【正文】 歷史 電動(dòng)機(jī)原理最早的提出者是英國(guó)的科學(xué)家法拉第，他首先證明了電力可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)動(dòng)力，而后據(jù)說(shuō)是德國(guó)的雅克比最先將之付諸實(shí)踐，制造出了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)最早先的樣子是在兩個(gè) U型磁鐵中間安裝了一個(gè)六臂輪，并在每個(gè)臂上帶兩根棒型磁鐵，通電后磁鐵的吸引力和 排斥力推動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 電動(dòng)機(jī)在雅克比手上還有進(jìn)一步的發(fā)展，他制造了一個(gè)大型的裝置為小艇提供動(dòng)力，并在易北河上試航，雖然當(dāng)時(shí)的時(shí)速只達(dá)到了 公里，但這不影響電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)的成功。電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)發(fā)展者美國(guó)的達(dá)文波特，在幾乎相同的時(shí)間里，也成功的制造了電動(dòng)的印刷機(jī)，只可惜這個(gè)型號(hào)的印刷機(jī)成本太大，幾乎沒(méi)有商業(yè)價(jià)值。 電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用的推動(dòng)力來(lái)自直流電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，在 1870 年時(shí)比利時(shí)的工程師格拉姆發(fā)明了這種實(shí)用機(jī)械，并把它大量制造出來(lái)，而后還不斷的對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率進(jìn)行提高。電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)研究單位德國(guó)西門(mén)子也在努力研究 ，幾乎也是在格拉姆成功的同一時(shí)間，西門(mén)子推出了電機(jī)車，這個(gè)不燒油的車在柏林工業(yè)展覽會(huì)上獲得一片喝彩聲。 直流電動(dòng)機(jī)的 特點(diǎn) 直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門(mén)，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī) 通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問(wèn)題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò)，近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng) 取得了很大進(jìn)展。包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)部分和電路部分。從上述原理可見(jiàn)，任何電機(jī)都體現(xiàn)著江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。我們?cè)谶@一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的 “ 磁 ” 和 “ 電 ” 如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。 直流電動(dòng)機(jī)的分類 一般的電機(jī)多采用電流勵(lì)磁。勵(lì)磁的方式分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。 他勵(lì) 直流電動(dòng)機(jī) 由獨(dú)立的電源為電機(jī)勵(lì)磁繞組提供所需的勵(lì)磁電流。例如用獨(dú)立的直流電源為直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電；由交流電源對(duì)異步電機(jī)的電樞繞組供電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等等。前者為直流勵(lì)磁，后者為交流勵(lì)磁。同步電機(jī)按電網(wǎng)的情況 ,可以是轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組直流勵(lì)磁 ,也可以定子上由電網(wǎng)提供交流勵(lì)磁，一般以直流勵(lì)磁為主。如直流勵(lì)磁不足，則從電網(wǎng)輸入滯后的無(wú)功電流對(duì)電機(jī)補(bǔ)充勵(lì)磁；如直流勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)，則電機(jī)就向電網(wǎng)輸出滯后的無(wú)功電流 ,使電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)削 弱。采用直流勵(lì)磁時(shí) ,勵(lì)磁回路中只有電阻引起的電壓降 ,所需勵(lì)磁電壓較低 ,勵(lì)磁電源的容量較小。采用交流勵(lì)磁時(shí)，由于勵(lì)磁線圈有很大的電感電抗，所需勵(lì)磁電壓要高得多，勵(lì)磁電源的容量也大得多。 他勵(lì)式勵(lì)磁電源，原來(lái)常用直流勵(lì)磁機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已較多地采用交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)半導(dǎo)體整流后對(duì)勵(lì)磁繞組供電的方式勵(lì)磁。勵(lì)磁調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)；也可以在交流勵(lì)磁機(jī)輸出電壓基本保持不變的情況下，利用可控整流調(diào)節(jié)。后者調(diào)節(jié)比較快速，還可以方便地利用可控整流橋的逆變工作狀態(tài)達(dá)到快速滅磁和減磁，從而取消 常用的滅磁開(kāi)關(guān)。前一種方式，整流元件為二極管，如把它和交流勵(lì)磁機(jī)電樞繞組、同步電機(jī)勵(lì)磁繞組一起都裝在轉(zhuǎn)子上，則勵(lì)磁電流就可以直接由交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)整流橋輸入勵(lì)磁繞組 ,不再需要集電環(huán)和電刷，可構(gòu)成無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) ,為電機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)帶來(lái)很多方便。