第四章 控制电机

1、第四章第四章 控制电机控制电机控制电机一般是指在自动控制系统中作为执行元件或测量元件的小功率电机。就电磁过程及所遵循的基本规律而言，控制电机与一般旋转电机没有本质区别，只是作用不同而已。普通旋转电机主要来完成电能和机械能的转换，而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换。第四章第四章 控制电机控制电机根据在自动控制系统中所起的作用，控制电机基本上可分为两大类：一类用做执行元件，主要包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、小功率同步电动机等；一类用做测量元件，主要包括：自整角机、交直流测速电机、旋转变压器等。4.1步进电动机步进电动机步进电动机又称电脉冲马达，是将电脉冲信号转换成机械角

2、位移的执行元件。其特点是电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。4.1.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理按其结构和工作原理，步进电动机可分为反应式（磁阻式）、电磁式和永磁式等几种主要形式。这几种结构在性能上各有特点，单基本工作原理是一样的。4.1.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理下图是数字控制开环伺服系统中广泛应用的三相反应式步进电动机的工作原理示意图。4.1.1 步进电

3、动机工作原理步进电动机工作原理几个概念：单：每次切换前后只有一相绕组通电双：每次切换前后有两相绕组通电拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三拍、单六拍及双三拍等几种。4.1.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理一、三相单三拍运行方式（单拍方式）每次只有一相绕组通电，使步进电机按顺时针或逆时针方向旋转，这种控制方式称为单相控制方式。对三相电动机又称单三拍控制方式，其绕组波形如图4.1.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理二、三相双三拍运行方式（双拍方式）三相双三拍运行方式工作比较稳定，功耗比单拍方式相比增大近一倍，其绕组电流波形图4.1.1 步进电动

4、机工作原理步进电动机工作原理二、三相六拍运行方式（单双拍方式）三相六拍运行方式的绕组通电顺序按AAB B BC CCA A进行，每切换一次步进电动机顺时针旋转15，其运行原理图如图4.1.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理其绕组电流波形如图二、三相六拍运行方式（单双拍方式）4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机图为三相反应式步进电动机结构示意图设转子的齿数为Z，则齿距为：360/Z每通电一次，转子就走一步，故步距角为：mKZZ360360拍数拍数齿距式中K为状态系数。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机若步进电动机的Z

5、40，三相单三拍运行时，其步距角为：3403360若按三相六拍运行时，步距角为：5 . 14032360由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数m愈多，则步距角愈小，控制越精确。如果电脉冲的频率为f（通电频率），则步进电动机转速n4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机fmKZfn6060360由上式可见，反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构一、反应式步进电动机反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。当步进电动机的通电方式选定后，其转速

6、只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围宽。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。同时，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构二、永磁式步进电动机永磁式步进电动机的结构如图。与反应式相比，具有控制功率小，内部电磁阻尼较大和断电情况下具有定位转矩等特点。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型

7、与结构三、电磁式步进电动机电磁式步进电动机转子的磁极上绕有激磁绕组，绕组中通以直流电以产生直流磁通。与反应式步进电动机相比，有如下特点：输出转矩大而脉冲电流较小低频运行时更稳定可靠高频运行时的矩频特性好4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构四、永磁反应式（混合式）步进电动机永磁式反应式步进电动机可分为转子带磁钢和定子带磁钢两种。右图是转子带磁钢的典型结构。4.1.2 步进电动机类型与结构步进电动机类型与结构永磁反应式步进电动机既具有反应式步进电动机的步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机的控制功率比较小的特点，但结构较复杂，成本也较高。除了三相步进电动机外，常见的还

8、有四相、五相和七相电动机。通常相数越多，输出转矩越平稳。大型电子机械常用三相和五相电动机，而小型精密产品中多采用四相电动机。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性步进电动机主要特性是：步距角及步距误差、矩角特性、动态矩频特性、启动惯频特性和单步运行与振荡特性等。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性一、步距角及步距误差步距角即步进电动机每步转过的空间角度。步距角越小，分辨力越高。步距误差即步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间的差值。连续走若干步，步距误差就会形成累积，转一圈范围内步距累积误差的最大值，称为步进电动机的累积误差4.1.3 步进电动机主要特性步

