第4章 控制电动机

1、第第4章章控制电动机控制电动机传动电机：传动电机：主要用来完成主要用来完成能量的变换能量的变换，具有较高的力能指标；，具有较高的力能指标；控制电机：控制电机：主要用来完成主要用来完成控制信号的传递和变换控制信号的传递和变换，要求技术性，要求技术性 能稳定可靠、动作灵敏、精度能稳定可靠、动作灵敏、精度 高、体积小、重量轻、高、体积小、重量轻、 耗电少。耗电少。 控制电机一般用于自动控制、自动调节、远距离测量、随控制电机一般用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件

2、，根据它在自动控制系统中控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为的职能可分为测量元件测量元件、放大元件放大元件、执行元件执行元件和和校正元件校正元件四类。四类。控制电机一般是小功率电机。控制电机一般是小功率电机。第第4章章控制电动机控制电动机4.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，其最大特点是伺服电动机又称执行电动机，其最大特点是可控可控。 与普通电动机相比具有如下特点：与普通电动机相比具有如下特点： （1）调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变）调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变而改变，能在很广的范围内连续调节；而改变，能在很广的

3、范围内连续调节； （2）转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转；）转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转； （3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。）控制功率小，过载能力强，可靠性好。 根据使用电源的不同，伺服电动机有根据使用电源的不同，伺服电动机有直流伺服电动机直流伺服电动机和和交交流伺服电动机流伺服电动机.第4章 控制电动机 （a）直流伺服电动机）直流伺服电动机 （b）交流伺服电动机及其驱动器）交流伺服电动机及其驱动器伺服电动机伺服电动机第第4章章控制电动机控制电动机4.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机1两相交流伺服电动机结构两相交流伺服电动机结构定子：励磁绕组定子：励磁绕组 WF，控制绕

4、组，控制绕组 WC转子：鼠笼转子（细长），或非磁性杯形转子转子：鼠笼转子（细长），或非磁性杯形转子第第4章章控制电动机控制电动机 1外定子铁芯；外定子铁芯；2杯形转子；杯形转子；3内定子铁芯；内定子铁芯；4转轴；转轴；5轴承；轴承；6定子绕组定子绕组非磁心空心杯转子两相交流伺服电动机的结构非磁心空心杯转子两相交流伺服电动机的结构 第第4章章控制电动机控制电动机两相交流伺服电动机的特点和应用两相交流伺服电动机的特点和应用河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 (1) 当两相绕组分别加上相位相差当两相绕组分别加上相位相差

5、90o 的额定电压时。的额定电压时。 对称两相运行对称两相运行 ic 和和 if 产生产生 圆形旋转磁场圆形旋转磁场产生产生 T 转子旋转。转子旋转。 如果如果 uc 反相，即改变反相，即改变 ic 和和 if 的相序的相序旋转磁场改变方向旋转磁场改变方向 n 的方向改变。的方向改变。 同时减小同时减小 uc 和和 uf 而保持其而保持其 90o 的相位差的相位差圆形磁通势圆形磁通势 的幅值的幅值 T n 。2.2.两相交流伺服电动机的工作原理两相交流伺服电动机的工作原理 Uf SM 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 Uc cfIcIf河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第

6、第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 (2) 当当 uc = 0电动机处在单相状态电动机处在单相状态脉振磁通势脉振磁通势 F0 。 静止时：静止时：n = 0， F0FFFRTFTRT = TFTR TF = TR，T = 0，不能起动；，不能起动； 正在运行时：正在运行时： T 0，转子继续旋转，转子继续旋转 单相自转！单相自转！ (3) Uf = UN，UcUN 且保持相位差为且保持相位差为 90o 时，时， 或者或者 Uf = Uc = UN 但两者的相位差小于但两者的相位差小于 90o 时。时。 电动机处在不对称运行状态，将产生一个椭圆形旋转电动机处在不对称运行状

7、态，将产生一个椭圆形旋转磁通势。磁通势。河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 问题：问题： 当控制电压减到零时，此时相当于运行中的单相异步电动机，电机当控制电压减到零时，此时相当于运行中的单相异步电动机，电机一但转动起来不会停下来，称为一但转动起来不会停下来，称为“单相自转单相自转”，这是交流伺服电动机不，这是交流伺服电动机不允许的。允许的。解决方法：解决方法：使转子具有较大电阻。使转子具有较大电阻。0n(s)TT+T-Tn0s=0nT0eU6 . 0eU4 .0eU8 . 0eU控制电压为零特性控制电压为零特性 控

