系统建模与动力学分析机电系统4.ppt

机电系统电机是一种进行能量传递或机电能量转换的电磁机械装置根据电机是否转动，可将其分为静止电机和旋转电机（电动机）两大类静止电机主要是指各种类型的变压器其基本作用是完成电能的转换，即将一种电压下的电能变为另一种电压下的电能机电系统电动机是将电能转换为机械能的电磁机械装置电动机作为控制系统的执行机构，是机电系统的基本要素根据供电的类型和工作方式，主要有直流电动机、交流电动机和步进电机直流电动机将直流电能转换为机械能的转动装置电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变机电系统直流电动机的特点(一)调速性能好所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽二)起动力矩大可以均匀而经济地实现转速调节因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动机电系统直流电动机的结构简介分为两部分：定子与转子定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

机电系统交流电动机将交流电的电能转变为机械能的一种机器结构简介主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成工作原理简介利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的由于交流电动机的定子和转子是采用同一电源，所以定子和转子中电流的方向变化总是同步的即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，根据左手定则，线圈所受磁力方向不变，线圈能继续转下去机电系统步进电机将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机应用步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置特点优点是没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低，带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方缺点是效率较低，发热大，有时会“失步”电磁学基本理论电磁感应的基本概念 当一定大小的电流流过时，就会产生一定的磁场磁场的强弱以及磁场的方向一般使用磁感应强度来表示也常使用磁力线来形象地表示磁场的强弱和方向磁力线密，磁场的强度大；磁力线疏，磁场的强度小磁场的方向与产生这种磁场的电流的方向是有关系的，这种方向关系可用右手螺旋定则来描述。

电磁学基本理论磁感应强度（又叫磁通密度或磁密）B用来描述磁场的大小和方向，是一个矢量，用B表示，在国际单位制中，其单位是特斯拉（Tesla）磁通量 它表示在某个特定的截面内穿过这个截面的磁感应强度的通量，用 表示并有 在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯（Weber）电磁学基本理论磁场强度H 它是衡量磁场在单位长度上产生电流的大小在国际单位制中其单位是安培/米并有B=H，其中是衡量各种物质对于磁的传导能力大小的物理量，叫磁导率在国际单位制中，磁导率的单位是亨利/米（H/m）磁路的基本定律1、安培环路定律（也称全电流定律）即若电流的正方向与闭合回线的方向符合右手螺旋关系，电流取正号，否则取负号对于螺线管的情况，有式中：Ni为作用在磁路上的磁动势或磁势，其单位为安匝或安电磁学基本理论2、磁路中的欧姆定律由（3）式、（1）式，得定义磁路的磁阻为则（4）式可表示为电磁学基本理论注意： 铁磁材料的磁导率通常不是一个常数，因此，磁阻通常也不是常数，它随磁通密度大小的变化而有所不同对分段均匀磁路有磁路中铁心的作用1、铁心的增磁功能 铁心是用高磁导率的铁磁材料制成，一般铁磁材料的磁导率是真空磁导率的数千倍，因此，可以在一个较小的激磁电流作用下，产生较大的磁通。

2、铁心磁路使磁通在空间按一定形状分布 由于铁心的增磁功能，使得电机的定子、转子之间的耦合场得以增强，并可以使定子内圆表面的磁感应强度按一定规律在圆周上分布磁路中铁心的作用铁磁材料的磁化特性磁性材料的磁通密度与磁场强度之间的关系曲线，称为磁化曲线或B_H曲线图中线段Oa为起始段，开始磁化时，B随H的增大而缓慢增加，磁导率较小线段ab，称为线性区，磁导率基本保持不变段bc，B值增加变慢，称为饱和磁化曲线开始拐弯的点（如b点），通常工作点在其附近磁路中铁心的作用若将铁磁材料进行周期性磁化，B-H曲线则为封闭曲线，如下图所示，称为磁滞回线图中可见，磁密B的变化落后于磁场强度H的变化，也即磁通的变化落后于励磁电流这种现象称为磁滞现象图中Br，Hc分别称为剩余磁通密度（简称为剩磁）和矫顽力磁路中铁心的作用剩磁和矫顽力较小的铁磁材料称为软磁材料反之，剩磁和矫顽力较大的铁磁材料称为硬磁材料大部分电机的磁路均由软磁材料制成铁磁材料的磁化特性与铁心磁路的磁化曲线的关系对于均匀磁路，有由此可知，只要将铁磁材料的磁化特性的纵坐标、横坐标分别乘以一定的比例系数，就可得到铁心磁路的磁化曲线磁路中铁心的作用对于分段均匀的情况磁路的总磁势等于各段磁压降（如铁心磁压降、气隙磁压降等）之和。

