苏州电工培训电动机的使用与维护..doc

培训考证、学历提升-苏州上德教育苏州电工培训 电动机的使用与维护.项目4.1 三相异步电动机结构与工作原理【知识铺垫】一、三相异步电动机的结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，、定子定子铁芯：导磁和嵌放定子三相绕组；0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成；内圆均匀开槽；槽形有半闭口 、半开口和开口槽三种； 适用于不同的电机。定子绕组：绝缘导线绕制线圈；由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组；交流电机的定子绕组称为电枢绕组。机座： 支撑和固定作用是用铸铁或钢板焊接而成的。、转子（1）转子铁心 是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。（2）转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见下图1集电环；2电刷；3变阻器绕线形转子与外加变阻器的连接 笼形绕组 在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图（a）所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图（b）所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。（a）铜排转子 （b）铸铝转子笼形转子绕组、交流绕组结构（一）线圈和线圈组线圈是组成绕组的基本元件，用绝缘导线（漆包线）在绕线模上按一定形状绕制而成。一般由多匝绕成，其形状如图所示。它的两直线段嵌入槽内，是电磁能量转换部分，称线圈有效边；两端部仅为连接有效边的“过桥”，不能实现能量转换，故端部越长材料浪费越多；引线用于引入电流的接线。图是线圈嵌入铁心槽内的情况。（a）菱形线圈 （b）弧形线圈 （c）简化画法常用线圈及简化画法(a)立体图 (b)展开图 (c)有效边在槽内实际情况单层绕组部分线圈嵌入铁心槽内几个线圈顺接串联即构成线圈组，异步电机中较常见的线圈组是极相组。它是一个极下同一相的几个线圈顺接串联而成的一组线圈，见图所示。(a)连接方法 (b)展开图 (c)简化图一个极相组线圈的连接方法（二）定子槽数Z和磁极数2P定子槽数Z：定子铁心上线槽总数称之为定子槽数，用字母Z表示。如图 (a)、（b）所示的就为电机定子铁心上的线槽。磁极数2P ：磁极数是指绕组通电后所产生磁场的总磁极个数，电机的磁极个数总是成对出现，所以电机的磁极数用2P表示。异步电机的磁极数可从铭牌上得到，也可根据电机转速计算出磁极数，即 式中 f 电源频率；p 磁极对数；n1电机同步转速，n1可从电机转速n取整数后获得。它在交流电机中为确定转速的重要参数，即（三）极距和节距y极距：相邻两磁极之间的槽距，通常用槽数来表示节距：一个线圈的两有效边所跨占的槽数。为了获得较好的电气性能，节距应尽量接近极距。即 （取整）在实际生产中常采用的是整距和短距绕组。（四）每极相槽数q与槽距角a每极相槽数q：是指绕组每极每相所占的槽数 （槽）槽距角a： 指定子相邻槽之间的间隔，以电角度来表示，即 （电角度） 电角度=P机械角度（五）、单层绕组单层绕组：每个槽内只放一个线圈边。线圈数目等于槽数的一半，的实例说明单层绕组的构成。（1）、计算极距和节距 （整距）（2）、计算每极每相槽数 单层绕组还可联成链式、交叉式、同心式等单层绕组的优点是线圈数少，嵌线方便，无层间绝缘，槽的利用率高。缺点是磁通势和电动势的波形较差，影响电动机的性能，一般用于功率在10KW以下的小型电机。（六）、双层绕组双层绕组：每个槽内放两个线圈边，一个边放在上层，一个放下层。线圈数等于槽数。例： 双层叠绕组（1）、计算极距 （2）、绕组节距 选（3）、每极每相槽数 （4）槽距角：二、三相异步电动机的工作原理三相对称交流电流流入对称的三相定子绕组，在定子绕组的空间可产生一个圆形的旋转磁场，旋转磁场与转子导体之间有相对运动，转子导体中产生感应电流，感应电流在磁场中受到电磁力的作用，从而顺着旋转磁场的方向旋转起来。旋转磁场的产生可以用下图说明。思考：为什么对称的三相定子绕组通过以对称的三相交流电流，能够产生旋转磁场？旋转磁场的转速和转向分别由什么决定？分析解答：因为三相交流电在相位上互差120，而且是对称的，所以能产生一个圆形旋转磁场，使电动机的运行更加平稳，起动和过载能力、效率和功率因数都强于单相异步电动机。旋转磁场的转速与电源频率成正比，与磁极对数成反比。