉(zhuǎn)子上。電刷在定子上。將電刷上的直流變?yōu)槔@組內(nèi)部的交流。第一章電動機(jī)及其控制三、圖形符號第一章電動機(jī)及其控制1.2電機(jī)中的磁性材料

1.2.1鐵磁物質(zhì)磁性：能產(chǎn)生磁場，在磁場中受到力作用。鐵磁性物質(zhì)1）磁導(dǎo)率μ

大，是真空磁導(dǎo)率的2000～6000倍。

2）μ不是恒量，隨磁場強(qiáng)度H變化。

3）存在一個臨界溫度——居里點，高于此溫度時，磁導(dǎo)率降到真空磁導(dǎo)率。第一章電動機(jī)及其控制第一章電動機(jī)及其控制

：剩磁磁密（簡稱剩磁）：矯頑磁力。去磁曲線或退磁曲線：磁滯回線在第2象限（或第4象限）的部分。軟磁材料：矯頑磁力小，磁滯回線狹窄，磁導(dǎo)率高，如硅鋼片、純鐵、鑄鋼等，常用來作電機(jī)、變壓器的鐵心。硬磁材料：矯頑磁力大，磁滯回線寬。第一章電動機(jī)及其控制磁滯：B的變化滯后于H的變化。磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時將要發(fā)熱，引起損耗。磁滯回線的面積越大，磁滯損耗也越大。渦流損耗：鐵磁材料處于交變的外磁場中時，鐵心中還會產(chǎn)生渦流，渦流在鐵心中引起的熱損耗。鐵心采用片狀的并有絕緣薄膜的材料疊壓而成，就是為了減少渦流損耗。鐵心損耗（鐵耗）：磁滯損耗加渦流損耗。第一章電動機(jī)及其控制1.2.2永磁材料的磁化特性永磁材料：被外磁場磁化，去掉外磁場后仍然保持較強(qiáng)的磁性。在電機(jī)中作磁極用。磁化曲線同硬磁材料。第一章電動機(jī)及其控制鋁鎳鈷（AlNiCo），稀土材料和鐵氧體兩類。第一章電動機(jī)及其控制永磁材料最重要的三個參數(shù)剩磁磁密矯頑力最大磁能積第一章電動機(jī)及其控制1.2.3永磁材料的工作點永磁材料的工作點(磁鐵工作點):在B-H

坐標(biāo)圖上，表示永磁電機(jī)的磁極中B和H的點。永磁磁路第一章電動機(jī)及其控制工作點K，直線0K

與退磁曲線（或恢復(fù)直線）的交點，氣隙越大，直線0K

與橫軸的夾角越小。其它去磁因素同樣使該夾角減小。第一章電動機(jī)及其控制1.2.4常用的永磁材料鋁鎳鈷（AlNiCo）：剩磁高，容易去磁。鐵氧體：價低，剩磁低。稀土類：磁性能優(yōu)良。釤鈷類貴。釹鐵硼（NdFeB）應(yīng)用廣，居里點低。第一章電動機(jī)及其控制1.3直流電機(jī)工作原理

1.3.1電磁力定律和電磁感應(yīng)定律電磁力定律大小：方向：左手定則

第一章電動機(jī)及其控制直流電機(jī)要保持恒定方向轉(zhuǎn)矩，每個磁極下導(dǎo)體的電流方向應(yīng)保持不變。第一章電動機(jī)及其控制電磁感應(yīng)定律大?。悍较颍河沂侄▌t

第一章電動機(jī)及其控制1.3.2直流電動機(jī)的工作原理一、模型電機(jī)第一章電動機(jī)及其控制換向器的作用：導(dǎo)體從一個磁極轉(zhuǎn)到相鄰的異性磁極時，改變導(dǎo)體電流方向，保持每個磁極下電流方向不變，使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)角范圍小，不用換向器。反轉(zhuǎn)：改變電刷電壓的極性。存在的問題：轉(zhuǎn)矩小，波動大。原因：匝數(shù)少（1匝），磁路是空氣，磁密低。第一章電動機(jī)及其控制二、環(huán)形繞組的直流電動機(jī)環(huán)形鐵心，多繞組。兩條支路。第一章電動機(jī)及其控制存在的問題：

