电机与拖动基础——直流电机的建模与特性（01-06部分）.ppt

直流电机的建模与特性分析 刘锦波 山东大学 控制科学与工程学院 内容简介 直流电机的基本运行原理→结构→电磁关系→数学模型（即基本方程式和等效电路）→直流电动机和发电机运行特性的分析与计算。 直流电机的图片 2.1 直流电机的基本运行原理与结构 A、直流电机的基本运行原理 图2.1 通电导体和线圈在磁场下的受力分析 结论： 要产生有效的电磁转矩，必须确保N极下的导体中电流方向总是流入，S极下的导体 中电流方向总是流出。在直流电动机中，上述任务是由机械式换向器和电刷来完成的。 图2.2 直流电机的运行原理示意图 结论： （1）直流电机电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流； （2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器； （3）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。 B、直流电机的结构 图2.3 直流电机的结构图 1-机座 2-主磁极 3-励磁绕组 4-风扇 5-轴承 6-轴 7-端盖 8-换向极 9-换向极绕组 10-端盖 11-电刷装置 12-换向器 13-电枢绕组 14-电枢铁心 （1）额定功率：定义为额定状态下的输出功率，用 表示； 2.2 直流电机的额定数据 对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率 ； 对于发电机，额定功率则是指定子侧绕组输出的电功率。 （2）额定电压：定义为额定状态下的电压，用 表示； （3）额定电流：定义为额定状态下的电压，用 表示。 （4）额定转速：定义为额定状态下的转速，用 表示； （5） 额定效率： 定义为额定条件下电机的输出功率与输入功率之比，用 表示。 额定数据之间存在如下关系： 对于直流电动机： 对于直流发电机： （2-2） （2-1） 2.3 直流电机的电枢绕组———电路构成 A、对电枢绕组的要求 正、负电刷之间所感应的电势应尽可能大； 节省材料、结构简单。 B、直流电机的简单绕组 图2.4 直流电机的简单绕组 图2.5 直流电机简单绕组的电路连接 结论: 电枢绕组为闭合绕组; 直流线圈基本上是整距线圈 C、直流电枢绕组的基本型式 a、几个术语 分类： 图2.6 直流绕组的结构与嵌线 元件：即单个绕组，它是多匝线圈组成； 极距：相邻两主极之间的距离，用 表示； 图2.7 单叠绕组的连接特点 (3) 线圈的节距: 同一线圈的两个元件边之间的 间距, 用 表示; (4) 换向器的节距:同一线圈的两个出线端所接换向片之间的距离, 用 表示; (5) 单、双层绕组: 根据同一槽内放置的线圈边划分；单层绕组每个槽内仅放置一层元件边;而双层 绕组每个槽内则放置两层元件边。 b、单叠绕组 联结规律： （1）同一元件的两个出线端分别接至相邻的换向片上； （2）相邻的两个元件接至相邻的换向片上。 下面以槽数 ，极数为 ，元件数等于换向片数 为例，加以说明。 图2.8 单叠绕组的展开图 图2.9 单叠绕组元件的连接次序图 结论: 电刷是电流的分界线; 单叠绕组的支路数等于极数，即 。 图2.10 电枢绕组的电路图 联结规律： 把上层边同一类型磁极下（N极或S极）的元件通过换向片依次相连构成支路。 c、单波绕组* 图2.11 单波绕组的连接示意图 图2.12 单波绕组的展开图 图2.13 单波绕组的电路图 结论: 单波绕组的支路数等于2，即 。 一般结论: （1）单叠绕组适用于低电压、大电流的直流电机； （2）单波绕组适用于高电压、小电流的直流电机。 2.4 直流电机的各种励磁方式与磁场 2.4.1 直流电机的各种励磁方式 图2.14 各种励磁方式下的直流电机接线图 分类: 2.4.2 直流电机的空载磁场 空载： 直流电机的空载是指电枢电流(或输出功率)为零的运行状态。 主磁场： 仅由定子励磁磁势（或安匝）单独产生的磁场称为主磁场，亦即空载时的总磁场（或气隙磁场）； A、空载主磁场的分布 图2.15 四极直流电机的磁路与空载主磁场示意图 当励磁绕组通以直流励磁电流 时，每极的励磁磁势为： （2-4） 式中， 为每一磁极