9、进电动机主要特性步距误差和累积误差通常用度()、分()或者步距角的百分比表示。影响步距误差和累积误差的主要因素有：齿与磁极的分度精度；铁心叠压及装配精度；各相矩角特性之间的差别的大小；气隙的不均匀程度等。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性二、矩角特性矩角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角变化的关系。定子一相绕组通以直流电后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性当转子有负载转矩作用时，转子齿就要偏离初始位置，重新平衡后转子齿偏离初始位置的角度称为转子偏转角（空间角），

10、对应的电角度e称为失调角。电角度是空间角度的Z倍，即eZZ为电动机定子齿数。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性电磁转矩T与失调角e的关系曲线Tf(e)称为矩角特性曲线，如图。当e达到/2时，即定子齿与转子齿错开1/4个齿距时，转矩T达到最大值Ts,max，称为最大静转矩。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的0.30.5倍。最大静转矩反映了步进电动机带负载能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性三、动态矩频特性动态矩频特性是指步进电动机所

11、能产生的最大转矩与转速的关系曲线，如图4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性动态矩频特性是选用合适的步进电动机的最重要的指标之一。值得注意：同一电动机在使用不同的驱动方案时的矩频特性相差很大，因而在选用电动机时必须注意所给特性的测试条件。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性曲线为单相通电、单电压驱动时的矩频特性；曲线为单相通电、高低压驱动时的矩频特性；曲线为双相通电、高低压驱动时的矩频特性。如图为某型号步进电动机在三种不同驱动情况下的矩频特性。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性从动态矩频特性曲线可见，随着电动机运行频率的提高，输出转矩逐渐下降。4.1.3 步

12、进电动机主要特性步进电动机主要特性高速运行时，相电流平均值降低，在很高速时，当激磁时间结束之前，相绕组里的电流可能尚未达到额定值，波形产生严重失真，如图b。相电流的减小使有效转矩减小。低速运行时，相绕组电流近似矩形，如图(a)；4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性绕组断电时相电流的衰减时间在高速运行时也影响很大，因残余电压产生的力矩和转动方向相反，较小了电动机转子的平衡转矩；高速运行时涡流损耗大大增加，且转子运动时在相绕组中产生的感生电压会严重影响波形中间及前后沿形状，如图(c)这些都是输出转矩下降的原因。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性四、启动惯频特性步进电动机的

13、启动频率和转子负载惯量之间的关系称为启动惯频特性或牵入特性。如图步进电动机由静止突然启动，不失步地进入正常运行所允许的最高启动频率，称为启动频率。在实际应用中，为了使电动机能正确地从静止状态启动到高频工作状态或反之，必须使用软硬件方法使电动机速度逐渐上升或下降，避免速度的突然跳变。4.1.3 步进电动机主要特性步进电动机主要特性五、单步运行与振荡典型地步进电动机单步振荡曲线如图在需要频繁起停的精确定位系统中，单步振荡会对系统性能带来相当不利的影响。解决方法：使用粘性耦合的惯性阻尼器，使转子振荡快速衰减，该部件在速度迅速变化的情况下会产生粘性摩擦转矩，但不会妨碍恒速工作。4.2直流伺服电动机直流

14、伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，它的启停、转向、转速分别由控制信号的有无、极性、大小来决定，“伺服”之名由此而来。伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率稍大，可达几百瓦；交流伺服电动机输出功率较小，一般只有几十瓦。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理电磁感应定律当长度为l的导体做切割磁力线运动时，在导体两端会产生感应电动势eBlve 式中，B为磁场密度，v为导线切割磁力线的速度。切割电动势e的方向用右手定则确定。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理电磁力定律如果导体在磁场中的长度为l，流

15、过其中的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，则导体在磁场中所受的电磁力FBliF 导体所受电磁力的方向由左手定则确定。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机是在自动控制系统中用做执行元件的一种特殊的直流电动机。其结构如图，是由静止的磁极（定子）和旋转的电枢（转子）组成。若磁极由永久磁钢制成，则称为永磁式；若磁极由带有励磁绕组的铁心制成，则称为电磁式或他励式。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理其中，l为导体在磁场中的长度，即电枢铁心长度；Bx为导体所在处的气隙磁通密度；ia为导体的电流；D为电枢直径。22DliBDFtaxii因电磁力作用在电