旋转磁场的转向由电源的相序决定。项目4.2 三相异步电动机的运行【知识铺垫】一、三相异步电动机的机械特性 三相感应电动机的机械特性是指在一定的条件下，电动机的转速n与转矩Tem之间的关系,n = f(Tem) 。一、固有机械特性的分析三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时，n与Tem的关系。感应电动机的固有机械特性曲线如图：0S=1S=0HPTemPTMTstTNSmnsAn11) H-P部分（转矩由0Tem，转差率由0Sm）。这一部分为电机的稳定工作部分，特性曲线为一条直线。2）PA部分（转矩由 TTst，转差率由Sm1）。在这部分随着转矩的减小，转速也减小，特性为一曲线。称为电机的非工作部分。有几个特殊点需要分析一下。1、理想空载点H 此时n=n1,s=0,电磁转矩Tem=0，转子电流I2=0，定子电流I1=I0。2、较大转矩点P 此时s=sm,Tem=Tm。二、三相异步电动机的运行性能三相异步电动机的运行性能：1曲线的AC段：近似于线性，随着异步电动机的转矩增加而转速略有下降，从同步点A（n = n0，s = 0，T = 0）到满载的B点（额定运行点），转速仅下降2 6 %，可见三相异步电动机在AC段的工作区域有较“硬”的机械特性。2额定运行状态：在B点，电动机工作在额定运行状态，在额定电压、额定电流下产生额定的电磁转矩，以拖动额定的负载，此时对应的转速、转差率均为额定值（额定值均用下标“N”表示）。电动机工作时应尽量接近额定状态运行，以使电动机有较高的效率和功率因数。3临界状态：C点被称为“临界点”，在该点产生的转达矩为较大转矩Tm ，它是电动机运行的临界转矩，因为一旦负载转矩大于Tm ，电动机因无法拖动而使转速下降，工作点进入曲线的CD段，在CD段随着转速的下降转矩继续减小，使转速很快下降至零，电动机出现堵转。C点为曲线AC段与CD段交界点，所以称为“临界点”，该点对应的转差率均为临界值。电动机产生的较大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载能力，即一般三相异步电动机的在1.8 2.2之间，这表明在短时间内电动机轴上带动的负载只要不超过1.8 2.2 TN ，电动机仍能继续运行，因此一定的表明电动机所具有的过载能力的大小。4起动状态：D点称为“起动点“。在电动机起动瞬间，n = 0，s = 1，电动机轴上产生的转矩称为起动转矩Tst（又称为“堵转转矩”）。Tst必须大于负载转矩，电动机才能起动，否则电动机将无法起动。电动机产生的起动转矩Tst与额定转矩TN之比称为电动机的起动能力，即一般三相异步电动机的起动能力在1 2之间。三、三相异步电动机的反转、起动、调速、制动（一）、三相异步电动机的反转三相异步电动机采用改变三相电源相序的方法来改变旋转磁场和转向, 从而改变电动机的转向。方法是: 将三根电源线的任意两根对调, 就可以改变电动机的转向，如图所示。思考：为什么对调任意两个电源线，即可改变三相电源的相序？从而改变旋转磁场以及电动机的旋转方向？（二）、三相异步电动机的起动、三相笼型电动机的起动起动要求起动转矩Tst要大，以减小起动时间；起动电流Ist要小，以免导致电网电压下降，影响其它同一电网的设备正常运行和自身使用寿命。另外，起动方法和设备要求简单、经济、易操作。视与电源容量的相对大小，三相异步电动机可直接起动或降压起动。（）、直接起动（全压起动）全压起动是起动时直接将额定电压加到电动机上，是较简单的起动方法。电动机在额定电压、额定频率下进行的，起动电流大、起动转矩较大，且简单、方便，因此一般都作为首选采用。（）、降压起动降压起动是利用起动设备使加到电动机上的电压降低，让电动机在低的电压下起动，等到电动机达到稳定转速后，再使电动机定子绕组上的电压恢复到额定电压，使之正常运行。这种方法可以降低电动机的起动电流，从而减小起动电流引起的不良影响。但由于电动机的起动转矩st与电源电压的平方成正比，所以，在利用降压来减小起动电流的同时，也大大地降低了电动机的起动转矩，因此，减压起动的方法仅适用于空载或轻载起动。一般20 kW以上较大容量的三相异步电动机，须采用以下各种降压起动的方法来限制起动电流，但应注意在降压起动时，起动转矩会因电压下降而会下降得更多。常用的降压起动方法有：定子串电阻或电抗的降压起动在定子绕组上串联电阻或电抗。这种方法是：当电动机起动时，将适当阻值的三相电阻器串在输入电路上，以降低加到电动机上的电压。当起动结束时，再将电阻切除，使电动机正常运行。其控制原理如图所示。采用这种减压起动方法，设备较简单，虽能达到减压起动的目的，但起动转矩与电压正常运转。