【正文】 機(jī)電液系統(tǒng)控制機(jī)電液系統(tǒng)控制—— 直流電機(jī)控制技術(shù)直流電機(jī)控制技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)器人研究所本章內(nèi)容本章內(nèi)容直流電機(jī)的電樞繞組和磁場直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌直流電機(jī)基本原理直流電機(jī)的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩他勵直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性一、直流電機(jī)原理216。 定義 直流電機(jī)是指發(fā)出直流電的發(fā)電機(jī)或通以直流電而轉(zhuǎn)動的電動機(jī)，是電機(jī)的主要類型之一。216。 用途 （ 1）由于直流電動機(jī)能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度，所以它在精密機(jī)床和以蓄電池為電源的小型起重運(yùn)輸機(jī)械等設(shè)備中應(yīng)用較多； （ 2）在機(jī)器人領(lǐng)域，小容量直流電動機(jī)的應(yīng)用也很廣泛。n 直流電動機(jī)的基本工作原理一、直流電機(jī)原理圖 31直流電動機(jī)物理模型一、直流電機(jī)原理圖 31是最簡單的直流電動機(jī)的物理模型， N和 S是一對固定的磁極 (一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵 )。磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈 abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個圓弧形銅片上?；⌒毋~片稱為換向片，它們的組合體稱為換向器。在換向器上放置固定不動而與換向片滑動接觸的電刷 A和 Ｂ ，線圈 abcd通過換向器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線圈和換向器構(gòu)成的整體叫作轉(zhuǎn)子或稱為電樞。一、直流電機(jī)原理此模型作為直流電動機(jī)運(yùn)行時，將直流電源加于電刷 A和 B。例如將電源正極加于電刷 A，電源負(fù)極加于電刷 B，則線圈 abcd中流過電流，在導(dǎo)體 ab中，電流由 a流向 b，在導(dǎo)體 cd中，電流由 c流向 d。載流導(dǎo)體 ab和 cd均處于 N、 S極之間的磁場當(dāng)中，受到電磁力的作用，其方向由左手定則確定，可知這一對電磁力形成一個轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r針方向，使整個電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn) 180176。，導(dǎo)體 cd轉(zhuǎn)到 N極下， ab轉(zhuǎn)到 S極，如圖 31所示，由于電流仍從電刷 A流入，使 cd中的電流方向變?yōu)橛?d流向 c，而 ab中的電流由 b流向 a，從電刷 B流出，用左手定則可判別，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時針方向。一、直流電機(jī)原理由此可見，加于直流電動機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保了直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。實(shí)際的直流電動機(jī)，電樞四周上均勻地嵌放許多線圈；相應(yīng)地，換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。 一、直流電機(jī)原理n 直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿?。直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動機(jī)相同，不同的是電刷上不加直流電壓，而是利用原動機(jī)拖動電樞朝某一方向（例如逆時針方向）旋轉(zhuǎn)，如圖 32所示。 一、直流電機(jī)原理圖 32直流發(fā)電機(jī)物理模型一、直流電機(jī)原理這時導(dǎo)體 ab和 cd分別切割 N極和 S極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動勢，電動勢的方向用右手定則確定。圖示情況下，導(dǎo)體 ab中電動勢的方向由 b指向 a，導(dǎo)體 cd中電動勢的方向由 d指向 c，所以電刷 A為正極性，電刷 B為負(fù)極性。電樞旋轉(zhuǎn) 180176。時，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)至 N極下，感應(yīng)電動勢的方向由 c指向 d，電刷 A與 d所連換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體 ab轉(zhuǎn)至 S極下，感應(yīng)電動勢的方向變?yōu)?a指向 b，電刷 B與 a所連換向片接觸，仍為負(fù)極性。可見，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷的作用，在電刷 A、 B兩端輸出的電動勢是方向不變的直流電動勢。若在電刷 A、 B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能，這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。 一、直流電機(jī)原理從以上分析可見：一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。如果在電刷端外加直流電壓，則電機(jī)把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，作電動機(jī)運(yùn)行；如用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種同一臺電機(jī)既能作電動機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，在電機(jī)理論中稱為 可逆原理 。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌n 直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)由直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)工作原理可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，其主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌圖 33直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌圖 34直流電機(jī)橫剖面示意圖二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌1）主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成，如圖 35所示。鐵心用 ～ 片疊壓鉚緊而成，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可使氣隙中磁場分布比較理想，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在極身上，再將整個主磁極用螺釘固定在機(jī)座上。 216。 定子部分圖 35主磁極二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌2）換向極　 兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極，也叫附加極或間極。換向極的作用是改善電機(jī)換向，減小電機(jī)運(yùn)行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花。換向極由換向極鐵心和換向極繞組構(gòu)成。換向極鐵心一般用整塊鋼制成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上。整個換向極用螺釘固定于機(jī)座上。換向極的數(shù)目一般與主磁極相等。圖 36換向極二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌3）機(jī)座 電機(jī)定子部分的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起到整個電機(jī)的支撐和固定作用；另一方面也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌4）電刷裝置 電刷裝置用以引入或引出直流電壓和直流電流。電刷裝置由電刷、刷握桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，如圖 37所示，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。 圖 37電刷裝置216。 