电机及驱动系统课件.pptx

1、第一节 电动机概述一、电动机分类一、电动机分类按功能分按功能分 驱动电动机驱动电动机 控制电动机（包括步进、测速、伺服等）控制电动机（包括步进、测速、伺服等）按转速与电网电源频率之间的关系分按转速与电网电源频率之间的关系分 同步电动机同步电动机 异步电动机异步电动机按最高转速分按最高转速分 普通电机（最高转速低于普通电机（最高转速低于6000r/min）高速电机（最高转速高于高速电机（最高转速高于6000r/min）按电源相数分按电源相数分 单相电动机单相电动机 三相电动机三相电动机按防护型式分按防护型式分 开启式开启式 防护式防护式 封闭式封闭式 隔爆式隔爆式 防水式防水式 潜水式潜水式按安

2、装结构型式分按安装结构型式分 卧式卧式 立式立式 带底脚式带底脚式 带凸缘式带凸缘式按绝缘等级分按绝缘等级分 E级级(120)B级级(130)F级级(155)H级级(180)按电能种类分按电能种类分 直流电动机直流电动机 交流电动机（方波电机、正弦波等）交流电动机（方波电机、正弦波等）Y,A,E,B,F,H,C.最低最低90，最高，最高200适用于电力驱动的电动机的分类适用于电力驱动的电动机的分类目前应用较少，但有一定发展空间目前应用较少，但有一定发展空间应用较少应用较少目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机等。目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机

3、等。丰田丰田Prius、本田、本田Civic、Insight HV 交流同步电机交流同步电机 大型混合动力电动巴士大型混合动力电动巴士 三相交流感应电机三相交流感应电机直流电机：直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点；交流电机交流电机：具有效率：具有效率高、体积小、免维护等高、体积小、免维护等优点；优点；但其驱动但其驱动控制器控制器需需将直流电逆变为交流电，将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制并要采用矢量控制变频调速，控制线路变频调速，控制线路复杂。复杂。永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种。两种。采用永磁铁励磁极大提高电机采

4、用永磁铁励磁极大提高电机效率效率和和功率密度功率密度(单位体积的功率单位体积的功率)，但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响较大，存在可靠性不足及功率受限较大，存在可靠性不足及功率受限等缺点。等缺点。开关磁阻开关磁阻电机：电机：为新型机电一体化装置，具有结构简单、性能可靠、成本低、效率高、调速范围宽、起动力矩大、过载能力强、可方便有效地实现发电回馈和电磁制动等优点优点，特别适于汽车重载起步、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命致命缺点是缺点是存在较大转矩脉动存在较大转矩脉动，从而，从而引起较大的振动和噪声引起较大

5、的振动和噪声；经多年不懈努力基本上解决了此难题。机械特性机械特性：电动机转矩T与转速n的关系n=f(T)曲线。曲线斜率大表示机械特性硬度软；反之表示调速特性硬，即转矩随转速变化小。机械特性是电动机主要调速性能指标，也是电力拖动重要研究内容。第一节 概 述1、电动机调速性能指标、电动机调速性能指标负载特性：负载特性：电动机所带负载转矩TL随转速n变化所要求的特性关系，随各类机械装置所带负载不同存在较大差别，要求电机调速控制系统有多种可修改设置参数以匹配于不同负载特性。应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配1)机械特性和负载特性机械特性和负载特性所要求最高

6、转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；调速系统能达到的最高转速nmax与基速nbase(通常也为设计的额定转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase。通常，采用多档齿轮与电机结合的多级调速法。存在摩擦使效率低，维护要求高，动态响应慢，同时也直接降低调速平滑性。随电力调速拖动技术发展，现常用一档齿轮减速增矩仅由电控调速，更有趋于电机直驱调速而提高机械调速特性与负载转矩特性匹配要求。为提高调速范围希望nmax大、nmin小。降低nmin受低速运行相对稳定性限制，通常在低于基速前采用降压恒转矩调速，高于基速后采用弱磁恒功率调速来增大nmax，而弱磁调速与电机类

7、型相关:永磁电机因弱磁较难使转速因子x=2、而交流异步电机x=4、开关磁阻电机x=6。第一节 概 述2)调速范围调速范围 有两种表示法：3 3）静差率）静差率。电动机从理想空载(T=0)加到额定负载(T=Te)时，由理想空载转速n0降为额定转速ne的转速降ne与n0之比，即表示为：%100%100%000nnnnnee百分数静差率电动机调速机械特性愈硬，静差率愈小，而相对稳定性愈高。4）调速效率。）调速效率。为输出功率P2与输入功率P1之比，与损耗功率P相关。5）平滑性。）平滑性。针对机械齿轮有级调速，齿轮档位数愈多使调速级数愈多则调速平滑性也愈好。而仅由电气控制的调速系统即为无级调速。PPP

