第6章 直流电机
直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等需要经常启动并调速的电气调速装置中。直流发电机主要用作直流电源。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。
目前，虽然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据重要地位
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6.1 直流电机的工作原理
直流电动机的工作原理可用如图6-1所示表示。两个空间位置固定的瓦形永磁体N极与S极之间，安放一个绕固定轴旋转的铁制圆柱体。铁芯与磁极之间的间隙为气隙。设铁芯表面只敷设了两根导体ab和cd，并连接成单匝线圈abcd。线圈首末端分别与换向片相连。换向片与电枢铁心一道旋转，但换向片之间及换向片与铁芯和转轴之间均相互绝缘。由换向片构成的整体叫换向器，而整个转动部分称为电枢，寓意为实现机电能量转换之中枢。为了把电枢与外电路连通，两只电刷，电刷的空间位置是固定的。直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用才把交流电动势“换向”成极性恒定的直流电动势
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电刷ABnN磁极电枢导体word文档 可自由复制编辑
换向片S磁极
图6-1 直流电机工作原理示意图
当电流沿dcba方向流过线圈时，由左手定则可知，线圈所受电磁力是企图阻止电枢旋转的。原动机要维持电机以恒速旋转，就必须克服此电磁力做功，从而将机械能转换为电能输出供负载使用，电机作发电机运行。反之，若跨接于A、B两端的负载改为极性保持一致的直流电源，则线圈中的电流路径将变为abcd，产生的电磁力及相应的电磁转矩的方向为反时针方向，从而可拖动旋转机械反时针旋转，将电能转换为机械能，电机作电动机运行
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单纯从电机的电端口看，电机作发电机或电动机运行的区别就在于电流方向发生了变化。电流自端口正极流出时为发电机，流入则为电动机。更一般的，与上述发电机端口及电流方向一致的正方向称为发电机惯例，而与电动机端口电压及电流方向一致的正方向称为电动机惯例。如图6-2所示：
iu电机iu电机
a b
图6-2 电压和电流正方向
a 发电机惯例 b 电动机惯例
直流电机按励磁方式的不同可分为以下四类：他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。如图6-3所示为直流电机各种励磁方式的接线图。
UIUII电枢aU串励绕组UIfIIa他励绕组串励绕组IfIaIf电枢他励绕组IaIaIf电枢电枢UIff并励绕组UIff并励绕组
a b c d
图6-3 直流电机各种励磁方式接线图 a 他励 b 并励 c 串励 d 复励
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6.2 直流电动机启动仿真
6.2.1 他励直流电动机直接启动仿真
直流电动机直接起动瞬间起动电流可达10-20倍的额定电流，一般微型电动机由于其电枢电阻较大才可直接起动。由于起动是动态过程，因此相比M函数编程，用MATLAB/Simulink建模仿真起动过程更具优势。下面通过使用Simulink对直流电动机直接起动进行建模并仿真，研究起动电流、电磁转矩的变化过程。
实例：一台他励直流电动机的额定数据为：额定功率PN=37kW ,额定电压
UN=240V，额定转速nN=1220r/min,额定电流IN=16.2A，电枢回路电阻Ra=0.6?，电枢电感Ia=0.012H，励磁绕组电阻Rf=240?，励磁电感Lf=120H，励磁绕组和电枢的互感Laf=1.8H，转动惯量J=1kg?m2。建模仿真他励直流电动机运行在空载状态(转矩常数取10)直接起动，示波器显示转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩在起动时间0~5S内的变化曲线以。
建模：涉及的模块有直流电源、理想开关、直流电动机、开关、增益、电阻、示波器模块等，仿真模型中理想开关之后并联的10k?电阻，是因为电动机本身属于感性负载，电流不能突变，需在其两端并联缓冲电阻。由仿真结果可见，直接起动最大冲击电流为Ist=328.5A，而额定电流为IN=16.2A，则起动电流倍数为kIst=20.3，数值太大，因此不能直接起动，而应采取措施，限制起动冲击电流。
仿真模型如图6-4所示：
图6-4 他励直流电机直接启动仿真模型
仿真结果如图6-5所示：
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图6-5 他励直流电机直接启动仿真结果
结果分析：由仿真结果可见，直接启动时电枢电流波动大，对电机冲击较大，但与此同时电磁转矩大，有利于电机的起动，电机转速平稳上升到1300r/min，约在1.5S时刻电机达到稳定运行状态。
6.2.2 他励直流电动机分级启动仿真
为了限制直接起动瞬间产生的过大起动电流，可采用电枢回路串电阻的方法起动直流电动机。现以m=3为例，通过使用Simulink对直流电动机电枢回路串电阻起动进行建模并仿真，研究起动电流、电磁转矩的变化过程。
实例：一台他励直流电动机的额定数据为：额定功率PN=21kW ,额定电压
UN=220V，额定转速nN=980r/min,额定电流IN=115A，电枢回路电阻Ra=0.1?，GD2=64.7N?m2。采用电枢回路串三级电阻启动，最大起动电流为100A，空载(转矩常数取10)，各起动电阻分别为Rs1=0.217?、Rs2=0.48?、Rs3=1.406 ?，各级起动时间分别为t1=0.76S，t2=0.675S，t3=0.5S。建立三级电阻控制子模块和他励直流电动机电枢回路串电阻三级起动仿真模型，示波器显示转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩在起动时间0~10S内的变化曲线以及电磁转矩与转速的曲线。
建模：与直接起动相比，电枢回路串电阻分级起动相当于在电源端与电枢端之间串入了一个变阻箱，其他模块与直接起动相似。为此可先建立电阻控制子模块，由于起动级数m=3，因此子模块由输入输出端口、三段电阻、三个断路器、三个阶跃信号模块组成。
仿真模型如图6-6及图6-7所示：
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