直流电机原理与使用介绍
直流电机原理与使用介绍
定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机原理
直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦兹力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。
直流电机的结构
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1. 定子
（1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
（2）换向极
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，图8.5 主磁极的结构
换向极的数目与主磁极相等。
（3）机座
电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；
1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座
二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。
4）电刷装置
电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
图1.6 换向极图1.7 电刷装置
1—刷握2—电刷
3—压紧弹簧 4—刷辫 1—换向极铁心 2—换向极绕组
2. 转子(电枢)
（1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
（3）换向器
在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向图8.9 电枢槽的结构
片的紧固通常如图8.10所示，换向片的下部做成鸽 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体
尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
螺母锁紧。
4）转轴
转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
图8.10 换向器结构
1—换向片 2—连接部分图8.11 单叠绕组元件
1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励或自激直流电机，一般直接称作励磁方式为永磁。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是他励和串励，其它励磁方式，在电子工业的不断完善下将逐渐被淘汰，直流发电机的主要励磁方式有他励、并励和复励方式。
直流发电机
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁电源等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电转换成直流电，但从某些工作性能方面来看，交流整流电源还不能完全取代直流发电机。
直流电机铭牌
国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。
以Z2---92为例：Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。
第一部分字符含义如下：
Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4 等系列）
ZY系列：永磁直流电机
ZJ系列：精密机床用直流电机
ZT系列：广调速直流电动机
ZQ系列：直流牵引电动机
ZH系列：船用直流电动机
ZA系列：防爆安全型直流电动机
ZKJ系列：挖掘机用直流电动机
ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机
直流电机的工作原理
直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）
在图1.1所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 A 呈正极性,电刷B 呈负极性。
图1.1 直流发电机原理模型
当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。
图1.2 直流发电机原理模型
从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
直流电动机工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
图1.3 直流电动机的原理模型
当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
图1.4 直流电动机原理模型
因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。
控制器设计
1 引言
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。
2 控制器结构与原理
2.1 控制器结构
MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转
子位置检测信号为 60°或 120°方式，S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故障