1）環(huán)形鐵心內(nèi)部無磁場，內(nèi)部導(dǎo)體不受電磁力，銅的利用率低。

2）制造困難，工藝性和經(jīng)濟(jì)性不好。第一章電動機(jī)及其控制三、鼓形繞組第一章電動機(jī)及其控制

1.4電機(jī)磁場、電樞反應(yīng)與換向一、電機(jī)磁場：磁極（主）磁場，電樞磁場第一章電動機(jī)及其控制電角=極對數(shù)×機(jī)械角（幾何角）=直流電機(jī)電樞磁場軸線與磁極主磁場軸線的夾角為90°電角。電磁轉(zhuǎn)矩為直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩最大。

第一章電動機(jī)及其控制二、電樞反應(yīng)氣隙磁場是磁極磁場和電樞磁場的合成磁場。由于電樞磁場的存在，使氣隙中的合成磁場與磁極磁場的大小、方向不同，這一現(xiàn)象叫電樞反應(yīng)。第一章電動機(jī)及其控制物理中性面：氣隙磁密為零或最小的位置。幾何中性面：相鄰磁極之間的幾何對稱面。電樞反應(yīng)的表現(xiàn)：1）磁場扭斜：氣隙合成磁場的物理中性面逆著電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)。幾何中性面有磁場。2）去磁作用：半個極下磁場增加，另半個極下減小。由于磁路接近飽和，磁通的增加值小于磁通的減少值，總磁通將有所減小。第一章電動機(jī)及其控制由于磁路接近飽和，磁通的增加值小于磁通的減少值，總磁通將有所減小。第一章電動機(jī)及其控制三、換向被電刷短路的過程。換向時在電刷下可能產(chǎn)生火花，影響電機(jī)工作。換向火花還產(chǎn)生高頻電磁波。轉(zhuǎn)速和電樞電流越大，換向火花越大，因此直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電樞電流的最大值都要受換向條件的限制。第一章電動機(jī)及其控制換向火花產(chǎn)生的電磁方面的原因：換向元件中產(chǎn)生電勢和電流。1）換向前后電流方向變化，產(chǎn)生自感電動勢，方向與換向前電流的方向一致。電樞反應(yīng)使氣隙合成磁場扭斜后，位于磁極幾何中性面上的換向元件切割合成磁場的磁力線，或，換向元件切割電樞電流的磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，由右手定則可知其方向與方向相同。換向元件中的總電勢。換向元件中產(chǎn)生了附加電流。換向結(jié)束的瞬間，電流發(fā)生突變，由于繞組電感的作用，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電勢，使電刷與換向片間產(chǎn)生火花。電樞電流越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，換向元件中的感應(yīng)電勢和附加電流就越大，換向火花也就越強(qiáng)烈。第一章電動機(jī)及其控制直流電動機(jī)運(yùn)行時允許有輕微的火花，但不允許有強(qiáng)烈的火花。減小和消除換向火花的方法。第一，移動電刷，將電刷逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動。第二，在幾何中性面處加換向磁極，它的繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向極的磁場方向與電樞磁場方向相反。第三，選用合適的電刷。第一章電動機(jī)及其控制1.5直流電動機(jī)的特性與控制方法

直流電動機(jī)的接線第一章電動機(jī)及其控制1.5.1直流電動機(jī)的基本關(guān)系式

一、電磁轉(zhuǎn)矩與電樞反電勢

由電磁力定律可以推得直流電機(jī)電樞所受到的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)磁通Φ為常值時該式可寫為由電磁感應(yīng)定律可以推得直流電機(jī)電樞繞組感應(yīng)電勢（電動機(jī)中稱為電樞反電勢）為

——轉(zhuǎn)矩靈敏度，或稱轉(zhuǎn)矩系數(shù)

——反電勢系數(shù)

