直流電動(dòng)機(jī)簡介

　　直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。

　　當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時(shí)，電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時(shí)針方向的力矩作用；電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時(shí)針方向的力矩作用。這樣，整個(gè)電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子：基座，主磁極，換向極，電刷裝置等；轉(zhuǎn)子（電樞）：電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

直流電動(dòng)機(jī)百科

　　直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。

　　當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時(shí)，電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時(shí)針方向的力矩作用；電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時(shí)針方向的力矩作用。這樣，整個(gè)電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子：基座，主磁極，換向極，電刷裝置等；轉(zhuǎn)子（電樞）：電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

　　控制原理

　　直流無刷電機(jī)的控制原理，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)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(jī)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(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反?；旧瞎β示w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?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令（Command）與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(duì)（或由軟件運(yùn)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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心［4］ 。

　　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(shí)間，另外對(duì)于hall-sensor信號(hào)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(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)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(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差（Error）。知道了誤差自然就要補(bǔ)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(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)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。

　　直流電動(dòng)機(jī)主要由什么組成

　　直流電動(dòng)機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。

　　定子由主磁極、換向極、電刷裝置和機(jī)座組成。主磁極鐵芯上套有線圈，通入直流勵(lì)磁電流便會(huì)產(chǎn)生磁場，即主磁場。換向極也由鐵芯及套在上面的線圈組成，其作用是產(chǎn)生附加磁場。以減弱換向片與電刷之間的火花，避免燒蝕。機(jī)座除作電動(dòng)機(jī)的機(jī)械支架外，還作為各磁極間磁的通路。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、換向器、軸和風(fēng)扇組成。轉(zhuǎn)子鐵芯用來安裝轉(zhuǎn)子繞組，并作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組的主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并通過電流，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。換向器由換向片組成，換向片按一定規(guī)律與轉(zhuǎn)子繞組的繞組元件連接。

　　直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指供給電機(jī)額定電壓額定勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系、轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流之間的關(guān)系及效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系。這三個(gè)關(guān)系分別稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。

　?。ㄒ唬┧麆?lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性相同。

　　1．轉(zhuǎn)速特性

　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可表示為，把上一節(jié)式（1—19）代入式（1—20），整理可得：

　　此式即為轉(zhuǎn)速特性的表達(dá)式。如果忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，則轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，轉(zhuǎn)速有所下降。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性如圖1—24所示

　　圖1—24 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　2．轉(zhuǎn)矩特性

　　由此式可見，在忽略電樞反應(yīng)的情況下電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，若考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流的上升的速度要慢一些，曲線的斜率略有下降。

　　3．效率特性

　　從前面敘述可知，空載損耗P0是不隨負(fù)載電流變化的，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入的功率大部分消耗在空載損耗上；當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又開始變小。

　?。ǘ┐畡?lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相串聯(lián)，電樞電流即為勵(lì)磁電流。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)有很大的區(qū)別。當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，磁路不飽和，主磁通與勵(lì)磁電流（負(fù)載電流）按線性關(guān)系變化，而當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路趨于飽和主磁通基本不隨電樞電流變化。因此討論串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和機(jī)械特性必須分段討論。

　　由上述可知，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，轉(zhuǎn)速較大，負(fù)載電流增加，轉(zhuǎn)速快速下降，當(dāng)負(fù)載電流趨于零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大。因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不可以空載或在輕載下運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流的平方成正比。

　　當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路已經(jīng)飽和，磁通基本不隨負(fù)載電流變化，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。

　　串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性曲線如圖1—25所示。

　　圖1—25 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　（三）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

　　如果是他勵(lì)（并勵(lì)）繞組磁勢起主要作用，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性就與他勵(lì)（并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)接近；如果是串勵(lì)繞組磁勢起主要作用，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性就與串勵(lì)電動(dòng)機(jī)接近。由于有串勵(lì)和他勵(lì)（并勵(lì)）磁勢的存在，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)既有較高的起動(dòng)能力和過載能力，又可允許空載或輕載運(yùn)行。

　　二、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

　?。ㄒ唬┧麆?lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

　　1．機(jī)械特性的表達(dá)式

　　直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f（Tem）。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機(jī)械量，所以把它稱為機(jī)械特性。

　　圖1—26 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖

　　圖1—26所示是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理圖。圖中U為外施電源電壓，Ea是電樞電動(dòng)勢，Ia是電樞電流，Rs是電樞回路串聯(lián)電阻，If是勵(lì)磁電流，是勵(lì)磁磁通，Rf是勵(lì)磁繞組電阻，Rsf是勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻。按圖中標(biāo)明的各個(gè)量的正方向，可以列出電樞回路的電壓平衡方程式

　　U=Ea+RIa （1—43）

　　2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性

　　事實(shí)上，式（1—46）中的電樞回路電阻R、端電壓U和勵(lì)磁磁通都是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的，每調(diào)節(jié)一個(gè)參數(shù)可以對(duì)應(yīng)得到一條機(jī)械特性，所以可以得到許多條機(jī)械特性。其中，電動(dòng)機(jī)自身所固有的，反映電動(dòng)機(jī)本來“面目”的機(jī)械特性是在電樞電壓、勵(lì)磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時(shí)的機(jī)械特性，稱為電動(dòng)機(jī)的固有（自然）機(jī)械特性；調(diào)節(jié)U、R、等參數(shù)后得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。

