直流電動機(jī)的基本原理

1、一、直流電動機(jī)的基本原理：下面電機(jī)原理部分的內(nèi)容主要摘自謝明琛教授編著的電機(jī)學(xué):圖241直窿電機(jī)的工作原理圖圖示為一個最簡單的直流電機(jī)模型，定子上有固定的永久磁鐵做 磁極，轉(zhuǎn)子為圓柱型的鐵芯，上面嵌有線圈（圖中導(dǎo)體ab和cd連成 一個線圈），線圈的首末端分別連接在兩片彼此絕緣的圓弧型換向片 上，換向片固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，整個轉(zhuǎn)動 部分成為電樞，為了把電樞和外電路接通，在換向片上放置了兩件空 間位置固定的電刷A和氏當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動時，電刷A只能與轉(zhuǎn)到上面 的換向片接觸，電刷B只能與轉(zhuǎn)到下面的換向片接觸。當(dāng)這個原理樣機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)運行時，用原動機(jī)拖動電樞，使 之以恒速n沿逆時針方

2、向旋轉(zhuǎn)，若導(dǎo)體的有效長度為l ,線速度為v, 導(dǎo)體所在位置的磁通密度為則在每根導(dǎo)體中感應(yīng)出電勢為e - B .l .v導(dǎo)體感應(yīng)電勢的方向用右手定則確定，在圖示的瞬間，ab導(dǎo)體 處在N極下，其電動勢的方向由ba，而導(dǎo)體cd處在S極下，其 電動勢方向由dc,整個線圈的電動勢為2e，方向由da,如果線圈 轉(zhuǎn)過180度，則ab導(dǎo)體和cd導(dǎo)體的電動勢方向均發(fā)生改變，故線圈 電動勢為交變電動勢。但通過測量，我們卻發(fā)現(xiàn)在電刷A/B間的電動勢卻是單向的，這 是為什么呢？這是因為電刷A只與N極下的導(dǎo)體接觸，當(dāng)ab導(dǎo)體在 N極下時，電動勢方向為baA，電刷A的極性為+，在另一個時刻， 導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下時，電動勢

3、的方向為cdA,電刷A的極性仍為 +，可見電刷A的極性永遠(yuǎn)為+，同理，電刷B的極性就永遠(yuǎn)為-，故 電刷A/B間的電動勢為直流電動勢。若把上述電機(jī)模型用做電動機(jī)運行，在電刷A/B間施加直流電 壓，使電流從正極電刷A流入，通過線圈abcd，經(jīng)負(fù)極電刷B流出， 由于電流始終從N極下的導(dǎo)體流入，S極下的導(dǎo)體流出，根據(jù)電磁力 定律可知，上下兩根導(dǎo)體受到的電磁力方向始終為逆時針方向，它們 產(chǎn)生的電磁力矩的方向也始終是逆時針方向，使電機(jī)按逆時針方向旋 轉(zhuǎn)，從上面的分析可以看出，在直流電機(jī)的繞組里，電樞線圈里的電 流方向是交變的，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距的方向卻是單向的，這也是由于 有換向器的原因。以上是直流電機(jī)運行

4、的基本原理，而對直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，相 信大家已經(jīng)非常熟悉，我就不再浪費大家的時間，下面，就首先從電 動機(jī)的額定參數(shù)的定義開始給大家開始介紹電機(jī)的運行方程及特點。二、直流電動機(jī)的額定參數(shù)我們在公司制造的各種電機(jī)上，都可以看到額定電壓，額定功率 等參數(shù)，他們的具體含義如下：額定電壓：對電動機(jī)來說，是指在標(biāo)準(zhǔn)的供電的系統(tǒng)中，施加在 電動機(jī)接線端上的直流電壓，具體到我們公司的產(chǎn)品，基本上是使用 在汽車上，目前汽車行業(yè)采用的供電體系主要有12V和24V兩種，所 以，我們的電機(jī)額定電壓也都是12V或24V，這里要引起注意的是， 額定電壓并不是對該產(chǎn)品進(jìn)行評價時的測試電壓，隨著使用環(huán)境的不 同，我們對產(chǎn)品

