单相异步电动机、步进电机 、伺服电动机

1、单相异步电动机、步进电机单相异步电动机、步进电机 、伺服电动机、伺服电动机7.1三相异步电动机三相异步电动机 7.1.1三相异步电动机的结构和转动原理三相异步电动机的结构和转动原理 7.1.2三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的转矩与机械特性 7.1.3三相异步电动机的铭牌与技术数据三相异步电动机的铭牌与技术数据 7.1.4三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用7.2 单相异步电动机单相异步电动机 7.2.1 分相式单相异步电动机分相式单相异步电动机 7.2.2 罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机7.3 直流电机直流电机 7.3.1 直流电机的结构及工作原理直流电机的结构及工

2、作原理 7.3.2 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 7.3.3 直流电动机的调速直流电动机的调速 7.3.4 直流电动机的使用直流电动机的使用7.4 控制电机控制电机 7.4.1步进电机步进电机 7.4.2伺服电机伺服电机7.2 单相异步电动机单相异步电动机一、一、 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理结构：结构：定子放单相绕组（通定子放单相绕组（通220V单相交流电）单相交流电） 转子一般用鼠笼式。转子一般用鼠笼式。定子定子转子转子定子定子绕组绕组1it220V1i NS 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和

3、左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流正半周在电流负半周在电流负半周？转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动。向继续转动。其原理分析如下：其原理分析如下： 定子绕组产生的脉动磁场（定子绕组产生的脉动磁场（ ），可用），可用正、反两个正、反两个旋转磁场合成而等效。即：旋转磁场合成而等效。即：- + -t m = + -= m/2脉动磁场的分解脉动磁场的分解 - + + - 02s121ss1T2T正反向旋转磁场的合成转矩特

4、性正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩合成转矩s起动转矩起动转矩为零。为零。01s22s21s（正向）（正向）（反向）（反向）正正转转转转反反电容分相式起动电容分相式起动二、单相异步电动机的起动二、单相异步电动机的起动KDU1I2ICWSTW: 主绕组（工作绕组）主绕组（工作绕组）ST：启动绕组：启动绕组K：离心开关：离心开关AXAXWSTAXAXKDU1I2ICWSTU1I2I12接近接近90电容分相式单相异步电容分相式单相异步 电动机起动原理电动机起动原理1it2iKDU1I2ICWSTAXAXWSTAXAXt=t0 NS1it2it=t0WSTAXAXNSt=t1 磁场逆时针磁场逆时针方

5、向旋转方向旋转WSTAXAX NSt=t0t=t11it2it=t0启动时开关启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约闭合，使两绕组电流相位差约为为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理工作原理KDU1I2ICWSTAXAX罩极式单相电机罩极式单相电机定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环 定子通入电流以后，部分磁定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻感应电流

6、。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。转磁场，使转子转起来。 图中电机的转动方向：顺时针图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。磁通领先。 单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手

7、电钻）、医用器械、自动化仪表等。工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。 三、单相电机的使用三、单相电机的使用1. 单相电机的反转（用于洗衣机、手电钻等）单相电机的反转（用于洗衣机、手电钻等）（1）用开关切换电容串接的位置）用开关切换电容串接的位置（2）用开关改变工作绕组（或起动绕组）的极性）用开关改变工作绕组（或起动绕组）的极性2. 单相电机的调速（有级调速，用于电风扇）单相电机的调速（有级调速，用于电风扇）（1）电源中串接电抗器）电源中串接电抗器（2）绕组抽头）绕组抽头三相异步电动机的单相运行三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电三相异步电动机在运行过程中，

8、若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。必须赶快排除故障。 前面介绍的异步电动机

9、、直流电动机等都是作为前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。转换为机械能。本章介绍控制电机。 7.4 控制电机控制电机如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速； 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。 控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的种类很多，本节主要介绍控制电机的种类很多，本节主要介绍步进电机和伺服电步进电机和伺服电机。机。 对控制电机的主要要求：对

10、控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。7.4.1 步进电机步进电机机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变

