第5章_特种电机

第5章特种电机 5 1伺服电机5 2测速发电机5 3步进电机5 4直线电动机与磁悬浮装置 5 1伺服电机5 1 1直流伺服电机 电枢控制方式的直流伺服电机如上左图 励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上 电枢绕组接控制电压 用以控制电机的转速和转向 式中令为常数 T为变量 表示机械特性 是向下倾斜的直线 如图a 令T为常数 为变量 是调节特性 如图b 是向上的直线 表明调节特性的线性度好 a b 5 1 2交流伺服电机 1 交流伺服电机是两相异步电动机 定子上嵌放着在空间相距90 的两相绕组f和c 励磁绕组f接恒定电压 控制绕组c接输入控制电压 如上左图 机械特性如第二幅图 转子电阻较小时机械特性如曲线1 转子电阻大 时机械特性如曲线2 运行的交流伺服电机 当为零时就成为单相异步电动机 转子电阻较小时机械特性如图a 有自转现象 时机械特性如图b 不会自转 a b 5 1 2交流伺服电机 2 对交流伺服电机转速控制的方法有三种 幅值控制 相位控制和幅值 相位控制 保持控制电压和励磁电压之间的相位差为90 仅仅改变控制电压的幅值来改变转速的控制方式称为幅值控制 如上左图 保持控制电压的幅值不变 通过改变控制电压与励磁电压的相位差来改变转速的控制方式 称为相位控制 如上中图 励磁绕组串电容器接电源 控制绕组通过电位器接同一电源 调节电位器来控制转速的方式 称为幅值 相位控制 如上右图 5 1 2交流伺服电机 3 三种控制方式的机械特性和调节特性基本上相似 为便于比较 参数都采用标么值 幅值控制的机械特性 即a一定时 如右上图 机械特性随a的减少向小转矩 低转速方向移动 幅值控制的调节特性 即T 一定时曲线 如右下图 调节特性是非线性的 只有在相对转速n 和信号系数a都较小时 调节特性才近似为直线 5 2测速发电机5 2 1直流测速发电机 测速发电机能把转速转换成与之成正比的电压信号 直流测速发电机就是微型直流发电机 原理图如右上图 当电枢回路电阻为 发电机接负载电阻时 输出电压为也就是式中为常数 输出特性为直线 如右下图直线2所示 直线1为空载时的输出特性 电枢反应的去磁作用使输出特性微微向下弯曲 如曲线3 5 2 2交流异步测速发电机 1 右上图空心杯转子测速发电机结构示意图中 1 端盖2 定子绕组3 杯形转子4 外定子5 内定子6 机壳7 轴 当转子不动 外定子励磁绕组接电源时会产生d轴方向的磁通 与q轴方向的内定子输出绕组不交链 输出电压为零 当转子以转速n旋转时 切割而产生切割电动势 其方向如右下图所示 在短路的转子中产生的电流与同方向 产生的磁动势作用在q轴上 交链着q轴上的输出绕组 在输出绕组中产生感应电动势 空载时输出电压 5 2 2交流异步测速发电机 2 交流异步测速发电机的输出特性是指输出电压随转子转速n的变化规律 即 当忽略励磁绕组的漏阻抗时 只要电源电压恒定 则为常数 输出绕组的感应电动势及空载输出电压都与n成正比 理想空载输出特性为直线 如图中的直线1所示 测速发电机实际运行时 由于电枢所应的去磁作用 使输出电压降低 输出特性如曲线2 当输出绕组接上负载阻抗时 会产生漏阻抗压降 使输出电压进一步降低 输出特性如曲线3 5 2 3交流同步测速发电机 同步测速发电机的转子为永磁式 定子上嵌放着单相输出绕组 当转子以转速n旋转时 输出绕组产生单相的交变电动势 其有效值为式中为常数 输出电压与转速成正比 交变电动势的频率也与转速成正比 带负载时 使负载的阻抗会随频率而变 也就会随转速而变 不会是一个定值 实际使用中 可用整流器将同步测速发电机输出的交流电压整流为直流电压输出 会使输出特性有较好的线性度 5 3步进电机5 3 1反应式步进电机工作原理 1 上图是三相反应式步进电机的结构图 其定子和转子均做成凸极结构 定子磁极上套有控制绕组 转子上没有绕组 只有4个齿 当只有U相绕组通电时 反应转矩使转子齿1和3分别与定子磁极U和U 对齐 如图a 这时V相绕组轴线领先转子齿2和4的轴线1 3齿距 当只有V相绕组通电时 反应转矩使转子转过1 3齿距 如图b 当只有W相绕组通电时 转子再转过1 3齿距 如图C 每输入一个脉冲 电动机就转过一步 a b c d 5 3 1反应式步进电机工作原理 2 通电顺序为的方式称为三相单三拍运行方式 三相 是指定子绕组是三相绕组 定子绕组每改变一次通电方式称为 一拍 每改变三次通电方式完成一次通电循环 转子转过一个齿 称为 三拍 单 是指每拍只有一相绕组通电 是三相双三拍运行方式 是单双六拍运行方式 当定子相数为m时 若单拍或双拍运行 则拍数N m 若单双拍运行 则N 2m 当转子齿数为时 步距角为来个脉冲 转子转一周 所以当控制绕组输入的脉冲频率为f时 步进电机的转速为 5 3 2反应式步进电机的运行状态及运行特性 