5、的測試電壓的規(guī)定是變化的，比方在進(jìn)行基本性能測 試時，采用的是12V，但進(jìn)行耐久試驗時，為了減少測試時間，往往 采用13.5V的測試電壓。對起動機(jī)來說，這就更加明顯，額定電壓 12V的起動電機(jī)，在使用過程中，是有蓄電池供電的，考慮到電池的 內(nèi)阻和容量限值，額定負(fù)載點的測試電壓往往只有8-9V。額定電流：在電機(jī)接線端施加額定電壓，輸出軸上施加額定力矩 時，通過電樞繞組的電流。額定轉(zhuǎn)速：電機(jī)在額定電壓和額定電流下，輸出的轉(zhuǎn)速。額定功率：電機(jī)在額定電壓、額定電流下，軸端輸出的功率。對 發(fā)電機(jī)來說，是指電機(jī)的出線端子輸出的額定功率。三、電動機(jī)的輸出特性和電機(jī)拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件：電動機(jī)的運行是將電能轉(zhuǎn)

6、換為機(jī)械能，表征它的輸出機(jī)械功率的 參數(shù)主要是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距，因此直流電機(jī)的工作特性是指輸入電壓、勵 磁電壓（對我們公司生產(chǎn)的永磁直流電機(jī)來說，勵磁電壓始終為恒定值，這里可以不考慮)等于常數(shù)，電樞回路無附加電阻的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)距，效率等和輸出功率間的特性曲線，即n,Mem，門=f (P2)在實際工作中，因電樞電流Ia容易測量，往往把上式寫為n,Mm，門=f (Ia)下圖是個風(fēng)扇電機(jī)輸出特性的例子：P2(W) TOC o 1-5 h z 1515013512120105990756604533015001(A)3027242118120.2.4.6.811.21.41.61.82T( N.m

7、)從圖中，我們可以清晰的看到，電機(jī)的測試條件是輸入電壓為12V1(A)3027242118120.2.4.6.811.21.41.61.82T( N.m)現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了電機(jī)的輸出特性曲線，其中最關(guān)鍵的是要知道我們 的電機(jī)到底工作在曲線上的那一點，很多時候用戶是不給你這個具體數(shù)據(jù) 的，比方風(fēng)扇電機(jī)，用戶只給你風(fēng)扇總成的要求，如輸出流量，壓力等， 這時候我們怎么處理呢？現(xiàn)在，我們需要考慮負(fù)載和電機(jī)組成的系統(tǒng)的機(jī)械特性，我們在同一 個坐標(biāo)系里，通過測試，得到驅(qū)動規(guī)定負(fù)載時，轉(zhuǎn)速和力矩對應(yīng)的曲線， 然后從圖上找出它與電機(jī)的轉(zhuǎn)速一力矩曲線的交點，這個交點對應(yīng)的坐標(biāo) 就是電機(jī)的工作點。如下圖所示：26

8、00240022002000180016001400120010008006004002000-2000.00.20.40.60.81.01.2T關(guān)于如何來作出負(fù)載的特性曲線，我們以后結(jié)合具體的電機(jī)測試再詳 細(xì)分析。從圖中，我們再進(jìn)一步思考一下，由電機(jī)和扇葉負(fù)載構(gòu)成的系統(tǒng) 是否能穩(wěn)定運行呢？也就是說，如果由于某種外加的干擾，使扇葉的轉(zhuǎn)速 發(fā)生變化后，整個系統(tǒng)是否仍能回到原來的工作點繼續(xù)穩(wěn)定運行？我們在下圖中繪出電機(jī)的機(jī)械特性曲線n = / (Mem)和負(fù)載的機(jī)械特 性曲線n = /(Mo)圖中A點表示這個拖動系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，即Mem = M ，假設(shè)出現(xiàn)某 種擾動使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速突然升高，變?yōu)?/p>

