电机与机床电气控制项目4控制电机ppt课件

1、 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制项目项目4 4 控制电机控制电机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务4.1 步进电动机活动情境步进电动机是用于开环伺服系统中的驱动原件，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行器，如图4.1所示。步进电动机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比。通过控制脉冲频率、脉冲数量、电动机绕组通电相序，就可获得所需转速、转角及转向。任务要求了解步进电动机的分类和结构特点，理解其工作原理及运行特点，并能据此掌握步进电动机的参数选择和驱动控制模式。图4.1 步进电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制基本活动4.1.1

2、步进电动机（1步进电动机的分类步进电动机可从多角度分类，按工作原理分，通常分为反应式磁阻式）、永磁式和永磁反应式；按结构分，可分为单段式径向式）、多段式轴向式及印刷绕组式；按运动方式分，可分为旋转运动式、直线运动式、平面运动式及滚切运动式；按使用场合分，可分为功率式和控制式；按相数分，可分为三相、四相、五相、六相等。实践中反应式步进电动机应用较广泛。1反应式步进电动机反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机，它的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子有励磁绕组，绕组通电励磁产生反应力矩使转子转动。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制反应式步进电动机具有如下特点：对步进电动机的控制十分方

3、便。气隙小。步距角小。电动机内部阻尼较小。带惯性负载能力差，尤其在高速时容易失步。断电后无定位转矩。2永磁式步进电动机永磁式步进电动机的定子由软磁材料制成并有多对绕组，而转子上装有永磁铁制成的磁极。永磁式步进电动机具有如下特点：步距角大。控制功率小，效率高。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制内阻尼较大，单步振荡时间短。断电后具有一定的定位转矩。3永磁反应式步进电动机永磁反应式步进电动机又称混合式步进电动机。它在结构和性能上，兼有反应式和永磁式步进电动机的特点，既具有反应式步进电动机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控制功率小和低频振荡小的特点。（2步进电动机的结构与

4、工作原理这里仅以反应式步进电动机为重点，介绍步进电动机的工作原理。1径向式反应式步进电动机反应式步进电动机的定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的，定子上装有多相一般为三相星形连接的控制绕组，每对极组成一相绕组， 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制如图4.2a所示。步进电动机通电方式有以下3种：图4.2 反应式步进电机工作原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制单相轮流通电方式。双相轮流通电方式。单双相轮流通电方式。2多段反应式步进电动机前面介绍的反应式步进电动机是按径向分相的，这种电动机也称单段反应式步进电动机，它是目前步进电动机中使用最多的一种结构形式。反应式步进电动机

5、的另一种结构形式是接轴向分相的，称作多段反应式步进电动机。与径向分相不同，它的各相磁极是沿轴向排列的，定子和转子都分成多段图中为三段），每一段都用一组绕组励磁，形成一相。（3小步距角步进电动机一般简单结构的反应式步进电动机的步距角较大，若用于数控机床难以保证加工精度。因而，实际中采用的是小步距角的步进电动机。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.3 三段反应式步进电动机结构原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.4 小步距角的三相反应式步进电动机图4.5 定子、转子展开图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制为了便于说明电动机的工作原理，现沿圆周方向把电动机展

6、开成如图4.5所示的平面图。反应式步进电动机的转子齿数基本上由步距角z的要求所决定。当定子的相邻极属于不同的相时在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的1/m，即它们之间在空间位置上错开360/mz的角度。由此可得出转子齿数应满足的条件为 式中 2p步进电动机的定子极数； m步进电动机的相数； K正整数。通电方式采用三相六拍时，即按AABBBCCCAA顺序循环通电，同样步距角也要减少1/2，即每一脉冲仅转动1.5。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制若步进电动机通电的脉冲频率为f时，则步进电动机的转速为 4.1.2 步进电动机的运行特性及选用（

7、1步进电动机的运行特性1步距角如前所述，步进电动机每切换一次通电顺序称为一拍，每一拍所转过的角度称为一步，每步所转过的角度称为步距角，可按式4.3计算 式中 步距角； m步进电动机相数； z转子的齿数； 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 c状态系数，当采用单三拍或双三拍通电式时，c=1；而采用三相六拍通电方式时，c=2。 2最大静转矩Tjmax当步进电机不改变通电状态时，转子处于不动的状态称为静态。步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性。图4.6 静态转角特性矩角特性 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制曲线上的电磁转矩最大值称为最大静转矩Tjmax。它与通电状