當(dāng)然整流元件、快速熔斷器等器件在運(yùn)行中均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要承受相當(dāng)大的離心力，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。 自勵(lì) 直流電動(dòng)機(jī) 利用電機(jī)自身所發(fā)電功率的一部分供應(yīng)本身的勵(lì)磁需要。電機(jī)采用自勵(lì)時(shí)，不需要外界單獨(dú)的勵(lì)磁電源 ,設(shè)備比較簡(jiǎn)單。但如果原先電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有磁場(chǎng) ,它 就不可能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，也就不可能進(jìn)行自勵(lì)。所以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)的條件是電機(jī)內(nèi)部必須有剩磁。 自勵(lì)系統(tǒng)又可分為并勵(lì)和復(fù)勵(lì)兩種。并勵(lì)指僅由同步電機(jī)的電壓取得能量的自勵(lì)系統(tǒng)，復(fù)勵(lì)指由同步電機(jī)的電壓及電流兩者取得能量的自勵(lì)系統(tǒng)。并勵(lì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行自勵(lì)的條件和起勵(lì)過(guò)程如圖 1 和圖 2 所示。圖 1 是并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 原理接線圖。圖 2 為其起勵(lì)過(guò)程。其中曲線 1 為發(fā)電機(jī)的磁化曲線 Φ＝ f(If)。由于在一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比 ,所以曲線 1 同時(shí)也就是電機(jī)的空載特性曲線 E 0=f(If)，即電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流 If 之間的關(guān)系 。而曲線 2 為勵(lì)磁回路的電阻特性 U＝ If∑R,它表示勵(lì)磁電流與電機(jī)電壓之間的關(guān)系。它實(shí)際是一條斜率為 ΣR的直線。其中 ∑R 為勵(lì)磁回路的總電阻，它包括勵(lì)磁繞組的電阻和外加的調(diào)節(jié)電阻 Rr。 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。 定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。 轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。 （ 1）定子 定子就是發(fā)動(dòng)機(jī)中固定不動(dòng)的部分，它主要由主磁極、機(jī)座和電刷裝置組成。主磁極是由主磁極鐵芯（極心和極掌）和勵(lì)磁繞組 組成，其作用時(shí)用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。極心上放置勵(lì)磁繞組，極掌的作用是使電動(dòng)機(jī)空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度分配最為合理，并用來(lái)阻擋勵(lì)磁繞組。主磁極用硅鋼片疊成，固定在機(jī)座上。機(jī)座也是磁路的一部分，常用鑄鋼制成。電刷是引入電流的裝置，其位置固定不變。它與轉(zhuǎn)動(dòng)的交換器作滑動(dòng)連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。 直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是一個(gè)恒定不變的磁場(chǎng)，是由勵(lì)志繞組中的直流電流形成的磁場(chǎng)方向和勵(lì)磁電流的關(guān)系由由有螺旋法則確定。 在微型直流電動(dòng)機(jī)中，也有用永久磁鐵作磁極的。 （ 2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 部分，主要由電樞和換向器組成。電樞是電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的部分，主要包括電樞鐵芯和點(diǎn)數(shù)饒組。電樞鐵芯成圓柱形，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放電樞繞組。通有電流的電樞繞組在磁場(chǎng)中受到電磁力矩的作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，故稱 “電樞 ”。 換向器又稱整流子，是直流電動(dòng)機(jī)的一種特殊裝置。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上，用壓圈固定后成為換向器再壓裝，在轉(zhuǎn)軸上電樞繞組的導(dǎo)線按一定的規(guī)則焊接在換向片突出的叉口中。 在換向器表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組得 以同外電路連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)將外部直流電流轉(zhuǎn)化為電樞繞組內(nèi)的交流電流。 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较颍髨D使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。 圖 11 直流電動(dòng)機(jī)的原理模型 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 180176。 后，導(dǎo)體 cd 轉(zhuǎn)到 N 極下，導(dǎo)體 ab 轉(zhuǎn)到 S 極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、 ab 后，從電刷B 流出。這時(shí)導(dǎo)體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體 ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较颉? 因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A 流 入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。下面一常用的他勵(lì)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例介紹其機(jī)械特性、起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，他勵(lì)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)只是連接方式上的不同，兩者的特性是一樣的。 