星三角（）降压起动正常运行时定子绕组为三角形联结的三相电动机才能使用这种方法起动，如图所示。 它是依靠电动机定子绕组接法变化，来降低起动时加在各相定子绕组上的电压，以达到减小起动电流的目的。起动控制原理如图所示。自耦变压器（补偿器）降压起动这种方法是利用自耦变压器来进行降压的。自耦变压器接在电源和电动机之间，给电动机输出一个可调电压，进行降压、降电流起动。待起动结束，再切除自耦变压器，将额定电压直接加到电动机上，使之正常运行。、三相绕线式电动机的起动绕线式电动机起动时，可以在转子回路中串入可调电阻器或频敏变阻器来限制起动电流，同时也可适当提高起动转矩。（）转子回路串可变电阻器起动。该电路起动时，使全部电阻串入转子电路，再合上电源开关，电动机通电起动。由于串入电阻使电流减小，功率因数增大，起动转矩增大。这种起动方法，既减小了起动电流，又增大了起动转矩，所以它可以在重载下起动。在超重频繁、负载较重的场合，如各种起重设备、卷扬机等都可以采用。（）转子回路串频敏变阻器起动。绕线式电动机还可采用转子回路串频敏变阻器的起动方法。所谓频敏变阻器，实际上是一只由三个绕在三柱铁心上的线圈组成的特殊电抗器。频敏变阻器的主要特点是：它的阻抗随着转速的上升而自动平滑减少，使电动机能平稳地起动。（三）、三相异步电动机的调速异步电动机的转速公式：，从式中看出，与异步电动机的转速有关的量有三个，即p，f，s，只要其中某一个量变化了。转速也就随之变化，所以，异步电动机可以采用下列三种调速方法：变极（P）调速、改变转差率（s）调速、变频（f）调速。（1）变极调速：改变磁极对数p，电动机的转速只能成倍的改变。下面说明变极调速法的原理：在电源频率不变的情况下，电动机旋转磁场的转速只与磁极对数p有关。P改变了，旋转磁场转速就改变，于是电动机转速跟着改变了。变极调速法就是利用改变定子绕组的接法来改变磁极对数的。例如，某电动机的一相绕组中有如图所示的两组极相组和2，两组间采用正串接法，即与连接。当该相绕组上有电流流过时，各有效边形成，交替的四个极。这样的三相绕组合成起来形成一个四极磁场。 采用反向变极法可使之变极。若采用串联形式的反向变极法，可将两极相组从正串改为反串，即与的连接改为与连接，如图所示。这样，两个极相组相近的有效边有了相同的电流方向，形成两个极。这样的三相绕组合成起来可形成一个两极的磁场。若采用并联的反向变极法，两个极相组就要从串联改为并联，即是将与联结形成一个引出端，与联结成一个引出端，如图所示。这样，二个极相组的有效边也形成二个极。这样的三相绕组合成起来也形成两极磁场。双速电动机常用的实际接线方法有两种，一种是从单路星形接法（）变换成双路星形接法（）。具体接法如图所示；另一种是从单路三角形接法（）变换成双路星形接法（），具体接法如图所示，这两种方法均属于并联的反向变极法。 上述两种方法都能使磁极减少一半而使转速增加一倍，但电动机相应的机械特性和允许负载各不相同，前者有恒转矩调速特性，后者有恒功率调速特性，究竟采用哪一种接线方式，要根据生产机械的要求来选择。变极调速比较方便，控制设备也较简单，但它显然只能作有级调速，而且它只适用于笼型电动机。（2）改变转差率调速：转差率与电动机转子结构参数有关，对于绕线型电动机可在转子电路中串联电阻改变转差率，达到调速的目的。这种方法不适用于笼型电动机。（3）变频调速：改变交流电源的频率调速。近年来，由于电力电子技术和控制技术的发展，各种变频装置得到迅速发展，使变频调速得到了广泛应用。变频调速得稳定性和调速平滑性均很好，调速范围也很大，效率较高。（四）异步电动机的制动所谓制动问题，实际上是指当电动机的转子在转动时，如何来产生一个与转子转向相反的力矩，使电动机改变其运动状态。电动机的制动方法有机械制动和电气制动两类。电动机的电气制动常用的具体方法有反接制动、能耗制动和回馈制动等。1、反接制动电源反接制动是在电动机需停车时，采取对调定子绕组的两根端线的方法，使电动机处于旋转磁场转向与转子转向相反的状态。由于电动机的转子状态不能突变，只能从原转向转速降到零后再反向转动，所以，这时电动机内产生的反向转矩可迫使电动机转速迅速下降，从而达到制动的目的。当电动机转速降到接近零时，必须及时切断电源，以防反向起动。为此，在反接制动设施中，为保证电动机的转速被制动到接近零值时，能迅速切断电源，常利用速度继电器（又称反接制动继电器）自动及时的切断电源。 2、能耗制动能耗制动的方法是，电动机切断三相电源后，立刻在定子绕组的任意两相中通入直流电，使电动机断电后迅速地停下来，其原理线路如图所示。它的制动原理是，电动机脱离三相交流电源后，转子要继续沿原方向作惯性转动。此时把开关扳动向下，使直流电源与定子绕组接通。当直流电通过定子绕组时产生一个固定的磁场。