8、PP2212调速效率即为：第一节 概 述据美国能源部评估，电动机能耗占整个工业用电的63%；日本曾估算国内所用电机每台效率仅提高一个百分点，就能省去一个大型核电站；而我国所用电机耗电量也约占全国用电量的60%。说明电机节能潜力巨大，尤其在调速控制应用领域，更何况对电动汽车采用能源更受限的移动式电源。电机运行期所需费用约98%为电费，所节能电机控制系统即使成本增加1530%也为合算。为此多年来电机调速控制系统的技术发展变化巨大，并且改进提高的研究也是多方面的，其发展趋向呈下述特点。第一节 概 述2、电机调速控制系统的发展和研究方向电机调速控制系统的发展和研究方向1)传动系统。传动系统。由机械齿轮

9、多档变速控制系统；过渡到机械与电气联合控制系统；正向着全电气控制系统全电气控制系统发展。2)电机结构。电机结构。由直流有刷电机；过渡到直流无刷电机、交流异步电机等；正向着永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、三维磁路、无传感器三维磁路、无传感器等结构发展。4)电力电子器件电力电子器件。向全控型电力电子控制器件发展。3)控制电路。控制电路。由分立元件、模拟电路；过渡到集成电路、数字和模拟混合电路；向高高集成电路、全数字电路集成电路、全数字电路发展。5)控制策略。控制策略。由低效有级控制；过渡到低效无级控制；向着高效无级控制及智能控制的高性能系统发展。

10、而控制方法有最优控制、最优控制、滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。2、电机调速控制系统的发展和研究方向电机调速控制系统的发展和研究方向3、电动汽车对动力驱动系统电动汽车对动力驱动系统的要求的要求为适应在起步、加速、匀速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、制动和停车等各种行驶工况的负载特性匹配要求，电动汽车的动力驱动系统应满足：1）起动力矩）起动力矩大和过载大和过载能力强能力强。不仅要满足汽车带负载频繁起步要求，同时还希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。3）调速范围宽）调速范围宽。在高、低速各工况均能高效运行，

11、需电机有较宽调速范围，并保持理想调速特性。通常电机在所设计额定功率及其转速附近运行效率较高，而远离额定点效率必降低，为此将提出多级额定转速设计，以减化机械传动而减少其摩擦损耗和车载质量。2）限制电机过大的峰值电流）限制电机过大的峰值电流。小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。4）电机能够正）电机能够正反转运行。反转运行。使汽车倒车时不必切换齿轮来实现倒档。第一节 概 述5）方便）方便、高效地实现发电回馈。、高效地实现发电回馈。使汽车降速制动和下坡滑行时经电机，将更多动能转换为电能回馈给蓄电池来提高续驶里程。7）调速）调速响应快。响应快。提高电机动

12、态响应性可改善行驶中各控制性能。6）设法使电机同时具有电磁制动功能）设法使电机同时具有电磁制动功能。因电磁制动的动态响应极快，可及时准确地对前、后、左、右车轮制动力适宜分配，提高汽车安全性。8）运行平稳及可靠性高）运行平稳及可靠性高。利用其故障容错性等，确保电动汽车故障时仍能“跛脚回家”以避免交通堵塞。第一节 概 述3、电动汽车对动力驱动系统电动汽车对动力驱动系统的要求的要求1、高电压高电压主要优点是可以减小电动机的尺寸、降低逆变器的成本以及提高能量转换效率等。主要优点是可以减小电动机的尺寸、降低逆变器的成本以及提高能量转换效率等。电动机功率和电源电压的关系电动机功率和电源电压的关系 4、电动

13、汽车对驱动电动机性能的基本要求、电动汽车对驱动电动机性能的基本要求 提高电动机电压的典型的例子是丰田公司的提高电动机电压的典型的例子是丰田公司的THS混合动力系统。该系统电动机采混合动力系统。该系统电动机采用的电压由用的电压由THS系统的系统的274V提高到的提高到的500V，在电动机尺寸和质量变化不大的前提下，在电动机尺寸和质量变化不大的前提下，使电动机的功率、转矩和转速范围扩大使电动机的功率、转矩和转速范围扩大.电动机的功率、转矩电动机的功率、转矩-转速曲线转速曲线 2、高转速、高转速 PTn 在在T一定的情况下，提高一定的情况下，提高n，则提高，则提高P；在在P一定的情况下，提高一定的情

