第4章其它类型电动机

1、第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 在电动机的家族中除了三相异步电动机以外，还有在电动机的家族中除了三相异步电动机以外，还有许多其它类型的电动机广泛应用于各行各业，特别是一许多其它类型的电动机广泛应用于各行各业，特别是一些特种电机相继出现，极大地满足了实际需要。在这一些特种电机相继出现，极大地满足了实际需要。在这一章将介绍单相异步电动机、直线电动机、伺服电动机、章将介绍单相异步电动机、直线电动机、伺服电动机、步进电动机等的工作原理及应用。步进电动机等的工作原理及应用。 单相异步电动机：使用单相异步电动机：使用；特点：结构简单、成本低、使用方便特点：结构简单、成本低、使用方便其定子其定子。

2、功率：比较小，通常为几瓦功率：比较小，通常为几瓦 几百瓦几百瓦应用：家用电器、电动工具、医疗器械等方面应用：家用电器、电动工具、医疗器械等方面4.1第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机单相异步电动机单相异步电动机转子转子笼型结构笼型结构定子定子隐极式结构隐极式结构凸极式结构凸极式结构12344.14 笼型转笼型转 子绕组子绕组1 定子定子2 定子绕组定子绕组3 转子转子第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流交流电流 i 通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁通过定子绕组时，所产生

3、的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即磁场的大小随时间变化，而磁场的大小随时间变化，而 N、S 极始终在一个轴线上。极始终在一个轴线上。 4.1i+uZ1Z2单相绕组单相绕组 ti 0 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机x t0t1t2t34.1 由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流交流电流 i 通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的场，而是固定在空间

4、随时间按正弦规律变化的，即，即磁场的大小随时间变化，而磁场的大小随时间变化，而 N、S 极始终在一个轴线上。极始终在一个轴线上。 脉动磁场不能产生起动转矩，故不能脉动磁场不能产生起动转矩，故不能。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 单相异步电动机的转子电单相异步电动机的转子电流和电磁力流和电磁力 f 如图。如图。 当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为交变脉动磁场：在每一瞬间各点交变脉动磁场：在每一瞬间各点 分布为分布为正弦正弦；在不同瞬间各点在不同瞬间各点 分布为分布为驻波驻波。 可将驻波分解为两个幅值可将驻波分解为两个幅值相等、以同一转速向

5、相反方相等、以同一转速向相反方向旋转的磁通。向旋转的磁通。4.1第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.1nTT 合成转矩合成转矩 T = T + T TT +机械特性机械特性 n = f ( (T) 具有下列特点：具有下列特点： 当转速当转速 n = 0 时，转矩时，转矩T = 0，无起动转矩无起动转矩, 电动机电动机。 若转速若转速n 0，转矩，转矩T 0，电动机正转电动机正转; 若若n 0, T 0，电动机反转。电动机反转。 而单相而单相电动机电动机一经起动，一经起动，T T （或（或T T ）, ,在单在单相绕组作用下相绕组作用下, ,其合成电磁其合成电磁转矩转矩 T 0，它能沿着

6、某一，它能沿着某一个方向继续旋转下去。个方向继续旋转下去。 0第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.1分相式单相异步电动机设置了两个绕组：分相式单相异步电动机设置了两个绕组： 由三相异步电动机的旋转原理可知，应在单相异步由三相异步电动机的旋转原理可知，应在单相异步电动机起动时设法建立起旋转磁场，使其产生起动转矩。电动机起动时设法建立起旋转磁场，使其产生起动转矩。根据建立旋转磁场的方法，单相异步电动机可分为电容根据建立旋转磁场的方法，单相异步电动机可分为电容分相式、电阻分相式和罩极式等不同类型分相式、电阻分相式和罩极式等不同类型 。Z1Z2 工作绕组工作绕组 (或称主绕组或称主绕组)F1F

7、2 起动绕组起动绕组 (或称辅助绕组或称辅助绕组)两个绕组在空间相隔两个绕组在空间相隔90 放置放置通入绕组的电流在相位上相差接近于通入绕组的电流在相位上相差接近于90 这种情况称为分相，常用电容或电阻元件实现分相。这种情况称为分相，常用电容或电阻元件实现分相。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机工作工作绕组绕组Z1Z2IZQUCIFI 起动绕组起动绕组 F1F2 , 与工作绕组与工作绕组Z1Z2在空间相隔在空间相隔 90 , 并串联并串联电容器电容器 C，使二使二绕组中绕组中的电流相差约的电流相差约 90 , 即可即可产生旋转磁场。产生旋转磁场。 在电机起动后，有些在电机起动后，有些电动