指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。
2.2 控制原理
从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA,SB,SC）一方面送入 ) MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号（Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。
另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。FB 通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
3 芯片功能
3.1 MC33035 结构组成及功能
其主要组成部分包括：
（ 1 ）转子位置传感器译码电路；
（ 2 ）带温度补偿的内部基准电源；
（ 3 ）频率可设定的锯齿波振荡器；
（ 4 ）误差放大器；
（ 5）脉宽调制（PWM）比较器；
（ 6 ）输出驱动电路；
（ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出；
（ 8 ）限流电路。
该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。
3.1.1 转子位置传感器译码电路
该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300°四种情况的三相无刷电动机。由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平）。
用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。
当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个上侧驱动输出开路，下侧 3 个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号，它的作用是等待3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。
3.1.2 误差放大器
该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 6.25V ），可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。
3.1.3 脉宽调制器
除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（ PWM ）信号，控制 3 个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。
3.1.4 电流限制
外接逆变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为 Imax ，则采样电阻按下式选择：
Rs = 0.1/ Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚 9 输入前可设置 RC 低通滤波器。
3.2 MC33039电子测速器
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3 个输出信号，经 F / V 变换成正比于电动机转速的电压。
从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号的
占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。
4 实验与结论
为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。
4.1 准备
实验的主要部分 _ 控制电路，设计为 MC33035 和MC33039 所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。
首先要作调整的是电源。试验中选用的电机是三相六极电机，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供电电源和 MC33035 的脚 17 之间加入 LM317 稳压三端以保证MC33035的Vcc在许可的范围内。LM317 是 50V 输入、 15V 输出的稳压三端。它的基本电路结构，如图 5 示。
其次，该闭环速度控制系统中，用 3 个霍尔集成电路作转子位置传感器。用 MC33035 的脚 8 参考电压（6.24V）作为它们的电源。霍尔集成电路输出信号送至 MC33039 和MC33035。实验中的电动机是六极的，从 MC33039 的脚 5 输
出的脉冲数是电动机每一转输出的 3×6 = 18 个脉冲。按电动机的最高转速来选择定时元件。实验中电动机的最高转速为1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此时每秒输出脉冲数是 25×18 = 450个。即其频率为 450Hz，周期约为 2.2ms 。由 MC33039 说明书，取定时元件参数 R1=1MΩ，C1 = 750PF，单稳态电路产生脉冲宽度为 95µs 。脚 8 接 MC33035 的基准电压。脚 5 输出经电阻 R3 接 MC33035 的脚12 ，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为 10，电容C3, 起滤波平滑作用。MC33035 振荡器参数：R2 =5.1kΩ，C2 = 0.01µF，PWM 频率约为 24kHz 。