8、态及绕组内电流的值有关。在一定通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。3空载启动突跳频率fq步/s）步进电动机在空载时由静止突然启动，进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，它是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。4空载运行频率fmax步/s）步进电动机在空载启动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率称作运行频率。它是步进电机的重要性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.7 步进电动机最大静转矩特性图4.8 启动频率与负载的关系 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制5启动矩频特

9、性当步进电动机带着一定的负载转矩启动时，作用在电动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来，只有当每步有较长的加速时间采用较低的脉冲频率时，电动机才能启动。6运行矩频特性运行矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。（2步进电动机的选用合理地选用步进电动机是伺服系统设计的一项重要工作。通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距角小，性能价格比高。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.9 90BF001启动矩频特性图图4.10 90BF001

10、运行矩频特性图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制实际选用时，必须全面考虑，在满足主要技术性能的前提下，综合考虑步进电机的参数。1步距角的选择图4.11为步进电机的驱动系统，在如图4.11a所示直线进给系统中，进给系统的脉冲当量为mm/脉冲），步进电动机的步距角为，它们之间的关系如下 在如图4.11b所示的圆周进给系统如数控转台），脉冲当量为，蜗杆为zk头，蜗轮为zw齿，则有 通常脉冲当量已在总体方案设计时，兼顾系统精度和速度要求确定。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.11 步进电动机驱动系统 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制2最大静态转矩Tjmax的选择选择

11、步进电动机时，首先，必须满足步进电动机的输出功率大于负载所需的功率。因而，应计算机械传动系统的负载转矩，且使步进电动机的转矩大于负载转矩，保证步进电动机可靠地运行。步进电动机的负载由切削力F和工作台运动时的摩擦力组成，负载转矩TF的计算公式为式中 F运动方向的阻抗切削力，N； 导轨摩擦系数； W工件及工作台质量，kg； 齿轮和丝杠的总效率； i齿轮传动比。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制计算出的负载转矩TF应满足： 对于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值，反之取小值。3启动频率fq的选择步进电动机在带负载启动时，其启动频率会降低。参照步进电动机的启动矩频特性，并留有一定余地来选

12、fq，具体步骤如下：先计算电动机轴上的等效负载转动惯量：式中 J1，J2齿轮的转动惯量，Nms2； J3丝杠的转动惯量，Nms2; 脉冲当量，mm/脉冲。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制然后进行负载启动频率fqF的估算：式中 fq空载启动频率，Hz； T启动频率下，由矩频特性决定的力矩，Nm； J电动机转子转动惯量，Nms2。若负载参数无法确定，则可按fqF=0.5fq估算。4运行频率fmax的选择选择步进电动机的连续运行频率fmax应能满足机床工作台最高运行速度的要求。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.1.3 4.1.3

13、步进电动机的驱动控制步进电动机的驱动控制从步进电动机的工作原理可知，必须使其定子励磁绕组顺序通电，并具从步进电动机的工作原理可知，必须使其定子励磁绕组顺序通电，并具有一定功率的电脉冲信号，才能使其正常运行，步进电动机驱动电路有一定功率的电脉冲信号，才能使其正常运行，步进电动机驱动电路亦称驱动电源就承担此项任务。步进电动机及其驱动电路是一有机的亦称驱动电源就承担此项任务。步进电动机及其驱动电路是一有机的整体。步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电路的综合结果。整体。步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电路的综合结果。（1 1环形分配器环形分配器环形分配器的主要功能是将数控装置的插补脉冲，按步

14、进电动机所要求环形分配器的主要功能是将数控装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或断开。因为步进电动机有正反转要求，环形分配器的输出又是可逆通或断开。因为步进电动机有正反转要求，环形分配器的输出又是可逆的。的。图图4.144.14是一个三相步进电动机按六拍方式通电的环形分配器原理图，其是一个三相步进电动机按六拍方式通电的环形分配器原理图，其工作状态见表工作状态见表4.34.3， 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.12 软件环形分配器 出版社电机与机床电气控制电