8、机用离心开关电动机用离心开关S 断断开起动绕组开起动绕组F1F2。S4.1F1F2M1+IFIZIU 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机iZ tiF0 t = 0iZ= 0，iF为正值为正值iF = Imsin( t + 90 )iZ = Imsin tF2F1Z1Z2C t = 45iZ、iF均为均为正正值值F2F1Z1Z2 t = 90iZ为正值为正值，iF= 0F2F1Z1Z2n1uiFiZ4.1+第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机0 t4.1iZ tiF0iF = Imsin( t 90 )iZ = Imsin tiZiF 只要将起动绕组接电源只要将起动绕组接电源的两端的两

9、端 F1 、F2 对调即可。对调即可。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机工作工作绕组绕组Z1Z2IZQUIFI 工作绕组工作绕组Z1Z2电感量大，电阻电感量大，电阻小，而起动绕组小，而起动绕组F1F2的电阻大而电感量小，的电阻大而电感量小，因此两绕组中电流相因此两绕组中电流相位差接近于位差接近于90 ，从而，从而形成旋转磁场形成旋转磁场。 在电机起动后，电动机用在电机起动后，电动机用离心开关离心开关 S 断开起动绕组断开起动绕组 F1F2。4.1F1F2M1+相相量量图图UIFIZIS第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 空间相差空间相差120 角的三相绕组，通入对称三角的三相绕组，

10、通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周方向旋转了一周 ( 在空间旋转的角度为在空间旋转的角度为 360 )。4.1第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。罩极式单相异步电动机起动转矩较小，但结构罩极式单相异步电动机起动转矩较小，但结构简单、制造方便，常用于小型风扇及吹风机中。简单、制造方便，常用于小型风扇及吹风机中。4.1第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 电机的转向

11、为从磁极电机的转向为从磁极的未罩部分转向被罩部的未罩部分转向被罩部分分，方向不能改变。，方向不能改变。4.1 k 2 1in 2磁通相量图磁通相量图 1 2 k 2 在短路环中产生感应在短路环中产生感应电动势和感应电流，产电动势和感应电流，产生的磁通生的磁通 k 通过短路环通过短路环的总磁通的总磁通 2 与与 1 在时在时间上有相位差间上有相位差 角，在角，在空间又相隔一定角度，空间又相隔一定角度，因而能产生旋转磁场。因而能产生旋转磁场。若要改变方向，只能改变罩极的位置。若要改变方向，只能改变罩极的位置。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机由直线电动机构成的直线驱动装置现已获得广泛应用，

12、由直线电动机构成的直线驱动装置现已获得广泛应用，如磁悬浮列车、各种输送线、物料输送系统、冲压机、如磁悬浮列车、各种输送线、物料输送系统、冲压机、车床进刀机构、工作台运动、自动门和导弹鱼雷等等。车床进刀机构、工作台运动、自动门和导弹鱼雷等等。4.21840年，惠斯登制造了略具雏形但不成功的直线电机。年，惠斯登制造了略具雏形但不成功的直线电机。直线电动机经历了探索实验阶段（直线电动机经历了探索实验阶段（18401955年），年），开发应用阶段开发应用阶段( (19561970年年) )，实用商品阶段实用商品阶段( (1971年至今年至今),),至今已有至今已有160多年的历史。多年的历史。采用直线

13、电机来驱动直线运动装置，就可以省去中间采用直线电机来驱动直线运动装置，就可以省去中间转换机构，使整个装置简单、运行可靠、控制方便。转换机构，使整个装置简单、运行可靠、控制方便。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.2与旋转异步电动机相比，直线异步电动机具有以下与旋转异步电动机相比，直线异步电动机具有以下可直接产生直线驱动力，而不要任何转换装置；可直接产生直线驱动力，而不要任何转换装置；(2) 运行时不会受到离心力的作用而使速度受到限制；运行时不会受到离心力的作用而使速度受到限制；(3) 可直接产生直线电磁推力，其运动可以无机械接触可直接产生直线电磁推力，其运动可以无机械接触 (如磁悬浮列

