直流电机工作原理和有刷直流电机的模型建立
直流电机工作原理与有刷直流电机的模型建立
一、 直流电机的基本结构
直流电机可概括地分为静止与转动两大部分。静止部分称为定子;转动部分称为转子。定、 转子之间由空气隙分开,如图。
图a所示为直流电机结构,图b所示为直流电机剖面图。
1、 定子部分
定子由主磁极、换向极、机座与电刷装置等组成。
(1)主磁极 它的作用就是产生恒定的主极磁场,由主磁极铁心与套在铁心上的励磁绕组组成。
(2)换向极 换向极的作用就是消除电机带负载时换向器产生的有害火花,以改善换向。
(3)机座 机座的作用有两个,一就是作为各磁极间的磁路,这部分称为定子磁轭;二就是作为电机的机械支撑。
(4)电刷装置 其作用,一就是使转子绕组能与外电路接通,使电流经电刷输入电枢或从电枢输出;二就是与换向器相配合,获得直流电压。
2、 转子部分
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转子就是直流电机的重要部件。由于感应电势与电磁转矩都在转子绕组中产生.就是机械能与电能相互转换的枢纽,因此称作电枢。电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。另外转子上还有风扇、转轴与绕组支架等部件。
(1)电枢:铁心电枢铁心的作用有两个,一就是作为磁路的一部分,二就是将电枢绕组安放在铁心的槽内。
(2)电枢绕组:电枢绕组的作用就是产生感应电势与通过电流,使电机实现机电.能量转换它由许多形状完全相同的线圈按一定规律连接而成。每一线圈的两个边分别嵌在包枢铁心的槽里,线圈的这两个边也称为有效线圈边。
(3)换向器:换向器又称整流子,在直流电动机中,就是将电刷上的直流电流转换为绕组内的交变电流,以保证同一磁极下电枢导体的电流方向不变,使产生的电磁转矩恒定;在直流发电机中,就是将绕组中的交流感应电势转换为电刷上的直流电势,所以换向器就是直流电机中的关键部件。
换向器由许多鸽尾形铜片(换向片)组成。换向片之间用云母片绝缘,电枢绕组每一个线圈的两端分别接在两个换向片上,换向器的结构如图1-2所示。
直流电机运行时在电刷与换向器之间往往会产生火花。微弱的火花对电机运行并无危害,若换向不良,火花超过一定程度,电刷与换向器就会烧坏,使电机不能继续运行。
此外,在静止的主磁极与电枢之间,有一空气隙,它的大小与形状对电机的性能影响很大。空气隙的大小随容量不同而不同。空气隙虽小,但由于空气的磁阻较大,因而在电机磁路系统中有着重要的影响。
二、直流电机的基本工作原理
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在A、B电刷上接入直流电源U,则该电机模型为电动机模型。 按入直流电源以后,电刷A为正极性,电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab→cd,到负电刷B流出。根据电磁力定律.在载流异体与磁力线垂直的条件下,线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断。
在换向器与静止电刷的相互配合作用下,线圈不论转到何处,电刷A始终与运动到N极下的线圈边相接触,而电刷B始终与运动到S极下的线圈边相接触,这就保证了电流总就是由电刷A经N极下的导体流入,再沿S极下的导体经电刷B流出。因而电磁力与电磁转矩的方向始终保持不变,使电机能沿逆时针方向连续转动。
在如图所示的电动机模型中,转子线圈中流过电流时,受电磁力的作用而产生的电磁转矩可用下式表示:
T?Cm?Ia式中,T为电磁转矩(N·m);Ia为电枢电流(A);Cm为与电机结构有关的常数,称为转矩常数,Cm = 9、55Ce。
当线圈在磁场中转动时,线圈的有效边也切割磁力线,根据对发电机所作的分析可知,显然其中也会出现感应电势。根据右手法则,由磁场及转动方向不难判断出有效边中感应电势的方向,总就是与其中的电流方向相反,故该感应电势又常称为电枢反电势。这时电机将电能转换成了轴上输出的机械能。 三、有刷直流电机建模
1典型的单位反馈系统
一般研究的传递函数就是将时域函数经拉普拉斯变换后的复频域 函数。
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如图:WO(s) 为系统的开环传递函数,R(s) 与C(s)分别为系 统的输入与输出而E(S)为系统的误差。
系统开环传递函数的一般形
式:W0(s)=
2直流电机的数学模型
直流电动机中,有电机转速变化的机械过程与电量变化的电磁 过程这两个过程,按照实际情,在此模型中,我们认为它们同时发 生。据此,从电枢电压的平衡方程与转矩平衡方程出发,建立其状 态方程及传递函数关系。
电枢电压平衡方程为
转矩平衡方程为
其中ua —电枢电压(V); ε—电枢反电势 (V); ia —电枢电流 (A);
La 、Ra—电枢电感(H)、电枢电阻(Q); Φ—每极磁通(Wb);
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n—转子转速(r／min)
Ce、Cm—直流电机电势常数与转矩常数,Ce =PN／(60a)、Cm = PN／(2πa),其中P为电机极对数,N为电枢总导体数,a 为并联支路数
M、ML — 电磁转矩与负载转矩 (N?m); J—转速惯量(N?m?s?min／r).
其中转速惯量J,与转动惯量J0(N?m?s?／rad) 之间关系如下。 由
得
作拉普拉斯变换可解得电枢电流ia与电枢电压ua,之间的传递 函数
转子转速n与动态转矩(M-ML)之间的传递函数
其中
Ka=1／Ra—电枢回路放大倍数; T=La／R—电枢回路电磁时间常数(s); 令
Tm =—机电时间常数 (s)