14、况下，提高n则可降低电机的则可降低电机的T；现代电动汽车的电动机转速可达现代电动汽车的电动机转速可达8000-12000 r/min，甚至更高。，甚至更高。3、转矩密度和功率密度大、质量轻、体积小、转矩密度和功率密度大、质量轻、体积小 转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比 采用铝合金外壳等降低电动机的质量；各种控制装置和冷却系统的材料等也应采用铝合金外壳等降低电动机的质量；各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。尽可能选用轻质材料。TOYOTA HEV的电动机功率密度的变化的电动机功率密度的变化 电动机的

15、转矩重量比的比较电动机的转矩重量比的比较 可以看出，可以看出，SUV的转矩重量比与的转矩重量比与Prius相比增加了相比增加了9%。4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能 为满足起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，应具有较为满足起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，应具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能；大的起动转矩和较宽范围的调速性能；应具有自动调速功能，减轻操纵强度，提高舒适性，达到内燃机汽车应具有自动调速功能，减轻操纵强度，提高舒适性，达到内燃机汽车同样的控制响应；同样的控制响应；auiujukutFijkmaxau电动

16、机的转矩特性是小于基速时为恒转矩，随着车速（电动机转速）的升电动机的转矩特性是小于基速时为恒转矩，随着车速（电动机转速）的升高转矩逐渐减少。高转矩逐渐减少。发动机发动机与与电机电机的动力特性比较的动力特性比较发动机1档电机单挡发动机2档发动机3档发动机4档车速ua驱动力 F 电机经低速恒转矩结合高速恒功率调速所示虚线基本拟合了发动机经4档变速的实线 4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能5、较大的过载能力、较大的过载能力 电动汽车的驱动电机一般需要有电动汽车的驱动电机一般需要有45倍的过载，以满足短时加速行驶与最倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡

17、度的要求。大爬坡度的要求。而工业驱动电动机只要求有而工业驱动电动机只要求有2倍的过载。倍的过载。问题：汽油机的过载能力是多少？柴油机呢？问题：汽油机的过载能力是多少？柴油机呢？7、高效率、高效率（a）2000款款Prius （b）2005款款SUV2005款款SUV采用的电动机的采用的电动机的90%以上机械效率的运转区域明显大于以上机械效率的运转区域明显大于2000款款Prius6、较高的可控性、稳态精度和动态性能、较高的可控性、稳态精度和动态性能 满足多部电动机协调运行。满足多部电动机协调运行。（c）电动机效率脉谱图）电动机效率脉谱图在高负荷、低转速和低负荷、在高负荷、低转速和低负荷、高转速

18、条件工作时，电动机高转速条件工作时，电动机的效率不够理想。的效率不够理想。因此，因此，HEV的控制系统应在满足汽车动力性要求的前提下，尽量使电动机工的控制系统应在满足汽车动力性要求的前提下，尽量使电动机工作在高效率区域。作在高效率区域。24EUDC driving cyclesFTP driving cyclesNEDC driving cyclesAverage driving force in different driving cycles8、可兼作发电机使用、可兼作发电机使用 由于由于HEV结构的不同，有的结构的不同，有的HEV既有电动机，又有发电机，如既有电动机，又有发电机，如97年

19、款的年款的Prius。由于采用了混联式结构，电动机和发电机二者兼有，并且通过行星齿轮机构耦合在由于采用了混联式结构，电动机和发电机二者兼有，并且通过行星齿轮机构耦合在一起。一起。为减少汽车的自重和节省空间，绝大部分为减少汽车的自重和节省空间，绝大部分HEV的电动机均可兼作发电机使用，的电动机均可兼作发电机使用，以回收汽车制动和减速时的能量。以回收汽车制动和减速时的能量。9、电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定，必须装备高、电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定，必须装备高压保护设备以保证安全；压保护设备以保证安全；10能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的

20、可靠性、耐低温和高温性、能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐低温和高温性、耐潮湿性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作；耐潮湿性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作；11结构简单，适于大批量生产，使用维修方便，价格便宜等；结构简单，适于大批量生产，使用维修方便，价格便宜等；12、散热性好、散热性好 普通电动机一般用风冷，而电动汽车驱动用永磁无刷直流电动机由于电磁负普通电动机一般用风冷，而电动汽车驱动用永磁无刷直流电动机由于电磁负荷高，通风散热环境差，更多选用水冷或油冷。荷高，通风散热环境差，更多选用水冷或油冷。某公共汽车用牵引电动机外形某公共汽车用牵引电

