直流电动机控制技术详解
直流电动机控制技术详解
直流电动机是现代工业中广泛应用的动力设备，其工作原理和控制技术对于理解电机运行机制至关重要。本文将详细介绍直流电动机的基本原理、物理模型以及相关技术参数，帮助读者深入理解电机控制技术的核心概念。
2.1.2 直流电动机的基本原理
直流电动机使电动机的绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，再经过机械整流得到直流电。整流方式包括电子式和机械式两种类型。
1.交流发电机物理模型
图2-3所示为交流发电机物理模型，其中，N、S为主磁极，固定不动，abcd是安装在可以转动的圆柱体（称为电枢）上的一个线圈，该线圈的两端分别接到称为集电环的两个圆环上。在每个集电环上放上固定不动的电刷A、B，通过A、B将旋转的电路（线圈abc d）与外面静止的电路相连。
1）当原动机拖动电枢以恒定转速n逆时针方向旋转时，根据电磁感应定律知，在线圈abcd中的感应电动势大小为
式中e——感应电动势（V）；
B——导体所在处的磁通密度（Wb/m2）；
l——导体ab或cd的长度（m）；
v——导体ab或cd与B之间的相对线速度（m/s）。
2）采用右手定则判定感应电动势的方向，即导体ab、cd感应电动势的方向分别由b指向a、d再指向c，电刷A呈高电位、B呈低电位；在电枢逆时针方向转过180 °时，导体ab与cd互换位置，导体ab、cd感应电动势的方向正好与之前相反，电刷B呈高电位、A呈低电位；在电枢逆时针方向再转过180 °时，导体ab、cd感应电动势的方向又发生变化，电刷A呈高电位、B呈低电位。可见，电枢每转一周，线圈abcd中感应电动势方向交变一次。
2.直流发电机和直流电动机物理模型
（1）直流发电机物理模型
图2-4所示为直流发电机物理模型，由两个相对放置的导电片（或称换向器）代替图2-3中的两个集电环，换向器之间用绝缘材料隔开，并分别连接到线圈abcd的一端，电刷放在换向器上并固定不动。
1）由原动机拖动，发出直流电流，为大型交流发电机提供直流励磁电流。
2）电枢旋转、电刷固定，根据右手定则确定图中感应电动势方向，电刷A呈正极性、电刷B呈负极性；在线圈逆时针方向转过180 °时，导体ab位于S极下、导体cd位于N极下，各导体中感应电动势都分别改变了方向。
3）换向器起整流作用，与线圈一道旋转，本来与电刷B接触的那个换向器现在却与电刷A接触了，与电刷A接触的那个换向器现在却与电刷B接触了，显然，电刷A仍呈正极性、电刷B呈负极性，在电刷A、B两端获得了直流电动势。
（2）直流电动机物理模型
图2-5所示为直流电动机物理模型，有别于直流发电机模型。
1）直流电动机适合用于拖动各种生产机械。
2）直流电源加在电刷A、B上，线圈abcd中有电流流过，根据左手定则判定线圈的运动方向如图2-5所示。导体ab、cd上受到的电磁力f为
式中i——流过导体的电流（A）；
l——导体ab或cd的长度（m）；
B——导体所在处的磁通密度（Wb/m2）。
3）换向器，将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流，起逆变作用。虽然电枢线圈里的电流方向是交变的，但产生的电磁转矩却是单方向的，即
式中Φ——电动机每极磁通量；
CT——转矩常数，CT=9.55Ce，Ce为电动势常数，与电动机结构有关；
Ia——电枢电流。
4）感应电动势，直流电动机运行时，电枢导体切割气隙磁场，在电枢绕组中将产生感应电动势，电枢绕组电刷两端产生的感应电动势为
（3）直流电动机额定数据
直流电动机额定数据包括额定功率PN（W）、额定电压UN（V）、额定电流IN（A）、额定转速nN（r/min）、励磁方式和额定励磁电流IfN（A）。此外，还包括没有标注在铭牌上的物理量，如额定运行状态的额定转矩T2N、额定效率ηN等。
直流发电机的额定容量指的是电刷端的输出功率，PN=UNIN；直流电动机的额定容量指的是其转轴上输出的机械功率，PN=UNINηN；额定转矩为
式中T2N——额定转矩（N·m）；
PN——额定功率（kW）；
nN——额定转速（r/min）。
国产电动机产品型号一般采用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字表示，如图2-6所示。其中，汉语拼音字母是根据电动机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该汉字的拼音得到的。如表2-2所列为我国某厂家生产的直流电动机型号及相关参数。国产直流电动机种类很多，表2-3列举了一些常见产品系列。