9、n + An，然后擾動消失，這時候，從電 機(jī)的機(jī)械特性曲線上，可以看到，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距相應(yīng)變?yōu)閑點的轉(zhuǎn)距Mem， 而此時的負(fù)載轉(zhuǎn)距相應(yīng)變?yōu)閐點的轉(zhuǎn)距，顯然，此時的d點的轉(zhuǎn)距大于e點 的轉(zhuǎn)距，整個系統(tǒng)減速運行，直到兩個轉(zhuǎn)距平衡的A點，反之，如果干擾使 系統(tǒng)減速，然后擾動消失，我們同樣可以分析出，系統(tǒng)將升速運行直到A點 重新平衡，這樣，我們就得到了電機(jī)拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的條件：dMdMdn dndM dM如圖b中所示的情況，因電機(jī)具有向上的機(jī)械特性，*我們假設(shè)依然出現(xiàn)某種擾動，使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速升高，然后擾動消失，按與上 面同樣的方法進(jìn)行分析，我們可以看到，系統(tǒng)將無法回到A點穩(wěn)定運行，而 是轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高

10、，甚至有可能造成整個系統(tǒng)損壞。這種情況在我們生產(chǎn)的電機(jī)里，在某些特殊情況下是很可能發(fā)生的，比方 電機(jī)的工作點設(shè)計不當(dāng)，電機(jī)運行時使磁鋼產(chǎn)生了不可逆的退磁現(xiàn)象，在外 加的擾動情況下，隨著電機(jī)電流的增大，去磁效應(yīng)進(jìn)一步加大，勵磁磁勢繼 續(xù)降低，這時候電機(jī)的機(jī)械特性就呈現(xiàn)圖b所示的情況，電機(jī)將有可能加速 運行，嚴(yán)重的極端情況下，完全有可能造成電機(jī)整體破壞。四、電機(jī)的繞組這部分內(nèi)容主要摘自王毓東教授編寫的電機(jī)學(xué)，并參考了部分東南大 學(xué)王鄂教授編寫的電機(jī)學(xué)。我們知道，電機(jī)的繞組是進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，從原理上對其 構(gòu)成和功能進(jìn)行了解是十分必要的，下面，我們就針對日前最常用的兩種繞 組結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，

11、首先，介紹幾個基本概念。元件：指分別與換向片兩端連接的單匝或多匝線圈。如下圖示：圖疊繞組元件智2-2波繞組元件幻單匝元件,兩匝元件 G單匝元件3）兩匝元件元件邊：元件放在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，切割磁力線感應(yīng)電動勢的部分。虛槽：為了改善電機(jī)的性能，通常電機(jī)的繞組需要用較多的元件構(gòu)成，但因 為工藝限值，轉(zhuǎn)子上不能開足夠的槽，因此，會出現(xiàn)一個槽內(nèi)放置幾個元件 邊的情況，這時，我們把一個槽內(nèi)同一個上下元件邊所占的上下層位置稱為 一個虛槽，如下圖所示：設(shè)每個實槽包含松虛槽包電刪實槽數(shù)為Z，虛槽數(shù)Z，元件數(shù)S之間的關(guān)系如下： b）二個和C）三個虛槽Zi = R Z = S由于每個換向片都要連接到屬于不同元件的元件邊上

12、，所以，元件數(shù)始 終等于換向片數(shù)。繞組在槽內(nèi)的分布型式如下圖所示，在圖a中，三個元件的上下元件邊 都處在一個槽內(nèi)，這種元件稱為同槽式元件，圖b、c表示的是上下元件邊不 在同一個槽內(nèi)的情況，這種元件稱為異槽式元件。顯然，異槽式元件加工復(fù)雜，但它在改善電機(jī)換向方面，有特殊的作用， 有時還是會被采用，而我們通常使用的元件基本是同槽式的。極距T :電機(jī)每個極下對應(yīng)的虛槽數(shù)T = Zl /2 PP為電機(jī)的極對數(shù)對我們的研究對象，公司目前生產(chǎn)的各種電機(jī)，轉(zhuǎn)子上的每個實槽內(nèi)都只有一個虛槽，因此Z = Z，下面的論述中，我們都不再考慮虛槽的影響。繞組的節(jié)距：第一節(jié)距七：每一元件的元件邊在電樞上所跨過的槽數(shù)。如