14、车如磁悬浮列车)，大大减少了机械损耗，且噪音极小；，大大减少了机械损耗，且噪音极小；(4) 结构简单，散热效果较好，可用在一些特殊场合；结构简单，散热效果较好，可用在一些特殊场合；(5) 可以提供很宽的调速范围，从每秒几微米到数米。可以提供很宽的调速范围，从每秒几微米到数米。 效率和功率因数较低，原因是：效率和功率因数较低，原因是：气隙较大，故励磁气隙较大，故励磁电流较大，从而增加了损耗；电流较大，从而增加了损耗； 由于直线电机磁路是断由于直线电机磁路是断开的，边端效应导致损耗增加，但整个系统的效率较高。开的，边端效应导致损耗增加，但整个系统的效率较高。(2) 起动推力受电压的影响较大，故对电

15、源要求较高。起动推力受电压的影响较大，故对电源要求较高。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 直线异步电动机可认为是旋转异步电动机在结构上直线异步电动机可认为是旋转异步电动机在结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转异步电动机沿径向剖的一种演变，它可看作是将一台旋转异步电动机沿径向剖开，再将电机的圆周展开成直线就成了直线异步电动机。开，再将电机的圆周展开成直线就成了直线异步电动机。4.2笼型转子笼型转子(次级次级)定子定子(初级初级)由定子演变而来的一侧称为直线异步电动机的初级，由定子演变而来的一侧称为直线异步电动机的初级，由转子演变而来的一侧称为次级或动子。由转子演变而来的一侧称为次级或动

16、子。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 由于运行时初次级之间要做相对运动，如果运动开由于运行时初次级之间要做相对运动，如果运动开始时，初级与次级之间是对齐的，那么运动开始后，初始时，初级与次级之间是对齐的，那么运动开始后，初级与次级之间相互耦合的部分会越来越少，不能保持正级与次级之间相互耦合的部分会越来越少，不能保持正常运动。为了在它的行程范围内初级与次级之间的耦合常运动。为了在它的行程范围内初级与次级之间的耦合能保持不变，常将初级与次级做成不同的长度。通常做能保持不变，常将初级与次级做成不同的长度。通常做成初级短，次级长。成初级短，次级长。4.2初级初级次级次级 这种只有一个边的初级

17、结构形式的这种只有一个边的初级结构形式的直线电动机称为直线电动机称为。法向法向纵向纵向第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 单边直线电动机存在着一个缺陷：即在初级与次级单边直线电动机存在着一个缺陷：即在初级与次级之间存在一个很大的法向磁吸力，这个法向磁吸力为推之间存在一个很大的法向磁吸力，这个法向磁吸力为推力的力的10倍左右，这种吸力通常是不希望存在的，它阻碍倍左右，这种吸力通常是不希望存在的，它阻碍着电机的运动。着电机的运动。4.2次级次级初级初级初级初级 其解决的方法是在次级的两边都装上初其解决的方法是在次级的两边都装上初级，可以产生两个方向相反的吸力，从而使它们相互抵级，可以产生两个

18、方向相反的吸力，从而使它们相互抵消。这种形式称为消。这种形式称为。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机U1W2V1U2W1V2在三相绕组中通入三相正弦交流电流后，在气隙在三相绕组中通入三相正弦交流电流后，在气隙中产生磁场，与旋转电机分布相似，若忽略铁心两端断开引起中产生磁场，与旋转电机分布相似，若忽略铁心两端断开引起的端部效应，这个气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦形分布。的端部效应，这个气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，磁场作直线移动当三相电流随时间变化时，磁场作直线移动 (不是旋转不是旋转)，故称，故称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面为行波

19、磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度，并用上的线速度是一样的，称为同步速度，并用 v0 (m/s)表示。表示。 fPPfPnv26026026000 4.2 极距极距 (m) f 电源频率电源频率 (Hz)W2U1V1U2W1V2第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 实际上，直线异步电动机的次级通常采用整块金属板或实际上，直线异步电动机的次级通常采用整块金属板或复合金属板，在分析时可把它看成是很多导条的并列放置。复合金属板，在分析时可把它看成是很多导条的并列放置。这时产生的这时产生的电磁电磁推力由这些并联导条中的电流共同产生。推力由这些并联导条中

20、的电流共同产生。4.2U1W2V1U2W1V2 次级导体在行波磁场切割下，产生感应电动势和感应电次级导体在行波磁场切割下，产生感应电动势和感应电流，与气隙磁场相互作用便产生电磁推力流，与气隙磁场相互作用便产生电磁推力 。 在推力在推力的作用下，由于初级固定不动，次级就顺着行的作用下，由于初级固定不动，次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动，次级移动速度为波磁场运动的方向作直线运动，次级移动速度为 v (v v0 )。 为每极磁通为每极磁通I2 次级电流次级电流 2 次级功率因数角次级功率因数角 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 改变初级三相改变初级三相电流的相序电流的相序，行波磁场的移

