dcm結構運行及特性

1、DCM原理、結構、磁場、方程、特性分析 2h,專題2：DCM基礎,一、DCG基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,一、DCG基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,電勢正方向：abcdB+,A-,電勢正方向：,電勢正方向：dcbaB+,A-,直流發(fā)電機工作原理.swf,一、DCG基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,發(fā)電機運行幾點結論：,電樞線圈內電勢、電流方向是交流電；線圈中感應電勢方向與電流方向一致；電刷間為直流電勢;電刷外接負載

2、的電流為直流;從空間看， 電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的磁場；線圈產生的電磁轉矩M與轉子轉向相反， 是制動性質；,一、DCM基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,電流正方向：dcba轉矩方向：順時針電勢方向：abcd,電流正方向：dcba轉矩方向：電勢方向：,電流正方向：abcd轉矩方向：順時針電勢方向：dcba,DCM運行演示,一、DCM基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,直流電動機運行幾點結論：,外施電壓、電流

3、是直流， 電樞線圈內電流是交流；線圈中感應電勢與電流方向相反；線圈是旋轉的，電樞電流是交變的。 電樞電流產生的磁場在空間上是恒定不變的；產生的電磁轉矩M與轉子轉向相同， 是驅動性質；,1、無論DCG／DCM：線圈中的電勢／電流都是周期交變2、無論DCG／DCM：電刷間電勢是直流電勢。3、無論DCG／DCM：旋轉電樞繞組產生固定方向電磁轉矩 4、同一臺直流電機：通過改變外界條件，既可作DCG、也可作DCM運行。換向器和電刷

4、配合：整 流 ①將線圈中的交流電勢整流成電刷間的直流電勢； ②把轉動的電路與外面靜止的電路連接。 電勢波形:電勢脈動很大; 電動轉矩:轉矩脈動大為了減小電勢/轉矩脈動，實際直流電機采用很多元件配合相應換向片組成電樞線圈，均勻分布在電樞表面，并按一定規(guī)律連接，電刷間串聯的元件數增多，可有效降低脈動減小，就得到較高品質的直流電和輸出轉矩。,一、DCG／DCM基本工作原理結論：,伺服系統技術

5、研發(fā)中心,線圈的交變電動勢波形,電刷間的直流電動勢波形,一、DCM基本工作原理,伺服系統技術研發(fā)中心,二、DCM基本結構及電樞繞組—總體構成,伺服系統技術研發(fā)中心,二、DCM基本結構及電樞繞組—定子及轉子,伺服系統技術研發(fā)中心,電樞繞組: 直流電機的電磁感應的關鍵部件之一, 是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換的樞紐。對電樞繞組的要求： 在通過規(guī)定的電流和產生足夠的電勢和電磁轉矩前提下，所消耗的有效材料最省， 強度高（機

6、械、電氣、熱）， 運轉可靠，結構簡單等。,二、DCM基本結構及電樞繞組—電樞繞組形式,伺服系統技術研發(fā)中心,,,極距：鐵芯表面， 一個極所占的距離,極軸線：磁極中心線,幾何中心線：磁極之間的平分線,二、DCM基本結構及電樞繞組—單疊繞組,伺服系統技術研發(fā)中心,,疊： 兩個相臨聯接的元件， 后面元件的端部緊疊在前一元件的端部。,單： 首末端相聯的兩換向片相隔一個換向片的寬度。,特點： 槽數Z、元件數S和換向片數K三者相同,y=yk=1,數

7、據計算：y＝yk＝1,實例： P＝2， Z＝S＝K＝16,二、DCM基本結構及電樞繞組—單疊繞組聯接圖,伺服系統技術研發(fā)中心,,,,,,槽展開,二、DCM基本結構及電樞繞組—繞組及磁極電刷放置,伺服系統技術研發(fā)中心,元件1：上元件邊在1號槽， 下元件邊放在相距y1=5即6號槽下。元件2： 上元件邊在2號槽， 下元件邊放在相距y1=5即7號槽下層。其余元件：以此類推,轉子運動：某瞬間磁極和電刷的相對位置磁 極：磁極寬度約0.7τ

8、, 均勻分布，N、S極交替安排。電 刷：連接內、外電路。為了在正負電刷間獲得最大直流電勢以及產生最大的電磁轉矩， 電刷放在被電刷短路的元件電勢為零的位置。 電勢為零的元件：在一個主極下的元件邊電勢具有相同的方向。 在磁極的幾何中心線上電勢為零。 電刷放置：電刷放置在使電刷的中心線與主磁極軸線對準的換向片上。,二、DCM基本結構及電樞繞組—繞組元件連接順序,伺服系統技術研發(fā)中心,繞電樞一周， 所有元件互相串聯構成一閉合

