dcm結(jié)構(gòu)運(yùn)行及特性

1、DCM原理、結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、方程、特性分析 2h,專題2：DCM基礎(chǔ),一、DCG基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,一、DCG基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,電勢(shì)正方向：abcdB+,A-,電勢(shì)正方向：,電勢(shì)正方向：dcbaB+,A-,直流發(fā)電機(jī)工作原理.swf,一、DCG基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,發(fā)電機(jī)運(yùn)行幾點(diǎn)結(jié)論：,電樞線圈內(nèi)電勢(shì)、電流方向是交流電；線圈中感應(yīng)電勢(shì)方向與電流方向一致；電刷間為直流電勢(shì);電刷外接負(fù)載

2、的電流為直流;從空間看， 電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上是恒定不變的磁場(chǎng)；線圈產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反， 是制動(dòng)性質(zhì)；,一、DCM基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,電流正方向：dcba轉(zhuǎn)矩方向：順時(shí)針電勢(shì)方向：abcd,電流正方向：dcba轉(zhuǎn)矩方向：電勢(shì)方向：,電流正方向：abcd轉(zhuǎn)矩方向：順時(shí)針電勢(shì)方向：dcba,DCM運(yùn)行演示,一、DCM基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行幾點(diǎn)結(jié)論：,外施電壓、電流

3、是直流， 電樞線圈內(nèi)電流是交流；線圈中感應(yīng)電勢(shì)與電流方向相反；線圈是旋轉(zhuǎn)的，電樞電流是交變的。 電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上是恒定不變的；產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同， 是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)；,1、無(wú)論DCG／DCM：線圈中的電勢(shì)／電流都是周期交變2、無(wú)論DCG／DCM：電刷間電勢(shì)是直流電勢(shì)。3、無(wú)論DCG／DCM：旋轉(zhuǎn)電樞繞組產(chǎn)生固定方向電磁轉(zhuǎn)矩 4、同一臺(tái)直流電機(jī)：通過(guò)改變外界條件，既可作DCG、也可作DCM運(yùn)行。換向器和電刷

4、配合：整 流 ①將線圈中的交流電勢(shì)整流成電刷間的直流電勢(shì)； ②把轉(zhuǎn)動(dòng)的電路與外面靜止的電路連接。 電勢(shì)波形:電勢(shì)脈動(dòng)很大; 電動(dòng)轉(zhuǎn)矩:轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大為了減小電勢(shì)/轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)際直流電機(jī)采用很多元件配合相應(yīng)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(lián)的元件數(shù)增多，可有效降低脈動(dòng)減小，就得到較高品質(zhì)的直流電和輸出轉(zhuǎn)矩。,一、DCG／DCM基本工作原理結(jié)論：,伺服系統(tǒng)技術(shù)

5、研發(fā)中心,線圈的交變電動(dòng)勢(shì)波形,電刷間的直流電動(dòng)勢(shì)波形,一、DCM基本工作原理,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—總體構(gòu)成,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—定子及轉(zhuǎn)子,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,電樞繞組: 直流電機(jī)的電磁感應(yīng)的關(guān)鍵部件之一, 是直流電機(jī)的電路部分，亦是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。對(duì)電樞繞組的要求： 在通過(guò)規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩前提下，所消耗的有效材料最省， 強(qiáng)度高（機(jī)

6、械、電氣、熱）， 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—電樞繞組形式,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,,,極距：鐵芯表面， 一個(gè)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(jié)構(gòu)及電樞繞組—單疊繞組,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,,疊： 兩個(gè)相臨聯(lián)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(lián)的兩換向片相隔一個(gè)換向片的寬度。,特點(diǎn)： 槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片數(shù)K三者相同,y=yk=1,數(shù)

7、據(jù)計(jì)算：y＝y(tǒng)k＝1,實(shí)例： P＝2， Z＝S＝K＝16,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單疊繞組聯(lián)接圖,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,,,,,,槽展開(kāi),二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—繞組及磁極電刷放置,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,元件1：上元件邊在1號(hào)槽， 下元件邊放在相距y1=5即6號(hào)槽下。元件2： 上元件邊在2號(hào)槽， 下元件邊放在相距y1=5即7號(hào)槽下層。其余元件：以此類推,轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)：某瞬間磁極和電刷的相對(duì)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(nèi)、外電路。為了在正負(fù)電刷間獲得最大直流電勢(shì)以及產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩， 電刷放在被電刷短路的元件電勢(shì)為零的位置。 電勢(shì)為零的元件：在一個(gè)主極下的元件邊電勢(shì)具有相同的方向。 在磁極的幾何中心線上電勢(shì)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(duì)準(zhǔn)的換向片上。,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—繞組元件連接順序,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,繞電樞一周， 所有元件互相串聯(lián)構(gòu)成一閉合