另外，因无法做成图 1 所示的 NPN-PNP 逆变桥。故用了 N 沟道的 VMOS 管，可组成六路逆变桥的电路，由于上侧驱动信号只能直接驱动 p 沟道的 VMOS 管而下侧可直接驱动 N 沟道的 VMOS 管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组成后的电路图，如图 6 示。
4.2 实验结论
在电机实际操作之前，以手动方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与 MC33035 输出信号真值表是否一致。实验结果，如表 2 示。
手动工作的结果：实验所得与理论真值表一致。
电机在电源驱动情况下的实验波形，如图7、8示。
两图中的上侧曲线均为传感器输出的 SB ，图 7的下侧曲线为Sc ，图 8 的下侧曲线为 SA。对照可知，实验输出与理论相符。
测量电流波形时，首先，将一驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一 5Ω的测量电阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波形。如图 9 示。
可是，图 9 中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有负载消耗平缓电流的波动。
接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一 MC33035 的上侧驱动输出和 MC33035 的 fout 为实验对象。测得的波形，如图 10, 示。
理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而 fout 波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量，从而改变电动机两端的平均电压，改变电动机转速。
但由于试验中的种种客观原因，导致了显示的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增加，即电机加速。
在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改变控制电路的电源电压 Vcc ，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压 Vcc 从 15V 不断被调低，当到达 10.5V 左右时，报警电路驱动 LED 点亮，故障报警。
5 结语
虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。
6 电机生产企业名录：
日本万宝至马达株式会社
香港德昌电机有限公司
香港标准马达有限公司
日本三洋电机株式会社
捷和电机深圳有限公司
深圳唯真电机有限公司
深圳市仓兴达电机有限公司
浙江金龙机电股份有限公司
深圳涌新源电机有限公司
常州电机电器总厂
西安微电机研究所
西门子电机厂
南阳防爆电机总厂
可逆运行原理
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
直流电机的分类
按结果主要分为直流电动机和直流发电机按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
单极直流电机
homopolar machine 一种电枢导电部分始终工作于单一极性磁场中的直流电机。它是一种低压大电流无换向器的直流电机。图[单极直流电机原理示意]示一台圆筒形电枢单极直流电机的原理结构。当两个环形励磁线圈通直流电时，电机气隙的整个圆周上将产生单一极性的磁场。当转轴带动圆筒形铜质电枢旋转时，枢轴向两端即感生电动势，其方向是固定不变的。此电动势由电刷从电枢两端引出。电刷的作用只是引出电流，无换向问题。由于电枢是一个铜环，无需绝缘，它发热小，耐高热；加上这种电机结构简单、维护容易和可靠性高等优点，在冶炼及电化学行业中获得广泛应用。单极直流电机电压低，电流大。电压只有几伏或十几伏，而电流可达几百安，几千安，甚至上万安。因此电刷的接触损耗和发热相当大，磨损也快。实用上应尽可能加多并联电刷的数目,采用接触电压降小的铜-石墨电刷，或用导电和导热更好的液态金属，如水银或钠钾合金等做电刷。要提高单极直流电机电压，就必须提高气隙磁通密度和转速。转速受旋转体机械强度的限制，气隙磁通密度则受铁磁饱和限制，都不能过高。如采用超导技术则可使单机功率比普通电机提高十几倍以上
直流电机工作原理
第二章 直流电机 2．1 概述 2.1.1 直流电机的工作原理 首先，复习e=B δlv 公式，说明e 正比于B δ。结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s ， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=p Ω=p2πn/60 (rad/s) （记下来）；导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在空间得分布曲线 B δ(θ)(0≤θ=ωt ≤2π)。进而得到导体电势e(ωt)和线圈电势e AB (ωt)。 经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。 工作原理： （1） 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出，变为直流电势输出。（发电机惯例） （2） 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体 受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。 结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。 （2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电 （3） 从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。 （4）电动机惯例 发电机惯例 i i u Motor u Generator
