無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)

（第二版）

（3）符長(zhǎng)青博士電機(jī)的定義和類型1）靜止電機(jī)

變壓器是一種靜止電機(jī)，它應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，可將一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓的電能（一般是交流電）。它的輸入和輸出均為電能，與機(jī)械能無關(guān)，故無轉(zhuǎn)動(dòng)部分。2）旋轉(zhuǎn)電機(jī)

（1）發(fā)電機(jī)：利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。分為直流發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等類型。目前廣泛使用的大型發(fā)電機(jī)都是同步發(fā)電機(jī)。

（2）電動(dòng)機(jī)：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)大部分是交流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)主要用于需要高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合、對(duì)速度精確度有相當(dāng)要求的場(chǎng)合，無交流電網(wǎng)的場(chǎng)合，低壓場(chǎng)合（48V以下）等。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類（1）直流電機(jī)：直流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中都

是直流電流。（2）交流電機(jī)：交流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中都

是交流電流。（3）同步電機(jī)：同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中一

個(gè)交流電流，另一個(gè)直流電流。（4）異步電機(jī)：異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中都

是交流電流。電機(jī)的可逆性原理

同一臺(tái)電機(jī)在不同的外界條件下既作發(fā)電機(jī)又可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆性原理。

例如電力機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)，就是利用了直流電機(jī)的可逆性。在機(jī)車牽引時(shí)作為電動(dòng)機(jī)使用；在機(jī)車電阻制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)使用。交、直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)別

電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。

直流電動(dòng)機(jī)是磁場(chǎng)不動(dòng)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)；交流電動(dòng)機(jī)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)體不動(dòng)。

直流電動(dòng)機(jī)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而交流電動(dòng)機(jī)原理復(fù)雜但結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的電樞供電電源是直流電，而在電樞繞組中流過的電流卻是交流的。當(dāng)電源將直流電輸入到電動(dòng)機(jī)電刷上時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)就會(huì)利用換向器和電刷將直流電源的電流引入電樞繞組，并實(shí)現(xiàn)換向?？繐Q向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)。其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向是不變的。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1）定子（1）主磁極（2）換向極（3）機(jī)座（4）電刷裝置2）轉(zhuǎn)子（電樞）（1）電樞鐵心（2）電樞繞組（3）換向器（4）轉(zhuǎn)軸（5）風(fēng)扇3）氣隙直流電動(dòng)機(jī)的分類1）電磁直流電動(dòng)機(jī)（1）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電

源對(duì)勵(lì)磁繞組供電。（2）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，勵(lì)磁繞組與電樞共用

同一電源。（3）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再

接于直流電源，勵(lì)磁電流就是電樞電流。（4）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

定子磁極上除有并勵(lì)繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串

聯(lián)的串勵(lì)繞組（其匝數(shù)較少）。2）永磁直流電動(dòng)機(jī)

定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等。（1）永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（2）永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的銘牌

電機(jī)的產(chǎn)品型號(hào)表示電機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，格式為：第一部分用大寫的拼音表示產(chǎn)品代號(hào)，第二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號(hào)，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號(hào)，第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵心長(zhǎng)度代號(hào)。直流電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)型號(hào)Z3－311.1kW110V13.45A1500r/min勵(lì)磁方式

他勵(lì)勵(lì)磁電壓

100V勵(lì)磁電流0.713A絕緣等級(jí)B定額

SI質(zhì)量

59公斤出品編號(hào)出品日期

年

月XXX電機(jī)廠直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的結(jié)構(gòu)

每個(gè)繞組元件可能是多匝線圈，也可能是單匝的，它的兩個(gè)末端分別連到換向器的兩個(gè)換向片上，各個(gè)元件是在換向片上互相連接起來的。1）繞組元件

構(gòu)成繞組的線圈稱為繞組元件，是由一匝或多匝導(dǎo)線繞

制而成的線圈。2）電樞繞組的形式

單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組

3）實(shí)槽和虛槽4）極距電樞單疊繞組（1）結(jié)構(gòu)：

單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件（線圈）相互疊壓，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1（y=yk=1），即一個(gè)元件的上層邊和下層邊分別接在相鄰的兩個(gè)換向片上（yk=1），同時(shí)第一個(gè)元件的下層邊與第二個(gè)元件的上層邊接在同一換向片上（一般y=1右行），并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)。（2）特點(diǎn)：①同一主磁極下元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。②電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，電刷間電動(dòng)勢(shì)

