直流電動機

直流電動機簡介

　　直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復勵3種。

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

直流電動機百科

　　直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復勵3種。

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

　　控制原理

　　直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據hall-sensor感應到的電機轉子所在位置，然后依照定子繞線決定開啟（或關閉）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），使電流依序流經電機線圈產生順向（或逆向）旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到hall-sensor感應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，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管（或只開下臂功率晶體管）；要電機轉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。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂（或下臂）尚未完全關閉，下臂（或上臂）就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

　　當電機轉動起來，控制部會再根據驅動器設定的速度及加/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……）開關導通，以及導通時間長短。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是決定電機轉速快或慢的方式，如何產生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心［4］ 。

　　高轉速的速度控制必須考慮到系統的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、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要?；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。電機能夠運轉順暢而且響應良好，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，方式有傳統的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態及環境其實是復雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統及神經網絡也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

　　直流電動機主要由什么組成

　　直流電動機主要由靜止的定子和旋轉的轉子組成。

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

　　直流電動機的工作特性

　　直流電動機的工作特性是指供給電機額定電壓額定勵磁電流時，轉速與負載電流之間的關系、轉矩與負載電流之間的關系及效率與負載電流之間的關系。這三個關系分別稱為電動機的轉速特性、轉矩特性和效率特性。

　?。ㄒ唬┧麆睿ú睿┲绷麟妱訖C的工作特性

　　他勵直流電動機的工作特性與并勵直流電動機的工作特性相同。

　　1．轉速特性

　　他勵直流電動機的轉速特性可表示為，把上一節式（1—19）代入式（1—20），整理可得：

　　此式即為轉速特性的表達式。如果忽略電樞反應的去磁效應，則轉速與負載電流按線性關系變化，當負載電流增加時，轉速有所下降。并勵直流電動機的工作特性如圖1—24所示

　　圖1—24 并勵電動機的工作特性

　　2．轉矩特性

　　由此式可見，在忽略電樞反應的情況下電磁轉矩與電樞電流成正比，若考慮電樞反應使主磁通略有下降，電磁轉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是不隨負載電流變化的，當負載電流較小時效率較低，輸入的功率大部分消耗在空載損耗上；當負載電流增大時效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流大到一定程度時銅損快速增大此時效率又開始變小。

　?。ǘ┐畡钪绷麟妱訖C的工作特性

　　串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組相串聯，電樞電流即為勵磁電流。串勵電動機的工作特性與并勵電動機有很大的區別。當負載電流較小時，磁路不飽和，主磁通與勵磁電流（負載電流）按線性關系變化，而當負載電流較大時，磁路趨于飽和主磁通基本不隨電樞電流變化。因此討論串勵電動機的轉速特性、轉矩特性和機械特性必須分段討論。

　　由上述可知，當負載電流較小時，轉速較大，負載電流增加，轉速快速下降，當負載電流趨于零時，電機轉速趨于無窮大。因此串勵電動機不可以空載或在輕載下運行，電磁轉矩與負載電流的平方成正比。

　　當負載電流較大時，磁路已經飽和，磁通基本不隨負載電流變化，串勵電動機的工作特性與并勵電動機相同。

　　串勵直流電動機的工作特性曲線如圖1—25所示。

　　圖1—25 串勵直流電動機的工作特性

　?。ㄈ蛣钪绷麟妱訖C的工作特性

　　如果是他勵（并勵）繞組磁勢起主要作用，復勵電動機的轉速特性就與他勵（并勵）電動機接近；如果是串勵繞組磁勢起主要作用，復勵電動機的轉速特性就與串勵電動機接近。由于有串勵和他勵（并勵）磁勢的存在，復勵電動機既有較高的起動能力和過載能力，又可允許空載或輕載運行。

　　二、直流電動機的機械特性

　?。ㄒ唬┧麆钪绷麟妱訖C的機械特性

　　1．機械特性的表達式

　　直流電動機的機械特性是指在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，電動機的轉速n與電磁轉矩之間的關系：n=f（Tem）。由于轉速和轉矩都是機械量，所以把它稱為機械特性。

　　圖1—26 他勵直流電動機電路原理圖

　　圖1—26所示是他勵直流電動機的電路原理圖。圖中U為外施電源電壓，Ea是電樞電動勢，Ia是電樞電流，Rs是電樞回路串聯電阻，If是勵磁電流，是勵磁磁通，Rf是勵磁繞組電阻，Rsf是勵磁回路串聯電阻。按圖中標明的各個量的正方向，可以列出電樞回路的電壓平衡方程式