2．1．2 直流电机的主要结构部件 定子——起机械支撑，产生磁场的作用 机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构 气隙——耦合磁场 转子——产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载 额定功率：指输出功率W, kW 。 发电机P N =U N I N 电动机P N =ηU N I N 额定电压U N (V)， 额定电流I N (A)， 额定励磁电压U fN (V)， 额定励磁电流I fN (A)， 额定转速n N (r/min)
直流电机原理与控制方法
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定
电机学第五版汤蕴璆复习重点带答案
1、变压器的铁心损耗包括：磁滞损耗 、涡流损耗。 2、感应电机经两次折算后得到等效电路，这两次折算为：频率折算、绕组折算。 3、直流电机按励磁方式可分类为：他励式、并励式 、串励式 、复励式。 4、变压器开路试验可以获得哪些等效电路参数：激磁电阻、激磁电抗。 4、同步电动机的起动方法有：变频起动、辅助起动、异步起动。 5、变压器等效绕组折算的一般原则是：归算前、后二次侧绕组磁动势保持不变。 6、并励直流发电机希望改变他电枢两端的正负极性，采用的方法是改变励磁绕组的接法。 7、直流发电机的电磁转矩与转速方向相反，转子电枢导体中的电流是交流电。 8、变压器制造时，硅钢片接缝变大，那么此台变压器的励磁电流将增大。 9、一台感应电机，其转差率s>1，转速n<0，则电机运行状态是电磁制动。 10、一台三相感应电机接在50Hz 三相交流电源上运行，额定转速为1480r/min ，定子上A 、B 两导体空间相隔20°机械角度，则A 、B 两导体的空间电角度为：40°。 11、简述改变他励直流电动机、三相鼠笼异步电动机转子转向的方法。 答：他励直流电动机：将电枢绕组的两个接线端对调；三相鼠笼异步电动机：将三相电源线的任意两根线换接。 12、简述并励直流发电机的自励条件。 答：1.磁路中必须有剩磁；2.励磁磁动势与剩磁两者的方向必须相同；3.励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。 13、已知直流他励电机的额定电流I N 、额定电压U N 、额定效率ηN ，简述直流电动机和直流发电机额定功率的定义，并写出表达式。 答：对于发电机，额定功率是指线端输出的电功率，I U P ;对于电动机，额定功率是指轴上输出的机械功率，N N N N =。 14、简述单相变压器的工作原理。 15、为什么同步电动机不能自启动？说明原因。 16、一台三相绕线型感应电动机，若将定子三相短路，转子绕组通入频率为f1的三相交流电，试问：空载时电机转子能否转动，分析其工作原理。 17、简述直流电机、鼠笼异步电机、绕线异步电机和同步电机的原理和结构异同？ 18、在导出变压器的等效电路时，为什么要进行归算？归算是在什么条件下进行的，要遵循哪些原则？ 答：因为变压器原、副边只有磁的联系，没有电的联系，两边电压21E E ≠，电流不匹配，必须通过归算，才能得到两边直接连接的等效电路。 归算原则：归算前、后二次侧绕组磁动势保持不变。 19、一台并励直流发电机不能正常输出电压，试分析其可能原因。 答：1.磁路中没有剩磁；2.励磁回路与电枢回路之间接线错误；3.励磁回路的总电阻大于临界电阻。 20、一台他励直流电动机拖动一台他励直流发电机在额定转速下运行，当发电机电枢电流增加时，电动机的电枢电流有何变化？并说明其原因。 答：直流电动机的电枢电流也增加。因为直流发电机电流增加时，则制动转矩即电磁转矩增大，要使电动机在额定转速下运行，则必须增大输入转矩即电动机的输出转矩，那么，电动机的电磁转矩增大，因此电枢电流也增大。
永磁无刷直流电动机的基本工作原理
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
直流电机工作原理
第二章直流电机的基本结构和运行分析 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。 第一节直流电机基本工作原理 直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。 一、直流电机的模型结构 图2—1所示为一台直流电机简单模型图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。 图2-1 直流发电机工作原理
