直流電機(jī)工作原理和有刷直流電機(jī)的模型建立

1、精選文檔直流電機(jī)工作原理和有刷直流電機(jī)的模型建立一、 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)可概括地分為靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩大部分。靜止部分稱(chēng)為定子；轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子。定、 轉(zhuǎn)子之間由空氣隙分開(kāi)，如圖。圖a所示為直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖b所示為直流電機(jī)剖面圖。1. 定子部分定子由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。(1)主磁極 它的作用是產(chǎn)生恒定的主極磁場(chǎng)，由主磁極鐵心和套在鐵心上的勵(lì)磁繞組組成。 (2)換向極 換向極的作用是消除電機(jī)帶負(fù)載時(shí)換向器產(chǎn)生的有害火花，以改善換向。 (3)機(jī)座 機(jī)座的作用有兩個(gè)，一是作為各磁極間的磁路，這部分稱(chēng)為定子磁軛；二是作為電機(jī)的機(jī)械支撐。(4)電刷裝置 其作用，一是使轉(zhuǎn)子繞組能與外電

2、路接通，使電流經(jīng)電刷輸入電樞或從電樞輸出；二是與換向器相配合，獲得直流電壓。2. 轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子是直流電機(jī)的重要部件。由于感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩都在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生是機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的樞紐，因此稱(chēng)作電樞。電樞主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。另外轉(zhuǎn)子上還有風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和繞組支架等部件。（1）電樞：鐵心電樞鐵心的作用有兩個(gè)，一是作為磁路的一部分，二是將電樞繞組安放在鐵心的槽內(nèi)。（2）電樞繞組：電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和通過(guò)電流，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換它由許多形狀完全相同的線圈按一定規(guī)律連接而成。每一線圈的兩個(gè)邊分別嵌在包樞鐵心的槽里，線圈的這兩個(gè)邊也稱(chēng)為有效線圈邊。（3）換向器：換向器又稱(chēng)整流

3、子，在直流電動(dòng)機(jī)中，是將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流，以保證同一磁極下電樞導(dǎo)體的電流方向不變，使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩恒定；在直流發(fā)電機(jī)中，是將繞組中的交流感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷上的直流電勢(shì)，所以換向器是直流電機(jī)中的關(guān)鍵部件。換向器由許多鴿尾形銅片（換向片）組成。換向片之間用云母片絕緣，電樞繞組每一個(gè)線圈的兩端分別接在兩個(gè)換向片上，換向器的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)在電刷與換向器之間往往會(huì)產(chǎn)生火花。微弱的火花對(duì)電機(jī)運(yùn)行并無(wú)危害，若換向不良，火花超過(guò)一定程度，電刷和換向器就會(huì)燒壞，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。此外，在靜止的主磁極與電樞之間，有一空氣隙，它的大小和形狀對(duì)電機(jī)的性能影響很大。空氣隙的大

4、小隨容量不同而不同?？諝庀峨m小，但由于空氣的磁阻較大，因而在電機(jī)磁路系統(tǒng)中有著重要的影響。二、直流電機(jī)的基本工作原理在A、B電刷上接入直流電源U，則該電機(jī)模型為電動(dòng)機(jī)模型。按入直流電源以后，電刷A為正極性，電刷B為負(fù)極性。電流從正電刷A經(jīng)線圈abcd，到負(fù)電刷B流出。根據(jù)電磁力定律在載流異體與磁力線垂直的條件下，線圈每一個(gè)有效邊將受到一電磁力的作用。電磁力的方向可用左手定則判斷。在換向器與靜止電刷的相互配合作用下，線圈不論轉(zhuǎn)到何處，電刷A始終與運(yùn)動(dòng)到N極下的線圈邊相接觸，而電刷B始終與運(yùn)動(dòng)到S極下的線圈邊相接觸，這就保證了電流總是由電刷A經(jīng)N極下的導(dǎo)體流入，再沿S極下的導(dǎo)體經(jīng)電刷B流出。因而電