16、枢外圆的切线方向，故产生相应的转矩ti：4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理假设空气隙中平均磁通密度为BP，电枢绕组总的导体数为N，则电动机转子所受到的总转矩2PDliNBTa又因磁通密度为BP与磁通成正比，电枢导体电流ia与电枢总电流Ia成正比，而N、l、D为常数，从而有：amICT式中，Cm为直流电动机转矩结构常数。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理当磁通不变时，上式又可写为amIKT 式中，Km为转矩常数，KmCm由于电枢线圈在磁场中转动，导体切割磁力线便会产生感应电势EanCEea式中，Ce为直流电动机电动势的结构常数；n为电枢转速。4.2.1

17、 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理当磁通一定时，电枢线圈感应电动势可写为nKEea式中，Ke为电势常数，KeCe若直流电动机电枢线圈外加直流电源电压为Ua后等效电路如图。则稳态时有aaaaRIEU此式被称为直流电动机的电压平衡方程4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理由上式可见，直流电动机调速可以有三种方法：eaaaCRIUn改变电枢电源电压Ua，此方法可行性好，是最常用的直流电动机调速方式；改变磁通 ，即可改变电磁式直流电动机励磁电流；改变Ra，即在电枢电路中串联可调电阻。4.2.1 直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机工作原理如何改变电动机转向呢？要改变电动机

18、转向，必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则，要改变电磁转矩的方向，就必须单独改变电枢电流方向或单独改变磁通方向（即单独改变励磁电流的方向）4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机最常用的控制方式是电枢控制，即在保持Ra和磁通不变的情况下，通过改变电枢控制电压Ua，来控制直流伺服电动机的运行状态。在电枢控制方式下，直流伺服电动机的稳态运行特性主要是机械特性和调节特性。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性一、机械特性机械特性是指电枢控制直流电压Ua恒定时，电动机的转速随转矩变化的关系。amIKT nKEeaaaaaRIEU由 、 可得TKKRKUn

19、meaea此式即为直流伺服电动机的机械特性方程4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性根据直流伺服电动机的机械特性方程，可画出电枢控制的直流伺服电动机的机械特性曲线如图。由图可见，其机械特性是线性的。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性机械特性曲线与纵轴的交点n0称为电动机的理想空载转速。此时电磁转矩T=0,转速n0为：eaKUn 0机械特性曲线与横轴的交点Tk称为电动机的堵转转矩。此时转速n=0, Tk为：aamkURKT 4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性机械特性曲线的斜率的绝对值为：meakKKRTn0反映了电动机的转速随转矩的改

20、变而变化的程度。通常说电动机的机械特性软或硬，就是指大或小。从曲线还可看出，随着控制电压Ua增大，电动机机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，斜率保持不变，是一组平行的直线。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性二、调节特性调节特性调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机转速n随直流控制电压Ua变化的关系。根据直流伺服电动机的机械特性方程可画出调节特性如图。TKKRKUnmeaea4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性从图中可知：当T为不同值时，调节特性为一组平行直线，且随着T的增大直线右移；当T为定值时，电动机转速随着控制电压增大而增大，且转速与控制电压

21、成正比4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性电动机启动电压：在一定的负载转矩下，电动机启动所需要的最小控制电压，表现在调节特性曲线即为其与横坐标的交点。理想情况下，电动机启动电压为零。实际空载时，由于空载制动转矩的存在，电动机启动电压不为零，而是决定于电动机的空载制动转矩。失灵区：是指调节特性曲线上横坐标从零到启动电压这一范围。失灵区的大小与负载转矩成正比。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性三、动态特性直流伺服电动机的动态特性是指电枢控制时在电动机的电枢上外施阶跃电压后，电动机的转速随时间的变化规律，即n=f(t)。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流