在两个主磁极N 、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷A 和B ，并压在换向器上，与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速ｖ逆时针方向旋转时，如图2－2(a)所示，线圈两个有效边ab 和cd 将切割磁力线，而感应产生电势ｅ。其方向用右手定则确定，导体ab 位于N 极下，导体cd 位于S 极下，产生电势方向分别为b →a ，d →c 。若接通外电路，电流从换向片1→A →负载→B →换向片2。电流从电刷A 流出，具有正极性，用“＋”表示；从电刷B 流入，具有负极性，用“一”表示。 当电枢转到90o 时，线圈有效边ab 和cd 转到N 、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到180o 时，导体ab 和cd 及换向片1、2位置互换，如图2-1(b)所示。导体加位于S 极下，导体cd 位于Ｎ极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a →b ，c →d ，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A →负载→B →换向片1。由此可见，电刷A(B)始终与转到N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变A 为“＋”，B 为“―”。 由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。 2.电势的波形 根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势ｅ为： Lv B e X = （V ） （2-1） 式中x B ——导体所在位置的磁通密度（T ）； L ——导体切割磁力线的有效长度（ｍ）； v ——导体切割磁力线的线速度（ｍ/ｓ）。 要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速v 旋转，v=常数，L 在电机中不变，则x B e ∝，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将
《电机学》课后习题答案
《电机学》 课后习题答案 华中科技大学辜承林主编
第1章 导论 1.1 电机和变压器的磁路常采用什么材料制成？这些材料各有哪些主要特性？ 解：磁路：硅钢片。 特点：导磁率高。 电路：紫铜线。 特点：导电性能好，电阻损耗小. 电机：热轧硅钢片， 永磁材料 铁氧体 稀土钴 钕铁硼 变压器：冷轧硅钢片。 1.2 磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因素有关？ 解：磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化，磁畴会不停转动，相互间产生摩擦， 消耗能量，产生功率损耗。 与磁场交变频率f ，磁通密度B ，材料，体积，厚度有关。 涡流损耗：由电磁感应定律，硅钢片中有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生 叫涡流，涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的损耗叫涡流损耗。 与 磁场交变频率f ，磁通密度，材料，体积，厚度有关。 1.3 变压器电动势、运动电动势产生的原因有什么不同？其大小与哪些因素有关？ 解：变压器电势：磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势 4.44m E fN φ=。 运动电势：线圈与磁场间的相对运动而产生的e T 与磁密B ，运动速度v ，导体长度l ，匝数N 有关。 1.6自感系数的大小与哪些因素有关？有两个匝数相等的线圈，一个绕在闭合铁心上，一个 绕在木质材料上，哪一个自感系数大？哪一个自感系数是常数？哪一个自感系数是变数，随什么原因变化？ 解：自感电势：由于电流本身随时间变化而在线圈内感应的电势叫自感电势。d L e d t L ψ =- 对空心线圈：L Li ψ= 所以di e L L dt =- 自感：2L L N N m m i i i L Ni N φψ= = = ∧=∧ A m l μ∧= 所以，L 的大小与匝数平方、磁导率μ、磁路截面积A 、磁路平均长度l 有关。 闭合铁心μ>>μ0，所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。因为μ0是常数，所以木 质材料的自感系数是常数，铁心材料的自感系数是随磁通密度而变化。 1.7 在图1.30中，若一次绕组外加正弦电压u 1、绕组电阻R 1、电流i 1时，问 （1）绕组内为什么会感应出电动势？ （2）标出磁通、一次绕组的自感电动势、二次绕组的互感电动势的正方向； （3）写出一次侧电压平衡方程式； （4）当电流i 1增加或减小时，分别标出两侧绕组的感应电动势的实际方向。 解：(1) ∵u 1为正弦电压，∴电流i 1也随时间变化，由i 1产生的磁通随时间变化，由电磁感 应定律知d dt e N Φ=-产生感应电动势. (2) 磁通方向：右手螺旋定则，全电流定律1e 方向：阻止线圈中磁链的变化，符合右手螺 旋定则：四指指向电势方向，拇指为磁通方向。
无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)
无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则
无刷直流电机工作原理详解
无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。
无刷直流电机的组成及工作原理