21、动机外形某公共汽车用牵引电动机内部冷却管路某公共汽车用牵引电动机内部冷却管路内部冷却管路在定子绕组之中内部冷却管路在定子绕组之中四、电动机的性能比较与类型选择四、电动机的性能比较与类型选择 现代混合动力电动汽车采用最多的是交流感应电动机和永磁同步电动机，直现代混合动力电动汽车采用最多的是交流感应电动机和永磁同步电动机，直流电动机和开关磁阻电动机也有一定的竞争优势。流电动机和开关磁阻电动机也有一定的竞争优势。项目项目交流感应电机交流感应电机永磁同步电机永磁同步电机直流电机直流电机开关磁阻电机开关磁阻电机功率密度功率密度一般一般好好差差一般一般力矩转速性能力矩转速性能好好好好一般一般好好转速范围转

22、速范围90009000150001500040004000100001000040004000600060001500015000最大効率最大効率/%94-9594-9595-9795-9785-8985-89小于小于9090効率効率(10%负荷时负荷时)/%/%79-8579-8590-9290-9280-8780-8778-8678-86易操作性易操作性好好好好最好最好好好可靠性可靠性好好一般一般差差好好结构的坚固性结构的坚固性好好一般一般差差好好尺寸及质量尺寸及质量一般，一般一般，一般小，轻小，轻大，重大，重小，轻小，轻成本成本低低高高较高较高较高较高控制器成本比控制器成本比 3.53.

23、52.52.51 14.54.5从能量转换效率、力矩转速性能和功率密度来看，交流感应电机和永磁同步电机有一从能量转换效率、力矩转速性能和功率密度来看，交流感应电机和永磁同步电机有一定优势，但永磁同步电机的成本较高。定优势，但永磁同步电机的成本较高。五、电动机类型的选择五、电动机类型的选择项目项目直流电动机直流电动机异步电动机异步电动机永磁电动机永磁电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机过载能力过载能力效率效率寿命寿命转速范围转速范围功率范围功率范围可靠性可靠性转矩转矩/电流比电流比结构坚固性结构坚固性电动机外形尺寸电动机外形尺寸电动机质量电动机质量电动机成本电动机成本驱动控制成本驱动控制成本转矩转

24、矩/惯量比惯量比中中中中中中较宽较宽宽宽中中中中差差大大重重高高低低中中好好较高较高好好较宽较宽宽宽好好中中较好较好中中中中中中高高中中较好较好高高好好宽宽小小较好较好高高中中小小轻轻中中高高较高较高好好中中好好较宽较宽较宽较宽好好高高好好小小轻轻低低中中高高五、电动汽车用电动机参数选择的依据五、电动汽车用电动机参数选择的依据 电动机的参数选择包括电动机的参数选择包括电动机额定功率、峰值功率、额定转速、最高转速电动机额定功率、峰值功率、额定转速、最高转速以及额定电压以及额定电压等。等。电动机的功率电动机的功率:电动汽车动力性能试验方法电动汽车动力性能试验方法GB-T18385-2001规定，用

25、车辆规定，用车辆能够持续行驶超过能够持续行驶超过30分钟的最高平均车速分钟的最高平均车速V30来衡量电动车辆的动力性，因此，来衡量电动车辆的动力性，因此，用用连续工作连续工作30min 以上的功率表示电动机的功率以上的功率表示电动机的功率 电动机外特性的特点是电动机外特性的特点是:转速低于额定转速时，以恒转矩模式工作转速低于额定转速时，以恒转矩模式工作 转速高于额定转速时，以恒功率模式工作转速高于额定转速时，以恒功率模式工作1电动机的参数选择原则电动机的参数选择原则 他激直流电动机及两速变速器汽车的牵引力他激直流电动机及两速变速器汽车的牵引力-车速曲车速曲线线 PBmax-蓄电池最大输出功率；

26、PAN30-30min输出功率；Fw-行驶阻力 通常，电动机的短时最大输通常，电动机的短时最大输出功率取决于控制元件的耐出功率取决于控制元件的耐热性能；热性能；连续工作性能按连续工作性能按30min输出确定。输出确定。主要限制主要限制因素是电动机的最高温度。因素是电动机的最高温度。电动机的电动机的短时工作功率是连短时工作功率是连续工作功率的续工作功率的1.53倍，甚倍，甚至更高。至更高。2电动机功率的确定方法电动机功率的确定方法 满足整车动力性要求；满足整车动力性要求；并联式和混联式并联式和混联式混合动力汽车电动机的功率取决于汽车的行驶阻力和发动机混合动力汽车电动机的功率取决于汽车的行驶阻力和

