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第七章电动机 7 2直流电动机7 2 1概述7 2 2工作原理7 2 3电枢电动势及电压平衡关系7 2 4电磁转矩7 2 5机械特性7 2 6直流电动机的调速7 2 7直流电动机的使用和额定值 7 3单相异步电动机 7 4步进电机 7 2 1概述 与异步电动机相比 直流电动机的结构复杂 使用和维护不如异步机方便 而且要使用直流电源 7 2 2工作原理 一 工作原理 电刷 换向片 注意 换向片和电源固定联接 线圈无论怎样转动 总是上半边的电流向里 下半边的电流向外 电刷压在换向片上 由左手定则 通电线圈在磁场的作用下 使线圈逆时针旋转 由右手定则 线圈在磁场中旋转 将在线圈中产生感应电动势 感应电动势的方向与电流的方向相反 直流发电机 用右手定则判感应电动势Ea的方向 电枢绕组电阻Ra 感应电动势 输出电压 二 直流电机的构成 直流电机由定子 转子和机座等部分构成 机座 磁极 励磁绕组 转子 励磁式直流电动机结构 1 转子 又称电枢 由铁芯 绕组 线圈 换向器组成 2 定子 定子的分类 励磁的定义 磁极上的线圈通以直流电产生磁通 称为励磁 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系 励磁式的直流电机又可细分为 他励电动机 励磁线圈与转子电枢的电源分开 并励电动机 励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并 接在同一电源上 7 2 3电枢电动势及电压平衡关系 电枢通入电流后 产生电磁转矩 使电机在磁场中转动起来 通电线圈在磁场中转动 又会在线圈中产生感应电动势 用E表示 一 电枢中的感应电动势 根据右手定则知 E和原通入的电流方向相反 其大小为 单位 韦伯 n 转 每分 E 伏 二 电枢绕组中电压的平衡关系 因为E与通入的电流方向相反 所以叫反电势 U 外加电压Ra 绕组电阻 7 2 4电磁转矩 一 电磁转矩 单位 韦伯 Ia 安培 T 牛顿 米 由转矩公式可知 1 产生转矩的条件 必须有励磁磁通和电枢电流 2 改变电机旋转的方向 改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向 二 转矩平衡关系 电磁转矩T为驱动转矩 在电机运行时 必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡 即 转矩平衡过程 当负载转矩 TL 发生变化时 通过电机转速 电动势 电枢电流的变化 电磁转矩自动调整 以实现新的平衡 例 设外加电枢电压U一定 T TL T0 平衡 这时 若TL突然增加 则调整过程为 与原平衡点相比 新的平衡点 Ia P入 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系 下边以他励和串励电机为例说明 他励电动机和并励电动机的特性一样 7 2 5机械特性 一 他励电动机的机械特性 n0 理想空载转速 即T 0时的转速 实际工作时 由于有空载损耗 电机的T不会为0 当T 时n 但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小 所以在负载变化时 转速n的变化不大 属硬机械特性 根据n T公式画出特性曲线 串励的特点 励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同 二 串励电动机的机械特性 设磁通和电流成正比 即 K Ia 则 据此公式做出T n曲线 1 T 0时 在理想情况下 n 但实际上负载转矩不会为0 不会工作在T 0的状态 但空载时T很小 n很高 串励不允许空载运行 以防转速过高 串励特性 2 随转矩的增大 n下降得很快 这种特性属软机械特性 2 恒功率负载 P一定时 T和n成反比 要选软特性电机拖动 如 电气机车等 直流电动机特性类型的选择 1 恒转矩的生产机械 TL一定 和转速无关 要选硬特性的电动机 如 金属加工 起重机械等 7 2 6直流电动机的调速 与异步电动机相比 直流电动机结构复杂 价格高 维护不方便 但它的最大优点是调速性能好 下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法 1 调速均匀平滑 可以无级调速 2 调速范围大 调速比可达200 他励式 以上 调速比等于最大转速和最小转速之比 直流电动机调速的主要优点是 由该式可知 n和 有关 在U一定的情况下 改变 可改变n 在励磁回路中串上电阻Rf 改变Rf大小调节励磁电流 从而改变 的大小 一 改变磁通 调磁 1 原理 其中 K If Rf If n 但在额定情况下 已接近饱和 If再加大 对 影响不大 所以这种增加磁通的办法一般不用 Rf If n 减弱磁通是常用的调速方法 If的调节有两种情况 概念 改变磁通调速的方法 减小磁通 n只能上调 2 特性的变化 调速过程 U一定 则 暂时T TL 1 调速平滑 可做到无级调速 但只能向上调 受机械本身强度所限 n不能太高 2 调的是励磁电流 该电流比电枢电流小得多 调节控制方便 3 减小 调速的特点 二 改变电枢电压调速 由转速特性方程知 调电枢电压U n0变化 斜率不变 所以调速特性是一组平行曲线 1 特性曲线 2 