22、伺服电动机主要特性电动机的机电过渡过程：由于电枢绕组有电感，若电动机处于停转状态，则当电枢外施阶跃电压后，电枢电流Ia不能突变，因而存在一个电气过渡过程；由于电枢有一定的转动惯量，在电磁转矩的作用下电动机转速从零达到稳定转速需要一定的时间，因而存在一个机械过渡过程。电气与机械的过渡过程交叠在一起，就形成了电动机的机电过渡过程。4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性图示为直流伺服电动机电枢回路的等效电路图。则电枢回路的动态电压平衡方程为：aaaaaaedtdiLiRu电枢旋转时产生的瞬时感应电势ea与电枢瞬时转速n成正比，即：4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要

23、特性nKeea电枢瞬时电流ia产生的电磁转矩为：amiKT 电动机启动或制动时转矩平衡方程为：dtdJTTL式中，TL为负载转矩，J为转动惯量，为电动机的转动角速度。其值为：n602由 、 、得：4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性mLmaKTdtdnKJi602将ea、ia代入电枢回路的动态电压平衡方程amiKT dtdJTTLn602smemnndtdndtnd22式中，m为机械时间常数，e为电气时间常数，ns为稳态转速：emamKKJR602aaeRLemaLaasKKRTKun令n=n-ns则 可化为：4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性smem

24、nndtdndtnd22022220ndtndhdtnd式中，h为衰减常数，其值为： 0为自然频率，其值为： D为阻尼系数，其值为：eh21em10emhD210当D=1即m= 4e（称临界阻尼）时，上式的通解为： tCCetnht21当D1即m1即m4e （称过阻尼）时，上式的通解为： tthteCeCetn22214.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性 tCtCetnht1211sincos式中2022h令 则 上式可化为：122221arctan,CCCCC tCetnht1sin式中2201h4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性令n=n-ns代入n

25、(t)则有：当D=1时， tCCentnhts21当D1时， tthtseCeCentn2221当D1时， tCentnhts1sin式中，C1、C2、C和均由初始条件决定的常数。将 、 代入 得阻尼系数：4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性emamKKJR602aaeRLemhD210aemaLKKJRD6022由此式可见，当电枢回路电阻Ra及转动惯量J很小，而电枢电感La很大时，D1，因而一般转速不会出现超调振荡现象，如图(b)所示。一般来说，电气过渡过程所需时间要比机械过渡时间短得多，即me。因此，许多场合只考虑机械过渡过程而忽略电气过渡过程，于是4.2.2 直流伺服

26、电动机主要特性直流伺服电动机主要特性smnndtdn解此微分方程得： mtennntn04.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性启动时，n(0)=0，n()=ns，代入上式得： mtsentn1刹车时，n()=0，n(0)=ns，代入上式得： mtsentn稳态运行时，dn/dt=0，代入 得： emaLeasKKRTKUntnsmnndtdn4.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性由 可见，在启动过程中，电动机转速按指数规律增长。将t = m代入可得：n=0.632ns。因此m在数值上等于电动机在启动时，其转速从零上升到稳态转速的63.2所需要的时间。 mts

27、entn14.2.2 直流伺服电动机主要特性直流伺服电动机主要特性当t = 4m时，电动机转速达到稳态转速的98%，在工程上认为此时电动机达到了稳态运行状态，过渡时间完成。一般把(34)m作为启动时间，即过渡过程时间。机械常数m是表示电动机动态特性的一项重要指标， m越小动态特性越好，快速响应越好。4.2.2 直流伺服电动机工作状态直流伺服电动机工作状态直流伺服电动机有四种工作状态，即电动机状态、发电机状态、能耗制动状态和反接制动状态。判断工作状态的方法，可根据电枢电压Ua和反电势E的关系来实现。4.2.2 直流伺服电动机工作状态直流伺服电动机工作状态电动机处于四种状态时能量的转化关系如图当U