21、动方向，行波磁场的移动方向将改变，次级的移动方向也随之改变，由此可使直线将改变，次级的移动方向也随之改变，由此可使直线电动机做往复直线运动。电动机做往复直线运动。 4.2U1W2V1U2W1V2次级速度可表示为次级速度可表示为 v = (1 s) v000vvvs 直线电动机的转差率直线电动机的转差率 s 为为 直线电动机处直线电动机处于运行状态时，于运行状态时，s 在在0 1之间。之间。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.2直线电动机初级绕组上应加的线电压直线电动机初级绕组上应加的线电压s = 1时的推力，如时的推力，如 10, 50, 100, 1000 N 等等通常为通常为 3、

22、4、5、6、9、12 m/s通常采用通常采用Y形接法形接法双边型初级绕组之间双边型初级绕组之间并联连接并联连接串联连接串联连接XY直线电动机；直线电动机； 100 额定推力额定推力 FN = 100N6 同步速度同步速度( (m/S) )； Cu 次级材料结构代号次级材料结构代号 2 次级厚度次级厚度(m)第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.2双边型初级绕组之间双边型初级绕组之间并联连接并联连接串联连接串联连接通常采用通常采用Y形接法形接法并联连接并联连接串联连接串联连接第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.2F/Nv/m/sv00b推力速度特性，即推力速度特性，即F = f (

23、v)，为曲线，为曲线 b。为便于分析问题，可采用近似曲线为便于分析问题，可采用近似曲线 。其近似推力公式为其近似推力公式为 fust1vvFFFFst 起动起动推力推力Fu 摩擦摩擦力力vf 空载速度空载速度可以看出，最大推力可以看出，最大推力 在在 v = 0 处，处， v F 。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.2F/NP/W0曲线表示了推力随输入功率增加而增大的线性关系。曲线表示了推力随输入功率增加而增大的线性关系。直线电动机的输出功率为直线电动机的输出功率为UL 定子的线电压定子的线电压 IL 定子的线电流定子的线电流输入功率为输入功率为 cos3LL1IUP 若效率为若效

24、率为 ，则输出机械功率，则输出机械功率 cos3LL1IUPP P = Fv第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 用直线电动机驱动的电动门，直线电动机的初级用直线电动机驱动的电动门，直线电动机的初级安装在大门门楣上，次级安装在大门上。当直线电动安装在大门门楣上，次级安装在大门上。当直线电动机的初级通电后，初级和次级之间由于气隙行波磁场机的初级通电后，初级和次级之间由于气隙行波磁场的作用，将产生一个平移的推力的作用，将产生一个平移的推力 ，该推力可将大门，该推力可将大门向前推进（开门），或将大门拉回（关门）。向前推进（开门），或将大门拉回（关门）。直线电动机初级直线电动机初级直线电动机次级直

25、线电动机次级4.2举一个例子说明直线电动机应用。举一个例子说明直线电动机应用。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.3永磁直流永磁直流电动机电动机定子定子 磁极是永久磁铁磁极是永久磁铁转子转子( (电枢电枢) )电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器磁极磁极 换向器换向器电枢电枢铁心铁心电枢电枢绕组绕组电刷电刷 电枢铁心开有槽孔，用于放置电枢铁心开有槽孔，用于放置电枢绕组。换向器是由彼此绝缘电枢绕组。换向器是由彼此绝缘的铜片构成，每一铜片均与电枢的铜片构成，每一铜片均与电枢绕组相连，在换向器表面用弹簧绕组相连，在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢压着固定的电刷，使转动的电

26、枢绕组与直流电源相接，从而有直流电绕组与直流电源相接，从而有直流电输入到电枢绕组中，以产生电磁转矩。输入到电枢绕组中，以产生电磁转矩。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.3电刷电刷换向器换向器UI ii 当导体当导体ab和和cd变换位置后，变换位置后， 由于换向器的作用，作用由于换向器的作用，作用 在电枢上的转矩方向不变。在电枢上的转矩方向不变。 在转矩作用下，电动机带在转矩作用下，电动机带 动轴上的机械负载旋转。动轴上的机械负载旋转。 在电刷在电刷A 、B间加入直流电压间加入直流电压 ，它与电枢绕组形成，它与电枢绕组形成 闭合回路，在电枢绕组中有电流闭合回路，在电枢绕组中有电流 流