8、制电压不为零特性控制电压不为零特性河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 uc=0时，只有励磁绕组通电，则电动机时，只有励磁绕组通电，则电动机将以单相感应电动机形式运行。励磁绕组将以单相感应电动机形式运行。励磁绕组产生的脉动磁场可以分解为大小相等、转产生的脉动磁场可以分解为大小相等、转速相同、转向相反的两个圆形旋转磁场速相同、转向相反的两个圆形旋转磁场（分别称为正向旋转磁场和反向旋转磁（分别称为正向旋转磁场和反向旋转磁场），如果电动机的同步转速为场），如果电动机的同步转速为ns，转子转，转子转速为速为n，则转子相对于正

9、向旋转磁场的转差，则转子相对于正向旋转磁场的转差率为率为ss()snnns转子相对于反向旋转磁场的转差率为转子相对于反向旋转磁场的转差率为sssss2()22nnnnnsssnn河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 电动机的总电磁转矩为这两个转矩之差，即合成转矩电动机的总电磁转矩为这两个转矩之差，即合成转矩2()Tf s正、反向旋转磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁正、反向旋转磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁转矩分别为转矩分别为T1，T21()Tf s12TTT（a）转子电阻较小）转子电阻较小 （b）增大转子电

10、阻至）增大转子电阻至Sm1河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 3.3.控制特性控制特性（1 1）幅值控制）幅值控制 通过改变控制电压的通过改变控制电压的幅值来改变电机速度。幅值来改变电机速度。而控制电压与励磁电压而控制电压与励磁电压的相位与差始终保持在的相位与差始终保持在90900 0。 在一定的负载转矩下，在一定的负载转矩下，控制电压越高，电动机控制电压越高，电动机的转速就越高，反之转的转速就越高，反之转速越低。速越低。幅值控制接线图幅值控制接线图 河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章

11、 控制电动机控制电动机机电传动与控制机电传动与控制 3.3.控制特性控制特性（2 2）相位控制）相位控制 保持控制电压的幅保持控制电压的幅值不变，改变控制电压值不变，改变控制电压的相位，电机的速度也的相位，电机的速度也相应改变。控制电压与相应改变。控制电压与励磁电压的相位差增大，励磁电压的相位差增大，转速增大。相位差为零转速增大。相位差为零时，电动机转速为零。时，电动机转速为零。（3 3）幅）幅- -相控制相控制 同时改变幅值与相位同时改变幅值与相位来达到改变转速的目的。来达到改变转速的目的。幅值幅值-相位控制接线图相位控制接线图 第四章 控制电动机4.1.2 直流伺服电动机直流伺服电动机1直

12、流伺服电动机种类和特点直流伺服电动机种类和特点（1）按结构分类）按结构分类n传统型传统型与普通小型直流电动机相同，也是由定子、转两大部分组与普通小型直流电动机相同，也是由定子、转两大部分组成的，只是它的容量与体积较小。成的，只是它的容量与体积较小。 n低惯量型低惯量型具有时间常数小、响应速度快的特点具有时间常数小、响应速度快的特点 。第四章 控制电动机1直流伺服电动机种类和特点直流伺服电动机种类和特点 （2）按励磁方式分类）按励磁方式分类n电磁式电磁式 电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产产 生，可分为他励、并励、串励和复励四种。生

13、，可分为他励、并励、串励和复励四种。n永磁式永磁式 永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无须励永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无须励磁绕组和励磁电流。磁绕组和励磁电流。第四章 控制电动机图4-2第四章 控制电动机2运行原理运行原理 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。性公式相同。 改变电枢电压或改变磁通都可以控制直流伺服电动机的转改变电枢电压或改变磁通都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，前者称为速和转向，前者称为电枢电压控制法电枢电压控制法，后者称为，后者称为励磁磁场控制励磁磁场控制法法。a02eem