28、aE时为电动机状态；当UaE时为发电机状态；Ua=0而E0时为能耗制动状态；当Ua与E沿电气回路处于同方向时为反接制动状态4.2.2 直流伺服电动机工作状态直流伺服电动机工作状态：1.只有电动机状态，电磁转距与转速方向相同，起着加速或带动负载的作用，而其他三种状态，电磁转距与转速方向相反，起着减速或制动作用2.反接制动状态时，电枢电压的极性与反电势E相同，电枢电流为I=(Ua+E)/Ra，比启动电流还要大。因此设计功放时，应按最危险的反接制动状态来考虑回路提供电流的能力。4.3交流异步电动机和交流交流异步电动机和交流伺服电动机伺服电动机使用交流电的电动机称为。按照转子旋转速度与定子磁场的旋转速

29、度相同还是不同，交流电动机可分为同步电同步电动机动机和异步电动机异步电动机两大类。在自动控制系统中用做执行元件的小功率两相异步电动机称为交流伺服电动机交流伺服电动机。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机异步电动机异步电动机主要由定子定子和转子转子两大部分组成。定子产生旋转磁场驱动转子转动。转子结构有鼠笼式鼠笼式和线绕式线绕式两种。鼠笼式应用最广，因其形状而得名。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机一、异步电动机的转动原理如图，假设永久磁铁是顺时针方向以ns的转速旋转，则转子导条反时针切割磁力线，在导条中产生感应电势，极性如图，从而在转子导条中就产生电流。通电导条在磁场中就受电磁力作用，

30、方向如图。在此电磁力的作用下，转子顺时针旋转。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机但是转子的转速总是比磁场转速低，这是因为电动机要带动机械负载。转子转速比旋转磁场转速低多少取决于机械负载的大小。综上所述，鼠笼转子之所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。实际的电动机的旋转磁场是由电动机定子绕组产生的。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机二、三相异步电动机工作原理三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组U1-U2、V1-V2和W1-W2。假设三相绕组Y形联结接在三相电源上，绕组中形成对称电流。绕组联结及电流波形如图所示。120sin120sinsintIitIitIimWmVmU4

31、.3.1 交流异步电动机交流异步电动机当t=0时，iU=0,iV0，产生磁场如图(a);当t=60时，磁场如图(b)，在空间转了60；当t=120时，磁场如图(c)，在空间转了60 ；4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机由上面分析可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转，即称旋转磁场旋转磁场。电动机转子转动的方向与旋转磁场方向相同。若需要电动机向相反方向转动，则必须改变磁场的旋转方向，即改变三相电源的相序即可。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机如图，将V相与W相对调，则产生的合成旋转磁场的方向相反，从而电动机改变转向，即反转。4.3.1

32、交流异步电动机交流异步电动机如图，每相绕组只有一个线圈，三相绕组的始端之间存在120空间角度，则称产生的旋转磁场具有一对极，即p=1，p称为磁极对数。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机若将定子每相绕组改为两个线圈串连，各绕组的始端之间相差60空间角度，则产生的旋转磁场就具有两对磁极，即p=2。具体联结及产生的合成旋转磁场如下图所示。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机如果要使p=3，则每相绕组应均匀安排三个相串联的线圈，各相绕组始端之间的空间角为：120/p=120/3=40。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机旋转磁场的转速：旋转磁场的转速：当p=1(一对磁极)时，当电流从t=

33、0到t=60时，磁场在空间旋转了60。当电流变化一周时，磁场恰好在空间旋转一周。设电流的频率为f1，则每分钟变化60f1次，则旋转磁场的转速为n0=60f1，单位为r/min。当p=2时，电流变化一周磁场仅旋转了1/2周，比p=1时转速减小了一半，即n0=60f1/2。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机当旋转磁场有p对磁极时，磁场转速为：pfn1060由此可见，旋转磁场的转速由此可见，旋转磁场的转速n0的大小与电的大小与电流频率流频率f1成正比，而与磁极对数成正比，而与磁极对数p成反比。成反比。其中，其中，f1是由异步电动机的供电电源的频是由异步电动机的供电电源的频率决定，而率决定，而p

34、由三相绕组的各相组圈串联由三相绕组的各相组圈串联的多少决定。的多少决定。磁场转速n0称为同步转速。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机转差率转差率s：表征转子转速n与磁场转速n0之间相差的程度，即：00nnns当电动机在以额定转速恒速运行时，与其磁场转速很相近，一般为约0.010.09。当电动机在启动时，转子转速为0,而磁场转速为n0 ，此时转差率s最大为1。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机三、单相异步电动机工作原理单相异步电动机是一种容量从几瓦到几百瓦，由单相交流电源供电的旋转电动机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点。在电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控