27、过；流过； 根据左手定则可判断出：在根据左手定则可判断出：在 N 极下受力极下受力 向左，在向左，在 S 极下受力极下受力 向右，形成了逆向右，形成了逆时针方向转动的电磁转矩，驱时针方向转动的电磁转矩，驱动电机转子逆时针方向转动；动电机转子逆时针方向转动；第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.3T0n电磁转矩表达式电磁转矩表达式nnTCCRCUn 02Teae电枢回路的电压方程式电枢回路的电压方程式U = Ea + Ra I电枢绕组的感应电动势表达式电枢绕组的感应电动势表达式 Ea = Ce nT = CT I联立三个表达式，可得永磁联立三个表达式，可得永磁直流电动机的机械特性直流电动机

28、的机械特性 n0 理理想空载转速想空载转速 n 转速降转速降 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.3永磁直流电动机广泛应用在：永磁直流电动机广泛应用在：计算机外围设备、录像机、轿车等设备上。计算机外围设备、录像机、轿车等设备上。 永磁直流电动机的具有良好的调速特性；永磁直流电动机的具有良好的调速特性；结构简单、体积小、效率高。结构简单、体积小、效率高。T0nnnTCCRCUn 02Teae永磁直流电动机的机械特性永磁直流电动机的机械特性 调速：当改变调速：当改变直流电源直流电源电压电压 U 时，时， 电动机转速电动机转速 n 将随之变化。将随之变化。第第4章章 其它类型电动机其它类型电

29、动机前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为动力电机来使用的，主要任务是能量转换。动力电机来使用的，主要任务是能量转换。4.4 用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。对控制电机的要求是：对控制电机的要求是：可靠性高、精度高、响应速度快。可靠性高、精度高、响应速度快。 常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。 它们的功率一般小于它们的功率一般小于750W。本节重点介绍它

30、们的特点和工作原理。本节重点介绍它们的特点和工作原理。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4 伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可以改变伺服电动机的转速及转向。以改变伺服电动机的转速及转向。 对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动机能立即停止转动），能快速响应。机能立即停止转动），能快速响应。 伺

31、服电动机有直流和交流之分伺服电动机有直流和交流之分, ,交流伺服电动机是两交流伺服电动机是两相异步电动机。相异步电动机。直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同：直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同：直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦；直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦；交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。直流伺服直流伺服 电动机电动机定子定子转子转子( (电枢电枢)重量较轻，转动惯量小重量较轻，转

32、动惯量小 永磁式永磁式 磁极是永久磁铁磁极是永久磁铁电磁式电磁式 磁极是电磁铁磁极是电磁铁铁心铁心绕组绕组具有很好的快速响应特性具有很好的快速响应特性4.4第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机TCCRCUn2Teae 直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变，直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变，通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。 U1 U2 U3Tn10nT2n2n3U1U2U3电压电压U 越大，转速越大，转速 n 越高。越高。 对应某一负载转矩，电动机对应某一负载转矩，电动机有一始动电压。有一始动电压。4.4第第

33、4章章 其它类型电动机其它类型电动机（1）可控无自转）可控无自转 当控制电压当控制电压Uk= 0 时时, 转速转速 n = 0；（2）灵敏度高）灵敏度高 转速与转向随控制电压的大小和转速与转向随控制电压的大小和（4）功率小）功率小 通常为零点几瓦通常为零点几瓦 几十瓦；几十瓦；（5）运行稳定）运行稳定 n在在 ( (0 n0 之间连续稳定运行；之间连续稳定运行；（6）起动电压小）起动电压小 Ust = UN (3 。（3）响应快速）响应快速 由于转动惯量小，起动转矩大，由于转动惯量小，起动转矩大，交流伺服电动机的控制电压为交流电压交流伺服电动机的控制电压为交流电压, 特点为：特点为：所以电动机

34、起动快；所以电动机起动快；极性而改变；极性而改变；4.4第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机交流交流伺服伺服电动机电动机定子定子转子转子定子绕组定子绕组转子铁心转子铁心定子铁心定子铁心转子绕组转子绕组转轴转轴机座机座笼形转子笼形转子杯形转子杯形转子励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组4.4 特点：特点：笼型转子结构同普通笼型异笼型转子结构同普通笼型异步电动机，只是转子细而长，并采用高步电动机，只是转子细而长，并采用高电阻率的导电材料作导条，以获得较小电阻率的导电材料作导条，以获得较小的转动惯量和较大电阻。的转动惯量和较大电阻。 杯型转子可看成由无数导条并联而成。杯型转子可看成由无数导条并联而成

