第四章 电机与控制电路

1、机械能电能发电机电动机0.5mm机座：机座： 铸铁或钢板焊接铸铁或钢板焊接 支撑铁心和固定电机支撑铁心和固定电机装有三相绕组的定子定子绕组定子绕组。通常。通常联结联结电机容量电机容量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4 接线盒接线盒W2U2V2U1V1W1鼠笼式鼠笼式0.5mm的硅钢片叠压笼型转子笼型转子(1)笼型转子笼型转子 铁芯槽内放铜条，端铁芯槽内放铜条，端 部用短路环连成一体，部用短路环连成一体， 或或用用铸铝形成转子绕组。铸铝形成转子绕组。(2) 绕线式转子绕线式转子三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相

2、连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。图 4.7 绕线式转子绕组与外接变阻器的连接wiU1W2W1ZV1V2uiviiWiUiVitmIoWiViUii tU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2NS0 t 60t 0n60 90t 600mIoSNSN分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：即：CYABCXYZAXBZAiBiCiX A AXBYB Y CC ZZ 1160 (/nf转 分 ）工频：工频：Hz501 f13000 (/n 转 分 ）p=1时时p=2时时116

3、01500 (/2fn 转 分）1160 (/)fnp转 分旋转磁场转速旋转磁场转速 与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。AXYCBZ1160 (/fnp转 分）FnF1nNS1nn如果如果:1nn11100%nnsn问题：问题：。 在低压公共电网供电的系统中，电动机容量不超在低压公共电网供电的系统中，电动机容量不超过过10KW时，容许直接启动。时，容许直接启动。 在专用变压器供电系统中，单台电动机容量不超在专用变压器供电系统中，单台电动机容量不超过变压器容量的过变压器容量的20% 30%时，也允许直接启动时，也允许直接启动。 在电动机启动时降低加在定子绕组上的电压，在电动机启动时降

4、低加在定子绕组上的电压，当电动机转速升高接近稳定时，再加上全部额定电当电动机转速升高接近稳定时，再加上全部额定电压，以正常运行的方法。压，以正常运行的方法。：在起动时将定子绕：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。换接成三角形。：正常运行时定子绕组是：正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。引出端子的电动机。：起动电流为全压起动时的：起动电流为全压起动时的 13。起动运行：利用三：利用三相自耦变压器降压作用，相自耦变压器降压作

5、用，将启动电压减小来达到将启动电压减小来达到减小启动电流的目的。减小启动电流的目的。自耦变压器备有自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使等多种抽头，使用时要根据电动机起动用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。转矩的要求具体选择。 pfsnsn106011 f=50HzM3 +A1X1A2X2iiP=2A1A2X1X2NNSSA1X1A2X2iiP=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床

6、、磨床等机床上。等机床上。A1A2X1X2SN 变转差率变转差率S的调速适用于绕线式电动机，是特有的调速适用于绕线式电动机，是特有的一种调速方法。将电动机中的转子串入电阻，只要的一种调速方法。将电动机中的转子串入电阻，只要调电阻值大小，便可调速。调电阻值大小，便可调速。 该方法的优点是调速平滑、设备简单投资少。缺该方法的优点是调速平滑、设备简单投资少。缺点是调节电阻的能耗较大。这种调速方式广泛应用于点是调节电阻的能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重等恒转矩的设备中。各种提升、起重等恒转矩的设备中。 运转运转nFT n0 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相在断开三相电源的同时，给电

7、动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子转子T n0=0+-运转运转制动制动RP 磁极数磁极数( 极对数极对数 p = 2 )例如：例如： Y 160 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座长度代号(L,M,S)机座中心高（机座中心高（mm）三相异步电动机三相异步电动机：9550(. )NNNpTN mn电动机在额

8、定运行时定子绕组的电动机在额定运行时定子绕组的电机在额定运行状态下的转子转速。电机在额定运行状态下的转子转速。电动机在额定电压作用下的三相定子绕组的连接电动机在额定电压作用下的三相定子绕组的连接方式。如电动机定子绕组额定电压为方式。如电动机定子绕组额定电压为220V,220V,电源电源电压为电压为220V220V，则电动机三相绕组应做三角形连接；，则电动机三相绕组应做三角形连接；电源电压为电源电压为380V380V时，电动机应做时，电动机应做Y Y型连接。型连接。电动机定子绕组所用绝缘材料允许的最高温度等电动机定子绕组所用绝缘材料允许的最高温度等级。有：级。有：A A、E E、B B、F F、

9、H H、C C等，对应的极限工作等，对应的极限工作温度为：温度为：105 105 、120 120 、130 130 、155 155 、180 180 和大于和大于180180。电动机正常连续使用时，允许连续运转的时间，电动机正常连续使用时，允许连续运转的时间，一般分连续、短时和断续三种工作方式。一般分连续、短时和断续三种工作方式。4.5.1直流电机的构成：直流电机的构成：直流电机由定子、转子（电枢）和机座等部分构成。直流电机由定子、转子（电枢）和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子1. 转子转子（又称电枢）（又称电枢） 由电枢铁芯、电枢绕组、换向器组成。由电枢铁芯、电枢

10、绕组、换向器组成。2. 定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。 4.5.2直流电动机的分类直流电动机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机励电动机、串励电动机和复励电动机UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IE 为常