35、制装置中广泛应用。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机1.单相异步电动机的磁场单相异步电动机的定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式，结构如图所示。当接入单相交流电时，在定、转子气隙中产生一个交变脉动磁场，如图所示。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机由图可见，此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间做正弦变化，即：tBBmsin式中，Bm为磁感应强度的幅值；为交流电源角频率可见，这种结构的电动机没有启动能力，但给转子施加一外力，转子就转动起来，最后可到达稳定运行状态。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场，可以分解为两

36、个转速相等而方向相反的旋转磁场 和 ，磁感应强度的大小为：1mB2mB221mmmBBB而且若交流电源的频率为f1,定子绕组的磁极对数为p，则两个旋转磁场的同步转速分别为：pfn600图中T+为正向转矩，由磁场 产生；T-为反向转矩，由反向磁场 产生，T为单相异步电动机的合成转矩，s为转差率。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机此两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子，就产生两个方向相反的转矩，如图。1mB2mB4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机若外力顺时针拨动转子，则此时正向转矩T+大于反向转矩T-，其合成电磁转距为正,转子就沿顺时针方向旋转，直到到达稳定运行状态。同理，如果沿反方向拨动

37、一下，则电动机就反向旋转。从曲线可知，在转子静止时(s=1)，合成电磁转距为0，转子不能自行启动。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机由此可得出结论：由此可得出结论：1. 在脉动磁场作用下的单相异步电动机没在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零。有启动能力，即启动转矩为零。2. 单相异步电动机一旦启动，它能自行加单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向取决于速到稳定运行状态，其旋转方向取决于启动时的旋转方向。启动时的旋转方向。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机2.单相异步电动机的启动方法单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就能够建立

38、启动转矩而自行启动，常用的方法有：电容分相式异步电动机罩极电动机4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机(1)电容分相式异步电动机电容分相式异步电动机的接线原理如图所示。定子上有两个绕组AX和BY，AX为运行绕组（工作绕组），BY为启动绕组，两绕组的轴线在空间上互相垂直。在启动绕组BY电路中串有电容C。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机适当选择参数C就能使绕组中的电流iB在相位上超前AX绕组中的电流iA90，这样通电后在定转子气隙内就会产生一个旋转磁场，使电动机自行启动。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机下图为电流波形及几个时刻磁力线的分布图。由图可知，磁场是旋转的，且旋转的方向是

39、由电流超前的绕组转向电流滞后的绕组，在此旋转磁场的作用下，鼠笼式转子跟着旋转。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机离心开关KC：当电动机启动后，当转速达到额定值附近时，借离心力的作用，将KC打开，此后电动机就成为单相运行。当然，也可以不用离心开关，在运行时不切断电容支路。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机必须指出必须指出：欲使电动机反转，必须靠调换电容器C的串联位置来实现，如图。通过改变KB的接通位置，就可改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转。4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机罩极电动机的结构如图。单相罩极电动机的定子铁心多做成凸极式，每个极上装有绕组1,同时在极靴上开一小

40、槽，槽中嵌入短路铜环2。(2)罩极电动机4.3.1 交流异步电动机交流异步电动机当主绕组通过单相交流电时，定子磁极中便产生脉振磁通。其中部分磁通穿过磁极没有罩的部分1；另一部分穿过短路铜环为2，它在铜环中感应电势产生电流。由于电流的作用，使2相位滞后于1。则合成磁通在空间上，从超前的1向滞后的2 移动，从而转子就获得一定的启动转矩。罩极电动机的转动方向是固定的，总是从磁极未罩部分向被罩部分的方向转动。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机重点讨论交流伺服电动机结构特点工作原理主要特性4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机一、交流伺服电动机的结构交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子和转子