无刷直流电机的组成及工作原理 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 无刷直流电机的组成 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁 硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 转子位置检测电路
直流电动机的基本原理：
一、直流电动机的基本原理： 下面电机原理部分的内容主要摘自谢明琛教授编著的《电机学》： 图示为一个最简单的直流电机模型，定子上有固定的永久磁铁做磁极，转子为圆柱型的铁芯，上面嵌有线圈（图中导体ab和cd连成一个线圈），线圈的首末端分别连接在两片彼此绝缘的圆弧型换向片上，换向片固定在转轴上，换向片构成的整体称为换向器，整个转动部分成为电枢，为了把电枢和外电路接通，在换向片上放置了两件空间位置固定的电刷A和B，当电枢转动时，电刷A只能与转到上面的换向片接触，电刷B只能与转到下面的换向片接触。 当这个原理样机作为直流发电机运行时，用原动机拖动电枢，使之以恒速n沿逆时针方向旋转，若导体的有效长度为l ,线速度为v,导体所在位置的磁通密度为 ，则在每根导体中感应出电势为 = v l e.. B δ
导体感应电势的方向用右手定则确定，在图示的瞬间，ab导体处在N极下，其电动势的方向由b—a，而导体cd处·在S极下，其电动势方向由d—c,整个线圈的电动势为2e，方向由d—a,如果线圈转过180度，则ab导体和cd导体的电动势方向均发生改变，故线圈电动势为交变电动势。 但通过测量，我们却发现在电刷A/B间的电动势却是单向的，这是为什么呢？这是因为电刷A只与N极下的导体接触，当ab导体在N极下时，电动势方向为b—a—A，电刷A的极性为+，在另一个时刻，导体cd转到N极下时，电动势的方向为c—d—A,电刷A的极性仍为+，可见电刷A的极性永远为+，同理，电刷B的极性就永远为-，故电刷A/B间的电动势为直流电动势。 若把上述电机模型用做电动机运行，在电刷A/B间施加直流电压，使电流从正极电刷A流入，通过线圈abcd，经负极电刷B流出，由于电流始终从N极下的导体流入，S极下的导体流出，根据电磁力定律可知，上下两根导体受到的电磁力方向始终为逆时针方向，它们产生的电磁力矩的方向也始终是逆时针方向，使电机按逆时针方向旋转，从上面的分析可以看出，在直流电机的绕组里，电枢线圈里的电流方向是交变的，但产生的电磁转距的方向却是单向的，这也是由于有换向器的原因。 以上是直流电机运行的基本原理，而对直流电机的基本结构，相信大家已经非常熟悉，我就不再浪费大家的时间，下面，就首先从电动机的额定参数的定义开始给大家开始介绍电机的运行方程及特点。
最新上海电力学院电机学期末考试题库--直流电机库
直流電機 一、选择 １直流并励电动机的输出功率等于： ⑴ＵN*ＩN*ηN; ⑵ＵN(ＩN-Ｉf)；⑶ＵN*ＩN。 ２直流发电机电枢导体中的电流是： ⑴直流电；⑵交流电；⑶脉动的直流。 ３要改变并励直流电动机的转向，可以： ⑴增大励磁；⑵改变电源极性；⑶改接励磁绕组。４一台直流它励发电机，６极，单迭绕组，额定电流为１５０安，电枢绕组的支路电流为： ⑴１２．５安；⑵２５安；⑶５０安。 ５直流发电机的电磁转矩与转速的方向： ⑴相同；⑵相反；⑶无关。 ６一台并励直流发电机正常运行后停机，现将原动机反转，希望能正常工作，应该：⑴将并励绕组反接；⑵将电枢绕组反接； ⑶将并励绕组和电枢绕组同时反接。 ７一台并励直流发电机，在５００转／分时建立空载电压１２０伏，若把转速提高到１０００转／分，则该电机空载电压： ⑴等于２４０伏；⑵大于２４０伏； ⑶大于１２０伏，但小于２４０伏；⑷无法判断。 ８一台直流并励电动机，拖动一不随转速而变化的恒定负载运行，原来输出功率为额定值，当电枢回路中串入一电阻Ｒ使电机转速下降，不计电枢反应作用，则在新的稳定运行状态下，电枢电流： ⑴小于额定值；⑵等于额定值；
⑶大于额定值；⑷不能确定。 ９直流它励电动机空载运行时，若不慎将励磁回路断开，电机转速将： ⑴增至不允许的值，即“飞车”； ⑵升至新的值稳定运行；⑶减速直至停止。 １０一台并励直流发电机希望改变它电枢两端的正负极性，采用的方法是： ⑴改变原动机的转向；⑵改变励磁绕组的接法； ⑶既改变原动机的转向又改变励磁绕组的接法。 １１一台空载电压为１００伏的并励直流发电机，空载励磁电流为１．０安，若励磁电流增加到２．０安，此时电枢电压： ⑴大于１００伏但小于２００伏； ⑵等于２００伏；⑶大于２００伏。 １２一台直流电动机在额定电压下空载起动，和在额定电压下半载起动，两种情况下的合闸瞬时起动电流： ⑴前者小于后者；⑵两者相等；⑶后者小于前者 １３一台额定电压为２２０伏的直流串励电动机，误接在交流２２０伏的电源上，此时电动机将产生： ⑴方向交变的电磁转矩；⑵方向恒定的电磁转矩； ⑶不产生电磁转矩。 １４一台串励直流电动机，若把电刷顺旋转方向偏离几何中心线一个角度，设电机的电枢电流保持不变，此时电动机的转速： ⑴降低；⑵升高；⑶保持不变。 １５一台并励直流电动机，在保持负载转矩不变的条件下，如果电源电压Ｕ降为０．５Ｕ，此时电动机的转速：
直流电机工作原理图解
直流电机工作原理图解 一.直流电机的物理模型图解释。 这是分析直流电机的物理模型图。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦
互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 二.直流发电机的工作原理 直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。 如何转换？分以下步骤说明： 设原动机拖动转子以每分转n转转动； 电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。其中 If 称之为励磁电流。这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。 但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势确是直流电了。这便是直流发电机的工作原理。如下动画演示： 三.直流电动机的工作原理