等于并聯(lián)支路電動(dòng)勢(shì)。③電樞電流等于各支路電流之和。電樞單波繞組（1）結(jié)構(gòu)：一個(gè)元件的上層邊和下層邊分別接在相隔較遠(yuǎn)兩個(gè)換向片上，同時(shí)相串聯(lián)的第一個(gè)元件的上層邊與第二個(gè)元件的上層邊放在相同極性的相鄰磁極下面，它們?cè)诳臻g位置上相距約兩個(gè)極距。（2）特點(diǎn)①兩個(gè)串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個(gè)極距。②同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，支路對(duì)數(shù)為1，與磁極對(duì)數(shù)無關(guān)③當(dāng)元件的幾何形狀對(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。④電刷數(shù)等于磁極數(shù)。⑤電樞電動(dòng)勢(shì)等于支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。⑥電樞電流等于兩條支路電流之和。直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)

電樞電動(dòng)勢(shì)是電樞繞組在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

計(jì)算公式為：

式中Ea電樞電動(dòng)勢(shì)，Ce與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Φ磁通；n為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中電流與磁通相互作用產(chǎn)生電磁力，

受到電磁力的作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩

式中T電磁轉(zhuǎn)矩，Cm直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，一般Cm

＝9.55Ce，Φ磁通，n直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Ia電樞繞組

電流。直流電動(dòng)機(jī)電磁功率

通過電磁作用傳遞的功率稱為電磁功率，用P表示。電

磁功率既可看成是機(jī)械功率，又可看成是電功率。

式中P直流電動(dòng)機(jī)電磁功率，ω直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，T直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Ea電樞電動(dòng)勢(shì)，Ia電樞繞組電流，

也稱為勵(lì)磁電流。直流電動(dòng)機(jī)功率平衡方程式

直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，輸入電功率P1不能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，必須扣除電機(jī)本身的銅耗PCu和空載損耗后才能輸出

式中P1為輸入功率，P2為輸出功率，P為電磁功率，?PCu為銅損耗，?PFe為鐵損耗，?PΩ為機(jī)械損耗。

式中Ra為電樞回路電阻，Ia電樞繞組電流。電源電壓平衡和功率方程式1、電源電壓平衡方程式

式中U為電源電壓，Ra為電樞回路電阻。2、電源輸入功率P1

式中UIa為電源輸入功率，EIa為電樞反電勢(shì)從電源吸收的電功率，Ia2Ra為電樞銅損耗。轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程是

式中T為電磁轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩，T2為輸出轉(zhuǎn)矩，P2為輸出功率，n為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。在直流電動(dòng)機(jī)的諸多特性中，機(jī)械特性是最重要的特性，它將決定電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、起動(dòng)、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的工作情況，是選用直流電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。自然機(jī)械特性和人工機(jī)械特性

在直流電動(dòng)機(jī)銘牌上會(huì)給出額定功率PN

、額定電壓UN、額定電流IN和額定轉(zhuǎn)速nN

1、自然機(jī)械特性：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作時(shí)，當(dāng)U＝UN＝常值、電樞回路不串外加電阻以及并勵(lì)和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的IL＝ILN＝常值時(shí)的機(jī)械特性。

2、人工機(jī)械特性：當(dāng)電源電壓U或勵(lì)磁電流不是額定值，或電樞回路串入外加電阻時(shí)的機(jī)械特性。并勵(lì)（他勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是一條隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速略微下降的直線。因?yàn)樗鼜目蛰d到額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速下降不多，故屬于硬特性。由于此特性曲線是在額定電壓UN、額定勵(lì)磁電流IaN及電樞回路沒有串入附加電阻的情況下得到的，所以又稱為自然機(jī)械特性。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一般用于拖動(dòng)要求轉(zhuǎn)速變化不大的生產(chǎn)機(jī)械。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是一條隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，轉(zhuǎn)速有很大變化的曲線。因?yàn)樗鼜目蛰d到額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速下降非常多，故屬于軟特性。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)適用于電車、電力機(jī)車、起重機(jī)及電梯等電力牽引設(shè)備。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線的形狀依串勵(lì)磁通所占的比重不同而不同，串勵(lì)磁通所占比重大時(shí)機(jī)械特性較軟，一般串勵(lì)磁通在額定負(fù)載時(shí)約占全部磁通的30%左右。