11、方向。电子表中的“步进电机”纽扣电池电路板石英晶体振荡器电磁铁（步进电机）齿轮机构种类种类： 有永磁式和反应式两种：有永磁式和反应式两种： 永磁式永磁式转子用永久磁铁转子用永久磁铁 反应式反应式转子用硅钢片叠成转子用硅钢片叠成应用：应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。绘图仪等设备中都得到应用。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。工作原理。一一 结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构

12、成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组反应式步进机反应式步进机 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC二二 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三

13、相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。（一）（一） 三相单三拍三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 ABC（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原

14、有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412三相单三拍三相单三拍CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相相通电位置通电位置顺时针顺时针方向转方向转30 ；1C342CABBACABBCA3412C相通电再转相通电再转30 A相通电相通电B相通电相通电C相通电相通电 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周

15、期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为步距角，。此角称为步距角，用用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。电顺序即可改变转向。AB C A 顺时针方向旋转AC BA 逆时针方向旋转ABC（二）（二） 三相单双六拍三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。1 2 3 4 5 6 1ABC1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

16、 ABC1 2 3 1 2 3三相单三拍三相单三拍三相单双六拍（续）三相单双六拍（续）三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电相通电转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412CABBCA3412AB相通电相通电ABAB齿对转子都有拉力齿对转子都有拉力所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同

17、时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。CABBCA3412A、B相同时通电相同时通电 AABBBCCCAA 顺时针方向旋转顺时针方向旋转 AACCCBBBAA 逆时针方向旋转逆时针方向旋转（三）（三） 三相双三拍三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CA

18、BBCA3412CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲时，每通入一个电脉冲，转子也是转，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412三三 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转

19、为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿个磁极，但每个磁极上也有五个齿转子有转子有40齿齿定子定子6个极，每极个极，每极有有5个齿个齿CC BB AA 转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。CC BB AA 120含有31139/120齿 这样，这样，A通电后，通电后，A磁极上的齿与转子上磁极上的齿与转子上的齿对齐。但是，的齿对齐。但是， B磁极上

20、的齿与转子上磁极上的齿与转子上的齿错开的齿错开1/3齿距，即齿距，即相差相差3 A断电断电B通电后，通电后，转子只需顺时针转动转子只需顺时针转动3 ，B磁极上的齿就可与转磁极上的齿就可与转子上的齿对齐。子上的齿对齐。工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A

21、相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进机的转动方向仍由相序决定。步进机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使）

22、，使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角。步距角。如：如：ZR=40 , m=3 时时3340360Sm: 一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数：转子齿数mZSR360步距角步距角如：如：ZR=4 , m=3 时时3034360S步进电机转速ABCT设每步时间为T，则步进速率为：Tf1 转速转速:36060sfn转子转过一圈所用时间为：TRmT转子转速为：(r/min)36060(r/min) 36060(r/s) 1ssRffmTZnmZSR360步距角步距角7.4.2 伺服电动机伺服

23、电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机。交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类伺服电动机分类： 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化变化。伺服电动机的作用伺服电动机的作用一一 交流伺服电动机交流伺服电动机 原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔励磁绕组

24、和控制绕组在空间相隔90 。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋的目的是为了产生两相旋转磁场。转磁场。接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2IU 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。场的作用下，转子便转动起来。 1UCU1I1U例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电例：

25、选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。流的相量关系如图所示。励磁绕组的接线励磁绕组的接线UCU1I1U放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U2IU 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。的作用下，转子转动起来。1I2I控制电压控制电压 与与电源电压电源电压 两两者频率相同，相者频率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU（1）U2= 0 = 0 时，转子停止。时，转子停止。这时，虽然这时，虽然U2 =

26、 =0V，U1仍存在，似乎成单仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。相运行状态，但和单相异步机不同。若单若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。所以设计得较大。所以在在U2=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下曲线如下页图：页图： 当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距的转距T 、T 的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同。合与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，时，能立即停止，体现了控制信号的作用能立即停止，体现了控制信号的作用( (有控制电压时有控制电压时转动，无控制电压时不转转动，无控制电压时不转) )，以免失控。，以免失控。交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）sT210sTTT021反转反转正转正转（3 3）控制电压）控制