14、URnTnTKK K第四章 控制电动机3静态特性静态特性直流伺服电动机的静态特性主要指机械特性与调节特性。直流伺服电动机的静态特性主要指机械特性与调节特性。1）机械特性）机械特性a0eUnKmkaKTUR02kemnRTK Ka02eemURnTnTKK K第四章 控制电动机4直流伺服电动机的使用原则直流伺服电动机的使用原则 电磁式直流伺服电动机在启动时首先要接通励磁电源，然电磁式直流伺服电动机在启动时首先要接通励磁电源，然后再加电枢电压，以避免电枢绕组因长时间流过大电流而后再加电枢电压，以避免电枢绕组因长时间流过大电流而烧坏电动机。烧坏电动机。 在电磁式直流伺服电动机的运行过程中，绝对要避免

15、励磁在电磁式直流伺服电动机的运行过程中，绝对要避免励磁绕组断线，以免造成电枢电流过大和绕组断线，以免造成电枢电流过大和“飞车飞车”事故。事故。 永磁式直流伺服电动机的性能很大程度上取决于永磁材料永磁式直流伺服电动机的性能很大程度上取决于永磁材料的优劣。在安装和使用这类电动机时，要注意防止剧烈的的优劣。在安装和使用这类电动机时，要注意防止剧烈的振动和冲击，否则容易引起永磁体内部磁畴排列的混乱，振动和冲击，否则容易引起永磁体内部磁畴排列的混乱，使永磁体退磁。另外，电动机应尽量远离热源，因为有些使永磁体退磁。另外，电动机应尽量远离热源，因为有些永磁材料的温度系数较高，其磁性能易受温度变化的影响。永磁

16、材料的温度系数较高，其磁性能易受温度变化的影响。第四章 控制电动机4.1.3 两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较1机械特性和调节特性机械特性和调节特性 直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。 两相交流伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，两相交流伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化，这些都且其线性化机械特性的斜率随控制电压的变化而变化，这

17、些都将影响系统的动态精度将影响系统的动态精度 。2体积、重量和效率体积、重量和效率 当输出功率相同时，两相交流伺服电动机要比直流伺服电当输出功率相同时，两相交流伺服电动机要比直流伺服电动机的体积大、重量重、效率低，则它只适用于功率为动机的体积大、重量重、效率低，则它只适用于功率为0.5100W的小功率系统，对于功率较大的控制系统，则较多地采的小功率系统，对于功率较大的控制系统，则较多地采用直流伺服电动机。用直流伺服电动机。第四章 控制电动机4.1.3两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较3动态响应动态响应 动态响应的快速性常以机电时间常数来衡量

18、。由于直流伺动态响应的快速性常以机电时间常数来衡量。由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，所以其转动惯量要比服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，所以其转动惯量要比两相交流伺服电动机大得多。但由于直流伺服电动机的机械特两相交流伺服电动机大得多。但由于直流伺服电动机的机械特性比两相感应伺服电动机硬得多，直流伺服电动机的机电时间性比两相感应伺服电动机硬得多，直流伺服电动机的机电时间常数比交流伺服电动机的机电时间常数大得不多，但在带较大常数比交流伺服电动机的机电时间常数大得不多，但在带较大负载时，直流伺服电动机的机电时间常数就要比交流伺服电动负载时，直流伺服电动机的机电时间常数就要比交流伺服电

19、动机的机电时间常数小。机的机电时间常数小。4“自转自转”现象现象 对于两相交流伺服电动机而言，若参数选择不当或制造工对于两相交流伺服电动机而言，若参数选择不当或制造工艺不良，可能会使电动机（在单相状态下）产生艺不良，可能会使电动机（在单相状态下）产生“自转自转”现象，现象，而直流伺服电动机却不存在该问题。而直流伺服电动机却不存在该问题。第四章 控制电动机4.1.3两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较两相交流伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较5结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰等结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰等 电刷和换向器的存在给直流伺服电动机带来了一系列问题，电刷和换向器的

20、存在给直流伺服电动机带来了一系列问题，如电动机结构复杂，而且维护比较麻烦。如电动机结构复杂，而且维护比较麻烦。 两相交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使两相交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 主要特点：主要特点： 能长期处于堵转状态下工作。能长期处于堵转状态下工作。 低转速、高转矩。低转速、高转矩。 反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定性好。反应速度快、机械特性线性度好、低速稳定

21、性好。 用途：用途： 用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。用于对位置、速度的控制精度要求较高的系统。河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 4.2.1 永磁式直流力矩电动机的永磁式直流力矩电动机的结构特性结构特性N SN SN SN SN SN SN SN SN SN S刷架环刷架环 转子绕组转子绕组 电刷电刷 结构结构特点特点 扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。扁平形，带槽的定子圆盘中嵌入永磁体。 有分