采用國際單位制（SI）

第一章電動機(jī)及其控制二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由轉(zhuǎn)子受力圖和力學(xué)定律動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式動態(tài)：靜態(tài)：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式第一章電動機(jī)及其控制

加速

減速

勻速

第一章電動機(jī)及其控制三、電壓平衡方程式電樞繞組有電阻和自感，在外磁場中轉(zhuǎn)動時電樞中又有感應(yīng)電勢（電樞反電勢），因此電樞回路可用圖1-27表示。動態(tài)電壓平衡方程式動態(tài)：靜態(tài)：靜態(tài)電壓平衡方程式：

第一章電動機(jī)及其控制四大關(guān)系式動態(tài)：通用：靜態(tài)參數(shù)關(guān)系第一章電動機(jī)及其控制四、幾點說明1.感應(yīng)電勢實際的感應(yīng)電勢是波動的。波動的主要原因是因為實際電機(jī)有齒槽存在，電樞導(dǎo)體集中在有限的槽內(nèi)而不在電樞表面。感應(yīng)電勢的平均值仍符合前式，瞬時值隨著電樞轉(zhuǎn)動而上下波動，如圖所示。波動的頻率為齒頻率

紋波系數(shù)：

第一章電動機(jī)及其控制2.電磁轉(zhuǎn)矩由于有齒槽，由前式求得的電磁轉(zhuǎn)矩是它的平均值，瞬時轉(zhuǎn)矩是波動的，與電勢相同。槽中磁密較小。由電磁理論可知鐵磁性物質(zhì)表面所受磁場作用力與其法向磁密的平方成正比，方向向外。有齒槽時，主要是鐵心的齒受力。

第一章電動機(jī)及其控制3.和的關(guān)系利用能量守恒定律證明

電動機(jī)從電源輸入的電功率為電動機(jī)做出的總的機(jī)械功率為

電樞繞組發(fā)出的熱能功率為能量守恒定律：第一章電動機(jī)及其控制4.電阻電樞回路總電阻。包括電樞繞組電阻，電刷接觸電阻，電樞回路中存在或故意加入的其他電阻，如功放內(nèi)阻，調(diào)節(jié)電阻等。

第一章電動機(jī)及其控制1.5.2直流電動機(jī)的靜態(tài)特性與控制方法

一、概述靜態(tài)：電流和轉(zhuǎn)速不變。靜態(tài)特性：靜態(tài)時各變量間的關(guān)系。常用靜態(tài)特性機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速與控制量（如電壓）的關(guān)系

第一章電動機(jī)及其控制電機(jī)的電流電流與轉(zhuǎn)速有關(guān)轉(zhuǎn)速（利用上式）：調(diào)速：改變和控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。開環(huán)調(diào)速：電樞電壓，磁通，電阻。電樞控制，輸入量是電樞電壓（或電流）。磁場控制，輸入量是磁通，激磁電流或電壓。第一章電動機(jī)及其控制二、電樞控制時的機(jī)械特性磁通Φ不變，電樞電壓為常數(shù)或參變量時轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖象：下垂的直線。斜率：理想空載轉(zhuǎn)速實際空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩第一章電動機(jī)及其控制機(jī)械特性硬：小。機(jī)械特性族：改變電樞壓，平行直線。電壓提高，工作狀態(tài)變化。不變，