15、机与机床电气控制图4.13 软件环形分配器流程图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.14 三相六拍式通电的环形分配器原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制（2功率放大器由环形分配器输出的脉冲功率很小，需要进行功率放大，使脉冲电流达到110 A，才足以驱动步进电动机旋转。为使步进电动机有较大高频转矩，还应使功率放大电路能输出较大的高频电流。1单电压驱动电路单电压驱动电路的工作原理如图4.15所示。2高低压驱动电路高低压驱动电路的特点是供给步进电动机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电动机参数和晶体管特性决定，一般在80 V至

16、更高范围；另一种是低电压U2，即步进电动机组额定电压，一般为几伏，不超过20 V。该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有谷点见图4.17）。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.15 单电压驱动电路原理图图4.16 高低压驱动电路原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制3斩波驱动电路高低压驱动电路的电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降，为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，需采用斩波驱动电路。3种驱动电路电流波形如图4.17所示。斩波驱动电路的原理如图4.18所示。斩波驱动电路虽然复杂，但它的优点

17、比较突出：绕组的脉冲电流边沿陡，快速响应好。功耗小、效率高。输出恒定转矩。（3与数控装置的连接步进电动机驱动装置分为两类：一类是其本身包括环形分配器称为硬环分）， 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.17 3种驱动电路电流波形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.18 斩波驱动电路原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制数控装置只要发脉冲即可，每一个脉冲即对应电动机转过一个固定的角度；另一类是驱动装置没有环形分配器，环形分配需由数据装置中的计算机软件来完成称为软环分）。图4.19 硬件环形分配器驱动与数控装置的连接 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制

18、图4.20 软件环形分配器驱动与数控装置的连接任务 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.2 4.2 交流伺服电动机交流伺服电动机活动情境活动情境伺服电动机有直流和交流两大类。交流伺服电动机有直流和交流两大类。交流伺服电动机通常指两相交流伺服电动伺服电动机通常指两相交流伺服电动机输出功率较小，一般只有几十瓦。机输出功率较小，一般只有几十瓦。直流伺服电动机输出功率较大，一般直流伺服电动机输出功率较大，一般可达几千瓦。可达几千瓦。任务要求任务要求理解并掌握交流伺服电动机的性能要求、理解并掌握交流伺服电动机的性能要求、结构特点和工作原理，以及对应的控制结构特点和工作原理，以及对应的控制方式及

19、应用。方式及应用。图4.21 交流伺服电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制基本活动自动控制系统对交流伺服电动机提出的要求主要有以下几点：转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围较大；整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性；当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，要求无“自转现象； 控制功率要小，启动转矩应大；机电时间常数要小，启动电压要低。当控制信号变化时，反应快速灵敏。4.2.1 两相交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的结构主要可分为定子部分和转子部分。图4.22 两相绕组分布图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制定子铁芯由硅钢片叠压而成。定子上

20、绕有两个形式相同并在空间互差90的绕组，其中一个是励磁绕组f1f2，另一个是控制绕组k1k2。鼠笼型转子的结构和普通异步电动机的笼型转子相似，不过为了减小转子的转动惯量，需要做得细而长，鼠笼导条的材料采用高电导率的导电材料，如黄铜、青铜等，也可采用铸铝结构。图4.23 鼠笼型转子交流伺服电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制空心杯转子交流伺服电动机的结构如图4.24所示。图4.24 杯形转子交流伺服电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.2.2 4.2.2 交流伺服电动机基本工作原理交流伺服电动机基本工作原理图图4.254.25是交流伺服电动机的工作原理图，图是交流伺

21、服电动机的工作原理图，图4.254.25a a中中WeWe为励磁绕组，为励磁绕组，它由恒定电压的交流电源励磁。它由恒定电压的交流电源励磁。WcWc为控制绕组，一般由伺服放大器供电。为控制绕组，一般由伺服放大器供电。两个绕组在空间相差两个绕组在空间相差9090电角度。控制绕组所加的电压电角度。控制绕组所加的电压UcUc与励磁电压与励磁电压UeUe有有一定相位差，在理想的情况下，相位差角为一定相位差，在理想的情况下，相位差角为9090。两绕组中的电流在气隙。两绕组中的电流在气隙建立一个旋转磁场，转子导体切割此磁场产生感应电动势和电流，此电流建立一个旋转磁场，转子导体切割此磁场产生感应电动势和电流，