22、装式和内装式两种结构形式。有分装式和内装式两种结构形式。转子铁心转子铁心 定子定子 河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 直流力矩电动机的定子与转子直流力矩电动机的定子与转子第四章 控制电动机4.2.2 直流力矩电动机的特点直流力矩电动机的特点 由于直流力矩电动机与其他伺服电动机在结构上有较大不由于直流力矩电动机与其他伺服电动机在结构上有较大不同，所以它有以下优点：同，所以它有以下优点： （1）具有高的力矩惯量比，使系统加速能力得以提高；）具有高的力矩惯量比，使系统加速能力得以提高； （2）可直接耦合传动，省去了齿轮传动

23、链，消除了齿隙误）可直接耦合传动，省去了齿轮传动链，消除了齿隙误差，提高了系统精度；差，提高了系统精度； （3）反应速度快，线性度好，结构紧凑。）反应速度快，线性度好，结构紧凑。 直流力矩电动机的特点主要体现在以下两个方面。直流力矩电动机的特点主要体现在以下两个方面。 （1）转矩大）转矩大aa222BI NlDDTNFNBI lD第四章 控制电动机4.2.2 直流力矩电动机的特点直流力矩电动机的特点（2）转速低）转速低导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电动势为导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电动势为 设一对电刷间的并联支路数为设一对电刷间的并联支路数为2，则，则N/2根导体串联后总的

24、根导体串联后总的感应电动势为，且在理想空载条件下，外加电压与相平衡，因感应电动势为，且在理想空载条件下，外加电压与相平衡，因此有：此有：aeBlv60Dnv aa0120UENBl Dna0120UnNBlD第四章 控制电动机4.3 小功率同步电动机小功率同步电动机 小功率同步电动机仍属于交流电动机，其结构仍由定子和小功率同步电动机仍属于交流电动机，其结构仍由定子和转子两部分组成。根据转子机械结构或转子材料的不同，小功转子两部分组成。根据转子机械结构或转子材料的不同，小功率同步电动机又分成永磁式、磁阻式和磁滞式等率同步电动机又分成永磁式、磁阻式和磁滞式等 。4.3.1 永磁式同步电动机永磁式同

25、步电动机1基本结构基本结构 永磁式同步电动机包括定子和永磁式同步电动机包括定子和转子两部分。定子部分与一般同步转子两部分。定子部分与一般同步电动机的定子相同，定子铁芯通常电动机的定子相同，定子铁芯通常由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组。转子主要由两部分嵌入交流绕组。转子主要由两部分构成：用来产生转子磁通的永久磁构成：用来产生转子磁通的永久磁铁和置于转子铁芯槽中的鼠笼绕组。铁和置于转子铁芯槽中的鼠笼绕组。转子示意图转子示意图第四章 控制电动机4.3.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机2工作原理工作原理 图4-12 永磁式同步电动机的工作原理 定子绕组通以三

26、相或两相定子绕组通以三相或两相交流电流时，产生旋转磁场。交流电流时，产生旋转磁场。根据两异性磁铁互相吸引的原根据两异性磁铁互相吸引的原理，定子磁场的理，定子磁场的N极（或极（或S极）极）吸住转子永久磁铁的吸住转子永久磁铁的S极（或极（或N极），以同步角速度在空间旋极），以同步角速度在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转，即转子和定子磁场同步旋转。维持转子旋转的电磁转矩转。维持转子旋转的电磁转矩是由定子旋转磁场和转子永久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。磁铁磁场相互作用而产生的。第四章 控制电动机4.3.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机3特点和用途特点和用途 永磁式同步电动机

27、的效率和功率因数都比较高，在同样体永磁式同步电动机的效率和功率因数都比较高，在同样体积下，其输出功率也较大。但永磁式同步电动机除自动启动式积下，其输出功率也较大。但永磁式同步电动机除自动启动式外，没有启动能力，且不可在异步状态下运行。它广泛地应用外，没有启动能力，且不可在异步状态下运行。它广泛地应用于恒速驱动装置，适合于轻载启动。于恒速驱动装置，适合于轻载启动。第四章 控制电动机4.3.2 磁阻式电磁减速同步电动机磁阻式电磁减速同步电动机1基本结构基本结构 定子做成圆环形式，其内表定子做成圆环形式，其内表面有开口槽；转子做成圆盘形式，面有开口槽；转子做成圆盘形式，其外表也有开口槽。定子、转子其