5、磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使電機(jī)能沿逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在如圖所示的電動(dòng)機(jī)模型中，轉(zhuǎn)子線圈中流過(guò)電流時(shí)，受電磁力的作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可用下式表示： 式中，T為電磁轉(zhuǎn)矩(N·m）；Ia為電樞電流（A)；Cm為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Cm = 9.55Ce。當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈的有效邊也切割磁力線，根據(jù)對(duì)發(fā)電機(jī)所作的分析可知，顯然其中也會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)右手法則，由磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向不難判斷出有效邊中感應(yīng)電勢(shì)的方向，總是與其中的電流方向相反，故該感應(yīng)電勢(shì)又常稱(chēng)為電樞反電勢(shì)。這時(shí)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成了軸上輸出的機(jī)械能。三.有刷直流電機(jī)建模1典型的單位反饋系統(tǒng)一般研究的

6、傳遞函數(shù)是將時(shí)域函數(shù)經(jīng)拉普拉斯變換后的復(fù)頻域 函數(shù)。如圖：WO(s) 為系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，R(s) 和C(s)分別為系 統(tǒng)的輸入和輸出而E(S)為系統(tǒng)的誤差。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式:W0(s)=K(bmsm+bm-1sm-1+b1s+1)s(ansn+an-1sn-1+a1s+1)2直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動(dòng)機(jī)中，有電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的機(jī)械過(guò)程和電量變化的電磁 過(guò)程這兩個(gè)過(guò)程,按照實(shí)際情，在此模型中，我們認(rèn)為它們同時(shí)發(fā) 生。據(jù)此，從電樞電壓的平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程出發(fā)，建立其狀 態(tài)方程及傳遞函數(shù)關(guān)系。電樞電壓平衡方程為轉(zhuǎn)矩平衡方程為其中ua 電樞電壓(V)；電樞反電勢(shì) (V)；ia 電樞電流

7、(A)；La 、Ra電樞電感(H)、電樞電阻(Q)；每極磁通(Wb)；n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(rmin)Ce、Cm直流電機(jī)電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ce =PN(60a)、Cm = PN(2a)，其中P為電機(jī)極對(duì)數(shù)，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，a 為并聯(lián)支路數(shù)M、ML 電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (Nm)；J轉(zhuǎn)速慣量(Nmsminr)其中轉(zhuǎn)速慣量J,與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0(Nmsrad) 之間關(guān)系如下。由得作拉普拉斯變換可解得電樞電流ia與電樞電壓ua,之間的傳遞 函數(shù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩(M-ML)之間的傳遞函數(shù)其中Ka=1Ra電樞回路放大倍數(shù)；T=LaR電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)；令Tm =JRaCMCe2機(jī)電時(shí)間常數(shù) (s)建立精

8、確模型時(shí)要考慮到機(jī)電(Tm)和電磁(Ta)的過(guò)渡過(guò)程，反映在傳遞函數(shù)中，即它形成了一個(gè)有反饋的閉環(huán)二階系統(tǒng)，由此系統(tǒng) 可得電機(jī)精確模型的傳遞函數(shù)框圖(如圖2所示)，則可得到轉(zhuǎn)速與 電樞電壓的傳遞函數(shù)?？驁D：傳遞函數(shù)： n(s)ua(s)=1/CeTmTas2+Tms+1注意到實(shí)際情況下，系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)r和在數(shù)量上差別較大，由轉(zhuǎn)子慣性引起的機(jī)電時(shí)間常數(shù)往往比電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，兩個(gè)過(guò)程可以不看作同時(shí)發(fā)生而是接續(xù)發(fā)生，這樣可以近似認(rèn)為較快電流變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)遞不變，即電樞反向電動(dòng)勢(shì)s不 變，而在研究比較緩慢的變化過(guò)程時(shí)，可以認(rèn)為電磁過(guò)程已經(jīng)衰減 完畢，即認(rèn)為T(mén)=0，這樣可以簡(jiǎn)化電機(jī)模型，得到簡(jiǎn)化傳遞公式：n(s)ua(s)=1/CeTms+1當(dāng)輸入電壓為單位階躍函數(shù)時(shí)，即0,t<01,t0將n(s)轉(zhuǎn)換為時(shí)域形式n(t)=/(TmCe)(1-e-1Tm)例如取/(TmCe)=1，Tm=0.5，則可得到下圖示例n-t圖若電機(jī)為永磁式的則有簡(jiǎn)化形式n(t)=K(1-e-1Tm)在上式中取t=Tm,則有n(T