27、发动机的直接驱动力大小；的直接驱动力大小；串联式串联式混合动力汽车中，电动机直接驱动车轮。电动机的峰值功率应不小于混合动力汽车中，电动机直接驱动车轮。电动机的峰值功率应不小于车辆所需最大功率；车辆所需最大功率；电动机峰值功率的选择能够满足车辆最大需求功率。不仅满足车辆在良好水电动机峰值功率的选择能够满足车辆最大需求功率。不仅满足车辆在良好水平道路上以最高车速匀速行驶，而且满足加速性能和最大爬坡性能的要求。平道路上以最高车速匀速行驶，而且满足加速性能和最大爬坡性能的要求。保证各部件质量总和最小，以利于提高电动机效率和减轻尺寸，降低整车成本。保证各部件质量总和最小，以利于提高电动机效率和减轻尺寸，

28、降低整车成本。汽车爬坡时所需功率为汽车爬坡时所需功率为：)3600761403600sin3600cos(13dtdvmvvACvmgvmgfPaaDaaT （1 1）favDCT式中，m整车重量，kg；g重力加速度；滚动阻力系数；坡度角；车速，km/h；空气阻力系数；A迎风面积，m2；旋转质量换算系数；d/dt行驶加速度，m/s2；传动系统机械效率。汽车在水平道路上以最高车速匀速行驶时所需的功率为汽车在水平道路上以最高车速匀速行驶时所需的功率为:)761403600(13maxmaxvACvGfPDT （3 3）式中，maxv车辆的最高车速，km/h。对于对于HEV而言，汽车所需最大功率为最

29、高车速匀速行驶所需功率和汽车爬最大坡度时所而言，汽车所需最大功率为最高车速匀速行驶所需功率和汽车爬最大坡度时所需功率中的最大值。电机的最大功率则为汽车所需最大功率减去发动机的功率。需功率中的最大值。电机的最大功率则为汽车所需最大功率减去发动机的功率。)3600sin3600cos(1aaTvmgvmgfP （2 2）0i377.0377.0i inrinrvdd总电动汽车车速电动汽车车速v与电动机转速与电动机转速n之间的关系为：之间的关系为：3电动机额定转速选择电动机额定转速选择低速电动机低速电动机 转速为30006000r/min，扩大恒功率区的额定转矩高、转子电流大、电动机尺寸和重量较大；

30、转换器、控制器尺寸也较大，各种电器内在损耗亦较大；相应的减速器速比较小。且转动惯量大、启/停速度慢.高速电动机高速电动机 转速在10000r/min以上，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，转换器、控制器尺寸较小，各种电器内在损耗小。而减速器的速比要大大增加，通常需要釆用行星齿轮传动机构。而减速器的速比要大大增加，通常需要釆用行星齿轮传动机构。其使用受电磁材料性能、高速轴承承载能力的限制。此外，转动惯量小，启/停速度快。中速电动机中速电动机 转速为600010000r/min，各种参数介于低速电动机与高速电动机之间。电动汽车多采用中速电动机作为驱动电动机。当电动机的输出功率相同时：当电动机的输出

31、功率相同时：电压高时，电流较低；相反，电压低时，电流则较高。电压高时，电流较低；相反，电压低时，电流则较高。高电压、高电压、小电流系统的导线、接头、开关等电器元件可以细小一些，连接起来方小电流系统的导线、接头、开关等电器元件可以细小一些，连接起来方便，但要求有更安全的防护措施，而且管理系统更复杂。便，但要求有更安全的防护措施，而且管理系统更复杂。低电压、低电压、大大 电流系统的导线、接头、开关等电器元件都比较大，连接要求也高，电流系统的导线、接头、开关等电器元件都比较大，连接要求也高，而且管理系统相对而且管理系统相对 较简单。较简单。总体要求：总体要求：尽可能提高电压等级。使电动机在满足驱动要

32、求的情况下，减小电流。尽可能提高电压等级。使电动机在满足驱动要求的情况下，减小电流。4电动机额定电压选择电动机额定电压选择5电动机额定转矩电动机额定转矩nPT9550第二节 直流电动机基本知识 电磁转矩控制特性优良，起动和制动转矩大，易于快速起动和停车；电磁转矩控制特性优良，起动和制动转矩大，易于快速起动和停车；调速比较方便，调速范围广，易于平滑调节；调速比较方便，调速范围广，易于平滑调节；控制装置简单（磁场和电枢可以分别控制），且价格低廉。控制装置简单（磁场和电枢可以分别控制），且价格低廉。效率较低、质量大、体积大、结构较复杂、成本高；效率较低、质量大、体积大、结构较复杂、成本高；在高速工作