转子偏离初始平衡位置的角度称为失调角 静态转矩T随失调角变化规律称为矩角特性 为零时 定 转子齿对齐 不产生电磁转矩 T为零 当时 T最大 在0 至90 范围内 T与的正弦成正比 如上左图 即 当顺时针偏离为正时 T沿逆时针方向为负 T与反向 把区间称为静态稳定区 称为动态稳定区 如上右图 5 4直线电动机与磁悬浮装置5 4 1直线异步电动机 1 设想将一台笼型异步电动机沿径向剖开 如图a所示 再用一轴向平面沿着半径方向将定子和转子再剖开 然后把定子和转子拉直 便成为一台直线异步电动机 如图b所示 将图b中的转子 滑子 用钢板代替 定子绕组用磁极来表示 就如图c所示 将钢板卷成钢棒 定子磁极围绕钢棒卷成圆筒形 就形成如图d所示的圆筒形直线异步电动机 a b c d 5 4 1直线异步电动机 2 直线异步电动机在运行时 定 滑子之间有相对的直线运动 这样定子或滑子二者之一必须延长 才能使直线异步电动机连续地作直线运动 滑子延长者称为短定子直线异步电动机 定子延长者称为短滑子直线异步电动机 分别如上图中a和b所示 仅在滑子的一边安装定子的 称为单边型直线异步电动机 如上左图所示 在滑子的对应两边都安装定子的 称为双边型直线异步电动机 如上右图所示 a b a b 5 4 1直线异步电动机 3 图a中 当笼型异步电动机定子三相绕组通入三相交流电流时 会产生正弦分布的转速为的旋转磁场 旋转磁场切割转子导体会产生转子电流 旋转磁场对转子电流的作用就产生电磁转矩 带动转子及负载以转速n旋转 图b的直线异步电动机 定子三相绕组按直线作有序排列 通入三相交流电流时产生正弦分布的速度为的直线运动磁场 与其切割转子 滑子 时产生的电流相互作用 产生直线电磁力 推动滑子及负载沿磁场运动方向以速度作直线运动 a b 5 4 1直线异步电动机 4 同步转速为 磁场运动的线速度为表明同步速度与极距 成正比 而与极对数无关 滑差率s为则忽略机械损耗 输出功率等于机械功率 也就等于作用力F与速度的乘积 则推力F为经过转换可以得到推力与滑差率s之间的关系 称为推力 滑差率特性曲线 如图所示 曲线1及2分别为高速及低速直线异步电动机的推力 滑差率特性曲线 5 4 2直线同步电动机 直线同步电动机的定子绕组是直线放置的三相绕组 转子装有励磁绕组 当定子三相绕组接三相交流电源和转子励绕组接直流电源时 三相定子绕组电流产生的直线运动磁场与转子励磁绕组电流产生的直流磁场相互作用 带动转子及负载作直线运动 其运动速度就等于定子磁场的运动速度 即同步速度 如果定子磁场是水平方向的直线运动磁场 则直线同步电动机不仅能产生水平方向的电磁力 同时还能产生垂直方向的电磁力 企图克服重力作用 将转子及重物悬浮起来 这就是磁悬浮力 5 4 3直线电动机的应用 浮法玻璃生产中利用直线异步电动机做成的电磁搅拌机 其工作原理如图所示 锡槽3中盛放着熔融锡液4 在锡液上盛放着玻璃液2 直线异步电动机的定子1置于锡液和玻璃液的上方 锡液就是直线异步电动机的滑子 当直线异步电动机的定子绕组接三相交流电源产生直线运动磁场时 锡液受到电磁力的作用 会沿着磁场方向运动 起到了搅拌锡液的效果 图5 27电动机在锡槽工作的示意图1 直线电动机2 玻璃液3 锡槽4 锡液 5 4 4磁悬浮装置 1 如果作用在重物上的电磁力 其方向与重物重力方向相反 其大小大到足以克服重物重力作用时 重物将在电磁力的作用下在空中悬浮起来 这种现象称为磁悬浮 称电磁力为磁悬浮力 设想有三根长度为l的平行导体1 2 3 它们两端也用导体连接起来 形成如图所示的机械构件 永磁铁N以速度在导体2上方扫过时 会在导体中产生电流 方向如图所示 磁极N对导体2的作用力方向向右 导体1和3中的电流方向与导体2的相反 大小只有导体2的一半 而且所在处的磁通密度也小于导体2的 所以 合力 方向向右 力图牵引构件跟随磁极N运动 5 4 4磁悬浮装置 2 导体构件及运动磁极组成一个电阻电感电路 如上左图a电路的电压方程式为电流为电流曲线如上左图b 当t 0磁极N从导体2上扫过产生电动势E时 电流要延迟才能达到最大值 若磁极以很低的速度运行 在时的位移量是很小的 磁极仍在导体2上方 磁极和导体电流产生的磁场如上右图a 磁极N受力情况如上右图b a b a b 由低速运动磁极受力图可知 和大小相等 将它们分解出垂直方向和水平方向的分力 垂直方向合力为零 没有磁浮力 若磁极N以很高的速度从导体2上扫过 经过后 N极可能移动到导体2和3的正上方 磁极和导体电流产生的磁场如图a所示 磁极受力情况如图b所示 由图中看出 水平分力为 合力沿垂直方向的分力为 是向上的 由此可知 在导体上高速运动的磁极受到垂直向上的电磁力的作用 当其足够大时就可将磁极N悬浮起来成为磁浮力 5 4 4磁悬浮装置 3 a b 5 4 4磁悬浮装置 4 当直线同步电动机的定子