即上式中， HFe铁心磁路的磁场强度 l铁心磁路的长度 H气隙的磁场强度 气隙的长度磁路中铁心的作用将励磁电流表示为两分部分之和，即则有于是，对于磁通的不同取值只要将曲线1与曲线2上对应的横坐标相加，即可得到铁心磁路中有气隙时的磁化曲线3右上图中，曲线1表示铁心磁路的磁化曲线，曲线2表示气隙的磁化曲线电磁学基本理论电磁力定律 当一带电的导线放在磁场中的时候，它会受到电磁力的作用，如果磁力线的方向与导线相互垂直，则导线所受电磁力为电磁力的方向可以使用左手定则确定，即：平伸左手，让磁力线垂直穿过手心，四指所指的方向是电流的方向，则大拇子所指的方向即为电磁力的方向电磁学基本理论电磁感应定律 变化着的磁场也会产生电动势，如果是一个闭合回路，还会产生感生电流，这种现象就是电磁感应现象它表现在两个方面：一是导体在磁场中如果做切割磁力线的运动会产生感生电动势；二是在螺线管中，如果磁通发生变化时，在螺线管的线圈中会产生电动势电磁学基本理论1）导体切割磁力线所产生的电动势如果磁场的磁力线、导体的运动方向以及导体的走向，三者相互正交时，所产生的感应电动势为感应电动势的方向可由右手定则确定 2）螺线管中磁通变化所产生的电动势为感应电动势的方向由楞次定律决定，即感应电动势的方向始终与磁通量变化的方向相反。

直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理动画直流电动机原理直流电动机的基本结构如右图所示主要由定子（静止部分）和转子（转动部分）以及对转子起支撑作用的端盖组成定子主要包括机座和固定在机座圆表面的主磁极两部分直流电动机原理机座既是主磁路的一部分，也作为电动机的机械支撑主磁极的作用是用来产生磁场，主磁极上有励磁绕组绝大部分直流电机都是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场主磁极也有采用永久磁铁的，称为永磁直流电机直流电动机原理在两个主磁极内表面之间，有一个由硅钢片叠成的圆柱体，称为电枢铁心电枢铁芯与磁极之间的间隙称为气隙电枢铁心表面的槽内嵌入的每个线圈的首末端分别连接到两片相邻且相互绝缘的圆弧形铜片（即换向片）上直流电动机原理与一个线圈末端相连的换向片同时与下一个线圈的首端连接这样，各线圈和换向片构成电枢绕组各换向片固定于转轴上且与转子绝缘这种由换向片构成的整体称为换向器与换向器滑动接触的电刷将电枢绕组和外电路接通，实现直流电机与外部电路之间的能量传递直流电动机原理直流电机的额定数据有：（1）额定电压UN(V)-在正负电刷间测得的电枢电压；（2）额定电流IN(A)-流过电枢回路的总电流；（3）额定转速nN(r/min)-输出额定功率时电机轴的转速；（4）额定功率PN(W,kW)-对于电动机，额定功率是电机轴上输出的机械功率；直流电动机原理（5）励磁方式-旋转电机中产生磁场的方式，这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁圈中通电流来产生。