35、。两种转子伺服电动机的分析方法相同。两种转子伺服电动机的分析方法相同。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机当只当只在励磁绕组上加入交流电压在励磁绕组上加入交流电压转子转子 产生电流产生电流 if 产生产生脉振脉振磁场磁场 f 。ifik t04.4 当控制绕组也接入电源，即加上当控制绕组也接入电源，即加上控制电压控制电压, , 电流电流 ik 滞后滞后 if 90 产生产生的磁场的磁场 k 滞后滞后 f 90。因此因此可建立可建立起旋转磁场。这时电动机就可产生起旋转磁场。这时电动机就可产生起动转矩，转子也就转动起来了。起动转矩，转子也就转动起来了。 工作原理与单相异步电动机相似。工作原理与

36、单相异步电动机相似。控制绕组控制绕组励磁励磁绕组绕组ifQCikSfk电动机无起动转矩，转子不能转动。电动机无起动转矩，转子不能转动。 励磁绕组与励磁绕组与控制绕组在空间位置控制绕组在空间位置相差相差90。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。 有两点不同：有两点不同： 由于转子电阻大，使临界转差率由于转子电阻大，使临界转差率 sm= 1， 交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线；交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线；nTT TT +0 1nTT TT +01由机械特性

37、，加之转子的转动惯量小，使交流伺服由机械特性，加之转子的转动惯量小，使交流伺服电动机可以克服电动机可以克服“自转自转”。单相异步单相异步电动机电动机交流伺服电交流伺服电动机动机(sm=1)ss第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机T 与与伺服伺服电动机的转向相反，成为电动机的转向相反，成为，且转子，且转子转动惯量小，所以电动机能转动惯量小，所以电动机能立即停转立即停转。4.4 一旦控制电压消失，电动机应能立即停转。若电一旦控制电压消失，电动机应能立即停转。若电动机还继续转动，称这种现象为动机还继续转动，称这种现象为“自转自转”。 交流伺服电动机可以克服交流伺服电动机可以克服“自转自转”的原因

38、解释如下：的原因解释如下：由由交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线合成合成电磁转矩，电磁转矩，0.4UkNUkN0.8 UkN0.6UkNn0T0.8UkNnT0 1sa a第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4 ( (a) ) 幅值控制幅值控制 控制绕组电压和励磁绕组电压之间的相位控制绕组电压和励磁绕组电压之间的相位差保持不变，改变加在控制绕组上电压幅值的大小；差保持不变，改变加在控制绕组上电压幅值的大小； ( (b) )相位控制相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变其相位；保持控制电压的幅值不变，仅改变其相位； ( (c) ) 幅幅 - 相控制相控制 同时改变

39、控制电压的幅值和相位。同时改变控制电压的幅值和相位。 在三种控制方法中，幅值控制和相位控制方法都需要在三种控制方法中，幅值控制和相位控制方法都需要较复杂的装置，而幅值较复杂的装置，而幅值 - 相位控制方法所需设备简单，成相位控制方法所需设备简单，成本较低，因而是最常用的一种控制方法。本较低，因而是最常用的一种控制方法。 交流伺服电动机的控制电压交流伺服电动机的控制电压 Uk 可以控制电机转速的可以控制电机转速的大小和方向。在交流伺服电动机运行时，通常保持励磁绕大小和方向。在交流伺服电动机运行时，通常保持励磁绕组所接电压组所接电压Uf 的大小和相位不变，只改变控制绕组所加电的大小和相位不变，只改

40、变控制绕组所加电压压Uk的大小和相位，实现对交流伺服电动机的转速和转向的大小和相位，实现对交流伺服电动机的转速和转向的控制。的控制。主要有以下三种控制方法：主要有以下三种控制方法：第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机位置位置调节器调节器功率功率放大器放大器交流交流伺服伺服电动机电动机机械机械负载负载4.4位置指位置指令装置令装置位置反位置反馈装置馈装置位置随动位置随动系统框图系统框图 交流伺服系统常应用于位置随动系统中，如数控机床的交流伺服系统常应用于位置随动系统中，如数控机床的定位控制及加工轨迹控制、火炮的瞄准、雷达天线的跟踪等。定位控制及加工轨迹控制、火炮的瞄准、雷达天线的跟踪等。位置