22、此电流再与磁场的相互作用而产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。再与磁场的相互作用而产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。4.2.3 4.2.3 交流伺服电动机的控制方式交流伺服电动机的控制方式交流伺服电动机控制方法有交流伺服电动机控制方法有3 3种：幅值控制、相位控制以及幅一相控制。种：幅值控制、相位控制以及幅一相控制。生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论幅值控制。这种控制方法是保持生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论幅值控制。这种控制方法是保持控制电压控制电压UcUc与励磁电压与励磁电压UeUe之间的相位差不变，并等于之间的相位差不变，并等于9090电角度，电角度， 出版社电机

23、与机床电气控制电机与机床电气控制图4.25 交流伺服电动机的工作原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制改变RP的大小，即可改变控制电压Uc的大小，可以得到图4.27所示的不同控制电压下的机械特性曲线族。图4.26 交流伺服电动机的控制接线原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.27 不同控制电压的n=fT曲线 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.2.4 4.2.4 交流伺服电动机特性交流伺服电动机特性对单相异步电动机，转子转起来之后，再断开启动绕组，转子仍可以继对单相异步电动机，转子转起来之后，再断开启动绕组，转子仍可以继续转动，但是对交流伺服电动机来说，

24、如果控制绕组的控制电压消失，续转动，但是对交流伺服电动机来说，如果控制绕组的控制电压消失，转子应能立即停转，而不允许伺服电动机有转子应能立即停转，而不允许伺服电动机有“自转现象存在。自转现象存在。图4.28 交流伺服电动机的机械特性 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.2.5 4.2.5 交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的应用交流伺服电动机在自动控制系统、自动检测系统和计算装置中主要作为执行交流伺服电动机在自动控制系统、自动检测系统和计算装置中主要作为执行元件。元件。在自动控制和位置控制之中，尤其是位置控制系统，可以实现远距离角度传在自动控制和位置控制之中，尤其是位置控制系统，可以

25、实现远距离角度传递，它的工作原理是将主令轴的转角传递到远距离的执行轴，命名为复现主递，它的工作原理是将主令轴的转角传递到远距离的执行轴，命名为复现主令轴的转角位置。令轴的转角位置。任务任务4.3 4.3 直流伺服电动机直流伺服电动机活动情境活动情境直流伺服电动机，通常用在功率稍大的直流伺服电动机，通常用在功率稍大的系统中，其输出功率为系统中，其输出功率为1600 kW1600 kW。根本。根本结构和工作原理与普通直流他励电动机结构和工作原理与普通直流他励电动机一样，不同点只是它做得要细长一些。一样，不同点只是它做得要细长一些。图4.29 直流伺服电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床

26、电气控制任务要求理解并掌握直流伺服电动机的控制方式、特性及应用。基本活动4.3.1 直流伺服电动机的控制方式直流伺服电动机控制方式有两种：一种是电枢控制；另一种是磁极控制。把电枢电压作为控制信号即采用改变电枢电压控制转速的方法称为电枢控制，把励磁绕组电压作为控制信号即改变励磁绕组电压控制转速的方法称为磁场控制或磁极控制。4.3.2 直流伺服电动机的特性电磁式就是他励式，因而，直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机机械特性公式相同，即 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 式中 Ue电枢控制电压； Ra电枢回路电阻； 每极磁通； K1，K2电动机结构常数。调节特性是指电磁转矩恒定时，

27、电动机的转速随控制电压变化的关系，即T=常数时，n=fU）。由式4.10便可画出直流伺服电动机的调节特性曲线，如图4.30所示，它们也是一组平行的直线。电枢控制式直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是一组平行的直线，与交流电动机的机械特性比较，前者的堵转转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬，缺点是有换向器，因而结构复杂，产生无线电干扰。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.30 电枢控制式直流电压 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.3.3 直流伺服电动机的应用直流伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，即在输入控制电压后，电动机能按控制电压信号的要求驱动工作机械。由伺