9、回路。,結(jié)合電刷的放置， 得到該瞬時(shí)的電路圖,單疊繞組重要特征：每個(gè)極下的元件組成一條支路。 即單迭繞組的并聯(lián)支路數(shù)正好等于電機(jī)的磁極數(shù)。,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單疊繞組特點(diǎn)總結(jié),伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,元件的兩個(gè)出線端連接于相鄰兩個(gè)換向片上。并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)， 2a=2p;整個(gè)電樞繞組的閉合回路中， 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和為零， 繞組內(nèi)部無(wú)環(huán)流；每條支路由不相同的電刷引出， 電刷不能少， 電刷數(shù)等于磁極數(shù);正負(fù)電刷引出的電

10、動(dòng)勢(shì)即為每一支路的電動(dòng)勢(shì)， 電樞電壓等于支路電壓;由正負(fù)電刷引出的電樞電流Ia為各支路電流之和， 即,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波繞組,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,為了使緊相串聯(lián)的元件所生的電勢(shì)同向相加， 元件邊應(yīng)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(lái)出發(fā)點(diǎn)相鄰的一片上， 則可由此再繞下去。,二、DCM

11、基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波繞組計(jì)算,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,實(shí)例：P＝2， Z=S＝K＝15 左單波繞組,1。繞組數(shù)據(jù)計(jì)算,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波元件、磁極、電刷放置,伺服系統(tǒng)技術(shù)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(duì)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(lián)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(duì)準(zhǔn)的換向片上。,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波繞組聯(lián)接圖,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,槽展開(kāi),二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波繞組連接順序圖,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,從繞組展開(kāi)圖可以看出， 全部15個(gè)元件串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)閉合回路的順序是：,用聯(lián)接順序圖表示為：,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—單波繞組,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,單波繞組把相同極性下的全部元件串聯(lián)起來(lái)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(duì)數(shù)a與極對(duì)數(shù)多少無(wú)關(guān)， 永遠(yuǎn)為1，即a＝1。單波繞組特點(diǎn)：當(dāng)元件的幾何尺寸對(duì)稱時(shí)， 電刷在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線， 支路電動(dòng)勢(shì)最大。電刷組數(shù)：理論上用1組，實(shí)際常用全額電刷； 電樞電流 Ia＝2ia 。,二、DCM基本結(jié)構(gòu)及電樞繞組—直流繞組總結(jié),伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,直流電機(jī)電樞繞組是自成閉路；電樞繞組的支路數(shù)（2a）永遠(yuǎn)是成對(duì)出現(xiàn)：由于磁極數(shù)(2p)是一個(gè)偶數(shù).  

14、   注：a－支路對(duì)數(shù)；  p－磁極對(duì)數(shù)； 為得到最大的直流電勢(shì)，電刷總是與位于幾何中線上的元件相接觸。,直流電機(jī)空載是指電機(jī)對(duì)外無(wú)功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。直流電機(jī)空載時(shí)，勵(lì)磁繞組內(nèi)有勵(lì)磁電流，電動(dòng)機(jī)電樞電流很小可忽略而發(fā)電機(jī)電樞電流為零，這時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流單獨(dú)建立。,直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布,三、DCM磁場(chǎng)—空載磁場(chǎng)及磁通,1、NS交替、對(duì)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(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,如果不考慮電樞表面齒槽效應(yīng)，假設(shè)電樞表面是光滑的，根據(jù)磁路定律可推出氣隙磁密反比于氣隙長(zhǎng)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(chǎng)—空載氣隙磁密分布及大小,伺服系

16、統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,三、DCM磁場(chǎng)—負(fù)載氣隙磁密分布,負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁勢(shì)由勵(lì)磁電流If產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff和電樞電流Ia產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)Fa共同建立。,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,三、DCM磁場(chǎng)—直流電機(jī)電樞反應(yīng),電樞反應(yīng)的作用 使氣隙磁場(chǎng)發(fā) 生畸變 使物理中性線 偏移幾何中心線α 當(dāng)磁路飽和時(shí)有 去磁作用,將電樞外表面從幾何中心線處展開(kāi)成直線如圖所，并設(shè)主磁極軸線與電樞表面的交