41、的示意图如图所示。定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组，两个绕组在空间相隔90。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机的转子有两种：一种为笼形转子，它的制作与三相笼形异步电动机相似。但为减小转动惯量常做成细长形，并且采用高电导率的铝或黄铜制成。一种为杯形转子，转子制成空心薄壁圆筒，内放置固定的内定子如图所示。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机下图为交流伺服电动机的接线图。励磁绕组V与电容C串联接到单相交流电源电压上，控制绕组U接在同频率交流电压或功率放大器的输出端。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机二、交流伺服电动机的工作原理励磁绕组串接电容，同单相

42、异步电动机的分相原理相同，用于产生两相旋转磁场：适当选择C的数值，可使励磁电流Iv超前于电源电压U，从而使励磁绕组的端电压UV与U间有近似90的相位差，而控制绕组的电压UU其频率与U及UV相同，而相位与U相同或相反。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机两相绕组外加电压UU和UV，在两绕组中分别产生脉动磁场U和V，其瞬时表达式为：tttmmmVVVUUcos90sinsin两磁通在空间的合成磁通应是两个磁通的几何和，即：2222cossinttmmVUVU此式是一个椭圆方程式。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机设纵轴长为Vm，横轴长为Um，则合成磁通矢量末端形成随时间而改变的轨迹圆，如

43、图所示。合成磁通矢量的瞬时位置可由下式导出：tttmmmmVUVUVUtancossintan4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机若设则有UVUVUUKmmKtKttanarctantantan或设电动机的磁极对数为p，则合成磁通矢量在空间的转速为： 代入上式整理得：pdtdtKKKp222sin1在一个周期内的转速的平均值为：212KKp4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机由此可见，合成磁通矢量的转速为电动机转子的理想空载转速，决定于两个绕组中磁通的幅值比K，即决定于两绕组的电压有效值或幅值比。当励磁绕组回路电压为常数时，改变控制绕组两端电压大小，可改变K值，从而使得电动机获得不同的

44、转速。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机三、交流伺服电动机的特性交流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性如图所示。在一定的负载转矩TL作用下，控制电压UU越大，则转速n也越高；在一定控制电压下，负载转矩加大，转速n下降。机械特性较软。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机的调节特性如图。它反应了控制电压UU与转速n之间的关系。调节特性只有在n较低时近似为直线，因此在伺服系统中为保证系统动态误差要求，应尽量使交流伺服电动机工作于较低的转速。负载转矩大时，启动电压也高。4.3.2 交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机额定功率PN：当负载转矩为电动机的额定转矩TN，转速为

45、额定转速nN时，电动机的输出功率。交流伺服电动机额定功率PN是交流伺服电动机的最大输出功率，这个定义与普通电动机不同。4.4小功率同步电动机小功率同步电动机小功率同步电动机广泛应用在需要速度恒定不变的控制设备和自动装置（如自动记录仪、录像机等）中，常用作传动电动机，在自动控制系统中也可用做执行元件。本节介绍的小功率同步电动机是指连续运转的同步电动机，以区别于步进电动机。4.4小功率同步电动机小功率同步电动机小功率同步电动机是交流电动机，也是由定子和转子两部分组成。定子铁心由带齿、槽的冲片叠成，槽内嵌入三相（图a）或单相（图b）分布绕组。当功率非常小时，也有采用罩极结构的。转子上无绕组，无需滑环

46、和电刷，因此结构简单，运行可靠，维护方便。4.4小功率同步电动机小功率同步电动机根据转子机械结构或转子材料，小功率同步电动机连续运转同步电动机可分为永磁式永磁式、磁阻式磁阻式和磁滞式磁滞式等。本节介绍一种永磁式同步电动机（高速）和一种磁阻式减速同步电动机（低速）。4.4.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机一、结构特点与基本工作原理永磁式同步电动机转子主要由两部分构成：用来产生转子磁通的永久磁铁和置于转子铁心槽中的鼠笼绕组，如图。1为永久磁铁，2为鼠笼绕组，3为转子铁心。4.4.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机工作原理工作原理：如图，当同步电动机定子绕组通以三相或两相交流电流时，产生旋转磁