28、服电动机组成的伺服系统，通常采用两种控制方式：一是速度控制方式；二是位置控制方式。在此系统中，速度的给定量和反馈量都是以电压信号形式出现的。图4.31 速度控制原理框图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务4.4 力矩电动机活动情境力矩电动机是能够满足长时间低速运行甚至堵转要求的一种高性能电机，它是基于直流、异步和同步电动机的原理，按特殊设计要求而制成的，如图4.32所示。由于这一类电动机可以不经过齿轮减速而直接与负载连接，因此简化了机械结构，消除了齿轮减速传动引起的齿隙误差等，从而改善了机械特性和调节特性的线性度。图4.32 力矩电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气

29、控制任务要求理解并掌握力矩电动机的结构、特性及应用。4.4.1 永磁式直流力矩电动机的结构特点直流力矩电动机工作原理上属于永磁式直流伺服电动机，外形及尺寸与普通直流电动机有较大差别。图4.33 永磁直流力矩电动机的结构示意图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.4.2 直流力矩电动机转矩大、转速低的原因（1转矩大的原因设电枢铁芯体积不变，若电枢铁芯的直径增大一倍，则圆柱体的截面积增大为原来的4倍，即Sa=2r2=4r2，其长度可减少为原来的1/4。若电枢导体总数为N、导体有效长度为L、气隙平均磁通量密度为B、支路电流为i、电枢总电流为I、支路对数为a，在导体中电流密度不变即电流不变）

30、，则根据定义，电动机的电磁转矩T为 由式4.10可以看出，N越大，D越大，a越小，电磁转矩越大。若考虑NL的乘积基本不变时，T与D成正比，即电枢直径增大一倍，电磁转矩也增大一倍。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制（2转速低的原因设电枢每条支路的导体数为N/2a，则一条支路的感应电动势E为 式中 v电枢表面线速度，m/s； n电枢转速，r/min； U电枢两端电源电压，V。式4.11说明，在电源电压U一定时，n与D成反比。电枢直径越大，电动机理想转速就越低。4.4.3 直流力矩电动机的特点和应用因为在设计、制造上保证了电动机能在低速或堵转下运行，在堵转情况下能产生足够力矩而不损坏，有精

31、度高、反应速度快、线性度好等优点，所以，它常用在低速、需要转矩调节的随动系统中作为执行元件。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务4.5 小功率同步电动机活动情境小功率同步电动机具有转速不随负载和电压变化而变化的特性，依靠同步转矩运转的交流电动机，其转速与旋转磁场的转速同步。小功率同步电动机具有转速恒定、结构简单、应用方便的特点。任务要求理解并掌握永磁式同步电动机的结构、特性及应用。图4.34 同步电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制基本活动4.5.1 永磁式同步电动机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

32、铁芯槽中的鼠笼绕组，如图4.35所示。图4.35 永磁式同步电动机转子示意图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制永磁式同步电动机的工作原理与同步电动机是相似的，只是其转子磁通是永久磁铁产生的，如图4.36所示。图4.36 永磁式同步电动机工作原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制当同步电动机的定子绕组通以三相或两相包括单相电源经电容分相交流电流时，产生旋转磁场以Ns，Ss表示），以同步角速度逆时针方向旋转。维持转子旋转的电磁转矩是定子旋转磁场和转子永久磁铁磁场相互作用而产生的。4.5.2 永磁式同步电动的启动方法永磁式同步电动机启动比较困难。为了使永磁式同步电动机能自行启动

33、，在转子上一般都装有启动用的鼠笼绕组，如图4.35和图4.38所示。定子旋转磁场以0的速度逆时针方向旋转时，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像异步电动机那样启动起来，这跟转子励磁的大功率同步电动机完全相同。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.37 启动困难的原因图4.38 永磁式同步电动机的异步启动图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务4.6 测速发电机活动情境测速发电机是一种微型发电机，可将机械转速转换为相应的电压信号，如图4.39所示。因而在自动控制系统中用它作为测量转速信号的元件。

