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电机及拖动基础知识 直流电机 交流电机 控制电机 直流电机 一 直流电机工作原理 知识点 2 对于发电机 换向器的作用是把电枢绕组中感应的交变电动势变为直流电动势向外部输出直流电压 对于电动机 是把外界供给的直流电流变为绕组中的交变电流以使电机旋转 3 直流电机常做成电枢旋转形式 1 如果想要得到直流电动势 那么必须把线圈感应的交变电动势进行整流 实现整流的装置称之为换向器 二 直流电机的主要结构 主磁极 换向极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 通常用0 5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压 电枢绕组 采用单叠绕组 并联支路数2a 2p 和单波绕组 并联支路数2a 2 换向器 转轴 三 直流电机的换向1 换向概述元件从开始换向到换向终了所经历的时间 称为换向周期 换向周期通常只有千分之几秒 直流电机在运行中 电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程 换向问题很复杂 换向不良会在电刷与换向片之间产生火花 当火花大到一定程度 可能损坏电刷和换向器表面 使电机不能正常工作 产生火花的原因很多 除了电磁原因外 还有机械的原因 此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象 2 改善换向的方法 1 选择合适的电刷 增加换向片与电刷之间的接触电阻 2 装设换向磁极 位于几何中性线处装换向磁极 换向绕组与电枢绕组串联 在直流电动机中 换向极极性应与换向元件边刚离开的主极极性相同 在直流发电机中 换向极极性应与换向元件边要进入的主极极性相同 换向极绕组连接与极性 四 直流电机的特性 1 直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式 分为他励和自励两大类 自励方式又分并励 串励和复励三种方式 2 直流发电机的外特性电势平衡方程式 他励发电机的外特性 他励直流发电机 并励直流发电机 外特性曲线如图所示 定义 当n nN If IfN时U f I 由曲线可见 负载电流增大时 端电压有所下降 端电压下降有两个原因 一是在励磁电流一定情况下 负载电流增大 电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少 使电动势减少 另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加 使端电压下降 并励发电机的外特性 对并励发电机 除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外 还有第三个原因 由于上述两个原因使端电压下降 引起励磁电流减小 端电压进一步下降 3 直流电动机的机械特性 据电动机的方程U Ea IaRa 机械特性的表达式 称为理想空载转速 n Tem n0 1 他励 并励 直流电动机固有机械特性 电枢电阻很小 特性曲线斜率很小 所以机械特性为 硬特性 串励电动机机械特性为 软特性 他励 串励 2 人为机械特性 电枢串电阻时的人为特性 降低电枢电压时的人为特性 减弱励磁磁通时的人为特性 n Tem Ra U R n0 TL A B C D 三种调速方法 五 熟记以下公式1 直流电机的电枢电动势 大小 2 直流电机的电磁转矩 大小 3 过载倍数 六 直流电动机的电气制动 电气制动方法 能耗制动 反接制动 电源反接 倒拉反转反接 回馈制动 能耗制动特点 操作简单 但随着转速下降 电动势减小 制动电流和制动转矩也随着减小 制动效果变差 反接制动特点 从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上 回馈制动时由于有功功率回馈到电网 因此与能耗和反接制动相比 回馈制动是比较经济的 U1 U2 V2 W1 V1 W2 N S 2极异步电动机原理结构图 旋转磁场产生 三相对称绕组中通入对称三相电流三相异步电动机按转子结构分为鼠笼式 绕线式 交流电机 1 三相异步电动机n n1 n n1 U1 U2 V2 W1 V1 W2 N S 2极同步发电机原理结构图 2 同步发电机n n1 n 同步发电机按结构形式分为旋转电枢式和旋转磁极式 后者应用较广 旋转磁极式按磁极形状分为隐极式和凸极式 按原动机类别分为汽轮发电机 采用隐极式 和水轮发电机 凸极式 3 三相异步电动机的调速 异步电动机有三种基本调速方法 1 改变定子极对数P 2 改变电源频率f 3 改变转差率S调速 包括转子串接电阻调速 定子调压调速和串极调速 变频调速 1 变频调速中的变频器必须同时改变电源的电压和频率 才能满足要求 2 变频电源接在市电电源与交流电机之间 3 优点是转速能平滑调节 调速范围广 效率高 缺点是调速系统复杂 成本高 串极调速 1 串极调速是在转子回路中串接一个与转子电势同频率的附加电动势 通过改变附加电动势幅值大小和相位调速 2 串极调速完全克服了转子串电阻调速的缺点 它具有高效率 无级平滑调速 较硬的低速机械特性 控制电机 伺服电动机又称为执行电动机 在自动控制系统中作为执行元件 它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出 