转子中的导体切割固定磁场的磁感线，产生了方向如图所示的感应电动势和电流，该电流又受到固定磁场对它的作用，产生了与转向相反的转矩，它使转子较快的停止转动。实际上它是将转子的动能转变为电能消耗在转子回路的电阻上，因此，称为能耗制动。 3、回馈制动回馈制动是一种在电动机超速转动的过程中，产生一个均匀的制动转矩来限制继续增速，使电动机达到稳速运行的制动方式。这种制动方法应用不多，它只适用于电动机转子转速n高于同步转速n的场合。当起重机在高处开始下放重物时，电动机转速n小于同步转速n，这时，电动机处于电动运行状态，其转子电流和电磁转矩的方向如图所示。但由于重力的作用，在重物下降过程中，会使电动机的转速n大于同步转速n，这时电动机处于发电运行状态，转子相对于旋转磁场切割磁力线的运动方向发生了改变（沿顺时针），其转子电流和电磁转矩的方向都与运行时相反，如图所示。可见电磁力矩变为制动力矩，从而限制了重物的下降速度，使重物不至于下降得过快，保证了设备和人身安全。发电制动是一种比较经济的制动方法。制动时不需改变线路即可从电动运行状态自动地转入发电制动状态，把机械能转换成电能在回馈到电网，故称之为“回馈制动”或“再生发电制动”。这种方法节能效果显著，缺点是应用范围较窄，仅当电动机转速大于同步转速时才能实现发电制动。（五）异步电动机的试验、耐压试验 耐压试验的试验电压为50z交流电压。对以下或额定电压不超过36的电动机，试验电压的有效值为倍额定电压加500；对及以上、额定电压超过36的电动机，试验电压的有效值为2倍额定电压加1000，试验时间为min。对部分更换绕组的电动机，若需进行耐压试验时，其试验电压的有效值不应超过上述规定的75。耐压试验应在绝缘电阻达到要求后进行。、空载试验电动机通过各项试验和检查后，即可对每一种转速分别进行空载试验。按要求加上额定电压，空载运行30min以上，测量定子三相电流是否平衡，一般要求三相电流中任何一相与三相电流平均值的偏差不得大于三相电流平均值的10。项目4.3 同步电动机同步电动机也是一种交流电机。主要做发电机用，也可做电动机用，一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和矿井通风机等。近年由于永磁材料和电子技术的发展，微型同步电机得到越来越广泛的应用。同步电动机的特点之一是稳定运行时的转速n与定子电流的频率f1之间有严格不变的关系，即； 同步电动机的转速n与旋转磁场的转速n0相同。“同步”之名由此而来。一、三相同步电机的基本结构和额定值（一）三相同步电动机的基本结构同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构形式。由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式结构。根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图所示。凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。1、 定子作用也是吸收电能，产生旋转磁通势，所以和三相异步电动机的定子相同，也由机座，定子铁心和定子绕组三部分组成。2、 转子同步电动机的转子结构与异步电动机不同，分两种结构形式，即凸极式和隐极式，凸极式有明显的磁极。如图所示，适用于极数比较多的情况。隐极式无明显磁极。如图所示，适用于两极情况，同步电动机很少采用3000 r/min的转速，所以一般采用凸极式。（a）凸极式 （b）隐极式 凸极式转子圆周上安装有若干对凸出的磁极，磁极铁心由1-3mm厚的薄钢板冲成冲片后叠压铆成。磁极铁心固定于转子磁轭上，转子磁轭由铸钢或用薄钢板冲制叠压而成，套于转子轴上，起导磁和固定磁极的作用。每个磁极铁心上套有励磁线圈，各极的励磁线圈按一定的方式连接起来，构成励磁绕组。两个出线端接在固定于转轴上的两个滑环上，通过电刷与励磁电源相连。凸极式转子的特点是转子与定子之间的气隙不均匀。 隐极式转子的轴和铁心为一铸钢加工而成的统一体，是圆柱体。外圆开有槽，嵌放励磁绕组，亦通够滑环和电刷与励磁电源相接。隐极式转子的特点是转子和定子之间的气隙均匀。（二）同步电动机的额定值额定功率PN ，kw 额定运行时轴上输出的机械功率额定电压UN ，V 额定运行时定子绕组应加的线电压额定电流IN ，A 额定运行时定子绕组的线电流 额定转速nN ， r/min 额定运行时的转速额定功率因数cos 额定效率此外，还应给出额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN等。额定值之间的关系二、三相同步电动机的基本工作原理同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。 