41、指令装置位置指令装置 将希望的位移量转换成给定电信号；将希望的位移量转换成给定电信号；位置反馈装置位置反馈装置 将机械负载的实际位置转换成电信号；将机械负载的实际位置转换成电信号；比较环节比较环节 将位置信号与给定信号比较，得到偏差信号；将位置信号与给定信号比较，得到偏差信号；位置调节器位置调节器 保证系统稳定并具有满意的动态品质；保证系统稳定并具有满意的动态品质； 功率放大器功率放大器 控制伺服电动机，向消除偏差的方向旋转。控制伺服电动机，向消除偏差的方向旋转。 位置随动系统是一个位置反馈系统：位置随动系统是一个位置反馈系统：第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 步进电动机可将输入的电脉

42、冲信号转变成直线位步进电动机可将输入的电脉冲信号转变成直线位移或角位移，移或角位移，即每输入一个脉冲，步进电动机就转动一个即每输入一个脉冲，步进电动机就转动一个角度或前进一步。显然步进电动机的位移与输入脉冲的数角度或前进一步。显然步进电动机的位移与输入脉冲的数目成正比，它的速度与脉冲频率成正比。目成正比，它的速度与脉冲频率成正比。 反应式、永磁式、永磁反应式；反应式、永磁式、永磁反应式；单相、两相、多相。单相、两相、多相。本节只介绍反应式步进电动机的结构和工作原理。本节只介绍反应式步进电动机的结构和工作原理。速起动和制动的特点。被广泛用于数控机床、绘图机和自速起动和制动的特点。被广泛用于数控机

43、床、绘图机和自动记录仪表等场合。动记录仪表等场合。可以通过改变输入脉冲的频率进行调速，具有快可以通过改变输入脉冲的频率进行调速，具有快4.4第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机1324 转子转子定子定子AA C C B B 绕组绕组定子定子转子：有四个齿转子：有四个齿 (或多个齿或多个齿) 无磁性也无绕组无磁性也无绕组三对磁极三对磁极每对磁极上有一相绕组每对磁极上有一相绕组 磁极磁极定子和转子都由硅钢片叠成。定子和转子都由硅钢片叠成。 定子磁极上绕组的数目定子磁极上绕组的数目即是步进电动机的即是步进电动机的相数相数。 工作时将脉冲信号电压按工作时将脉冲信号电压按一定的顺序加到三相绕组一定的

44、顺序加到三相绕组A - A 、B - B 、C - C上。上。4.4第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机1324转子转子定子定子AA C C B B 绕组绕组磁极磁极三种运行方式：三种运行方式：tttuAAuBBuCC根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下A相相B相相C相相通电顺序：通电顺序：A-B-C-A-4.4 输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机1324转子转子定子定子AA C C B B 绕组绕组磁极磁极三种运行方式：三种运行方式：tttuAAuBBu

45、CC根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。通电顺序：通电顺序：AB-BC-CA-AB -4.4 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机1324转子转子定子定子AA C C B B 绕组绕组磁极磁极三种运行方式：三种运行方式：tttuAAuBBuCC根据绕组根据绕组通电通电的的顺序，步进电动机顺序，步进电动机有以下有以下输入绕组的脉冲信号电压波形，通电六次为一个循环输入绕组的脉冲信号电压波形，通电六次为一个循环。通电顺序：通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A-4

46、.4 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机1243A C C B B A C C B B AA C C B B AA124312434.4 定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：A-B-C-A 转子总是力图转到磁阻最小的位置。转子总是力图转到磁阻最小的位置。定子每个绕组通电一次，转子在空间转过定子每个绕组通电一次，转子在空间转过30 角。角。定子绕组通电三次完成一个循环定子绕组通电三次完成一个循环。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.41243A C C B B A C C B B AA C C B B AA12431243 定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：A-C-B-A 定子绕

47、组的通电顺序相反，转子的转向也相反定子绕组的通电顺序相反，转子的转向也相反。定子绕组通电频率的大小，决定转子转速的快慢定子绕组通电频率的大小，决定转子转速的快慢。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.41243A C C B B A C C B B AA C C B B AA12431243定子绕组通电顺序：定子绕组通电顺序：AB-BC-CA-AB 转子总是力图转到磁阻最小的位置。转子总是力图转到磁阻最小的位置。定子绕组每通电一次，转子在空间转过定子绕组每通电一次，转子在空间转过 30 角。角。 定子绕组每通电一次，转子在空间转过定子绕组每通电一次，转子在空间转过 15 角。角。定子绕组