13、下圖:yLyL +1為了使元件中感應(yīng)的電勢最大，各種繞組的七都應(yīng)等于或接近極距，顯然，七肯定為一個整數(shù)，而極距然，七肯定為一個整數(shù)，而極距=Zl /2 p卻不一定是整數(shù)，因此，第一節(jié)距的表達(dá)式應(yīng)為：七=力/ 2 P 8 =整數(shù) 8為小于1的真分?jǐn)?shù)當(dāng)8 =0時，元件稱為整距元件8 0時，元件稱為長距元件第二節(jié)距2 :同一換向片所串連的兩個元件中，前一元件的下元件邊與后 一元件的上元件邊在電樞表面相隔的虛槽數(shù)。合成節(jié)距：同一換向片所串連的兩個元件中，對應(yīng)的元件邊在電樞表面 相隔的虛槽數(shù)。=七+ y2換向器節(jié)距 七：每一元件所連接的兩個換向片之間在換向器表面所跨的換 向片數(shù)，七=y單疊繞組單疊繞組的

14、特點是：yk = y = 1,具體來說，就是這種繞組任何相 鄰的兩個元件都是后一元件緊疊在前一元件上，每嵌完一個元件就在電樞表 面移動一個槽，直到最后一個元件與第一個元件首尾相連而構(gòu)成一個閉合的 繞組。這種繞組使用在基本上所有的風(fēng)扇、雨刮電機(jī)上，下面，就結(jié)合一個4 極電機(jī)有16個槽的整距轉(zhuǎn)子繞組來進(jìn)行簡單說明。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子刀=S=K=16,2P=4,有四個電刷，按圖示方向連接，在不考慮電樞反映的情況下，正負(fù)極電刷間通12V電壓，在圖示的瞬間，我們把電 樞繞組剖開，畫成圖示的展開圖，繞組內(nèi)的電流方向如圖所示。注意：圖中的電刷我們應(yīng)該把它看成電源的輸入端，正極為電流輸入， 負(fù)極為電流輸出。簡單的說

15、，與正極電刷接觸的換向片所連接的元件邊里電 流的方向一定是向上，與負(fù)極電刷接觸的換向片所連接的元件邊里的電流的 方向一定是向下。圖中，每個槽內(nèi)都有兩個元件邊，實線部分表示上層邊，虛線部分表示 下層邊，每個線圈我們都只用上層邊的槽號來代表，如1號線圈就指的是上 層邊在1號槽內(nèi)的線圈，顯然，1號槽內(nèi)虛線邊代表的線圈是13號線圈。四個磁極和電刷的相對位置是相對固定的，但繞組卻是在不停的移動， 我們現(xiàn)在分析圖示瞬間電樞繞組內(nèi)的電流分布情況，可以看到，在每個磁極 下，三個槽內(nèi)的電流方向都是一致的，磁極間的四個槽1、5、9、13內(nèi)，上 下元件邊的電流方向相反，槽內(nèi)的合成電流為0，其余各槽內(nèi)的元件邊受力方

16、向均相同，電機(jī)沿逆時針方向運行，按這樣的分析方法，也可以畫出下圖所 示的繞組連接等效電路圖。可以看到，線圈1、9、5、13因為被電刷短路，其兩端電勢相等，沒有做功，其余線圈都是每個極下的線圈串連后，再如圖所示并聯(lián)起來，電機(jī)的電樞電 流等于四個支路的電流和。顯然，對單疊繞組，電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù)就等于主極的極數(shù)，電樞電 流為各支路電流之和。故有時候我們也把疊繞組稱為并聯(lián)繞組。在這里，大家也許會提出疑問，圖中電刷的擺放是否有規(guī)律呢？換句話 說，我們應(yīng)該按什么原則來布置電刷?對電動機(jī)來說，通過正負(fù)極電刷引入的電勢的元件，應(yīng)該使其在主極下被串連起來的線圈所產(chǎn)生的電磁力矩最大，這就是布置電刷的最基本的原

