直流电机基本知识与控制方法

专业资料

电机简要学习手册

2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法

1直流电机简介

直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能

（直流发电机）的旋转电机。

它是能实现直流电能和机械

能互相转换的电机。当它作电

动机运行时是直流电动机，将

电能转换为机械能；作发电机

运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。

2 直流电动机基本结构与工作原理

2.1 直流电机结构

如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。

2.2 直流电机工作原理

如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和

cd收到电磁力的作用，

其方向可由左手定则判

定，两段导体受到的力

形成了一个转矩，使得

转子逆时针转动。如果

转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。

如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。

3直流电机重要特性

如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。

我们可以得到直流电机的四个基本方程：

U=E+I*R (1)

电枢绕组端电压等于反电动势+内阻电流压降

E=Ce*n (2)

反电动势=与电机相关的常数*转速

T=Ct*I (3)

转矩=与电机相关的常数*电流

Tm-TL-T0=J*dw/dt (4)

动力学方程

3.1直流电机反电动势推导

3.2

转矩方程推导

一个主极下导体产生的转矩：

由φπ

=τ2a

Ni T ，因a a ai I 2=，p 为磁极对数，

则电枢全部导体产生的电磁转矩为： a T a a em

I K I a

pN

a ai N p pT T φφπφπτ====222222

重要结论：a T em I K T φ=∴ 其中转矩系数、转矩常数a

pN

K T π2= 特点：

直流电动机电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。

对他励DCM ，不考虑电枢反应影响时、励磁电流恒定时，有

＝常数＝，φT T a T em K C I C T =〖有量纲：[Wb]〗

优点：直流电动机的电磁转矩直接受电枢电流控制【线

性、能观能控】

KT与Ke的关系

公式T*Ω=Pm=Ea*Ia正好验证了反电动势产生的电磁能全部转化成总的机

械能。

其中，T*Ω=Pm=T*2Pi*f=T*2Pi*n/60=T*n/9.55 (单位：W)

3.3 能量关系

⎝

⎛

+

⎪

⎪

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

=

⎪

⎪

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

,摩擦损耗的能

通风

上

加

输出的机械能

铁芯中损耗的能量

上

加

磁场中能量的增加

电阻中能量损耗

去

减

电源输入的电能

并励时a

a

f

UI

UI

UI

UI+

=

+

=

=

cuf

1

P

P

忽略励磁电路铜耗：

2

cua

2

Fe

cua

em

cua

a

1

P

P

P

P

P

P

P

P

P

UI

P+

+

=

+

+

+

=

+

=

≈

Ω

P1

P

c u f P

c u a

P em

P F e P

P2

P

电动机的功率流图

其中P0就是空载转矩，基本可认为变化不大，常当做恒定值。

现在看第四个方程Tm-TL-T0=J*dw/dt,两边同乘于Ω，用电机常用参数表示，则可得公式

Tm-TL-T0=GD^2/375*dn/dt.

3.4 直流电机特性曲线

在励磁磁通恒定的情况下，电机特性曲线如下图，由于良好的线性特性，所以电机调速范围广，线性度好。

4直流电机控制系统

传统的直流电机调速，通常是以下几种