9、回路。,結合電刷的放置， 得到該瞬時的電路圖,單疊繞組重要特征：每個極下的元件組成一條支路。 即單迭繞組的并聯支路數正好等于電機的磁極數。,二、DCM基本結構及電樞繞組—單疊繞組特點總結,伺服系統技術研發(fā)中心,元件的兩個出線端連接于相鄰兩個換向片上。并聯支路數等于磁極數， 2a=2p;整個電樞繞組的閉合回路中， 感應電動勢的總和為零， 繞組內部無環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出， 電刷不能少， 電刷數等于磁極數;正負電刷引出的電

10、動勢即為每一支路的電動勢， 電樞電壓等于支路電壓;由正負電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和， 即,二、DCM基本結構及電樞繞組—單波繞組,伺服系統技術研發(fā)中心,為了使緊相串聯的元件所生的電勢同向相加， 元件邊應處于相同磁極極性下， 即合成節(jié)距,單波繞組： 換向片極距yk必須符合 即,為了使繞組從某一換向片出發(fā)， 沿電樞鐵芯一周后回到原來出發(fā)點相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。,二、DCM

11、基本結構及電樞繞組—單波繞組計算,伺服系統技術研發(fā)中心,實例：P＝2， Z=S＝K＝15 左單波繞組,1。繞組數據計算,二、DCM基本結構及電樞繞組—單波元件、磁極、電刷放置,伺服系統技術研發(fā)中心,元件、換向片的放置：1＃元件上層邊1＃槽， 下層邊4＃槽;首末端所連的換向片相距yk＝7；為了端部對稱， 首末端所連的兩換向片之間的中心線與1＃元件的軸線重合。 1＃元件上層邊所連的換向片定為1＃。 依次聯接。,磁極放置： N、S極磁極

12、均勻交替的排列。,電刷的放置：放在與主極軸線對準的換向片上。,二、DCM基本結構及電樞繞組—單波繞組聯接圖,伺服系統技術研發(fā)中心,槽展開,二、DCM基本結構及電樞繞組—單波繞組連接順序圖,伺服系統技術研發(fā)中心,從繞組展開圖可以看出， 全部15個元件串聯而構成一個閉合回路的順序是：,用聯接順序圖表示為：,二、DCM基本結構及電樞繞組—單波繞組,伺服系統技術研發(fā)中心,單波繞組把相同極性下的全部元件串聯起來組成一條支路。 由于磁極只有N、S之

13、分， 所以單波繞組的支路對數a與極對數多少無關， 永遠為1，即a＝1。單波繞組特點：當元件的幾何尺寸對稱時， 電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線， 支路電動勢最大。電刷組數：理論上用1組，實際常用全額電刷； 電樞電流 Ia＝2ia 。,二、DCM基本結構及電樞繞組—直流繞組總結,伺服系統技術研發(fā)中心,直流電機電樞繞組是自成閉路；電樞繞組的支路數（2a）永遠是成對出現：由于磁極數(2p)是一個偶數.  

14、   注：a－支路對數；  p－磁極對數； 為得到最大的直流電勢，電刷總是與位于幾何中線上的元件相接觸。,直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負載空轉的一種狀態(tài)。直流電機空載時，勵磁繞組內有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。,直流電機的空載磁場分布,三、DCM磁場—空載磁場及磁通,1、NS交替、對稱性2、主磁通Φ0 能量變換

15、3、漏磁通Φσ 不參與變換,伺服系統技術研發(fā)中心,如果不考慮電樞表面齒槽效應，假設電樞表面是光滑的，根據磁路定律可推出氣隙磁密反比于氣隙長度，即有Bδ∝1/δ。主磁極下的氣隙小，而且均勻，氣隙磁密分布均勻；在主磁極極靴尖，氣隙增大，磁阻增大，磁密下降；在極靴尖外，氣隙迅速增大，氣隙磁密急劇下降，在相鄰兩極的空間分界線上，磁密降為零。我們稱氣隙磁密沿電樞表面空間分布的波形為平頂波。,三、DCM磁場—空載氣隙磁密分布及大小,伺服系

16、統技術研發(fā)中心,三、DCM磁場—負載氣隙磁密分布,負載運行時電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁勢由勵磁電流If產生的勵磁磁勢Ff和電樞電流Ia產生的電樞磁勢Fa共同建立。,伺服系統技術研發(fā)中心,三、DCM磁場—直流電機電樞反應,電樞反應的作用 使氣隙磁場發(fā) 生畸變 使物理中性線 偏移幾何中心線α 當磁路飽和時有 去磁作用,將電樞外表面從幾何中心線處展開成直線如圖所，并設主磁極軸線與電樞表面的交

17、點處為原點0，這點的電樞磁勢為零，在離原點x處作一矩形磁閉合回路，根據安培環(huán)路定律，當磁路不飽和時，有,伺服系統技術研發(fā)中心,感應電勢Ea: 一對正負電刷之間引出的電勢，也稱電樞電勢。,Ea公式推導: 設Za為電樞繞組槽數, a為并聯支路對數，Bav為一個磁極內的平均磁密，l為導體的有效長度，υ為導體切割磁場的速度，則:,每根導體的感應電動勢為,式中：,— 導體所在處的氣隙磁密；,— 導體的有效長度；,— 導體相對氣隙磁場的速度。,繞組