17、則， 當(dāng)然，為了改善電機(jī)的換向性能，有時候，我們會采取移動電刷的方式，這 個問題在以后的章節(jié)我們單獨討論。我們把上面的電樞繞組展開圖中，相鄰主極間的中心線我們稱為電樞的 幾何中心線，從圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，在幾何中心線下的元件邊的合成電流 為0，同時，只有在相鄰的兩個幾何中心線下的元件邊上布置電刷，才能夠使 每個主極下的元件所包圍的范圍內(nèi)，有最大數(shù)量的槽合成電流不為0，我們不 妨在圖示的展開圖中，將電刷向左移動一個槽距。我們?yōu)榱朔奖惴治隼@組內(nèi)的電流情況，按上述同樣的方法，首先觀察被電刷短路的線圈是那幾個（如圖中紅線表示），然后再畫出等效電路圖，如下:可見，這時候，線圈4、8、12、16被電刷短路

18、后，再分別與三組線圈串 連后并聯(lián)起來，以N極下線圈舉例，可以看到，這時，在主極下的三個線圈 中，4號被電刷短路了，為電樞提供電磁力矩的線圈數(shù)量只有2個了，另個沒 有被短路的線圈1因為沒有在主極下面，雖然有電流通過，但卻無法產(chǎn)生電 磁力矩，所以，這就相當(dāng)于電機(jī)的匝數(shù)被減少的情況，電機(jī)性能將發(fā)生變化。因此，我們可以知道，電刷應(yīng)該放置在連接在元件邊在幾何中心線上的 元件的換向片上，對整距繞組來說，這時元件的中心線與主極的軸線重合， 對短距或長距繞組，也有同樣的情況，而該元件連接的兩個換向片的中心線 此時應(yīng)該與主極軸線重合，因此，上面的表述我們可以換種說法，對于端接 線對稱的繞組電刷應(yīng)該放置在主極的軸

19、線下。短距繞組或長距繞組，情況也 是一樣的，但如果端接線不對稱，該怎么放置呢？（自己思考？）單波繞組：相對于單波繞組，在電機(jī)的槽數(shù)和元件數(shù)一定時，為了取得更大的電動 勢，對4極或以上的電動機(jī)來說，為了在相同的電樞電流下，得到更大的電 磁轉(zhuǎn)距，我們希望將所有相同主極下的線圈都串連起來，為了說明這一問題， 我們將前面講過的繞組用下圖兩種不同方式進(jìn)行連接，觀察有什么不同： TOC o 1-5 h z 91WWA XA : t,i:W- V -. - UV16sV； -舊 ； isM N、. - -W- W? a& iW V： -AX -、N上圖表示的是剛才我們討論過的單疊繞組結(jié)構(gòu)的簡化畫法，和下圖（

20、單 波繞組的電路連接示意圖）相比，在同樣的元件數(shù)量和輸入電壓相同的情況 下，如果電動機(jī)拖動的負(fù)載力矩是恒定的，顯然，因為并聯(lián)支路數(shù)變?yōu)樵瓉?的一半，每個支路的線圈數(shù)量增加了一倍，平衡相同的外加電勢所需要的轉(zhuǎn) 速便會降低，因此，只需和疊繞組比較少一半的匝數(shù)便會產(chǎn)生相同的輸出力 矩，但這樣對電機(jī)的設(shè)計和使用有什么實際意義呢？我們換個角度來考慮這 個問題，對我們設(shè)計的微型電動機(jī)來說，在同樣的設(shè)計功率下，電機(jī)的額定 電流都是近似的，如果采用單疊繞組，因并聯(lián)支路數(shù)多，在上述例子的情況 下，電樞繞組內(nèi)的電流是電機(jī)輸入電流的1/4,但如果選用單波繞組，電樞繞 組內(nèi)的電流就會增大一倍，這樣，就必須選擇更粗的導(dǎo)