28、外表也有开口槽。定子、转子的齿数是不相等的，一般转子齿的齿数是不相等的，一般转子齿数大于定子齿数，数大于定子齿数， 定子槽中装有定子槽中装有三相或单相电源供电的定子绕组，三相或单相电源供电的定子绕组，定子绕组接通电源便产生旋转磁定子绕组接通电源便产生旋转磁通，转子槽内不嵌绕组。通，转子槽内不嵌绕组。图4-13 磁阻式电磁减速同步电动机第四章 控制电动机4.3.2 磁阻式电磁减速同步电动机磁阻式电磁减速同步电动机2工作原理工作原理 在图示瞬间位置（在图示瞬间位置（A），定），定子绕组所产生的旋转磁场的轴线子绕组所产生的旋转磁场的轴线正好和定子齿正好和定子齿1和和4的中心线重合。的中心线重合。当旋

29、转磁场转过一个定子齿距到当旋转磁场转过一个定子齿距到B位置时，旋转磁场的轴线正好和位置时，旋转磁场的轴线正好和定子齿定子齿2和和5的中心线重合的中心线重合 。由于。由于磁力线要继续保持自己磁路的磁磁力线要继续保持自己磁路的磁阻为最小，则力图使转子齿阻为最小，则力图使转子齿2和和6转到与定子齿转到与定子齿2和和5相对齐的位相对齐的位置上。置上。图4-13 磁阻式电磁减速同步电动机第四章 控制电动机转子转过的角度为定子旋转磁场的角速度和转子旋转角速度之比为 电动机的旋转角速度为 图4-13 磁阻式电磁减速同步电动机sr22ZZ0rRssrrs222ZKZZZZZrsrs0rr2ZZZZfZZp第四

30、章 控制电动机4.3.2 磁阻式电磁减速同步电动机磁阻式电磁减速同步电动机3特点和用途特点和用途 一般的磁阻式同步电动机转子上也加装有鼠笼绕组，并采一般的磁阻式同步电动机转子上也加装有鼠笼绕组，并采用异步启动法，则当转子速度接近同步转速时，磁阻转矩会将用异步启动法，则当转子速度接近同步转速时，磁阻转矩会将转子带入同步运行状态。这种电动机结构简单、成本低廉，可转子带入同步运行状态。这种电动机结构简单、成本低廉，可用于记录仪表、摄影机、录音机及复印机等设备中。用于记录仪表、摄影机、录音机及复印机等设备中。 而磁阻式电磁减速同步电动机无须加启动绕组，它的结构而磁阻式电磁减速同步电动机无须加启动绕组，

31、它的结构简单，制造方便，成本较低。简单，制造方便，成本较低。而且它的转速一般为每分钟几十而且它的转速一般为每分钟几十转到每分钟上百转之间，因此它是一种常用的低速电动机。转到每分钟上百转之间，因此它是一种常用的低速电动机。第四章 控制电动机4.3.3 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机1基本结构基本结构 转子的有效层由具有显著磁滞特性的硬磁材料制成，但不转子的有效层由具有显著磁滞特性的硬磁材料制成，但不预先充磁，磁化是在电动机启动过程中直接依靠定子磁场进行预先充磁，磁化是在电动机启动过程中直接依靠定子磁场进行的。转子为光滑的圆柱体，分内层和外层。外层由磁滞材料构的。转子为光滑的圆柱体，分内层和外层

32、。外层由磁滞材料构成，内层是非磁性或磁性的套筒。成，内层是非磁性或磁性的套筒。（a）转子的内部结构 （b）非磁性材料套筒的转子磁路 （c）磁性材料套筒的转子磁路图4-14 磁滞式同步电动机的转子结构 第四章 控制电动机4.3.3 磁滞式同步电动机2工作原理图4-15 磁滞式同步电动机的工作原理第四章 控制电动机4.3.3 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机3特点和用途特点和用途 具有较大的启动转矩，能自行进入同步状态，并能稳定在具有较大的启动转矩，能自行进入同步状态，并能稳定在同步状态下运转；结构简单、工作可靠、机械强度高，适合于同步状态下运转；结构简单、工作可靠、机械强度高，适合于高速运转；具