改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向 故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压 1 伺服电动机 伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类 直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机 通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向 这种方式叫电枢控制 若把控制信号加到励磁绕组上进行控制 这种方式叫磁场控制 磁场控制有严重的缺点 使用的场合很少 直流伺服电动机原理图 交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机 所以有时也叫两相伺服电动机 电机定子上有两相绕组 一相叫励磁绕组 接到交流励磁电源上 另一相为控制绕组交流伺服电动机的定子与异步电动机类似 在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组 而转子主要有两种结构形式 1 笼型转子这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样 但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造 如青铜 黄铜 另外 为了提高交流伺服电动机的快速响应性能 宜把笼型转子做成又细又长 以减小转子的转动惯量 2 非磁性空心杯转子如图所示 非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子 外定子和内定子 外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组 而内定子一般不放绕组 仅作磁路的一部分 空心杯转子位于内外绕组之间 通常用非磁性材料 如铜 铝或铝合金 制成 图7 6非磁性空心杯转子结构图1 空心杯转子 2 外定子 3 内定子 4 机壳 5 端盖 测速发电机是一种测量转速的微型发电机 它把输入的机械转速变换为电压信号输出 并要求输出的电压信号与转速成正比 即U Cn测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类 2 测速发电机 1 直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机 按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式如图 直流测速发电机工作原理 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机同步测速发电机的输出频率和电压幅值随转速 很少用于控制系统 异步测速发电机输出电压频率与速度无关 输出电压与速度成正比 控制系统中广泛应用 2 交流测速发电机 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似 其转子结构有笼型的 也有杯型的 在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机 3 步进电动机步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机 其运行特点 每输入一个电脉冲 步进电机就前进一步 其角位移与脉冲数成正比 电机转速与脉冲频率成正比 而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关 根据励磁方式的不同 步进电动机分为反应式 永磁式和感应子式 又叫混合式 而反应式步进电动机应用较多步进电动机的结构由转子和定子组成 转子通常用硅钢片叠成凸极形式 转子上没有绕组 定子嵌有多相星形连接的控制绕组 由专用脉冲电源供电 步进电动机控制过程中 定子绕组每改变一次通电方式 成为一拍 控制方式分为 三相单三拍 A B C A 三相单 双六拍 A AB B BC C CA A 三相双三拍 AB BC CA AB 步进电动机的步距角可通过下式计算 m为步进电机相数 C为通电状态系数 单拍或三拍取C 1 单双拍混合取C 2 Zr为转子齿数步进电动机的转速可通过下式计算 练习题 1 直流电机的电枢绕组若是单叠绕组 则其并联支路数等于 主磁极数 2 发电机的基本工作原理是 电磁感应 3 空心杯电枢直流伺服电动机有4 水轮发电机的定子结构与三相异步电动机的定子结构基本相同 但其转子一般采用 凸极 式 一个外定子和 1 个内定子5 滑差电动机的转差离合器电枢是由 三相鼠笼式异步电动机 拖动的 6 无刷直流电动机与一般直流电动机最大的优点区别是 无滑动接触和换向火花 可靠性高以及无噪声 7 异步电动机的极数越少 则转速越高 输出转矩 越小 8 直流电动机回馈制动时 电动机处于 发电 状态 9 并励发电机输出电压随负载电流增强而降低的原因有 3 个方面 10 在直流电机中 为了改善换向 需要装置换向极 其换向极绕组应与 电枢串联 11 国产小功率三相鼠笼式异步电动机的转子导体结构采用最广泛的是 铸铝 转子 12 同步电机的结构形式有 2 种452 三相异步电动机启动瞬间 启动电流很大 启动转矩 不很大 13 电动机采用电磁抱闸和电磁离合器进行制动的原理是 电流的磁效应