直流永磁电机基本知识.docx

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直流永磁电机基本知识

直流永磁电机基本知识

一.直流电机的工作原理

1.

直流电机的工作原理

这是分析直流电机的物理模型图。

其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。

转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。

（其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的）

上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。

定子与转子之间有一气隙。

在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。

换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。

在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

直流电机的原理图

对上上图所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。

这就是直流电机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

实用中的直流电机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

将直流电机的工作原理归结如下

A.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。

B.电机内部有磁场存在。

C.载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）

D.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n（转/分）旋转，以便拖动机械负载。

2.归纳

A.所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。

B.电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数（2p）是一个偶数.

注：

a－支路对数p－极对数

C.为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。

D.每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。

为什么要将电刷与q轴上的导体相接触，才能得到最大的直流电势

可由左图解释，设电刷A，B分别移到A'，B'位置。

电刷B'构成的左支路或右支路中的总电势大小确是大大减小了。

此图中虽然两个支路的感应电势对称，但对于在磁场外面的导体电势为0，在磁场里面的两部分导体形成的四个支路，其中有一部分电势大小相同，方向相反互相抵消，故A'B'电刷间的电势大小减小了。

因此，结论是正确的。

二．直流电机的结构

这是一台尤奈特电机的结构装配图和结构剖面图。

旋转电机都是由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件。

换向极用来改善换向。

电磁部分

定子

机械部分

旋转电机机械部分

转子

电磁部分

定子：

转子：

◇

主磁极（磁瓦）

◇

电枢绕组

◇

机座（机壳和底脚）

◇

电枢铁心

◇

电刷端盖

◇

换向器

◇

电刷底板

◇

电刷

◇

弹簧

●电机结构部件：

三．额定值

额定值是制造厂对各种电气设备（本文指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。

在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。

并具有优良的性能。

额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。

额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。

直流电机的主要额定值主要有：

⒈额定功率PN

指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以"W"为量纲单位。

若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。

★★★-----------------注意---------------------★★★

对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。

PN＝UNIN

对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。

PN＝UNINηN

★★★------------------------------------------★★★

⒉额定电压UN

指额定状态下电枢出线端的电压，以"V"为量纲单位。

⒊额定电流IN

指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以"A"为量纲单位。

⒋额定转速nN

指额定状态下运行时转子的转速，以r/min（转/分）为量纲单位。

5.额定扭矩TN

指电机在额定状态下的输出扭矩，以N·m（牛·米）为量纲单位电压

基本公式扭矩（N·m）=×功率（瓦）÷转速（转/分）

四．直流电机的励磁方式

1.定义：

直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。

实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。

2.分类：

他励式

并励式

自励式串励式

复励式

3.四种励磁方式接线

（a）他励式

若励磁绕组不与电枢绕组联接，励磁绕组单独由其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。

他励直流电机电枢电流Ia和负荷电流If相等；

（b）并励式

顾名思义，励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。

并励式直流电机的电枢电流Ia。

励磁绕组流过的电流为If，经过负载或电源供给电机的总电流为I，

三者须满足以下关系：

直流发电机：

Ia＝I＋If

直流电机：

Ia＝I－If

（c）串励式

励磁绕组与电枢绕组串联再接通直流电源称为串励直流电机。

由于串励式直流电机作为发电机用时，其电压大小随负载变化而有较大的变化，故一般不用串励式直流发电机，只作电动机使用。

串励式直流电机广泛应用交通运输。

串励式电机：

Ia＝I＝If

（d）复励式

复励式直流电机上有两个励磁绕组，一个和电枢并联，一个和电枢串联。

复励式直流电机的串励绕组产生的磁势与并励磁势方向相同时称为加复励（或积复励）；

两者磁势方向相反时称为差复励（或减复励）；

加复励和差复励比较，应严格按要求接，实用中加复励用得较多。

4.空载时直流电机的磁场

空载时负载电流为零，此时电机内部的磁场是由励磁绕组通过电流产生的磁势决定。

空载时的磁场用函数Bo（x）表示；空载磁通密度沿转子外圆周长方向的变化情况即空载磁密的分布波形呈平顶波。

空载时磁密分布波形呈平顶波的原因是：

在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主群场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁密等于0。

磁路从气隙1出发经－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1，最后又回到气隙1，如下图演示。

说明磁力线是闭合的。

该图不计电枢齿槽影响

上面的电机空载磁路波形是理想状态下的波形曲线，但载实际的设计和制造的过程中，空载影响的因素有电机电磁气隙的大小、主磁极（磁瓦）性能的差异、机械制造的加工精度、机械装配间隙的合理控制、电磁中心线与几何中心线的角度……

5.影响空在电机电流的因素

上面提到过空载时负载电流为零，电机空载运转时对外作功为零，在整个电机的性能上，空载参数只是一个参考的技术指标，不属于主要控制性能指标。

影响空载电流的因素有电机的磁钢的性能、转子与定子之间的气隙、电机工作环境、电机轴承的阻力，机械部件的加工精度、装配间隙、空载时电机转子的反电势……

五.电动车电机的维护和保养

在国外，休闲系列的小型电动车风摩一时，品质、性能、服务是取胜市场的关键。

如何保证这几点，作为直接的生产商，必须从生产、采购、销售、管理各方面严格的控制。

作为电动车的三大部件之一的电机，必须注意以下几点：

1.有刷电机的弱点就是使用寿命——电刷的磨损，但是在输出的扭力、效率、过载性能方面不比无刷电机差，关键是保养的方法。

电机在使用1-2个月后如果能清理电机电刷与换向器的磨损物，将可以提高电机是使用寿命，但是，除了专业人士以外，一般人是很难操作的。

对于普通的休息系列电动车来说，电机的使用寿命不是主要的（按客户每周三次的使用频率，每次一小时，一年的累计时间大概160小时，对于我们电机的寿命来说是绰绰有余）。

2.直流永磁电机（属于他励电机）与其他的系列电机相比，在制造加工方面要求较高，影响的因素也多，所以必须注意：

防磕碰、敲打，防潮、防高温、防尘，在散热良好的情况下使用。

3.直流永磁电机的励磁方式为他励，其励磁磁场为恒定的，如果电枢的励磁一直增大，严重超过主磁场的励磁强度的话，导致主磁场的磁场强度削弱，影响整个电机的性能，所以在使用和设计的过程中，电机不能严重长时间过载运行，正常情况下电机的过载能力为倍过载，过载系数的大小根据不同的电机而定。

4.直流永磁电机的性能按照额定参数使用，严禁超出太多的范围，我们电机的规定容许偏差范围为±10%。

五．电动机与小型电动车的联系

1.扭矩计算公式：

扭矩（N·m）=×功率（瓦）÷转速（转/分）

2.电机的额定电流

电流（A）IN=PN÷UN÷ηN

3.车速计算公式：

车速（公里/小时）=

××10-3

4.电机消耗功率的计算

根据我们的经验，在普通的电动车设计时，电机的实际消耗功率为：

Ph=电动车的实际重量（包括整车的重量+载重）×最高速度××K

其中系数“K”的取值按不同的车型的不同轮胎来定，

普通的“PU”轮胎为

加宽的“PU”轮胎为

普通小海豚车气胎为

加宽气胎为

超宽的气胎为

小型“ATV”沙滩车大型“ATV”沙滩车5.控制器推荐最大电流

一般情况下控制器的最大电流为电机额定电流的倍,对于电机性能良好的用在电动三轮车上的,可以稍微放大电流的最大限制!