圖中曲線1表示并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線；曲線2表示并勵(lì)為主的復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線；曲線3表示串勵(lì)為主的復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線；曲線4表示串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。電氣控制系統(tǒng)通過電流控制起動(dòng)

由電流控制的直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制電路如圖所示。起動(dòng)時(shí)，合上開關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕ST，接觸器lKM線圈得電吸合，常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)電樞回路串聯(lián)電阻R作降壓起動(dòng)，1KM的一個(gè)常開觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)自鎖，KT線圈也得電。與此同時(shí)，3KM接觸器動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，使電樞電流下降，3KM釋放，其常閉觸點(diǎn)閉合，2KM得電動(dòng)作，2KM的常開觸點(diǎn)閉合，把降壓電阻R短接，電動(dòng)機(jī)便開始在額定工作電壓下正常運(yùn)行。采用延時(shí)繼電器KT，目的是為了防止在起動(dòng)之初，降壓電阻R被接觸器2KM短接。通過繼電器控制直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

由時(shí)間繼電器控制的直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制電路如圖所示。這實(shí)際上是電阻降壓起動(dòng)，只不過是用時(shí)間繼電器來控制短接電阻的先后而已。起動(dòng)時(shí)，閉合電源開關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕ST，直流接觸器IKM得電吸合，其常開觸點(diǎn)閉合，使電樞回路串聯(lián)R1、R2起動(dòng)。而時(shí)間繼電器1KT也同時(shí)得電起動(dòng)，其常開觸點(diǎn)1KT經(jīng)延時(shí)閉合，使3KM得電吸合，從而將R1短接，電動(dòng)機(jī)M加速。此時(shí)，另一只時(shí)間繼電器2KT得電動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)延時(shí)閉合，使2KM得電動(dòng)作，把電阻R2短接。這樣，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了正常運(yùn)行狀態(tài)。直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)V－M電氣調(diào)速系統(tǒng)

開環(huán)V－M電氣調(diào)速系統(tǒng)是由晶閘管整流裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)

供電的調(diào)速系統(tǒng)，其控制原理如圖所示。對(duì)于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其控制電

壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，控制是單方向進(jìn)行的，

輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。因此開環(huán)

調(diào)速方式穩(wěn)速性能差，穩(wěn)態(tài)精度低，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，很難實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)

的同步拖動(dòng)。閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)V-M電氣調(diào)速系統(tǒng)

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是在系統(tǒng)的輸出端和輸入端引入了一條反饋通道，從而建立起了轉(zhuǎn)速N與控制器A之間的反相聯(lián)系。具體的實(shí)現(xiàn)方法是，與直流電動(dòng)同軸相連一臺(tái)直流伺服電動(dòng)機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速N成正比的負(fù)反饋電壓Un，它與系統(tǒng)給定電壓比較后，形成轉(zhuǎn)速偏差控制電壓?Un，經(jīng)過控制器放大后，形成作用于電力電子變換器UPE的控制電壓Uc，在控制電壓Uc的作用下，使電力電子變換裝置輸出跨接在直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端得直流電壓Ud0，最終達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示，當(dāng)流過直流電動(dòng)機(jī)電樞的電流超過某一定值時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)開始起作用，和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓一起加在控制器（圖中采用運(yùn)算放大器構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器）的輸入端，依靠強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，使電?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，很快把通過電動(dòng)機(jī)電樞的電流限制在某一固定值，也稱為堵轉(zhuǎn)電流，從而達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。而當(dāng)流過直流電動(dòng)機(jī)電樞的電流小于某一定值時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用，此時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)電氣控制系統(tǒng)