33、时会产生火花，工作转速低，电刷、换向器等接触零件易磨损。在高速工作时会产生火花，工作转速低，电刷、换向器等接触零件易磨损。直流电动机的特点直流电动机的特点虽虽直流电机应用在逐年减少，但它包含了电力调速系统最直流电机应用在逐年减少，但它包含了电力调速系统最基础的理论基础的理论一、一、直流电机的基本结构直流电机的基本结构定子(固定部分)：产生磁通和支撑电机；转子(转动部分)：产生电磁转矩或感应电动势。第二节 直流电机图2-4 直流电机的典型结构图b)直流电机横剖面结构图a)直流电机纵剖面结构图电枢槽电枢铁芯电枢绕组底脚换向绕组换向极主磁极励磁绕组轴风扇端盖轴承机座(磁轭)励磁绕组电刷极身机座(磁轭

34、)电枢绕组极掌电枢齿主磁极电枢铁芯换向器一、一、直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构 基本结构：基本结构：主要由主要由转子、定子、端盖和电刷架转子、定子、端盖和电刷架四部分四部分组成。在两个磁极（组成。在两个磁极（N极和极和S极）中间，装有一个可以转极）中间，装有一个可以转动的线圈，线圈的首末两端分别连接两片圆弧型的换向动的线圈，线圈的首末两端分别连接两片圆弧型的换向片（铜片），两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈片（铜片），两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘。为了把电枢绕组和外电路一起旋转）之间均相互绝缘。为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了两个固定不动

35、的电刷。接通，在换向器上安置了两个固定不动的电刷。工作原理：工作原理：由电磁感应理论可知，通电线圈在磁场中由电磁感应理论可知，通电线圈在磁场中受到逆时针方向的力矩作用。受到逆时针方向的力矩作用。直流电动机的示意图直流电动机的示意图 定子定子定子由定子由主磁极、换向极和机座主磁极、换向极和机座三部分组成，其主要功用是用来产生磁通和进行机械固定。三部分组成，其主要功用是用来产生磁通和进行机械固定。主磁极：主磁极：作用是产生主磁场。磁极可以是永磁也可以是励磁式的。励磁式磁极通常由厚作用是产生主磁场。磁极可以是永磁也可以是励磁式的。励磁式磁极通常由厚0.51mm的低碳钢片叠装而成，在磁极铁心上绕有励磁

36、绕组。整个磁极利用螺杆固定在磁轭上的低碳钢片叠装而成，在磁极铁心上绕有励磁绕组。整个磁极利用螺杆固定在磁轭上换向极：换向极：作用是改善换向，使电动机运行时电刷不产生有害的火花。如同主磁极一样，换向作用是改善换向，使电动机运行时电刷不产生有害的火花。如同主磁极一样，换向极也是由铁心和绕组两部分组成并固定在磁轭上。极也是由铁心和绕组两部分组成并固定在磁轭上。机座机座:也称机壳，用以固定主磁极、换向极和端盖等，也为其磁通路。也称机壳，用以固定主磁极、换向极和端盖等，也为其磁通路。一、一、直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构转子转子转子由转子由电枢铁心、电枢绕组及换向器电枢铁心、电枢绕组及换向器三

37、部分组成。三部分组成。电枢铁心电枢铁心:在旋转时被交变磁化，为了减少损耗，铁心一般由在旋转时被交变磁化，为了减少损耗，铁心一般由0.350.5mm的硅钢片叠装而成的硅钢片叠装而成 换向器换向器:起整流作用，它由楔形铜片所组成。铜片与铜片之间以及铜片与压圈之间均用云母起整流作用，它由楔形铜片所组成。铜片与铜片之间以及铜片与压圈之间均用云母绝缘。两个换向片与电枢绕组的各个线圈分别相接。绝缘。两个换向片与电枢绕组的各个线圈分别相接。电枢绕组电枢绕组:由按一定规律联接的线圈组成，是直流电动机中复杂而重要的电路部分，也是通由按一定规律联接的线圈组成，是直流电动机中复杂而重要的电路部分，也是通过电流和产生