47、场（以Ns，Ss表示），以同步角速度0逆时针方向旋转。则永久磁铁在此磁场的吸引下以同步角速度在空间旋转。维持转子旋转的电磁转距是由定子旋转磁场和转子永久磁铁磁场相互作用而产生的。4.4.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机当轴上负载增加或减小时，只要在一定的限度内，定、转子磁极轴线间的夹角也相应地增大或减小。此时，转子速度仅决定于电源频率和电动机的极对数，与负载的大小无关。当负载超过一定限度时，电动机就不按同步速度运行，即“失步”。4.4.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机二、启动方法永磁式同步电动机启动比较困难。刚启动时，虽然定子产生了旋转磁场，但由于惯性，转子跟不上旋转磁场的变化，则定子

48、旋转磁场时而吸引转子，时而排斥转子，如图。作用在转子上的平均转矩为零，电动机就转不起来了。4.4.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机为此，在转子上一般都装有启动的鼠笼绕组，如图。定子旋转磁场以0的速度逆时针旋转时，在转子鼠笼绕组中会感应电势er，并产生电流ir，该电流与定子旋转磁场相互作用，产生异步转矩Ti，使永磁式同步电动机启动起来。4.4.2 磁阻式同步电动机磁阻式同步电动机一、结构特点电动机的定子做成圆环形式，其内表面有开口槽；转子为圆盘形式，其外表面也有开口槽。一般转子齿数大于定子齿数，即ZrZs，定子槽中装有三相或单相电源供电的定子绕组，转子槽内不嵌绕组，如图。4.4.2 磁阻式同

49、步电动机磁阻式同步电动机二、工作原理如图，设起始时，定子绕组产生的二极旋转磁通轴线与定子齿1和4的中心线重合，由于磁力线总是力图使自己经过的磁路磁阻最小，故转子齿1和5与定子齿1和4 对齐（位置A）。4.4.2 磁阻式同步电动机磁阻式同步电动机同理，当旋转磁通转过一个定子齿距到位置B，使转子齿2和6转到与定子齿2和5对齐的位置。转子转过的角度为：rsZZ22因此定子旋转磁场的转速n0和转子旋转的转速n之比为：srrrssRZZZZZZnnK2220称KR为电磁减速系数。4.4.2 磁阻式同步电动机磁阻式同步电动机电动机转速为：pfZZZnZZZnrsrrsr600式中，p为定子磁场的极对数。当

50、满足Zr-Zs=p时，电动机转速为：rpm60rZfn 可以看出，Zr越大，转速就越低。4.4.2 磁阻式同步电动机磁阻式同步电动机一般磁阻式同步电动机转子上也加装鼠笼启动绕组，采用异步启动法，当转子速度接近同步转速时，磁阻转矩把转子拉入同步。磁阻式减速同步电动机无需启动绕组，结构简单、制造方便、成本较低。转速一般在每分钟几十转到上百转之间，是一种常用的低速电动机。4.5测速发电机测速发电机测速发电机有交流和直流两种，在自动控制系统中，测速发电机的用途：用来测量和调节转速将其输出电压反馈到电子放大器的输入端以稳定转速。4.5.1 交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机分同步式和异步式两种，

51、本节只讨论异步式，其结构如图。它的定子上有两个绕组：一个做励磁用，称为励磁绕组1；另一个做输出电压，称为输出绕组2。4.5.1 交流测速发电机交流测速发电机发电机静止时，将励磁绕组接到交流电源上，励磁电压为V1，在励磁绕组的轴线方向产生一个交变脉动磁通1。由于脉动磁通与输出绕组的轴线垂直，输出绕组中并无感应电动势，输出电压为零。4.5.1 交流测速发电机交流测速发电机当测速发电机由被测转动轴驱动而旋转时，就有电压V2输出，其频率与励磁电压V1相同，大小与发电机的转速n成正比。通常测速发电机和伺服电动机同轴相联，通过发电机的输出电压就可测量或调节电动机的转速。4.5.1 交流测速发电机交流测速发电机测速发电机的输出电压是其转速的线性函数，这是测速发电机的主要特性。解释如下：当发电机旋转时，励磁绕组电压V1与其产生的脉动磁通1成正比，即满足：111144. 4NfV 4.5.1 交流测速发电机交流测速发电机nEIrr1转子电流Ir与其产生磁通r成正比，即：rrI 转子