33、有启动电流小、电磁噪声小的特点。但与其他类高速运转；具有启动电流小、电磁噪声小的特点。但与其他类型的同步电动机相比，磁滞式同步电动机的重量和体积较大，型的同步电动机相比，磁滞式同步电动机的重量和体积较大，价格较贵，效率和功率因数都较低。价格较贵，效率和功率因数都较低。 磁滞式同步电动机一般用于磁滞式同步电动机一般用于l20W以下要求转速恒定的场以下要求转速恒定的场合，特别适宜在转动惯量较大、频繁启动、恒转矩、高速类驱合，特别适宜在转动惯量较大、频繁启动、恒转矩、高速类驱动装置上使用。动装置上使用。 第四章 控制电动机4.4 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电

34、执步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于步进电动机的控制绕组时，行元件。每当一个脉冲信号施加于步进电动机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），因此，步进电动机其转轴就转过一个固定的角度（步距角），因此，步进电动机又称脉冲电动机，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转又称脉冲电动机，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。速与脉冲频率成正比。第四章 控制电动机4.4 步进电动机步进电动机 4.4.1 步进电动机的结构与分类步进电动机的结构与分类图4-16 步进电动机的分类第四章 控制电动机4.4 步进电动机步进电动机 4.

35、4.1 步进电动机的结构与分类步进电动机的结构与分类第四章 控制电动机4.4.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 一拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。 步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。 运行方式运行方式(1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） (2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） (3) m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）拍运行（三相单双六拍运行） 1通电方式的分析河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电

36、传动与控制机电传动与控制 14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W11） m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角： = 30河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 河南工业大学电气工程学院2） m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍

37、运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 23河南工业大学河南工业大学 .机电工程学院机电工程学院 第第4章章 控制电机控制电机机电传动与控制机电传动与控制 3） m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V

38、1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 第四章 控制电动机4.4.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理2步距角和转速的计算步距角和转速的计算 由于每完成一次通电循环，转子转过一个齿，所以步距角由于每完成一次通电循环，转子转过一个齿，所以步距角等于转子齿距角（相邻两齿中心线所夹的角度）除以拍数，即等于转子齿距角（相邻两齿中心线所夹的角度）除以拍数，即br360Z Nbr6060360ffnZ N式

39、中，式中，m为定子相数；为定子相数；N为拍数，为拍数，N=m或或N=2m。 反应式步进电动机的转速可按下式计算，即反应式步进电动机的转速可按下式计算，即第四章 控制电动机第四章 控制电动机4.4.3 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性步进电动机的静态特性 当步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流时，转当步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流时，转子将固定在某一位置上保持不动，这一状态称为静止状态。子将固定在某一位置上保持不动，这一状态称为静止状态。 规定定子、转子齿轴线重规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位

40、置，转子偏离初始稳定平衡位置，转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称初始稳定平衡位置的电角度称为失调角。在静止状态下，电为失调角。在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关磁转矩与失调角之间的函数关系称为步进电动机的矩角特性。系称为步进电动机的矩角特性。 eemesinTT 第四章 控制电动机4.4.3 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性步进电动机的静态特性e0e0T 第四章 控制电动机4.4.3 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性2步进运行状态步进运行状态 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电动机转子完成一步之当接入控制绕组的脉冲频率较低，电动机转子完成一步之后，下

41、一个脉冲才到来，则电动机呈现出一转一停的状态，称后，下一个脉冲才到来，则电动机呈现出一转一停的状态，称此状态为步进运行状态。此状态为步进运行状态。第四章 控制电动机4.4.3 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性3连续运行状态连续运行状态 当脉冲频率当脉冲频率f较高时，电动机转子未停止而下一个脉冲已经较高时，电动机转子未停止而下一个脉冲已经到来，此时步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续到来，此时步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。运转状态。图4-26 步进电动机的矩频特性第四章 控制电动机4.4.4 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标1）步距角）步距

42、角 步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。场合，对步距角大小的要求不同。2）静态步距角误差）静态步距角误差 即实际的步距角同理论的步距角之间的差值。常用理论步即实际的步距角同理论的步距角之间的差值。常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。距角的百分数或绝对值来衡量。3）最大静转矩）最大静转矩 指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额值。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最