改变电枢电压调速的特点 1 工作时电枢电压一定 电压调节时 不允许超过UN 而n U 所以调速只能向下调 2 可得到平滑 无级调速 3 调速幅度较大 Uf 110V固定 U 0 110V可调 改变电枢电压调速方案举例 例 已知他励电动机的PN 2 2KW UN 220V IaN 12 4ARa 0 5 nN 1500r min 求 1 TL 0 5TN时 n 2 0 8 N时 n 解 1 TL 0 5TN时 2 0 8 N时 这种调速方法耗能较大 只用于小型直流机 串励电机也可用类似的方法调速 三 改变转子电阻调速 在电枢中串入电阻 使 n n0不变 即电机的特性曲线变陡 斜率变大 在相同力矩下 n 7 2 7直流电动机的使用和额定值 限制Iast的措施 1 启动时在电枢回路串电阻 2 启动时降低电枢电压 一 使用 1 启动 启动时 n 0 Ea 0 若加入额定电压 则 Iast太大会使换向器产生严重的火花 烧坏换向器 一般Iast限制在 2 2 5 IaN内 1 若电动机原本静止 由于励磁转矩T KT Ia 而 0 电机将不能启动 因此 反电动势为零 电枢电流会很大 电枢绕组有被烧毁的危险 2 如果电动机在有载运行时磁路突然断开 则E Ia T和 可能不满足TL的要求 电动机必将减速或停转 使Ia更大 也很危险 措施 他励直流电动机一定要有失磁保护 一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器 当失压或欠流时 自动切断电枢电源U 2 反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定 1 反接制动 3 制动 制动的所采用的方法 反接制动 能耗制动 发电回馈制动 电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大 2 能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻 特殊情况下 例如汽车下坡时 吊车重物下降时 在重力的作用下n n0 n0理想空载转速 这时电动机变成发电机 电磁转矩成为阻转矩 从而限制电机转速过分升高 3 发电回馈制动 直流电机有四个出线端 电枢绕组 励磁绕组各两个 可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别 4 连接 1 绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1 2欧姆 他励 并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当 2 绕组的符号 二 额定值 1 额定功率PN 电机轴上输出的机械功率 2 额定电压UN 额定工作情况下的电枢上加的直流电压 例 110V 220V 440V 3 额定电流IN 额定电压下 轴上输出额定功率时的电流 并励应包括励磁电流和电枢电流 三者关系 PN UNIN 效率 注意 调速时对于没有调速要求的电机 最大转速不能超过1 2nN 4 额定转速nN 在PN UN IN时的转速 直流电机的转速等级一般在500r min以上 特殊的直流电机转速可以做到很低 如 每分钟几转 或很高 每分钟3000转以上 7 3单相异步电动机 一 单相异步电动机的工作原理 结构 定子放单相绕组 其中通220V单相交流电 转子一般用鼠笼式 N S 当定子绕组产生的合成磁场增加时 根据右手螺旋定则和左手定则 可知转子导条左 右受力大小相等方向相反 所以没有起动转矩 在电流正半周 转子借助其它力量转动后 外力去除后仍按原方向继续转动 其原理分析如下 定子绕组产生的脉动磁场 可用正 反两个旋转磁场合成而等效 即 脉动磁场的分解 正反向旋转磁场的合成转矩特性 合成转矩 正向 反向 电容分相式起动 二 单相异步电动机的起动 接近90 电容分相式单相异步电动机起动原理 t t0 磁场逆时针方向旋转 t t0 t t1 启动时开关K闭合 使两绕组电流相位差约为90 从而产生旋转磁场 电机转起来 转动正常以后离心开关被甩开 启动绕组被切断 而电机仍按原方向继续转动 工作原理 罩极式单相电机 定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 图中电机的转动方向 顺时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先 单相异步电动机的功率小 主要制成小型电机 它的应用非常广泛 如家用电器 洗衣机 电冰箱 电风扇 电动工具 如手电钻 医用器械 自动化仪表等 三 单相电机的使用 三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中 若其中一相和电源断开 则变成单相运行 此时和单相电机一样 电机仍会按原来方向运转 但若负载不变 三相供电变为单相供电 电流将变大 导致电机过热 使用中要特别注意这种现象 三相异步电动机若在启动前有一相断电 和单相电机一样将不能启动 此时只能听到嗡嗡声 长时间启动不了 也会过热 必须赶快排除故障 第7章控制电机 概述 7 4步进电动机7 4 1结构7 4 2工作方式7 4 3小步距角的步进电动机 7 5伺服电动机7 5 1交流伺服电动机7 5 2直流伺服电动机 