直流电机原理与控制方法
电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。
电机学重点内容
《电机学》要求掌握的重点内容 一、基本概念和基本原理 1 . 单相变压器空载时的电流与主磁通不同相位，存在一个相位角度差αFe，因为存在铁耗电流。空载电流是尖顶波形，因为其中有较大的三次谐波。 2 . 直流电机电枢绕组中流动的也是交流电流。但其励磁绕组中流的是直流电流。直流电动机的励磁方式有他励、并励、串励、复励等。 3 . 直流电机的反电势表达式为E =C E Φ n；而电磁转矩表达式则为T em =C T ΦI。 4 . 直流电机的并联支路数总是成对的。而交流绕组的并联支路数则不一定。 5 . 在直流电机中，单叠绕组的元件是以一个叠在另外一个之上的方式，串联而成的。无论是单波绕组、还是单叠绕组，换向片将所有元件串联在一起、构成了一个单一的闭合回路。 6 . 异步电机又称感应电机，因为异步电机的转子电流是通过电磁感应而产生的。 7 . 异步电动机降压起动时，起动转矩减小，起动转矩和绕组的起动电流的平方成正比地减小。 8 . 一次侧电压的幅值、频率不变时，变压器的铁心的饱和程度是基本不变的，励磁电抗也基本不变。 9 . 同步发电机的短路特性是一条直线，三相对称短路时磁路是不饱和的；三相对称稳态短路时，短路电路为纯去磁的直轴分量。 10 . 同步电机励磁绕组中的电流是直流电流，励磁方式主要有励磁发电机励磁、静止整流器励磁、旋转整流器励磁等。 11 . 三相合成磁动势中没有偶次谐波；对称三相绕组通对称三相电流，其合成磁动势中没有3的倍数磁谐波。 12 . 三相变压器一般都希望有某一侧是三角形连接或者有某一侧中点接地。因为三相变压器的绕组联结都希望有三次谐波电流的通路。 13 . 对称三相绕组通对称三相电流时，其合成磁动势中的5次谐波是反转的；7次谐波是正转的。 14 . 串励直流电动机的机械特性比较软。他励直流电动机的机械特性比较硬。 15 . 变压器短路试验可以测量变压器绕组的漏阻抗；而空载试验则可以测量绕组的励磁阻抗参数。 16 . 变压器的变比等于一次侧绕组与二次侧绕组的匝数比。而单相变压器的变比则还可以表示成一、二次侧的额定电压之比。 17 . 正常励磁时，同步发电机的功率因数等于1；保持输出有功不变，使励磁电流小于正常励磁（欠励）时，则直轴电枢反应的性质是助磁的；保持输出有功不变，使励磁电流大于正常励磁（过励）时，则直轴电枢反应的性质是去磁的。 18 . 在直流电机中，铁耗主要存在于转子铁心(电枢铁心)中，因为定子铁心磁场基本不变。 19 . 在直流电机中，第一节距y1等于元件第1边与第2边之间相差的槽数。合成节距y等于相串联的两元件的上元件边之间相差的槽数。 20 . 在直流电机中，当不考虑饱和时，交轴电枢反应的特点是使磁场为零的位置偏移，但每极磁通不变。当电刷位于几何中性线上时，电枢反应是交磁性质的。 21 . 在直流电动机中，将外部的直流电变换成内部的交流电的部件是换向器。换向器的作用是将直流转换成交流（或相反）。 22 . 在同步电机中，当定子绕组交链的励磁磁通Φ0为最大值时，反电势E0达到最小值，当Φ0达到零时，E0达到最大值，Φ0和E0这两者之间的相位关系为Φ0超前E0 90o。且E0和Φ0之间的关系表达式为：E0 = 4.44 f N k N1Φ0。 23 . 在电机中，漏磁通是指仅交链绕组自身的磁通，其产生的反电动势往往可以用一个漏电抗压降（或负电抗压降）来等效。 24 . 异步电机的转子有：鼠笼式、绕线式等两种。 25 . 异步电机的转差率s定义为：同步转速与转子转速之差与同步转速的比值。异步电机工作于电动机状
直流电机工作原理
第三章直流电机的原理 本章主要介绍直流电机的结构和基本工作原理、直流电机绕组的构成、直流电机的电枢反应、直流电机绕组的电动势和电磁转矩、直流发电机和直流电动机的功率转矩等内容。本章共有10节课，内容和时间分配如下： 1.掌握直流电机的结构及工作原理。（2节） 2.掌握直流电机绕组有关的结构。（2节） 3.掌握直流电机绕组的电枢反应。（1节） 4.掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩。（1节） 5.掌握直流发电机的基本方程式和运行特性、并励发电机的条件。( 2.5节) 6.掌握直流电动机的基本方程式和运行特性。( 1.5节) 第一节直流电机的基本工作原理 一直流电机的用途 直流电动机的优点： 1 调速范围广，易于平滑调节 2 过载、启动、制动转矩大 3 易于控制，可靠性高 4 调速时的能量损耗较小 缺点: 换向困难，容量受到限制，不能做的很大。 应用: 轧钢机、电车、电气铁道牵引、造纸、纺织拖动。 直流发电机用作电解、电镀、电冶炼、充电、交流发电机励磁等的直流电源。 二、直流电机的工作原理 原理：任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上。 为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。（一）直流发电机的工作原理 1．工作原理：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。 e=Blv。 B:磁密l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。 正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。