34、任务要求理解并掌握测速发电机的结构、特性及应用。基本活动在自动控制系统中，对测速发电机的主要要求是：电压与转速保持线性关系，即函数U=fn是一条直线，以达到较高的精确度；U=fn特性曲线的斜率要大，即转速变化所引起的电压变化要大，以满足灵敏要求； 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制温度变化引起的误差要小。图4.39 各种测速发电机外形图图4.40 异步交流测速发电机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制（1 1基本结构和工作原理基本结构和工作原理异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，如图异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，如图4.404.40所示所

35、示。为方便起见，杯形转子可看成是一个导条数目非常多的鼠笼转子。当励为方便起见，杯形转子可看成是一个导条数目非常多的鼠笼转子。当励磁电压磁电压UfUf一定时，一定时，1m1m基本不变因基本不变因Uf=4.44f1N11mUf=4.44f1N11m），故），故由由e2Pe2P产生的电流产生的电流i2pi2p也要产生一个脉动磁通也要产生一个脉动磁通22，其方向正好与输出绕组，其方向正好与输出绕组WCWC轴线重合，且穿过轴线重合，且穿过WCWC，所以就在输出绕组，所以就在输出绕组WCWC上感应出变压器电势上感应出变压器电势e0e0，其有效值其有效值E0E0与磁通与磁通22成正比，即成正比，即而而 将式

36、将式4.144.14及式及式4.124.12代入式代入式4.134.13），可得），可得 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制式4.15说明：在励磁电压Uf一定的情况下，当输出绕组的负载很小时，异步测速发电机输出电压U0与转子转速n成正比，如图4.41所示。图4.41 异步测速发电机的输出特性 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制（2 2主要技术指标主要技术指标剩余电压：指的是当测速发电机的转速为零时的输出电压。剩余电压：指的是当测速发电机的转速为零时的输出电压。线性误差：严格来说，输出电压和转速之间不是直线关系，由非线性线性误差：严格来说，输出电压和转速之间不是直线关系，由非线性

37、引起的误差称为线性误差，并规定由式引起的误差称为线性误差，并规定由式4.164.16决定：决定： 式中式中UmaxUmax实际输出特性和工程上选取的理想输出特性间输出电压实际输出特性和工程上选取的理想输出特性间输出电压的的 最大差值；最大差值； Umax Umax对应最大转速对应最大转速nmaxnmax的输出电压，如图的输出电压，如图4.424.42所示。所示。相位误差：指在规定的转速范围内，输出电压与励磁电压之间相位移相位误差：指在规定的转速范围内，输出电压与励磁电压之间相位移的变化量，一般要求交流测速发电机相位误差不超过的变化量，一般要求交流测速发电机相位误差不超过1 122。 出版社电机

38、与机床电气控制电机与机床电气控制图4.42 输出特性的线性度 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制输出斜率灵敏度）：指额定励磁条件下，单位转速1 000 r/min产生的输出电压。任务4.7 自整角机 活动情境自整角机是自动控制系统中的同步元件。利用两台或多台自整角机在电路上的联系，将转轴上转角变换为电信号，或将电信号变换为转轴的转角，可使相隔一定距离且机械上互不相连的两根或多根转轴保持同步旋转或产生相同的转角变化，以实现角度的传输、变换和接收。图4.43 各种自整角机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务要求理解并掌握自整角机的结构、分类及工作原理。基本活动自整角机按其

39、使用要求不同，可分为控制式自整角机和力矩式自整角机。根据相数不同，分三相和单相自整角机。4.7.1 自整角机的基本结构与直流电机相似，自整角机的结构主要分成两大部分，即定子和转子。为了使转子绕组和外电路连接，在转子上装有滑环和电刷装置。此外，还有分装式自整角机，其定子、转子是可以分开的，分别在现场安装固定。4.7.2 力矩式自整角机力矩式自整角机系统由两台自整角机组成，其接线图如图4.45所示。两台自整机中一台作为发送机，另一台作为接收机。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.44 自整角机结构图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.45 力矩式自整角机的接线图 出版社