48、通电六次完成一个循环定子绕组通电六次完成一个循环。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4 Z 齿数，齿数，N 拍数拍数 定子每输入一个脉冲，转子转过的角度称为步距角，定子每输入一个脉冲，转子转过的角度称为步距角，用用 表示，计算公式为表示，计算公式为转速单位转速单位 转转/分（分（r/min）f 输入脉冲的频率（输入脉冲的频率（Hz）第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机 小步距角步进电机是通过增加齿数来实现的。定子每个极上小步距角步进电机是通过增加齿数来实现的。定子每个极上也要相应地开几个齿，定转子上齿距相同。也要相应地开几个齿，定转子上齿距相同。ACABCB若若 Z = 40，三

49、相三拍，三相三拍 N = 3，则有则有4.4 3340360360NZ minr/50034010006060 NZfn若采用三相六拍若采用三相六拍 N = 6，则有则有 5 . 1640360360NZ minr/25064010006060 NZfn步距角步距角转速转速步距角步距角转速转速第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机环形环形分配器分配器功率功率放大器放大器步进步进电动机电动机负负载载输入脉冲输入脉冲： 决定步进电动机定子绕组通电顺序和电机转速。决定步进电动机定子绕组通电顺序和电机转速。： 分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作

50、为励磁电流送到步进电动机定子绕组。励磁电流送到步进电动机定子绕组。4.4方向指令方向指令 步进电动机的正常工作需要有一个驱动电源，为电机提供步进电动机的正常工作需要有一个驱动电源，为电机提供一定频率的脉冲信号，并按一定的通电顺序提供足够的功率。一定频率的脉冲信号，并按一定的通电顺序提供足够的功率。输入脉冲决定转动的速度，方向指令决定通电顺序输入脉冲决定转动的速度，方向指令决定通电顺序 (转向转向)。第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4（1）相数）相数 定子绕组的数目定子绕组的数目 （2）额定电压额定电压 通电时，每相定子绕组上的直流电压值通电时，每相定子绕组上的直流电压值（3）静态电

51、流静态电流 静态时供给电动机定子每相绕组的最大电流静态时供给电动机定子每相绕组的最大电流 （4）最大静转矩）最大静转矩 一相绕组通电时转矩的最大值一相绕组通电时转矩的最大值最大转矩最大转矩Tmax与负载转矩与负载转矩T2的关系为的关系为5 . 03 . 02maxTT （5）分配方式分配方式 步进电动机的通电运行方式步进电动机的通电运行方式 （6）步距角步距角 每输入一个脉冲时，转子转过的机械角度每输入一个脉冲时，转子转过的机械角度 （7）步）步距距角误差角误差 空载时实际步距角与理论步矩角之差，空载时实际步距角与理论步矩角之差， 是步进电是步进电动机的重要精度指标动机的重要精度指标第第4章章

52、 其它类型电动机其它类型电动机4.4（1）：步进电动机的转速直接受脉冲频率的影步进电动机的转速直接受脉冲频率的影 响，不会受响，不会受电源波动、负载变化及温度变化等外部条电源波动、负载变化及温度变化等外部条 件的影响。件的影响。 （2）：在一定频率范围内，能按要求起动、：在一定频率范围内，能按要求起动、运行、运行、 反转和停止，能在比较宽的范围内通过改变脉冲频率反转和停止，能在比较宽的范围内通过改变脉冲频率 进行调速。进行调速。 （3）：转子每转一圈后，累积误差等于零。：转子每转一圈后，累积误差等于零。 （4）：步进电动机不用负反馈就能实现高精度的角：步进电动机不用负反馈就能实现高精度的角 度和转速控度和转速控制，特别适用于开环控制系统，从而降低制，特别适用于开环控制系统，从而降低 了成本。但在定位精度要求很高时，也可用于闭环控了成本。但在定位精度要求很高时，也可用于闭环控 制系统。制系统。 第第4章章 其它类型电动机其它类型电动机4.4 步进电动机已成为很多数控系统中的主要执行元件。步进电动机已成为很多数控系统中的主要执行元件。 机床工作时，数控装置按照运行程序的数据和指令，机床工作时，数控装置按照运行程序的数据和指令，经过运算发出脉冲信号，驱动电源将