在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生同极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。定子旋转磁场与转子的速度为，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率f1 的大小和定、转子的极对数p，不会因负载变化而改变。定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。 三、同步电动机起动 同步电动机本身没有起动转矩，所以通电后不能自行起动。同步电动机大多采用异步起动的方法，即在转子的极靴上装上类似笼形绕组一样的起动绕组，如图所示。加入三相对称正弦交流电后依靠起动绕组，同步电动机像异步电动机那样起动，当电动机转速接近同步转速时，K1掷向右边，接入直流电源，依靠电磁拉力把转子带入同步运行。达到同步转速后，转子笼条没有感应电势，就完全不起作用了。 项目4.4 直流电动机 一直流电动机的结构 直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承等）三大部分所组成其结构如图所示。 直流电动机的结构 1. 定子定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。磁极 磁极是电动机中产生磁场的装置，如图所示。它分成极心1和极掌2两部分。极心上放置励磁绕组3，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布较为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座4（即电机外壳）上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 直流电动机的磁极及磁路 1极心 2极掌 3励磁绕组 4机座2转子(电枢)转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢”。电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。电枢 电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组，如图3所示。 图3 直流电动机的电枢 图4 换向器 换向器（整流子）。换向器是直流电动机的一种特殊装置，其外形如图4所示，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。 二、直流电机的工作原理在直流电机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电机，既可作电动机运行又可作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。 下面将介绍直流电动机工作原理：绝大多数的电动机都须作连续旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。在图中，N、S为对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)，两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。N极与S极的磁力线所通过圆柱体的途径如图中所表示。直流电机的工作原理当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理三、直流电动机分类直流电机按励磁方式分为永磁式、他励式、并励式、串励式及复励式等五种。永磁式：主磁极由硬磁性材料做成的永磁钢。他励：励磁绕组的电流由独立电源提供的。并励；励磁绕组与电枢绕组并联。串励；励磁绕组与电枢绕组串联。复励；励磁绕组一部分与电枢绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。其中四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一电源，所以又统称为“自励式”。其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一组与电枢绕组并联；如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则称为积复励；如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励。