轉(zhuǎn)子（電樞）部分二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌1）電樞鐵心 是主磁通磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。為了降低電機(jī)運(yùn)行時的電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵心用 壓而成，沖片形狀如圖 38所示。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。圖 38電樞鐵心沖片二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌2)電樞繞組 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，線圈用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成。不同線圈邊分上、下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖 39所示。線圈邊的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌圖 39電樞繞組在槽中的絕緣情況二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌3)換向器　 在直流電動機(jī)中，換向器配以電刷能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。換向片的緊固通常如圖 310所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制Ｖ形套筒和Ｖ形云母環(huán)固定， 再加螺母鎖緊。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌圖 310換向器4)轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌n 直流電機(jī)的額定值及銘牌電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計和試驗(yàn)數(shù)據(jù)所規(guī)定的每臺電機(jī)的主要數(shù)據(jù)稱為電機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌或產(chǎn)品說明書上?！　≈绷麟姍C(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)： 　 　 (1)額定功率 PN：是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時所能提供的輸出功率。對電動機(jī)來說，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率；對發(fā)電機(jī)來說，額定功率是指電樞輸出的電功率，單位為 KW(千瓦 )。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌(2)額定電壓 UN：是指電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為 V(伏 )。 　 　 (3)額定電流 IN：是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時電樞繞組允許流過的最大電流，單位為 A(安 )。 (4)額定轉(zhuǎn)速 nN：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為 r／ min(轉(zhuǎn) /分 )。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌　 　 額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，故又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩 TN、額定效率 ηN和額定溫升 τN等， 不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品說明書或由銘牌上的數(shù)據(jù)計算得到。　　額定功率與額定電壓和額定電流的關(guān)系： 直流電動機(jī) ：直流發(fā)電機(jī)：二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌　 　 直流電機(jī)運(yùn)行時，如果各個物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為 滿載運(yùn)行 。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電流小于額定電流，稱為 欠載運(yùn)行 ；電機(jī)的電流大于額定電流，稱為 過載運(yùn)行 。欠載運(yùn)行，電機(jī)利用不充分，效率低；過載運(yùn)行，易引起電機(jī)過熱損壞。根據(jù)負(fù)載選擇電機(jī)時，最好使電機(jī)接近于滿載運(yùn)行。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌[例 31]某臺直流電動機(jī)的額定值為： PN＝ 12KW， UN＝220V， nN＝ 1500r／ min， η＝ 89． 2％，試求該電動機(jī)額定運(yùn)行時的輸入功率 P1及電流 IN。解：額定輸入功率：額定電流：二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌[例 32]某臺直流發(fā)電機(jī)額定值為： PN＝ 95KW， UN＝230V， nN＝ 1450r／ min， ηN＝ ％，試求該發(fā)電機(jī)的額定電流 IN。解：額定電流：二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌為了滿足各行各業(yè)對產(chǎn)品的不同要求，生產(chǎn)廠將產(chǎn)品制成不同型號系列。所謂系列就是指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀基本相似，而某種性能參數(shù)例如容量則按一定等級遞增的一系列產(chǎn)品。對于電機(jī)來說，系列產(chǎn)品的電壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)座號和鐵心長度都有一定的等級。l型號　 　 它表示電機(jī)的類別。例如： Z2—12 的含義為 Z：直流； 2：設(shè)計序號； 1：鐵心長度； 2：機(jī)座號 n 直流電機(jī)主要系列介紹二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌l國產(chǎn)直流電機(jī)主要系列簡介　 　 (1)Z型系列。 Z為直流電機(jī)的漢語拼音第一個字母。這種系列是通風(fēng)防護(hù)式的。適用于調(diào)速范圍不大的機(jī)械拖動，少灰塵，少腐蝕及溫度低的場所?！?(2)Z2型系列。是 Z型系列的改進(jìn)型，也是防護(hù)式。調(diào)速范圍可達(dá) 2： 1，即可超過額定轉(zhuǎn)速的一倍?！?(3)ZO型系列。這種電機(jī)是封閉式的，用于多灰塵但無腐蝕性氣體的場所。 二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與銘牌　 (4)ZD型系列電機(jī)主要用于需要廣泛調(diào)速并具有較大過載能力的場所，如大型機(jī)床、卷揚(yáng)機(jī)、起重設(shè)備等。(5)ZQD型系列是直流牽引電動機(jī)， 用于牽引車輛。 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場n 直流電機(jī)的電樞繞組l電樞繞組元件電樞繞組元件由絕緣銅線繞制而成，每個元件有兩個嵌放在電樞槽中，能與磁場作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或電動勢的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分，如圖 311所示。216。 直流電樞繞組的基本知識三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場圖 311直流電樞繞組元件(a)、 (b)疊繞組元件； (c)、 (d)波繞組元件三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場　 每個元件有兩個出線端，稱首端和末端，與換向片相連的一端為前端接，另一端叫后端接。為便于嵌線，每個元件的一個元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上元件邊，畫圖時以實(shí)線表示；另一個元件邊則嵌放在另一槽的下層，稱為下元件邊，畫圖時以虛線表示，圖 312所示。 圖 312電樞繞組在槽內(nèi)的放置三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場　 每一個元件有兩個元件邊，每片換向片又總是接一個元件的上層邊和另一元件的下層邊，所以元件數(shù) S 總等于換向片數(shù) K，即 每個元件有兩個元件邊，而每個電樞槽分上下兩層嵌放兩個元件邊，所以元件數(shù) S 又等于槽數(shù) Z160