40、电机与机床电气控制电机与机床电气控制（1基本工作原理当发送机和接收机各自的转子的励磁绕组通入同一单相交流电流时，两个绕组分别在各自的电机内产生脉动磁场，同时在各自的定子绕组中产生感应电动势。当发送机和接收机的定、转子之间的相对位置相同时，其定子对应相绕组中的感应电动势的大小和相位必然相同。定子电路内就不会有电流，因而，发送机和接收机均不会产生电磁转矩，转子不会自行转动，此时两机处于稳定的平衡位置。发送机转子偏离基准电气零位角度1与接收机转子偏离基准电气零位角度2之差，即=1-2 ，称为失调角。当失调角不等于零时，而接收机转子未动，此时发送机和接收机对应定子绕组中的电动势就不相等，也就不能互相抵

41、消，于是定子绕组回路中就有电流Iab1，Iab2，Iab3流过图4.45中只注明了Iab1）。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制（2 2应用举例应用举例图图4.464.46是力矩式自整角机在液位指示器中应用的一例。图中的浮子随液面是力矩式自整角机在液位指示器中应用的一例。图中的浮子随液面而升降，通过滑轮和平衡锤使自整角发送机转动。自整角发送机与接收机而升降，通过滑轮和平衡锤使自整角发送机转动。自整角发送机与接收机之间通过导线远距离连接。因为自整角接收机是随动的，所以它带动指针之间通过导线远距离连接。因为自整角接收机是随动的，所以它带动指针能准确地反映发送机转过的角度，从而实现了液位的

42、传递。能准确地反映发送机转过的角度，从而实现了液位的传递。4.7.3 4.7.3 控制式自整角机控制式自整角机为了提高远距离角传递系统的精度和负载能力，常使力矩式接收机的励磁为了提高远距离角传递系统的精度和负载能力，常使力矩式接收机的励磁绕组从电源断开，使其在变压器状态工作。这时，接收机输出的不是角位绕组从电源断开，使其在变压器状态工作。这时，接收机输出的不是角位移或旋转运动，而是与失调角有关的信号电压，这个小功率信号电压再通移或旋转运动，而是与失调角有关的信号电压，这个小功率信号电压再通过放大器放大，去推动伺服电动机。并经减速器与机械负载联系在一起。过放大器放大，去推动伺服电动机。并经减速器

43、与机械负载联系在一起。这种间接通过伺服电动机来达到同步联系的系统称为同步随动系统。这种间接通过伺服电动机来达到同步联系的系统称为同步随动系统。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.46 液位指示器的示意图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.47 控制式自整角机的接线图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.48为控制式自整角机在自动跟踪系统中应用的一个例子，它将自整角变压器输出绕组的输出电压经放大器3放大后，加到两相可调伺服电动机4的控制绕组K上，使伺服电动机转动，通过减速5使被控机械负载6及自整角变压器转子一起转动，直至负载偏转的角度与发送机偏转的角度相等

44、为止。图4.48 控制式自整角机应用实例任务 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制任务任务4.8 4.8 直线电动机直线电动机活动情境活动情境图4.49 直线电动机外形图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在交通运输、机械工业和仪器工业中，直线电动机已得到推广和应用。它为实现高精度、响应快和高稳定的机电传动和控制开辟了新的领域。任务要求理解并掌握直线电动机的分类、构造、工作原理及应用特点。基本活动原则上对于每一种旋转电动机都有其相应的直线电动机，故它种类繁多，但一般按工作原理来区分，可分为直线异步电动机、直线直流电动机和直

45、线同步电动机3种。4.8.1 直线异步电动机的结构直线异步电动机与鼠笼式异步电动机工作原理完全相同，两者只是在结构形式上有所差别。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.50a所示是直线异步电动机的结构示意图，它相当于把旋转异步电动机如图4.50b所示沿径向剖开，并将定、转子圆周展开成平面。直线异步电动机的定子一般是初级，而它的转子动子则是次级。图4.50 直线异步电动机的结构示意图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图4.51 平板型直线电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4.8.2 4.8.2 直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的工作原理直线异步电动机是由旋转电动机演变而来的，因而当初级的多相绕组通入直线异步电动机是由旋转电动机演变而来的，因而当初级的多相绕组通入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度BB按通电按通电的相序顺序作直线移动，该磁场称