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 12 直流電機(jī)的接線圖 圖 12是他勵(lì)和并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線原理圖。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞是分離的，分別由勵(lì)磁電源電壓 Uf 和電樞電源電壓 U 兩個(gè)直流供電；而在并勵(lì)電動(dòng)機(jī)中兩者是并聯(lián)的，由同一電壓 U 供電。 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關(guān)系為 ： U=E+RaIa 即： Ia= aREU?（ Ra 為電樞電壓） ff IUI ? I=Ia+If≈Ia 當(dāng)電源電壓 U 和勵(lì)磁電路的電阻 Rf保持不變時(shí)，勵(lì)磁電流 If 以及由它所產(chǎn)生的磁通 Φ 也保持不變，即 Φ= 常數(shù)。則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距也就和電樞電流成正比，T= KTΦIa= KIa 這是并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距 T 必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)距 T2 及空載損耗轉(zhuǎn)距 T0 相平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)將等速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，將引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流及電磁轉(zhuǎn)距等發(fā)生變化。，稱為： 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 13 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 nnTKK RK Uk RIUK En TE aEE aaE ???????? 02???? 式中并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn) ： 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電樞電流位： aa REUI ?? 因電樞電阻 Ra 很小，所以電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，電源電壓 U與反電動(dòng)勢(shì) E近似相等。 在起動(dòng)時(shí)， n=0，所以 E＝ kEΦn＝ 0。這時(shí)電樞電流及起動(dòng)電流為 ： aast RUI ? 由于 Ra 很小，因此起動(dòng)電流 Iast 可達(dá)額定電流 IN 的 10～ 20 倍，這時(shí)不允許的。同時(shí)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距正比于電樞電流 Ia，這么大的起動(dòng)電流引起極大的起動(dòng)轉(zhuǎn)距 ，會(huì)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊和破壞。 限制起動(dòng)電流的方法就是在起動(dòng)時(shí)的電樞電路中串接起動(dòng)電阻 Rst，見(jiàn)圖。這時(shí)起動(dòng)電樞中的起動(dòng)電流的初始值為： staast RRUI ?? 則起動(dòng)電阻為： Δn TN T nN n0 n 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 RaRaURst ?? 一般： Iast=（ ～ ） IN 起動(dòng)時(shí)，可將起動(dòng)電阻 Rst 放在最大值處，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，再把它逐段切除。 注意：直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要保持接通，不能斷開(kāi)（滿勵(lì)磁起動(dòng)）。普則，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能發(fā) 生以下： 要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，就必須改變電磁轉(zhuǎn)距 T 的方向， 可通過(guò)改變磁通 Φ（勵(lì)磁電流）或電樞電流 Ia 的方向?qū)崿F(xiàn)。 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就是在同一負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速，以滿足不同的要求。由轉(zhuǎn)速公式：?E aaK RIUn ??可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種。 Φ（調(diào)磁調(diào)速 ） 當(dāng)保持電源電壓 U為額定值不變時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的電阻 ，改變勵(lì)磁電流 If 而改變磁通 Φ。由式 TKK RKUn TE aE 2?? ??可見(jiàn)，當(dāng)磁通 Φ 減小時(shí)， n0升高了，轉(zhuǎn)速降 Δn 也增大了；但 Δn 與 Φ2成正比，所以磁通愈小，機(jī)械特性曲線也愈陡，但仍有一定的硬度。見(jiàn)圖 14 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 由于電動(dòng)機(jī)一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負(fù)載下，通常是減小磁通調(diào)速（ Φ＜ ΦN），轉(zhuǎn)速上調(diào)（ n＞ nN）。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理，并詳細(xì)介紹了直流電機(jī)的勵(lì)磁構(gòu)造等，通過(guò)以上的了解對(duì)我們以下的工作起了鋪墊作用。 Tc n2 n1 n0 Un n Nn n? T 小 減 通 磁 圖 14 改變 ? 時(shí)的機(jī)械特性曲 線 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 二 章 直流電動(dòng)機(jī) PID 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 調(diào)速方案選擇 （一）方案一： PWM 波調(diào)速 采用由達(dá)林頓管組成的 H型 PWM 電路（圖 2— 1）。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管