　?。?）固有機(jī)械特性

　?。?）人為機(jī)械特性

　　①電樞串電阻時(shí)的人為特性

　　②降低電樞電壓時(shí)的人為特性

　　由于電動(dòng)機(jī)的工作電壓以額定電壓為上限，因此改變電壓時(shí)，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化，與固有特性比較，降低電壓時(shí)人為特性的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓的降低而正比減小。因此降低電壓時(shí)的人為特性是位于固有特性下方，且與固有特性平行的一組直線，如圖1—29所示。

　　圖1— 28 電動(dòng)機(jī)的固有特性和電樞串聯(lián)電阻的人為特性 圖1—29 電動(dòng)機(jī)的固有特性和降低電壓的人為特性

　?、蹨p弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性

　　在圖1—26中，改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻Rsf，就可以改變勵(lì)磁電流，進(jìn)而改變勵(lì)磁磁通。由于電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，磁路已經(jīng)開始飽和，即使再成倍增加勵(lì)磁電流，磁通也不會(huì)有明顯增加，何況由于勵(lì)磁繞組發(fā)熱條件的限制，勵(lì)磁電流也不允許大幅度地增加，因此，只能在額定值以下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，即只能減弱勵(lì)磁磁通。

　　改變磁通可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從圖1—30（b）看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大時(shí)，磁通減小使轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特別大時(shí)，減弱磁通才會(huì)使轉(zhuǎn)速下降，然而，這時(shí)的電樞電流已經(jīng)過大，電動(dòng)機(jī)不允許在這樣大的電流下工作。因此，實(shí)際運(yùn)行條件下，可以認(rèn)為磁通越小，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高。

　　3．機(jī)械特性的求取

　　在設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)知道所選擇電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，可是電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目錄或銘牌中都未直接給出機(jī)械特性的數(shù)據(jù)，因此通常是根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)：計(jì)算或通過實(shí)驗(yàn)來求取機(jī)械特性。

　?。?）固有機(jī)械特性的求取

　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性為一條直線，所以只要求出直線上任意兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以畫出這條直線。一般計(jì)算理想空載點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

　　①估算Ra

　　從電動(dòng)機(jī)的銘牌中查得。

　　根據(jù)計(jì)算所得

　?。?）人為特性的求取

　?。劾?］ 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，試分別求取下列機(jī)械特性方程式并繪制其特性曲線。

　?。?）固有機(jī)械特性；

　　（2）電樞串入電阻Rs=0.7Ω時(shí)的人為特性；

　　（3）電源電壓降至110V時(shí)的人為特性；

　　（4）磁通減弱至時(shí)的人為特性；

　　（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)以n=1000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，試問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數(shù)。

　?。劢猓荩?）固有機(jī)械特性

　　（3）電源電壓降為110V時(shí)

　　其人為特性曲線如圖1—32中曲線2所示。

　　（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定值，轉(zhuǎn)速下降至n=1000r/min時(shí)，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實(shí)現(xiàn)。

　?。ǘ┐畡?lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

　　1．固有特性

　　串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流If等于電樞電流Ia，主磁通Φ是電樞電流Ia的函數(shù)。

　　當(dāng)Ia較小，磁路未飽和時(shí)，Φ與Ia成正比，即

　　Φ=kIa （1—53）

　　串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有特性是在U=UN，RS=0時(shí)的特性（圖1—33所示），具有以下特點(diǎn)：

　　（1）它是一條非線性的軟特性，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落很大。

　?。?）空載時(shí)，Tem=0，Ia=0，Φ=0，n0=→∞，即理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。但實(shí)際上，即使Ia=0，由于存在剩磁通Φ0，故空載轉(zhuǎn)速n0為一有限值，但其值很高，一般可達(dá)（5~6）nN，這就是所謂的“飛車”現(xiàn)象，因此，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是不允許空載或輕載運(yùn)行的。

　　圖1—33 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有特性

　　（3）由于Tem∝Ia2，起動(dòng)和過載時(shí)Ia均較大，故串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。

　　2．人為特性

　　串勵(lì)電動(dòng)機(jī)同樣可以采用電樞串電阻、改變電源電壓和改變磁通的方法來獲得各種人為特性。

　　1、電樞串電阻時(shí)的人為特性

　　由式（1—56）或式（1—57）可見，串入電阻后，轉(zhuǎn)速降增大，所以電樞串電阻的人為特性位于固有特性的下方，且特性變得更軟，如圖1—34所示。

　　2、降低電源電壓時(shí)的人為特性

　　由式（1—56）可知，降低電源電壓時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速降低，其人為特性向下平移。如圖1—35所示。

　　圖1—34 串電阻時(shí)的人為特性 圖1—35 降低電源電壓時(shí)的人為特性

　　3、改變磁通時(shí)的人為特性

　　串勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變磁通的方法之一是在勵(lì)磁繞組上并聯(lián)一個(gè)分流電阻RPf，如圖1—36（a）所示。與固有特性相比，在Ia相同的情況下，因If ＜Ia，故Φ減小，因此人為特性位于固有特性的上方，如圖1—36（b）所示。

　　圖1—36 減弱磁通時(shí)的人為特性