四、直流电动机运行特性直流电动机的转速和转矩是我们较关注的运行参数。当电压为额定值，电枢回路和励磁回路电阻均为恒值时，转速与转矩的关系nf（M）称为电动机的机械特性。从空载到额定负载，转速下降不多的，称为硬特性。而随着负载的增大转速下降较快的，称为软特性。直流电动机的励磁方式不同，其机械特性有明显的区别。（一）、他励（并励）式电动机的机械特性通过理论推导指出，并励式电动机的机械特性是一条直线，可以表示为 式中n0理想空载转速，实际工作时,由于有空载损耗电机的T不会为0。硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。：电动机的机械负载变化时，通过E的的变化反映到电枢电路，引起电流变化。思考：如果负载转矩增加造成电动机的转速下降，电动机内部如何调节？（二）、串励式电动机的机械特性串励式电动机其励磁绕组与电枢绕组相串联，所以IIaIf。经过分析可得串励直流电机的机械特性如图所示。串励式电动机的机械特性是一条软特性，随着负载转矩的增加，转速n将急剧下降。适用于电动工具，即负载经常变化，转速不要求稳定的场合。特点：过载能力强，当负载很轻时，电动机转速很高，可能超过电枢机械强度的允许极限。因此，串励直流电机不允许空载或轻载运行（起动时带上20%30%的额定负载）。否则会造成“飞车”危险。复励式直流电动机的机械特性介于两者之间。五、直流电动机的起动、反转和调速（一）、直流电动机的起动直流电动机的起动电流很大，可达额定电流的10 20倍。这么大的起动电流会烧毁电枢绕组和换向器，所以直流电动机不允许直接启动。一般采用起动时在电枢回路中串联起动电阻的方法，减小起动电流，起动结束后将起动电阻从电路中切除。例 直流电动机的额定电压为110V，额定电流为13.5A，电枢电阻为0.4，求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的两倍，应串联多大的起动电阻？解：直接起动电流可见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流，串联起动电阻R1，则电枢回路中总电阻为起动电流设定为27A，则起动电阻为：日用电器中直流电动机容量很小，可采用全压直接起动。因为全压起动，起动电流大，使电刷、换向器产生较大火花，不但使其使用寿命缩短，还因其表面电阻增大，造成电动机在额定运行状态下的转速下降，这是电子音响设备中直流电动机的常见故障。（二）、直流电动机的反转永磁式直流电动机：通常改变电枢绕组电流方向，来改变的运转方向。串励式直流电动机：改变励磁绕组或者电枢组接线方式来改变转向。思考题：若同时改变直流电动机励磁绕组和电枢绕组的电流方向，电动机的转向如何改变？将串励式电动机接上交流电源，情况如何？（三）、直流电动机的调速直流电动机的转速方程：从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压U、磁通和电枢绕组有关，可见直流电动机的调速方法有三种。1. 调压调速：，不受U的影响。调解U可以平滑的调解电动机转速，且机械特性硬度不受影响，如图所示 a）调压调速 b）调磁调速2. 调磁调速：。调解励磁电流改变磁通，从而改变转速，机械特性变软。 如上图所示3. 电枢串电阻调速：在电枢回路中串联变阻器，增大电枢绕组。调速范围小，机械特性变软，精度低。但简单易行，用于调速比在2:1以下的小功率直流电动机中使用。永磁式电动机采用调压或调电枢绕组的方式来调速。 项目4.5 交流伺服电动机 一、伺服电机伺服电动机有叫执行电动机，它把输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出。它具有一种服从控制信号要求而动作的职能。在信号到来之前，转子静止不动，信号到来之后，转子立即转动。当信号消失，转子能立即自动停转。 伺服电动机分直流和交流两大类。前者输出功率大，后者输出功率小。交流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的结构是在定子铁心内圆上均匀分布有槽，在定子槽中分别装有两个在空间相差90角的工作绕组、励磁绕组和控制绕组。从定子绕组看，交流伺服电动机实质上是一个两相异步电动机。转子结构形式主要有笼型转子和空心杯形转子。笼型转子交流伺服电动机的结构与普通笼型异步电动机相同。但是为了减小转子的转动惯量，需要做得细而长，导调采用高电导率的导电材料，如黄铜、青铜等。1、定子绕组 2、外定子铁心3、杯形转子空心杯形转子交流伺服电动机的结构，定子分为外定子和内定子两部分。