第一章電動機(jī)及其控制三、電樞控制時的調(diào)節(jié)特性電磁轉(zhuǎn)矩為參變量時轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。平行直線。斜率直線過原點。始動電壓由摩檫力引起。起動電流第一章電動機(jī)及其控制電樞控制的優(yōu)點：機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性曲線族是平行直線，這表明直流電機(jī)是理想的線性元件。電樞控制的缺點：控制功率大，要用較大容量的功率放大器。第一章電動機(jī)及其控制四、磁場控制時的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性數(shù)學(xué)表達(dá)式機(jī)械特性：磁通是參變量，的關(guān)系。交叉的直線。調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)矩是參變量，的關(guān)系。曲線。磁場控制時電機(jī)是非線性的。方法：變激磁電壓，電流。優(yōu)點：控制大功率電機(jī)。第一章電動機(jī)及其控制五、由曲線判定電機(jī)-負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行條件穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n。若由于某種擾動，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。當(dāng)擾動消失后，電機(jī)能恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速n，則稱n所表示的狀態(tài)是穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，否則是不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定運(yùn)行的條件是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，穩(wěn)定工作區(qū)域是機(jī)械特性曲線的下降段（轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速下降）。第一章電動機(jī)及其控制1.5.3直流發(fā)電機(jī)直流電機(jī)被外力拖動而旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)電樞兩端就會產(chǎn)生直流電壓——發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的基本關(guān)系式與電動機(jī)類似。發(fā)電機(jī)的特點：電流的實際方向與電勢相同。第一章電動機(jī)及其控制1.5.4直流電動機(jī)的工作狀態(tài)電機(jī)和外加電壓結(jié)合，工作狀態(tài)分4種。關(guān)系式設(shè)

第一章電動機(jī)及其控制一、電動機(jī)狀態(tài)外加電壓：大于電樞感應(yīng)電勢，方向相反。電流：正值，小于堵轉(zhuǎn)電流，與感應(yīng)電勢相反。電磁轉(zhuǎn)矩：方向與轉(zhuǎn)速相同，電動機(jī)的特點。能量關(guān)系：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。轉(zhuǎn)速：低于空載轉(zhuǎn)速。機(jī)械特性：1、3象限。

第一章電動機(jī)及其控制二、發(fā)電機(jī)狀態(tài)外加電壓：小于感應(yīng)電勢，方向相反。電流：與感應(yīng)電勢方向相同（負(fù)）。電磁轉(zhuǎn)矩：與電機(jī)轉(zhuǎn)速n

相反，是制動轉(zhuǎn)矩（負(fù)）。能量關(guān)系：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)速：高于理想空載轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)狀態(tài)的特點。機(jī)械特性：2、4象限。第一章電動機(jī)及其控制三、能耗制動狀態(tài)外加電壓：零。電流：與電勢同向。電磁轉(zhuǎn)矩：與電機(jī)轉(zhuǎn)速n

相反，是制動轉(zhuǎn)矩（負(fù)）。（符號與電流相同，與轉(zhuǎn)速相反）。能量關(guān)系：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。機(jī)械特性：通過原點。

第一章電動機(jī)及其控制四、反接制動狀態(tài)外加電壓：與感應(yīng)電勢同向。電流：與外電壓、感應(yīng)電勢同向。大與堵轉(zhuǎn)電流。電磁轉(zhuǎn)矩：特點是大于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。方向與轉(zhuǎn)速相反，見機(jī)械特性。能量關(guān)系：電源和電機(jī)輸出電能，電阻耗能。機(jī)械特性：4、2象限。第一章電動機(jī)及其控制五、實際應(yīng)用負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，對應(yīng)，希望

發(fā)電機(jī)狀態(tài)，加快減速。停轉(zhuǎn)能耗制動反接制動制動轉(zhuǎn)矩加快減速過程。第一章電動機(jī)及其控制1.5.5直流電動機(jī)的動態(tài)特性一、電樞控制時的動態(tài)特性1.電樞電壓為輸入，轉(zhuǎn)速為輸出。擾動力矩第一章電動機(jī)及其控制直流電動機(jī)的動態(tài)方框圖遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了控制系統(tǒng)的通頻帶第一章電動機(jī)及其控制機(jī)電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)2.角位移為輸出第一章電動機(jī)及其控制3.電流為輸入量設(shè)擾動力矩第一章電動機(jī)及其控制二、磁場控制時的動態(tài)特性假設(shè)電樞電流不變，工作狀態(tài)變化不大，以激磁電壓為輸入量，角速度ω為輸出量，傳遞函數(shù)如下(激磁繞組電阻、電感分別是、）機(jī)械時間常數(shù)電磁時間常數(shù)一般不能忽略