　　U=Ea+RIa （1—43）

　　2．固有機械特性和人為機械特性

　　事實上，式（1—46）中的電樞回路電阻R、端電壓U和勵磁磁通都是可以根據實際需要進行調節的，每調節一個參數可以對應得到一條機械特性，所以可以得到許多條機械特性。其中，電動機自身所固有的，反映電動機本來“面目”的機械特性是在電樞電壓、勵磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時的機械特性，稱為電動機的固有（自然）機械特性；調節U、R、等參數后得到的機械特性稱為人為機械特性。

　?。?）固有機械特性

　?。?）人為機械特性

　?、匐姌写娮钑r的人為特性

　?、诮档碗姌须妷簳r的人為特性

　　由于電動機的工作電壓以額定電壓為上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內變化，與固有特性比較，降低電壓時人為特性的斜率不變，但理想空載轉速n0隨電壓的降低而正比減小。因此降低電壓時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 電動機的固有特性和電樞串聯電阻的人為特性 圖1—29 電動機的固有特性和降低電壓的人為特性

　?、蹨p弱勵磁磁通時的人為特性

　　在圖1—26中，改變勵磁回路調節電阻Rsf，就可以改變勵磁電流，進而改變勵磁磁通。由于電動機額定運行時，磁路已經開始飽和，即使再成倍增加勵磁電流，磁通也不會有明顯增加，何況由于勵磁繞組發熱條件的限制，勵磁電流也不允許大幅度地增加，因此，只能在額定值以下調節勵磁電流，即只能減弱勵磁磁通。

　　改變磁通可以調節轉速，從圖1—30（b）看出，當負載轉矩不太大時，磁通減小使轉速升高；當負載轉矩特別大時，減弱磁通才會使轉速下降，然而，這時的電樞電流已經過大，電動機不允許在這樣大的電流下工作。因此，實際運行條件下，可以認為磁通越小，穩定轉速越高。

　　3．機械特性的求取

　　在設計電力拖動系統時，首先應知道所選擇電動機的機械特性，可是電動機的產品目錄或銘牌中都未直接給出機械特性的數據，因此通常是根據銘牌數據：計算或通過實驗來求取機械特性。

　?。?）固有機械特性的求取

　　他勵直流電動機的固有機械特性為一條直線，所以只要求出直線上任意兩點的數據就可以畫出這條直線。一般計算理想空載點數據，具體步驟如下：

　?、俟浪鉘a

　　從電動機的銘牌中查得。

　　根據計算所得

　?。?）人為特性的求取

　?。劾?］ 他勵直流電動機的銘牌數據為：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，試分別求取下列機械特性方程式并繪制其特性曲線。

　?。?）固有機械特性；

　?。?）電樞串入電阻Rs=0.7Ω時的人為特性；

　?。?）電源電壓降至110V時的人為特性；

　?。?）磁通減弱至時的人為特性；

　?。?）當負載轉矩為額定轉矩時，要求電動機以n=1000r/min的轉速運轉，試問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數。

　?。劢猓荩?）固有機械特性

　?。?）電源電壓降為110V時

　　其人為特性曲線如圖1—32中曲線2所示。

　?。?）當負載轉矩為額定值，轉速下降至n=1000r/min時，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實現。

　?。ǘ┐畡铍妱訖C的機械特性

　　1．固有特性

　　串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，勵磁電流If等于電樞電流Ia，主磁通Φ是電樞電流Ia的函數。

　　當Ia較小，磁路未飽和時，Φ與Ia成正比，即

　　Φ=kIa （1—53）

　　串勵電動機的固有特性是在U=UN，RS=0時的特性（圖1—33所示），具有以下特點：

　?。?）它是一條非線性的軟特性，負載時的轉速降落很大。

　?。?）空載時，Tem=0，Ia=0，Φ=0，n0=→∞，即理想空載轉速為無窮大。但實際上，即使Ia=0，由于存在剩磁通Φ0，故空載轉速n0為一有限值，但其值很高，一般可達（5~6）nN，這就是所謂的“飛車”現象，因此，串勵電動機是不允許空載或輕載運行的。

　　圖1—33 串勵電動機的固有特性

　?。?）由于Tem∝Ia2，起動和過載時Ia均較大，故串勵電動機的起動轉矩大，過載能力強。

　　2．人為特性

　　串勵電動機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、電樞串電阻時的人為特性

　　由式（1—56）或式（1—57）可見，串入電阻后，轉速降增大，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、降低電源電壓時的人為特性

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

　　圖1—34 串電阻時的人為特性 圖1—35 降低電源電壓時的人為特性

　　3、改變磁通時的人為特性

　　串勵電動機改變磁通的方法之一是在勵磁繞組上并聯一個分流電阻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 減弱磁通時的人為特性