18、電動勢Ea是一條支路各串聯導體的電動勢的代數和，則,三、DCM磁場—感應電勢,伺服系統技術研發(fā)中心,三、DCM磁場—感應電勢,伺服系統技術研發(fā)中心,電樞表面任一點處載流導體的電磁轉距為 式中， — 該點處的氣隙磁密。 則一個極下的載流導體上的電磁轉矩 應為 式中， — 氣隙平均磁密。,三、DCM磁場—電磁轉矩,電磁轉

19、矩Te：電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉矩的總和。,伺服系統技術研發(fā)中心,,可得直流電機的電磁轉矩公式為,再考慮到,則整個電樞上的電磁轉矩 為:,三、DCM磁場—電磁轉矩,伺服系統技術研發(fā)中心,根據 和 可得到電勢常數與轉矩常數之間的關系式： 所以有：CT=9.55Ce,三、DCM磁場—電勢常數和轉矩常數關系,伺服系統技術研發(fā)中心,①Ea∝φn，改變

20、φ或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當磁通Φ單位為Wb，轉速n單位為r/min，則電勢Ea單位為V；②Ea方向取決于φ和n的方向，改變Φ的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向，n同樣。,①T∝φIa，改變φ或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當磁通Φ單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉矩T單位為N·m；②T方向取決于φ和Ia的方向，改變Φ的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向，同樣Ia。,

21、三、 DCM磁場—感應電勢和電磁轉矩的調節(jié),伺服系統技術研發(fā)中心,四、DCM基本方程—電壓方程,發(fā)電機等效電路圖,電動機等效電路圖,發(fā)電機:,電動機:,伺服系統技術研發(fā)中心,四、DCM基本方程—轉矩方程,伺服系統技術研發(fā)中心,四、DCM基本方程—電磁功率方程,發(fā)電機： 將機械能 轉化為電能 ；電動機： 將電能 轉化為機械能 。,伺服系統技術研發(fā)中心,在轉矩平衡方程式T1=

22、T2+T0兩邊同乘以角速度Ω可得： T1Ω=T2Ω+T0Ω 則有：Pem=P2+p0； 也可表示為：P2=Pem-p0 式中電磁功率Pem的性質為機械功率， 空載損耗：p0=pFe+pm+pad,四、DCM基本方程—電磁功率分配圖,伺服系統技術研發(fā)中心,工作特性：在U=UN，If=IfN且電樞回路不外串電阻的條件

23、下，轉速n、轉矩T、效率η與輸出功率P2（ Ia）之間的關系曲線。,五、DCM工作特性—自然轉速、轉矩、效率特性,根據電勢方程式Ea=CeΦ·n和電壓方程式U=Ea+Ia·Ra可得轉速特性：,根據轉矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應，轉矩特性是一條過原點的直線。,根據效率的定義可得：,式中：總損耗,伺服系統技術研發(fā)中心,五、DCM工作特性—自然轉速、轉矩、效率特性圖,伺服系統技術研發(fā)中心,電源電壓U=UN，氣隙磁通=

24、ФN，電樞外串電阻RΩ=0時，電動機的轉速與轉矩之間的關系稱為機械特性n=?(T)：,六、DCM機械特性—固有機械特性,式中 稱為固有斜率，ΔnN為額定負載時的 轉速降。,伺服系統技術研發(fā)中心,六、DCM機械特性—固有機械特性圖,結論：特性硬,伺服系統技術研發(fā)中心,每臺電動機只有一條固有機械特性；當改變電氣參數如變電源電壓、或變氣隙磁通、或變電樞外串電阻時，所得到的機械特性，稱為人為機械特性。,六、DCM

25、機械特性—人為機械特性圖／串電阻調速,電樞回路串電阻時的人為機械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，改變電樞外串電阻RΩ時，n=?(T)的機械特性，其數學表達式為：,式中：β稱為人為斜率（與不串電阻的固有斜率對應）,伺服系統技術研發(fā)中心,六、DCM機械特性—人為機械特性圖／串電阻調速,結論：隨串入電阻的增大而特性變軟,伺服系統技術研發(fā)中心,改變電樞電源電壓時的人為機械特性是指：在氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0，改變電

26、樞端電壓時，n=?(T)的機械特性，其數學表達式為:,六、DCM機械特性—人為機械特性圖／變電壓調速,式中U<Un。,結論：平行于固有特性的一族曲線,伺服系統技術研發(fā)中心,減少氣隙磁通時的人為機械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞外串電阻RΩ=0，僅改變氣隙磁通Ф時，n=?(T)的機械特性，其數學表達式為：,六、DCM機械特性—人為機械特性圖／弱磁調速,式中氣隙磁通Ф<ФN,結論：越弱磁、特性越軟（斜率大）,伺服系統技術研發(fā)