前面介绍的异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用的 其主要任务是能量转换 例如将电能转换为机械能 本章介绍控制电机 概述 控制电机的种类很多 本章主要介绍步进机 伺服机 对控制电机的主要要求 动作灵敏 准确 重量轻 体积小 运行可靠 耗电少等 7 4步进电动机 机理 步进电机是利用电磁铁原理 将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机 每来一个电脉冲 电机转动一个角度 带动机械移动一小段距离 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 改变方向 种类 有励磁式和反应式两种 两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 应用 步进机的应用非常广泛 如 在数控机床 自动绘图仪等设备中都得到应用 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 7 4 1结构 步进机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 其上分别有六个 四个磁极 定子 转子 定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组 两个相对的磁极组成一相 注意 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 IA IB IC 7 4 2工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 一 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 3 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 同理 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 二 三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A共六拍 工作过程 A相通电 转子1 3齿和A相对齐 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上 相对AA 通电 转子转了15 1 BB 磁场对2 4齿有磁拉力 该拉力使转子顺时针方向转动 A B相同时通电 2 AA 磁场继续对1 3齿有拉力 总之 每个循环周期 有六种通电状态 所以称为三相六拍 步距角为15 B相通电 转子2 4齿和B相对齐 又转了15 三 三相双三拍 三相绕组的通电顺序为 AB BC CA AB共三拍 工作方式为三相双三拍时 每通入一个电脉冲 转子也是转30 即 S 30 7 4 3小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1 5度 步距角越小 机加工的精度越高 为产生小步距角 定 转子都做成多齿的 图中转子40个齿 定子仍是6个磁极 但每个磁极上也有五个齿 转子的齿距等于360 40 9 齿宽 齿槽各4 5 为使转 定子的齿对齐 定子磁极上的小齿 齿宽和齿槽和转子相同 工作原理 假设是单三拍通电工作方式 1 A相通电时 定子A相的五个小齿和转子对齐 此时 B相和A相空间差120 含120 9 齿A相和C相差240 含240 9 个齿 所以 A相的转子 定子的五个小齿对齐时 B相 C相不能对齐 B相的转子 定子相差1 3个齿 3 C相的转子 定子相差2 3个齿 6 若工作方式改为三相六拍 则每通一个电脉冲 转子只转1 5 异步机的转动方向仍由相序决定 同理 C相通电再转3 2 A相断电 B相通电后 转子只需转过1 3个齿 3 使B相转子 定子对齐 步进机通过一个电脉冲 转子转过的角度 称为步距角 7 5伺服电动机 伺服电动机的作用是驱动控制对象 被控对象的转距和转速受信号电压控制 信号电压的大小和极性改变时 电动机的转动速度和方向也跟着变化 伺服电动机的作用 7 5 1交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同 定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组 励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场 接线 励磁绕组的接线 适当选择电容的大小 可使通入两个绕组的电流相位差接近90 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子便转动起来 例 选择电容 可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示 工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90 因此便产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 转子转动起来 控制电压与电源电压两者频率相同 相位相同或反相 1 U2 0时 转子停止 这时 虽然U2 0V U1仍存在 似乎成单相