38、感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。过电流和产生感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。一、一、直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构端盖端盖端盖端盖上装有轴承以支撑电机转子旋转，端盖固定在机座的两端。上装有轴承以支撑电机转子旋转，端盖固定在机座的两端。电刷架电刷架电刷架电刷架装在端盖上，电刷与换向器接触。装在端盖上，电刷与换向器接触。电机的定子和转子之间留有气隙，气隙的大小以及定、转子的结构形式对电机电机的定子和转子之间留有气隙，气隙的大小以及定、转子的结构形式对电机性能有重要作用。性能有重要作用。端盖端盖电刷架电刷架是定子磁极和转子电枢间自然形成的缝隙。虽不为结构部件，但

39、为主磁路重要部分，是机电能量转换媒介。气隙大小直接影响电机性能，越小磁损耗越小，效率越高，但受机械加工精度和同轴度限制。随电机容量(体积)和最高允许转速增加而增大。第二节 直流电机气隙气隙 二、直流电动机的二、直流电动机的基本原理基本原理可同时兼作电动机或发电机用，原理分别以电磁力或电磁感应为基础。电机外圈主磁极主磁极固定南S、北N极永磁铁，之间安装空芯筒状电枢铁芯电枢铁芯；铁芯与磁极间为气隙气隙；铁芯空筒内安放电枢绕组电枢绕组；绕组两端接在换向器换向器的半圆形铜片上；再由两个电刷电刷A、B连接外电路；电机运转时电枢铁芯、电枢绕组及换向器旋转，而主磁极和电刷在空间固定不动。第二节 直流电机直流

40、电机的物理模型a)直流电动机工作原理示意图 b)直流发电机工作原理示意图二、直流电动机二、直流电动机的工作原理的工作原理 第二节 直流电机图2-3a 直流电动机工作原理示意图 把把直流电直流电能能转换为机械能输出做功转换为机械能输出做功 电流正极从电刷A流入线圈，方向为ab、cd，再经电刷B返回电源负极。如导体所处磁通密度为B，导体有效长度为l，电流为i，按电磁力定律此时导体所受电磁力F=B l i。其方向由由左手左手定则判定定则判定，即导体，即导体ab和和cd受力产生的受力产生的转矩均使电机转子按逆时针转动。转矩均使电机转子按逆时针转动。导体内电流方向改变，但受力转矩方向不变，使转子连续旋转

41、。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上。电流经电刷A由d端流入线圈内，方向为dc、ba，仍如图箭头所示。根据左手定则判定导体ab和cd受力产生的转矩仍为逆时针方向。二、二、直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 第二节 直流电机将将电机轴上机械能转换为直流电电机轴上机械能转换为直流电能能原动机拖动转子电枢按逆时针旋转，如图导体ab段在N极下，cd段在S极上。如导体所处磁通密度为B，长度为l，其线速度为v，则根据法拉第电磁感应定律，导体感应电动势瞬时值e=B l v。电动势方向按右手定则按右手定则如图箭头所示：N极下ab段为ba、S极上cd段为dc。转子旋转时

42、绕组感应的交变电动势经换向器与电刷变成直流电动势。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上，电动势方向仍如图箭头所示：cd段为cd、ab段为ab。因电刷不随换向片转动使线圈abcd电动势方向仍是:电刷极性方向A为正、B为负。图2-3b 直流发电机工作原理示意图线圈abcd电动势为ab(或cd)的2倍，并使电刷极性方向A为正、B为负。实际电机的电枢不只是一个线圈，而由多个按一定规律连接的线圈组成，主磁极对数也成倍增加，提高了电机的功率密度，同时也降低了输出转矩(电动机)或电动势(发电机)的脉动程度。对于同一台直流电机，只要改变外界条件，既可用作电动机，也能转换为发电

43、机运行。第二节 直流电机特特 别别 说说 明明二、二、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理电动机状态和发电机状态的区别电动机状态和发电机状态的区别1.发电机状态运行时的特征发电机状态运行时的特征（1）电枢电流）电枢电流Ia与电枢电动势与电枢电动势Ea（方向由电枢两端正负号表示）的方向相同；（方向由电枢两端正负号表示）的方向相同；（2）电磁转矩）电磁转矩T与发电机的转向相反。与发电机的转向相反。2.电动机状态运行时的特征电动机状态运行时的特征（1）电枢电动势）电枢电动势Ea的方向与电枢电流的方向与电枢电流Ia的方向相反，即与系统电流电压的方向相反，即与系统电流电压U的方向相反；的方向相反；（

