直流電動機

直流電動機基本構(gòu)造

分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。注意：不要把換向極與換向器弄混淆了 。

定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。

轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞(shu)繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。

直流電動機轉(zhuǎn)子組成

直流電動機轉(zhuǎn)子部分由電樞鐵芯、電樞、換向器等裝置組成，下面對構(gòu)造中的各部件進行詳細介紹。

1.電樞鐵芯部分：其作用是嵌放電樞繞組和顛末磁通，為了下降電機工作時電樞鐵芯中發(fā)作的渦流損耗和磁滯損耗。

2.電樞部分：作用是發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，而進行能量變換。電樞繞組有許多線圈或玻璃絲包扁鋼銅線或強度漆包線。

3.換向器又稱整流子，在直流電動機中，它的作用是將電刷上的直流電源的電流變換成電樞繞組內(nèi)的溝通電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的傾向穩(wěn)定不變，在直流發(fā)電機中，它將電樞繞組溝通電動勢變換為電刷端上輸出地直流電動勢。

換向器由許多片構(gòu)成的圓柱體之間用云母絕緣，電樞繞組每一個線圈兩端區(qū)分接在兩個換向片上。直流發(fā)電機中換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動熱變換為電刷間的直流電動勢，負載中就有電流通過，直流發(fā)電機向負載輸出電功率，同時電樞線圈中也肯定有電流通過。它與磁場相互作用發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩，其傾向與發(fā)電機相反，原想法只需抑制這一磁場轉(zhuǎn)矩才華股動電樞改變。因此，發(fā)電機向負載輸出電功率的還，從原想法輸出機械功率，完結(jié)了直流發(fā)電機將機械能變換為電能的作用。

直流電動機勵磁方式

直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型 ：

1．他勵直流電機

勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。

2．并勵直流電機

并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。

3．串勵直流電機

串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。

4．復(fù)勵直流電機

復(fù)勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。

不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。

特點

(一)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。

(二)起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流。

電動機拖動。

直流電動機有無刷分類

1.無刷直流電動機：無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉(zhuǎn)子進行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機類似。

無刷直流電動機定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機或感應(yīng)電動機相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機本體為永磁電機，所以習(xí)慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。

2.有刷直流電動機：有刷電動機的2個刷(銅刷或者碳刷)是通過絕緣座固定在電動機后蓋上直接將電源的正負極引入到轉(zhuǎn)子的換相器上，而換相器連通了轉(zhuǎn)子上的線圈，3個線圈極性不斷的交替變換與外殼上固定的2塊磁鐵形成作用力而轉(zhuǎn)動起來。由于換相器與轉(zhuǎn)子固定在一起，而刷與外殼(定子)固定在一起，電動機轉(zhuǎn)動時刷與換相器不斷的發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的阻力與熱量。所以有刷電機的效率低下?lián)p耗非常大。但是它同樣具有制造簡單，成本低廉的優(yōu)點。

直流電動機的性能與它的勵磁方式密切相關(guān)，通常直流電動機的勵磁方式有4種：直流他勵電動機、直流并勵電動機、直流串勵電動機和直流復(fù)勵電動機。掌握4種方式各自的特點 ：

1．直流他勵電動機： 勵磁繞組與電樞沒有電的聯(lián)系，勵磁電路是由另外直流電源供給的。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。

2．直流并勵電動機: 電路并聯(lián)，分流，并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁

繞組用細導(dǎo)線繞成，其匝數(shù)很多，因此具有較大的電阻，使得通過他的勵磁電流較小。

3．直流串勵電動機：電流串聯(lián)，分壓，勵磁繞組是和電樞串聯(lián)的，所以這種電動機內(nèi)磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以直流串勵電動機通常用較粗的導(dǎo)線繞成，他的匝數(shù)較少。

4．直流復(fù)勵電動機：電動機的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生。

電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩T而變化的特性【n=f(T)】稱為機械特性。它是選用電動機的一個重要依據(jù)。各類電動機都因有自己的機械特性而適用于不同的場合。幾種直流電動機的機械特性見圖2 。

調(diào)速 　從直流電動機的電樞回路看,電源電壓U與電動機的反電動勢Ed和電樞電流Id在電樞回路電阻Rd上的電壓降必須平衡。即U=Ed IdRd

反電動勢又與電動機的轉(zhuǎn)速n和磁通φ有關(guān)，電樞電流又與機械轉(zhuǎn)矩M和磁通φ有關(guān)。即 z4系列直流電動機

Ed=Cφn

M=CφId式中C

為常數(shù)。由此可得式中n0為空載轉(zhuǎn)速，k 為Rа/C2。以上是未考慮鐵心飽和等因素時的理想關(guān)系，但對實際直流電動機的分析也有指導(dǎo)意義。由上可見直流電動機有3種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)勵磁電流、調(diào)節(jié)電樞端電壓和調(diào)節(jié)串入電樞回路的電阻。調(diào)節(jié)電樞回路串聯(lián)電阻的辦法比較簡便，但能耗較大；

且在輕負載時，由于負載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使直流電動機在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當，可使電機在不同轉(zhuǎn)速下運行。調(diào)速中應(yīng)注意高速運行時，換向條件惡化，低速運行時冷卻條件變壞，從而限制了電動機的功率。串勵直流電動機由于它的機械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動車輛牽引，在電車中常用兩臺或兩臺以上既有串勵又有并勵的復(fù)勵直流電動機共同驅(qū)動。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機端電壓成倍地變化（串聯(lián)時電動機端電壓只有并聯(lián)時的一半），從而可經(jīng)濟地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動時的電能消耗。