21、線，增大了繞組的制 造難度。但在制造需要大力矩輸出的電機(jī)，如起動電機(jī)的時候，我們希望能 用較少的匝數(shù)產(chǎn)生較大的輸出力矩，采用單波繞組就比單疊繞組更有優(yōu)勢， 具體的分析我們將在以后的電機(jī)特性方程分析中討論。這樣的串連方式我們 把它稱為單波繞組，下圖是它的基本連接方式（4極、槽數(shù)19），：其特點是，繞組的第一節(jié)距要近似于極距，合成節(jié)距要近似于2T，但不能 等于它，設(shè)某個元件從某個換向片出發(fā)，串連了 P個元件而沿電樞表面走了 一周后，應(yīng)該回到與出發(fā)點的換向片相鄰的一個換向片上，亦即應(yīng)使p y * = K 土 1然后按此規(guī)律繞制，直到繞組回到第一個換向片，從而構(gòu)成一個完整的繞組。電刷的布置我們可以按照

22、分析單疊繞組的方法來分析在采用單波繞組時的電刷布置 方法，顯然，對端接對稱的繞組，電刷也應(yīng)放置在主極的幾何中心線下，由 于繞組僅有一對并聯(lián)支路，理論上對多極電機(jī)來說，只需要一對電刷便可以 滿足需要，但出于減少電刷的電流密度，改善換向等原因，我們通常仍選用 與極數(shù)相同的電刷數(shù)量，稱為全額電刷配置。思考：一個四極電機(jī)，采用單疊繞組，如果一對相鄰的電刷被去掉，對電機(jī) 的性能有什么影響？（提示：可以采用例子中的方法，畫出每個極下槽內(nèi)的 電流方向，觀察參加提供電磁力矩的元件數(shù)量的變化，或通過等效電路分析） 繞組的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：在了解了電機(jī)的這兩種繞組結(jié)構(gòu)后，我們需要進(jìn)一步了解制造方法及制 造繞組的零件和成品

23、的質(zhì)量判定方法，在評價一個產(chǎn)品好壞之前，我們首先 要了解這種產(chǎn)品的使用范圍及用戶對它的期望，然后才可以制定一個可以接 受的標(biāo)準(zhǔn)，并通過試驗驗證來確定各個零件及成品的要求。我們把問題具體到風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈來討論，它一般采用單疊繞組， 它放置在汽車發(fā)動機(jī)倉的水箱前面，這種電機(jī)一般沒有采用全密封結(jié)構(gòu)，因 此，會接觸到發(fā)動機(jī)倉內(nèi)的酸性氣體和汽油蒸汽，還會接觸到洗車時飛濺的 水等液體，環(huán)境溫度為-40度80度，用戶的期望有效壽命為2000小時以上， 同時，轉(zhuǎn)子為旋轉(zhuǎn)部件，用戶期望其振動量應(yīng)該在2g.cm以下，針對上述要 求，我們就可以初步總結(jié)出對轉(zhuǎn)子線圈的要求：1、耐溫性能：通過測試，我們了解到風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的溫升一般 為80度左右，加上環(huán)境溫度，轉(zhuǎn)子必須能長期在180的環(huán)境溫 度下工作，因此，應(yīng)該選擇耐溫等級在180度的漆包線。1、2、要保證達(dá)到用戶對耐久性的期望，對轉(zhuǎn)子來說，就應(yīng)充分考慮線 圈上的針孔造成的局部短路現(xiàn)象對轉(zhuǎn)子可靠性的影響，再結(jié)合繞 線機(jī)繞制轉(zhuǎn)子時，為了保證繞制后線圈的形狀必須施加的拉力， 就要對漆包線的延展性進(jìn)行分析，防止繞線后漆包線出現(xiàn)破損。3、大家在相關(guān)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)品圖上，一般可以看到，對轉(zhuǎn)子要進(jìn)行施加 電壓為500V的正弦交