第一章電動機(jī)及其控制1.6直流伺服電動機(jī)直流電動機(jī)驅(qū)動用：效率高控制用：響應(yīng)快直流伺服電動機(jī)傳統(tǒng)（普通）型直流伺服電動機(jī)低慣量型直流伺服電動機(jī)寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)等。直流力矩電動機(jī)第一章電動機(jī)及其控制傳統(tǒng)（普通）型直流伺服電動機(jī)

有齒槽，結(jié)構(gòu)與普通直流電動機(jī)相似，特點1．電樞細(xì)長，慣量小。2．換向性能好，瞬時電流和瞬時轉(zhuǎn)矩大。3.機(jī)械強(qiáng)度高，能夠承受住大的加速度。4.電刷一般都安放在幾何中性面上，正、反轉(zhuǎn)特性對稱。缺點運(yùn)行性能：轉(zhuǎn)矩小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。電機(jī)參數(shù)：、小。

第一章電動機(jī)及其控制1.6.1低慣量型直流伺服電動機(jī)

結(jié)構(gòu)特點性能特點轉(zhuǎn)子鐵心更細(xì)長，轉(zhuǎn)子慣量小，機(jī)電時或轉(zhuǎn)動部分無鐵心；間常數(shù)小。電樞繞組與鐵磁繞組電感小，瞬時電物質(zhì)分離。流和瞬時轉(zhuǎn)矩大。鐵心無齒槽結(jié)構(gòu)力矩波動小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。應(yīng)用：快速，平穩(wěn)，高精度。第一章電動機(jī)及其控制一、無槽電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)電樞繞組直接均勻排列在光滑的鐵心表面，用環(huán)氧樹脂固化。無齒槽，鐵心可細(xì)長，繞組在表面，電感小，冷卻條件好。功率大。第一章電動機(jī)及其控制二、盤式電樞直流伺服電動機(jī)定子是由永久磁鐵和前后磁軛組成。轉(zhuǎn)子是圓盤形，大部分用印制繞組，電流徑向流過圓盤表面，繞組的徑向段為有效部分。特別適用于軸向尺寸小的場合

第一章電動機(jī)及其控制三、空心杯電樞直流伺服電動機(jī)電樞繞組是薄壁圓筒狀。轉(zhuǎn)子無鐵心，故慣量和電感均大為減小。沒有槽，磁阻均勻。轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，換向好，噪音小，是低慣量電機(jī)中性能最好的一種。外磁式空心杯電樞直流伺服電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)在各種交直流電動機(jī)中是最小的。

第一章電動機(jī)及其控制1.6.2寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)

采用鐵氧體作磁極以降低成本。采用較多的極對數(shù)，增加轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)和換向片數(shù)，降低了轉(zhuǎn)矩波動，增大調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)子慣量大，比負(fù)載的折算慣量大得多，可使控制器適用于各類機(jī)床。電機(jī)的熱容量大，熱時間常數(shù)大，可在3倍額定轉(zhuǎn)矩的條件下工作幾十分鐘。

第一章電動機(jī)及其控制1.7直流力矩電動機(jī)

一、概述

,在功率相同時，轉(zhuǎn)速越高，力矩越小，體積和重量就越小。所以高速電機(jī)多。直流伺服電動機(jī)屬于高速電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為每分鐘幾千轉(zhuǎn),低速性差，更不宜在堵轉(zhuǎn)下工作。力矩小。帶動低速負(fù)載及大轉(zhuǎn)矩負(fù)載要用減速器。直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速低（幾十轉(zhuǎn)/分）、轉(zhuǎn)矩大，可在堵轉(zhuǎn)下長期工作?？梢灾苯訋拥退儇?fù)載和大轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)速和力矩波動小，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，特別適用于高精度的位置伺服系統(tǒng)。第一章電動機(jī)及其控制二、直流力矩電動機(jī)1.結(jié)構(gòu)特點永磁，多極，外形扁平。組裝式由制造廠在出廠時裝配好。分裝式，包括定子、轉(zhuǎn)子和刷架三大部件。機(jī)殼和轉(zhuǎn)軸由用戶自行選