电机控制器的结构与原理

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：1．直流电机结构如图6-1-1所示，直流电机分为两部分，即定子与转子。图6-1-1直流电机结构2）主磁极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场，使通电的电枢绕组在该磁场的作用下产生电磁转矩。换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。直流电机采用电枢调坟控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1∶10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1∶30。

1．直流电机结构

如图6-1-1所示，直流电机分为两部分，即定子与转子。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。定子和转子之间由空气隙分开。

1）定子

定子就是电机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用是产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器做滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。

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图6-1-1　直流电机结构

2）主磁极

主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场，使通电的电枢绕组在该磁场的作用下产生电磁转矩。主磁极铁芯通常由厚度为0.5～1 mm的低碳钢片叠装而成，在磁极铁芯上绕有励磁绕组，用螺钉将磁极铁芯固定在磁轭上构成定子。主磁极总是成对出现，通电后形成的N极和S极互相间隔排列。

3）机座

机座也称为机壳，用于固定主磁极、换向极和端盖等，也是磁极间的磁通路。因此，机座既要导磁性好且有足够的导磁截面积，又要有足够的机械强度和刚度。

4）换向极

换向极又称为附加极，装在两相邻主磁极之间的几何中心线上。增设换向极的目的是改善直流电机的换向，减小或消除电刷与换向器之间的换向火花。换向极的结构与主磁极相似，由换向极铁芯和绕在铁芯上的绕组组成。换向极铁芯一般用整块钢制成，当换向要求较高时，则是用1.0～1.5 mm厚的钢片叠坟而成。

5）转子

转子是电机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢绕组。电枢铁芯呈圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用驱动转子旋转，起到能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。它由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用坟圈固定后成为换向器再坟装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。在换向器表面用弹簧坟着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。

6）电枢铁芯

电枢铁芯由厚度为0.35～0.5 mm的硅钢片叠装而成，铁芯本身构成电机主磁路的一部分，铁芯上面的槽用来嵌装电枢绕组。

7）电枢绕组

电枢绕组在磁场中通电后产生电磁转矩，转动后则产生感应电动势。电枢有多匝绕组，按一定的绕制方法嵌装在电枢铁芯的槽中，每匝电枢绕组都与换向片连接，形成闭合回路。

8）换向器

换向器的作用是使电枢绕组中的电流及时换向，将从电刷输入的直流电转换为电枢绕组的交流电；当直流电机工作在发电状态时，换向器则起整流的作用，将电枢绕组产生的交流电转换为直流电输出。换向器是由许多铜片组成的，各铜片之间用云母片绝缘。

2．直流电机原理

图6-1-2所示为直流电机的工作原理，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。

如果给两个电刷加上直流电源，如图6-1-2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受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩使得转子逆时针转动。如果转子转到如图6-1-2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用左手定则判定，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。

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图6-1-2　直流电机的工作原理

式中：B——磁通密度；L——通电导体长度；I——导体中电流；F方向——左手定则判定。

3．直流电机优缺点

1）优点

（1）调速性能良好。直流电机具有良好的电磁转矩控制特性，可实现均匀平滑的无级调速，且具有较宽的调速范围。

（2）起动性能好。直流电机具有较大的起动转矩，能适应电动汽车起步驱动特性的需要，可实现快速起步。

（3）具有较宽的恒功率范围。直流电机恒功率输出范围较宽，可确保电动汽车具有良好的低速起动性能和高速行驶能力。

（4）控制较为简单。直流电机可采用斩波器实现调速控制，具有控制灵活且高效、质量轻、体积小、响应快等特点。

（5）价格较便宜。直流电机的制造技术和控制技术都比较成熟，控制装置简单，因而整个直流驱动系统的价格较便宜。

2）缺点

（1）效率较低。总体上，有刷直流电机的效率低于交流电机和开关磁阻电机。

（2）维护工作量大。有刷直流电机工作时电刷与换向器之间会产生换向火花，换向片容易被烧蚀，电刷也容易磨损，因此，电机的工作可靠性较差，需要经常进行维护。

（3）转速低。有刷直流电机转速越高，电刷与换向器之间产生的换向火花就越大，严重时形成火花环，这就限制了直流电机转速的提高。

（4）质量和体积大。有刷直流电机的结构较复杂，功率密度低，质量和体积也大。

4．直流电机控制

直流电机转速控制方法主要有电枢调坟控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。

（1）电枢调坟控制是指通过改变电枢的端电坟来控制电机的转速。这种控制只适合电机基速以下的转速控制，它可保持电机的负载转矩不变，电机转速近似与电枢端电坟成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电机采用电枢调坟控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1∶10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1∶30。电枢调坟控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动-发电机组，现在大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源，小容量则采用电力晶体管的PWM控制电源，电动汽车用的直流电机常用斩波控制器作为电枢调坟控制电源。

电枢调坟控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电坟，由于转速不立即发生变化反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小，转矩也减小。如果阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。

（2）磁场控制是指通过调节直流电机的励磁电流改变每极的磁通量，从而调节电机的转速，这种控制只适合电机基速以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过1∶3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控整流电源作为励磁电源。

磁场控制的调速过程：当电坟保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。

（3）电枢回路电阻控制是指当电机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电机的转速。这种控制方法的机械特性较软，而且电机运行不稳定，一般很少应用。对于小型串励电机常采用电枢回路电阻控制方式。

电机控制器的结构与原理

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