外定子与笼型转子交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两组绕组。内定子由环型硅钢片叠压一个端盖上，一般不放绕组，只是代替笼型转子的铁心，作为磁路的一部分，减少磁路的磁阻。在内外定子中间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子做成杯子形状。杯形转子与转轴相连，它由非磁性导电材料铝或铜制成。杯壁极薄，一般只有0.20.8mm，因而转动惯量小，动作快速灵敏。交流伺服电动机的工作原理是在空间互隔90电角度的两相绕组上接上两个在时间上相差90电角度的电源，就会在空间产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电势和电流，转子电流与气隙磁场相互作用即产生电磁转矩，使转子旋转起来。二、自动控制电气调速系统随着科学技术和工业发展，在国民经济各个领域都广泛应用了自动控制技术。自动控制技术的应用，提高了产品质量和产量，提高了生产劳动率，降低了成本，改善了劳动条件，减轻了劳动强度。随着计算机技术的发展和应用，自动控制技术的应用范围越来越广泛，已扩展到生物、医学、环境和经济管理等现代社会生活领域中。自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程等）自动地按照预定的规律变化和运行。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论发展的初期是以反馈控制理论为基础的自动调节原理。随着工业生产和科学技术的发展，形成了以传递函数为基础的经典控制理论。它主要研究单输人一单输出、线性定常系统的分析和设计一问题。随着现代应用数学和计算机技术发展和应用，自动控制理论又进人了一个新的阶段现代控制理论，它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的较优控制问题。为了实现各种控制任务，将被控对象和控制装置按照一定方式连接，对被控对象的一个或多个物理量（如转速、位移、温度、电流、电压等）进行自动控制的整个系统称为自动控制系统。自动控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。电气调速系统的类型很多，但是为了获得良好的调速性能，日前在机床上使用较广的则主要是用各种电子器件或电机放大机控制的直流他励电动机调速系统。因此在本节中，我们将主要讨论其中比较典型的电动机调速系统1、直流发电机一电动机系统要充分发挥直流电动机在很大的范围内具有平滑、稳定的调速性能，以及良好的起动及制动性能的优点，有时会采用直流发电机一电动机系统，简称G- M系统：这种系统应用他励直流发电机作为他励直流电动机的电源。G-M系统由异步电动机M1、直流发电机G、直流电动机M及励磁机GI组成。由他励发电机发出的电动势供给直流电动机M作为电枢电源电压（U），并励发电机G1发出的恒定直流电压U1供给直流发电机G为励磁电压，同时供给接触器KM I和KM2作为控制电路电压，Ml拖动同轴联结的直流发电机G和励磁发电机G1转动。2、电机扩大机的自动调速系统电机扩大机实质上是两台直流发电机串接组合在一起而成。电机扩大机的输入部件是它的励磁绕组，即控制绕组，由于电机扩大机的电压放大倍数及功率放大倍数很大，故输入较小的控制信号，即可得到高电压、大功率的输出，是一个很好的放大器件。用电机扩大机作为放大器件的直流调速自动控制系统，在机械、冶金等工业部门均得到十分广泛的应用。前述直流电机的控制电路均属于继电器一接触器控制的断续控制系统，即开环控制系统。采用电机扩大机（以及磁放大器、晶闸管等）为放大器件的调速系统，通常是带有反馈的连续控制系统，即闭环控制系统。连续控制系统的特点是，随时可将输出量反馈到输人端，将系统的输出误差减小到较低限度。这样就具有断续控制（开环控制）系统所达不到的一些优点，如调速范围大而且稳定，静差率小，动态特性好即起动、制动、反向的过渡过程短暂），工作可靠，电机的容量能得到充分的利用等。开环系统框图开环控制系统：例如直流发电机一电动机调速系统中，励磁机给发电机励磁绕组供电，而发电机发出的电给电动机提供电源，再由电动机带动生产机械运转。这时，发电机励磁绕组的输入电流为输入量，直流电动机的转速（转矩）就是输出量。控制输入量的大小，即可达到控制输出量的目的，而输出量与输入量之间没有任何联系。这样的系统称为开环系统。开环系统的框图如图如图6-25所示。闭环控制系统：开环控制系统在实际工作中往往是不能满足生产和机械的工艺要求的。