有关 并励直流电动机起动方法与比较 的内容

有关 并励直流电动机起动方法与比较 的内容

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.
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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,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 图8.5 主磁极的结构
　　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—换向极铁心 1—刷握2—电刷
　　2—换向极绕组 3—压紧弹簧 4—刷辫
　　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 图8.11 单叠绕组元件
　　1—换向片 2—连接部分 1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
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直流电机的可逆运行原理
　 　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.
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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.
　　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直流电机.
　　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并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式.
　　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,把交流电变成直流电,但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来 看,交流电整流还不能和直流发电机相比.
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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）
　　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
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直流电机的励磁方式
　　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.
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直流电机.
　　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并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式.
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直流电机的工作原理
　　一、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.
　　二、直流电动机的工作原理
　　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.
　　永磁无刷直流电机控制器设计
　　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