17、點(diǎn)處為原點(diǎn)0，這點(diǎn)的電樞磁勢(shì)為零，在離原點(diǎn)x處作一矩形磁閉合回路，根據(jù)安培環(huán)路定律，當(dāng)磁路不飽和時(shí)，有,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,感應(yīng)電勢(shì)Ea: 一對(duì)正負(fù)電刷之間引出的電勢(shì)，也稱電樞電勢(shì)。,Ea公式推導(dǎo): 設(shè)Za為電樞繞組槽數(shù), a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，Bav為一個(gè)磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，υ為導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的速度，則:,每根導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為,式中：,— 導(dǎo)體所在處的氣隙磁密；,— 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度；,— 導(dǎo)體相對(duì)氣隙磁場(chǎng)的速度。,繞組

18、電動(dòng)勢(shì)Ea是一條支路各串聯(lián)導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，則,三、DCM磁場(chǎng)—感應(yīng)電勢(shì),伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,三、DCM磁場(chǎng)—感應(yīng)電勢(shì),伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,電樞表面任一點(diǎn)處載流導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)距為 式中， — 該點(diǎn)處的氣隙磁密。 則一個(gè)極下的載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)矩 應(yīng)為 式中， — 氣隙平均磁密。,三、DCM磁場(chǎng)—電磁轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)

19、矩Te：電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,,可得直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為,再考慮到,則整個(gè)電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩 為:,三、DCM磁場(chǎng)—電磁轉(zhuǎn)矩,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,根據(jù) 和 可得到電勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式： 所以有：CT=9.55Ce,三、DCM磁場(chǎng)—電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)關(guān)系,伺服系統(tǒng)技術(shù)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(dāng)磁通Φ單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電勢(shì)Ea單位為V；②Ea方向取決于φ和n的方向，改變?chǔ)档姆较颍锤淖儎?lì)磁電流If的方向），就可改變Ea的方向，n同樣。,①T∝φIa，改變?chǔ)栈騃a的大小，可使T大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通Φ單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為N·m；②T方向取決于φ和Ia的方向，改變?chǔ)档姆较颍锤淖儎?lì)磁電流If的方向），就可改變T的方向，同樣Ia。,

21、三、 DCM磁場(chǎng)—感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,四、DCM基本方程—電壓方程,發(fā)電機(jī)等效電路圖,電動(dòng)機(jī)等效電路圖,發(fā)電機(jī):,電動(dòng)機(jī):,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,四、DCM基本方程—轉(zhuǎn)矩方程,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,四、DCM基本方程—電磁功率方程,發(fā)電機(jī)： 將機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為電能 ；電動(dòng)機(jī)： 將電能 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 。,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,在轉(zhuǎn)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(zhì)為機(jī)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(tǒng)技術(shù)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(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率η與輸出功率P2（ Ia）之間的關(guān)系曲線。,五、DCM工作特性—自然轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率特性,根據(jù)電勢(shì)方程式Ea=CeΦ·n和電壓方程式U=Ea+Ia·Ra可得轉(zhuǎn)速特性：,根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。,根據(jù)效率的定義可得：,式中：總損耗,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,五、DCM工作特性—自然轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率特性圖,伺服系統(tǒng)技術(shù)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(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為機(jī)械特性n=?(T)：,六、DCM機(jī)械特性—固有機(jī)械特性,式中 稱為固有斜率，ΔnN為額定負(fù)載時(shí)的 轉(zhuǎn)速降。,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,六、DCM機(jī)械特性—固有機(jī)械特性圖,結(jié)論：特性硬,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,每臺(tái)電動(dòng)機(jī)只有一條固有機(jī)械特性；當(dāng)改變電氣參數(shù)如變電源電壓、或變氣隙磁通、或變電樞外串電阻時(shí)，所得到的機(jī)械特性，稱為人為機(jī)械特性。,六、DCM

25、機(jī)械特性—人為機(jī)械特性圖／串電阻調(diào)速,電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)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(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,式中：β稱為人為斜率（與不串電阻的固有斜率對(duì)應(yīng)）,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,六、DCM機(jī)械特性—人為機(jī)械特性圖／串電阻調(diào)速,結(jié)論：隨串入電阻的增大而特性變軟,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)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(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:,六、DCM機(jī)械特性—人為機(jī)械特性圖／變電壓調(diào)速,式中U<Un。,結(jié)論：平行于固有特性的一族曲線,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心,減少氣隙磁通時(shí)的人為機(jī)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(shí)，n=?(T)的機(jī)械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,六、DCM機(jī)械特性—人為機(jī)械特性圖／弱磁調(diào)速,式中氣隙磁通Ф<ФN,結(jié)論：越弱磁、特性越軟（斜率大）,伺服系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)