这是因为在加工过程中，负载转矩在不断地变化，从而引起电动机转速的变化。如要减小这种变化，只有根据负载变化的情况随时改变发电机励磁。而上述开环控制系统中，发电机的励磁（即输人量）是不随负载（即输出量）而变的。如果能够设法将负载变化所产生的电动机转速变化的情况，反映到输入端，并进行适当的调整，能达到这种目的的系统就称为闭环系统。这样的系统，其输出量对输入量有直接影响。要实现根据输出量变化来调整输人量的目的，其方法虽然也可以是人工的，但人工的调整，在实际过程中往往是行不通的。因为在加工过程中，负载的变化往往是很快的，产生的时间是随机的，所以人工的反应是无法适应的。因而实际上都是采用自动控制的手段组成闭环控制系统来达到电动机转速自动调节的目的，闭环系统的框图如图6所示。闭环系统框图这里仍假定被调对象为直流电动机，执行机构为发电机，调节放大机构为电机扩大机。系统的给定装置即为主令机构。测量机构可以是测速发电机。当系统中各元件（机构）按照一定的顺序，一个作用于下一个，周而复始，循环不已，这样就形成一个按偏差进行调节的闭环自动控制系统，其特征为输出量直接影响到输入量。由电机扩大机为调节放大元件的闭环自动调速系统，目前仍大量应用于功率较大、性能要求较高的电力拖动中。这种自动调速系统具有较硬的机械特性；可缩短起动、反向、调速和制动的过渡过程时间；可扩大调速范围；有较小的静差率和很好的稳定性，因而应用较广泛。视直流电动机的容量不同，电机扩大机在自动调速系统中可以有两种供电工作方式。当电动机的容量较小时，电机扩大机可直接给电动机供电；当电动机容量较大时，电机扩大机可作为直流发电机的励磁机，再由发电机给直流电动机供电。前者的实际应用如Y7520K螺纹磨床等的电气控制中，后者多用于B2012A等龙门刨床的电气控制中。当然，电机扩大机在作发电机工作时，也可对直流电动机的励磁进行控制，实现调磁调速。这在大型龙门刨床的电气控制中，应用两台电机扩大机，一台对电动机作调压调速（通过直流发电机中间环节）；另一台对电动机作调磁调速。电机扩大机在自动控制系统中也可作电动机用。鉴定考核试题：一、单项选择题1三相旋转磁场产生的条件之一是，三相绕组要对称分布，它们之间的电角度互差是（ ）。A180 B120 C100 D602一台三相4极24槽的异步电动机的定子若用单层绕组，每极每相槽数为（ ）。A1 B.2 C.3 D.63一台36槽6极的三相异步电动机的定子若用单层绕组，其展开形式较好用（ ）。A.同心式 B.交叉式 C.链式 D.等元件式 4.交流焊机的动铁芯的制动螺钉或弹簧过松会出现( )。A.焊接电流忽大忽小 B.焊接电流过小C.焊接时有嗡嗡声 D.焊接电流过大5.一台24槽的三相电动机,旋转磁场的磁极对数是2,则极距是( )槽。A4 B.6 C.8 D.56.三相异步电动机定子绕阻若节距Y等于极距,则称为( )节矩绕组。A全 B.短 C.长 D.中7.三相异步电动机正常运行时,若转子突然卡住而不能转动,这时电动机的电流将会( )。A.大大增加 B.明显下降 C.不变 D.无规律8.接法的三相笼型异步电动机，若误接成Y型，那么在额定负载转矩下运行时，其铜耗和温升将会（ ）。A.减少 B.增大 C.不变 D.无规律9.某三相异步电动机的额定电压为380V，其交流耐压试验电压应为（ ）V。A.380 B.500 C.1000 D.176010.多速异步电动机的变速原理时（ ）调速。A.变频 B.变极 C.变压 D.变转差率11.双速异步电动机的低速为连接，1500转/分，若要使电动机变为高速3000转/分运行，应接成（ ）连接。A.Y B.YY C. D.Y-12三速异步电动机低速中速高速的连接法是（ ）。A.-Y-YY B.Y-YY C.YY-Y D.YY-Y-13.当同步电动机在额定电压下带额定负载运行时，调节励磁电流的大小可以改变（ ）。A.同步电动机的转速 B.输入电动机的有功功率C.定子电路的功率因数 D.输出功率14.当同步发电机的转速不变，励磁电流等于常数和负载功率因数等于常数的情况下，改变负载电流的大小，其端电压随负载电流变化的曲线，称之为同步发电机的（ ）。A.外特性曲线 B.调节特性曲线 C.负载特性曲线15目前世界上各发电厂发出的三相正弦交流电，都是由（ ）发电机发出的。A.三相同步 B.三相感应 C.直流 D.同步16.同步发电机发出的是三相交流电，它的励磁电流是（ ）电。A.单相交流电 B.直流电 C.三相交流电 D.随意 17.旋转磁极式同步电动机的基本结构是（ ）。A. 磁极装在转子上，三相绕组装在定子上B. 三相绕组装在转子上，磁极装在定子上C. 磁极和三相绕组都装在定子上D. 磁极和三相绕组都装在转子上18.直流电动机的转向铜片与电刷配合，可以实现电刷