44、2）电磁转矩）电磁转矩Tj的方向与电枢的旋转方向相同。的方向与电枢的旋转方向相同。由发电机逆变为电动机的过程：由发电机逆变为电动机的过程：减小负载功率，使转速减小负载功率，使转速n降低，发电机的电势降低，发电机的电势Ea减小，因减小，因U不变，故不变，故Ia减小；减小；当当Ea=U时，时，Ia=0；当；当Ea U时，电流将由系统电源流入电枢，即时，电流将由系统电源流入电枢，即 Ia 反向，电磁转矩亦反向；完成由发电机逆反向，电磁转矩亦反向；完成由发电机逆变为电动机的过程。变为电动机的过程。由电动机逆变为发电机的过程：由电动机逆变为发电机的过程：略略a)发电机状态发电机状态b)电动机状态电动机状

45、态三、直流电机的励磁方式三、直流电机的励磁方式 根据励磁方式不同，直流电机可分为根据励磁方式不同，直流电机可分为他励他励和和自励自励两类。两类。u 他励直流电动机他励直流电动机的励磁线圈与转子电枢的电源分开。的励磁线圈与转子电枢的电源分开。能够实现能够实现对励磁电流对励磁电流If和电枢电流和电枢电流Ia的分别控制，的分别控制，从而实现对他励直流电动从而实现对他励直流电动机的控制。机的控制。具有具有线性特性线性特性和和稳定输出特性稳定输出特性，能够实现在减速和制动时的再，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收部分能量。生制动，回收部分能量。u 自励直流电动机自励直流电动机的励磁电流由自身供给，根

46、据励磁绕组与电枢的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系，又可以分为绕组的连接关系，又可以分为并励、串励和复励并励、串励和复励三种。三种。+U -+Uf -MIfRcEaIa他励u 并励直流电机并励直流电机:励磁绕组与电枢绕组并联，励磁线圈与转子电枢励磁绕组与电枢绕组并联，励磁线圈与转子电枢的端电压相同为的端电压相同为U。在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁。在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。通将保持恒定不变。特点：特点：。u 串励直流电机：串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电动机的励磁电流和电枢电流相

47、等，能获得每单位电流的最高转矩。的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩。这种励磁方式采用的较少。这种励磁方式采用的较少。特点：特点：有较好的起动特性以及有较好的起动特性以及，且转速随转矩的增加呈显著下降的特性。特别适用于，且转速随转矩的增加呈显著下降的特性。特别适用于起重设备起重设备。+U -IfMIa并励+U -IfMIa串励u 复励直流电机：复励直流电机：主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组，另一主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组，另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组若产生的磁动势方向相同称为个与电枢绕组串联，称为串

48、励绕组。这两个励磁绕组若产生的磁动势方向相同称为积复励积复励，否，否则称为则称为差复励差复励。积复励积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复励差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械设备中。电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械设备中。特别说明：虽然励磁绕组所消耗的功率仅占直流电机额定功率的特别说明：虽然励磁绕组所消

49、耗的功率仅占直流电机额定功率的13，但励，但励磁方式对直流电机的性能产生很大影响。磁方式对直流电机的性能产生很大影响。+U -If1MIf2Ia复励复励直流电机励磁绕组所耗功率虽只占整个电机功率的13%，但其性能随励磁方式不同产生很大差别，电动机的机械特性也大不相同，如图所示：第二节 直流电机他励机械特性图2-6 直流电机采用不同励磁方式的机械特性比较nn00 T并励机械特性串励机械特性复励机械特性1、直流电机电枢电动势和电磁转矩、直流电机电枢电动势和电磁转矩 1）电枢电动势）电枢电动势Ea(V)。无论运行于发电或电动状态，Ia电枢电流(A)；CT转矩常数。P电机极对数；N电枢绕组总导体数；a

50、电枢绕组的支路对数；电机每极磁通(Wb)；n电机转速(r/min)；Ce电动势常数。2）电磁转矩）电磁转矩T(Nm)。当电枢绕组流过电流时，第二节 直流电机nCnpNEea60a只要电枢旋转由绕组切割气隙磁通，就会产生 aaa2ICIpNTT载流导体在磁场中受力所形成的总转矩综上表明：Ea正比于和n；T正比于和 Ia。eeTCCC55.9260Ce和CT均决定于电机设计结构参数，两者间关系：2、他励直流电机的机械特性数学方程式、他励直流电机的机械特性数学方程式电枢回路电压平衡方程式U=Ea+(Ra+Rc)Ia。将电枢电动势Ea=Cen及电磁转矩T=CTIa代入，整理后可得他励直流电机的机械特性