由于電機電樞回路電阻和電感都較小，而轉(zhuǎn)動體具有一定的機械慣性，因此當電機接通電源后，起動的開始階段電樞轉(zhuǎn)速以及相應(yīng)的反電動勢很小，起動電流很大。最大可達額定電流的15～20倍。這一電流會使電網(wǎng)受到擾動、機組受到機械沖擊、換向器發(fā)生火花。因此直接合閘起動只適用于功率不大于4千瓦的電動機（起動電流為額定電流的6～8倍） 。

為了限制起動電流，常在電樞回路內(nèi)串入專門設(shè)計的可變電阻,其原理接線見圖1。在起動過程中隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高及時逐級將各分段電阻短接，使起動電流限制在某一允許值以內(nèi)。這種起動方法稱為串電阻起動，非常簡單，設(shè)備輕便，廣泛應(yīng)用于各種中小型直流電動機中。但由于起動過程中能量消耗大，不適于經(jīng)常起動的電機和中、大型直流電動機。但對于某些特殊需要，例如城市電車雖經(jīng)常起動，為了簡化設(shè)備，減輕重量和操作維修方便，通常采用串電阻起動方法。

對容量較大的直流電動機，通常采用降電壓起動。即由單獨的可調(diào)壓直流電源對電機電樞供電，控制電源電壓既可使電機平滑起動，又能實現(xiàn)調(diào)速。此種方法電源設(shè)備比較復(fù)雜。

直流無刷電機的控制結(jié)構(gòu)，直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響，N=120．f / P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，

控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。控制部則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下

臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

當電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心 。

高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部電機轉(zhuǎn)速距離目標速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

1.額定功率P_N: 電機軸上輸出的機械功率 。

2.額定電壓U_N : 額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）

3.額定電流I_N : 額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流

（并勵包括勵磁和電樞電流）。

額定轉(zhuǎn)速nN: 在PN , UN , IN 時的轉(zhuǎn)速。

4.直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r/min 以上。特殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低（如每分鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。

注意: 調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速不能超過1.2n_N。

(1) 恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械(T_L一定，和轉(zhuǎn)速無關(guān))要選硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等 。

(2) 通風(fēng)機械負載，機械負載 TL 和轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。

(3) 恒功率負載（P 一定時，T和n 成反比)，要選 軟特性電機拖動。如：電氣機車等。

改變直流電動機轉(zhuǎn)動方向的方法有兩種 ：

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一是電樞反接法，即保持勵磁繞組的端電壓極性不變，通過改變電樞繞組端電壓的極性使電動機反轉(zhuǎn)；

二是勵磁繞組反接法，即保持電樞繞組端電壓的極性不變，通過改變勵磁繞組端電壓的極性使電動機調(diào)向。當兩者的電壓極性同時改變時，則電動機的旋轉(zhuǎn)方向不變。

他勵和并勵直流電動機一般采用電樞反接法來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。他勵和并勵直流電動機不宜采用勵磁繞組反接法實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的原因是因為勵磁繞組匝數(shù)較多，電感量較大。當勵磁繞組反接時，在勵磁繞組中便會產(chǎn)生很大的感生電動勢．這將會損壞閘刀和勵磁繞組的絕緣。

串勵直流電動機宜采用勵磁繞組反接法實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的原因是因為串勵直流電動機的電樞兩端電壓較高，而勵磁繞組兩端電壓很低，反接容易，電動機車常采用此法。

直流電動機拖動與交流電動機相比，直流電動機拖動的主要優(yōu)點是起動力矩大，可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。

直流電動機拖動一般的交流電動機，起動電流很大，起動力矩卻比較小，不適用于要經(jīng)常在重負載條件下起動的電車；另外，改變交流電動機的轉(zhuǎn)速，一般是通過改變電動機磁極對數(shù)的方法來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速變化不平滑，對電車不合適。

直流電動機拖動除起動力矩大以外，還有較強的過載能力，它可以使電車在重負載的情況下，經(jīng)常起動。直流電動機拖動的調(diào)速性能極高。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機拖動可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。因為拖動電車的直流電動機是串勵電動機，在這種電動機中，產(chǎn)生主磁場的勵磁線圈和電樞線圈串聯(lián)之后再外接直流電源。調(diào)速時是通過改變并聯(lián)在勵磁線圈上的一個分流電阻的大小，從而改變勵磁電流和電樞電流間的比值達到調(diào)速目的。操作時，因為可以方便地改變勵磁線圈上并聯(lián)的分流電阻值，所以改變電車運行速度也就比較容易了。

與交流電動機一樣，直流電動機也需要進行短路和過載保護。對于過載保護，直流電動機中所采用的熱繼電器與交流電動機中使用的繼電器有所不同，直流電動機中的熱繼電器僅有一個感溫元件，而交流電動機中的熱繼電器有三個感溫元件連接在電動機的三相繞組上。

除了這些常規(guī)保護外,在并勵電動機中還需要提供失磁保護,該保護由失磁繼電器完成。當并勵電動機通過在并勵勵磁繞組上串聯(lián)電阻器的方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時，另外兩個保護磁場加速保護和磁場減速保護必須被使用。