电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组；（6）额定励磁电流IfN(A)-额定有功功率及发电机无功功率处于额定值时的励磁电流；（7）电机的效率N=PN/P1 -电机所输出的机械能与电源所提供的电能之比；直流电机运行时，如果各个物理量都是额定值，这种运行状态称为额定运行状态电动机工作原理右图所示，由外电源从电刷A引入直流电流，使电流从正极流入，经电刷Aabcd电刷B电源负极根据左手定则确定电磁力方向可知，此时的电磁转矩方向是逆时针的电动机工作原理设电枢在电磁转矩的作用下按逆时针方向旋转，当线圈边ab由N极下面转到S极下面，线圈边cd由S极下面转到N极下面时，由于换向器的作用，使线圈中的电流改变方向此时电流的路径：电源正极电刷Adcba电刷B电源负极因此各磁极下线圈中的电流方向保持不变，所以，保证了电磁转矩的方向不变，从而就使电枢能够连续旋转直流电动机原理下图表示换向器的作用：当线圈转到平衡位置时，就能自动改变线圈中电流的方向，使线圈可以不停地转动下去直流电动机原理下图显示直流电动机电磁扭矩的产生电磁力的大小为显然，此电机可以带动别的机械旋转，把电能转换为机械能直流电动机原理 右图显示直流电动机主磁路及气隙磁密的分布。

通入励磁电流，就在电机中产生一个励磁磁场 实际的励磁磁通可分为主磁通和 漏磁通两部分 主磁极正对着电枢的部分称为极靴， 在极靴下气隙小而极靴外气隙很大， 所以在磁极轴线处气隙磁通密度最大 而靠近极尖处气隙磁通密度逐渐减小 在极靴以外则减小得很快直流电动机原理相邻两个磁极极靴之间的中线，一般称为几何中线在直流电机空载时，励磁磁场的气隙磁密沿圆周的分布波形如下左图所示，图中代表极距极距是用电枢外圆弧长表示的相邻磁极轴线间的距离设定子内径为D，电机极矩为式中np是极对数直流电动机原理直流电动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，可分为他励方式和自励方式其中，自励的方式又分为并励、串励和复励，如下图所示直流电动机原理他励直流电动机：励磁绕组与电枢绕组无连接关系，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永磁直流电机可看作他励直流电机并励直流电动机：励磁绕组与电枢绕组既有电路上的连接关系又有磁路联系励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压I=Ia+If串联直流电动机：励磁绕组与电枢绕组串联后加一电压，有I=Ia=If复励直流电动机：有两个励磁绕组，一个与电枢并联，一个与电枢串联。

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，则称为差复励电枢电动势与电磁转矩直流电机运行时：一方面，电枢绕组的导体在磁场中运动，会产生电动势；另一方面，电枢绕组导体中有电流，会受到电磁力，产生电磁扭矩电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电势电机运行时这一感应电动势始终存在对于电动机，这一感应电动势与电枢电流方向相反，故称为反电势对比：对于发电机，这一感应电动势与电枢电流方向相同，故称为电源电势电枢电动势与电磁转矩电枢电动势的计算设为每极磁通，l为导体的有效长度，也是电枢铁心的长度，则每极的平均磁密为其中l是在电枢铁心表面上每极对应的面积当电枢以线速度v旋转时，一根导体的平均电动势为电枢电动势与电磁转矩线速度可以写为于是，可得一根导体的平均电动势为电枢电动势等于一根导体的平均电动势乘上串联支路上的导体数N/2a 电枢电动势与电磁转矩上式中， 称为电动势常数N是电枢绕组全部导体数a为电枢绕组串联之路对数由此可得：电枢电动势正比于每极磁通和转速n的乘积上式还表明：1、直流电动机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关2、当电机制造好以后，与电机结构有关的常数CE不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，3、改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。

直流电动机原理电磁转矩 。