11、数。为常数。UIf+_IaM定子定子转子转子铁心、铁心、绕组、绕组、换向器换向器作用是产生磁场和作电机的机械支撑产生感应电动势实现能量转换的关键部分。直流电机的主要结构：直流电机的主要结构：电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。额定工作情况下的电枢上加额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：的直流电压。（例：110V，220V，440V） 额定电压下轴上输出额定功额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 （ ：效率）：效率）额定转速额定转速nN: 在在PN , UN , IN 时的转速。时的转速。 直流电机的转速一般在

12、直流电机的转速一般在500500r/min 以上。特以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟钟几转）或很高（每分钟30003000转以上）。转以上）。调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过1.2nN 。 。IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向方向如图所示。由于如图所示。由于电刷电刷和电源固定联接，无论线和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里, N

13、极有效边的电流方向向外。电动机电极有效边的电流方向向外。电动机电枢枢绕组通电后绕组通电后所受力所受力(左手定则左手定则)按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外部直流电转换成内部的转换成内部的直流电，以保直流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。U+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷Ce : 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n: 电动机转速电动机转速 ：磁通磁通E=Ce nU+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷RaIaE+UMaaaaeUEI RCnI R 20emTTT设外加电枢

14、电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=T2 (平衡平衡)，此时，此时，若若T2突然增加，则调整过程为突然增加，则调整过程为达到新的平衡点达到新的平衡点(Ia 、 P入入 ) 。T2 n Ia Tem E aaREUIaemTTC IE=Ce naaaUEI R由图可求得由图可求得ffRUI aafIIII 由上分析可知：由上分析可知： 当电源电压当电源电压U和励磁回路的电阻和励磁回路的电阻Rf一定时一定时, 励励磁电流磁电流If和磁通和磁通则则IaUM+_IffR stR+_IEaaaaUEIRnnn 0a2emTeRnTC C 0eUnC 令：令：a2emeTeRUnTC C C aaaa

15、eTUEI RECCane em mT TI I由以下公式由以下公式IaUM+_IffR stR+_IE转速降转速降0:eUnC 理理想想空空载载转转速速式中：式中：n0nNTN改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线n0Ta02emeTeRUnTnnC C C a2emTeRnTC C 太大会使换向器产生严重的火花太大会使换向器产生严重的火花, ,烧坏换向器；烧坏换向器；NaaNast)2010(IRUI 4.6.1. 启动启动 1.1.起动问题：起动问题：(1) 起动电流大起动电流大(2) 起动转矩大起动转矩大 起动转矩为起动转矩为(1020

16、)TN , 造成机械冲击，使传造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。动机构遭受损坏。tasIT NstaNast)5 . 25 . 1 (IRRUI 直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通接通, ,不能让它断开不能让它断开, ,而且起动时要满励磁。否则，而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：aastNstRIUR (3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电受严重的机械损伤，而且因电电流过大而将绕组电流过大而将绕组烧坏。烧

17、坏。（ Ea Ia T T0 n 飞车）飞车） 1 1）调速均匀平滑，可以无级调速。）调速均匀平滑，可以无级调速。 2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 以上以上, ,因此机械因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。变速所用的齿轮箱可大大简化。由转速公式由转速公式:aaTUI RnC可见直流电机调速方法有三种。可见直流电机调速方法有三种。 保持电枢电压保持电枢电压U不变，改变励磁电流不变，改变励磁电流If (调调Rf)以以改变磁通改变磁通 。由式由式0n 0n0nTnO动画动画a2emeTeRUnTC C C (1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受调速平滑，可得到

18、无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，机械本身强度所限，n不能太高。不能太高。(2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3) 机械特性较硬，稳定性较好。机械特性较硬，稳定性较好。(4) 对专门生产的调磁电动机对专门生产的调磁电动机, ,其调速幅度可达其调速幅度可达, 例如例如5302120 r/min及及3101 240 r/min 。(1) (2) n0n0Tcn0nT0a02emTeRUnTnCTCeC C )(a一一定定和和R(1)工作时电压不允许超过工作时电压不允许超过 ，而，而, 所以调速所以调速 只能向下调只能向下调。(2)机械特

19、性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。定性好。(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(4)调速幅度较大。调速幅度较大。电枢串电枢串 电枢中串入电阻电枢中串入电阻, ,使使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线不变，即电机的特性曲线变陡变陡( (斜率变大斜率变大) )，在相同力，在相同力矩下矩下, ,n 。特性曲线如图。特性曲线如图。Rann0Ta02emeTeRRUnTnnC C C 特点：特点：(1) 设备简单，操作方便。设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。机械特性软，稳定性差。(3)能量损耗

20、大，只用于小型直流机。能量损耗大，只用于小型直流机。Ra + R电磁转矩：电磁转矩： 当当S S打向下时，打向下时，旋转，励磁电旋转，励磁电路也路也IfTemBRB制动制动IaB + U -电动电动IanTemM+ Ea S由直流电动机、单向传动机构和操纵机构三大部分组成.直流电动机直流电动机是起动机的核心。其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩。单向传动机构单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩。4.5.4车用起动机1、车用起动机基本组成操纵机构操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路。车用起动机的直流电动机主要由磁极、电枢、换向器等部件组成。一般采用串励式直流电动机。一般的车用起动机的电动机有四个励磁绕组。励磁绕组有两种连接方式：励磁绕组全部串联；或励磁绕组两两串联之后再并联的复式接法。复式接法可以在绕组导体截面相同的情况下，增大起动电流，从而提高了起动转矩。功率大于7.35KW的起动机有采用六个励磁绕组的。2、串励电动机的机械特性 因为串励电动机的励磁绕组与电枢电路串联，所以它的特点是磁通随负载而改变。1）当电流较小时，磁路未饱和，可认为磁通与电枢电流成正比，即Ia；