理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势） 2 发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。 （1）构成： 磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。 励磁绕组——容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。 电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。 换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。 电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
电机学考试资料真题1(直流电机含答案)
重庆大学 电机学（1） 课堂测验二 2011 ~2012 学年 第 一 学期 考试方 式： 测验日期：2011.12.08 测验时间： 45 分钟 题 号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总 分 得 分 一、 单项选择题（每小题2分，共20分） 1．一台额定转速为1000r/min 的并励直流电动机，在额定状态运行时输入功率为10kW ，若在电枢回路中串电阻调速，保持负载转矩不变，当转速为800 r/min 时输入功率为 A 。 A ．10kW ； B ．8kW ； C ．12.5kW ； D ．无法确定。 2．直流电机交轴电枢反应磁动势最大值的位置取决于 D 。 A ．电刷的位置； B ．主磁极轴线的位置； C ．转子旋转方向； D ．电枢的几何中性线。 3．把直流发电机的转速升高20%，他励方式运行空载电压为U 他，并励方式空载电压为U 并，则 B 。 A ．U 他=U 并； B ．U 他U 并。 4．一直流电动机拖动一台他励直流发电机。当电动机的外电压、励磁电流不变时，增加发电机的负载，则电动机的电枢电流I a 和转速n 将 A 。 A ．I a 增大，n 降低； B ．I a 减少，n 升高； C ．I a 减少，n 降低； D ．I a 增大，n 升高。 5．在直流电机中，公式E a =C e Фn 和T =C T ФI a 中的Φ指的是 C 。 A ．每极合成磁通； B ．所有磁极的总磁通； C ．主磁通每极磁通； D ．以上都不是。 6．直流电动机起动时，励磁回路应 B 电源。 A ．与电枢回路同时接入； B ．比电枢回路先接入； C ．比电枢回路后接入。 7．直流电机电枢绕组元件中的电动势和电流是 B 。 A ．直流； B ．交流； C ．可能是直流也可能是交流。 8．直流电动机的额定功率指 B 。 A ．转轴上吸收的机械功率； B ．转轴上输出的机械功率； C ．电枢端口吸收的电功率； D ．电枢端口输出的电功率。 9．电枢磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩。若电枢磁动势有交轴分量和直轴分量，则 C 。 A ．二者都产生电磁转矩； B ．仅直轴分量产生电磁转矩； C ．仅交轴分量产生电磁转矩； D ．二者都不产生电磁转矩。 10．一台串励直流电动机，设电枢电流保持不变，若电刷顺转向偏离几何中性线一个角度，此时电动机转速 A 。 A ．降低； B ．保持不变； C ．升高。 二、 填空题（每空1分，共20分） 1．一台并励直流电动机，如果电源电压和励磁电流不变，当加上一恒定转矩的负载后，发现电枢电流超过额定值，有人试在电枢回路中接一电阻来限制电流，此方法 不可行 (可行或不可行)。串入电阻后，电动机的输入功率将 不变 ，电枢电流将 不变 ，转速将下降 ，效率将 下降 。(增大、减小或不变)。 2．他励直流发电机的电压调整率与 电枢电阻 和 电枢反应 有关。 3．并励直流电动机调速时，在励磁回路中增加调节电阻，可使转速 增大 ，机械特性 变软 ；在电枢回路中增加调节电阻，可使转速 减小 ，机械特性 变软 ；降低端电压，可使转速 减小 ，机械特性 不变 。(增大、减小、变硬、变软或不变)。 4．电磁功率与输入功率之差，对于直流发电机包括 铁心损耗和机械 损耗；对于直流电动机包括 各种铜损耗和杂散 损耗。 5．串励直流电动机在电源反接时，电枢电流的方向 反向 ，磁通的方向 反向 ，转速的方向 不变 。 6．直流发电机电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是 去磁的 ；若为电动机，则直轴电枢反应是 增磁的 。 三、 简答题（每题8分，共24分） 1．简述并励直流发电机自励建立稳定电压的条件。 答：①有一定的剩磁；②励磁回路的电阻小于与运行转速所对应的临界电阻；③励磁绕组的接线与电机转向的配合是正确的。这里的正确配合就是说当电机以某一方向旋转时，励磁绕组只有一个正确的接法与之相对应。 学院 电气工程学院 专业、班 年级 学号 姓名 公平竞争、诚实守信、严肃考纪、拒绝作弊 封 线 密
直流电动机工作原理
7.2.2 直流电动机工作原理与结构 图7-4 直流电动机模型 图7-4是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图7-5 换向器在直流电机中的作用 当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。