43、大转矩值。定电流时的最大转矩值。第四章 控制电动机4.4.4 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标4）启动频率和启动矩频特性）启动频率和启动矩频特性 启动频率是能够使步进电动机由静止定位状态不失步地启启动频率是能够使步进电动机由静止定位状态不失步地启动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，又称突跳频率。动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，又称突跳频率。5）运行频率和运行矩频特性）运行频率和运行矩频特性 运行频率是指步进电动机启动后，在控制脉冲频率连续上运行频率是指步进电动机启动后，在控制脉冲频率连续上升时，能维持不失步运行的最高频率。通常给出的也是空载情升时，能维持不失步运行的最高

44、频率。通常给出的也是空载情况下的运行频率。况下的运行频率。6）额定电流和额定电压）额定电流和额定电压 额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。额定电压是指驱动电源提供的直流电压。额定电压是指驱动电源提供的直流电压。 第四章 控制电动机4.4.5 步进电动机的选择步进电动机的选择1步距角的选择步距角的选择 电动机的步距角取决于负载精度的要求。可将负载的最小分电动机的步距角取决于负载精度的要求。可将负载的最小分辨率换算到电动机轴上，看看每个当量电动机应走多少角度，电辨率换算到电动机轴上，看看每个当量电动机应走多少角度，电动机的步距角应

45、等于或小于此角度。动机的步距角应等于或小于此角度。2静力矩的选择静力矩的选择 静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2-3倍倍内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来。内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来。3电流的选择电流的选择 对于对于静力矩一样的电动机，因电流参数不同，所以其运对于对于静力矩一样的电动机，因电流参数不同，所以其运行特性差别很大。可依据矩频特性曲线图来判断电动机的电流。行特性差

46、别很大。可依据矩频特性曲线图来判断电动机的电流。第四章 控制电动机4.5 直线电动机直线电动机 直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电动机之直线电动机是近年来国内外积极研究发展的新型电动机之一，它是一种不需要中间转换装置，而能直接做直线运动的电一，它是一种不需要中间转换装置，而能直接做直线运动的电动机械。动机械。 图图4-27 从旋转电动机到直线电动机的演变从旋转电动机到直线电动机的演变第四章 控制电动机4.5 直线电动机直线电动机 与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点：与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点： （1）由于不需要中间传动机构，所以整个系统得到简化，）由于不需要中

47、间传动机构，所以整个系统得到简化，精度提高，振动和噪声减小；精度提高，振动和噪声减小； （2）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，所）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，所以电动机加速和减速的时间短，可实现快速启动和正、反向运以电动机加速和减速的时间短，可实现快速启动和正、反向运行；行； （3）普通旋转电动机由于受到离心力的作用，其圆周速度）普通旋转电动机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所限制，而直线电动机运行时，其部件不受离心力的影响，有所限制，而直线电动机运行时，其部件不受离心力的影响，因此它的直线速度可以不受限制；因此它的直线速度可以不受限制；第四章 控制电动机4.5

48、直线电动机直线电动机 与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点：与旋转电动机相比，直线电动机主要有以下优点： （4）由于散热面积大，容易冷却，所以直线电动机可以承）由于散热面积大，容易冷却，所以直线电动机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高；受较高的电磁负荷，容量定额较高； （5）由于直线电动机结构简单，且它的初级铁芯在嵌线后）由于直线电动机结构简单，且它的初级铁芯在嵌线后可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，如可在潮湿环境甚至水中使用。应用，如可在潮湿环境甚至水中使用。第四章 控制电动机4.5.1 直线异步电动机直

49、线异步电动机1基本结构基本结构 按照结构形式的不同，直线异步电动机分为扁平形直线电按照结构形式的不同，直线异步电动机分为扁平形直线电动机和圆筒形直线动电动机。动机和圆筒形直线动电动机。 图4-28 扁平形单边直线异步电动机第四章 控制电动机图图4-29 扁平型双边直线异步电动机扁平型双边直线异步电动机4.5.1 直线异步电动机直线异步电动机1基本结构基本结构第四章 控制电动机4.5.1 直线异步电动机直线异步电动机1基本结构基本结构图图4-30 圆筒形直线异步电动机的演变圆筒形直线异步电动机的演变第四章 控制电动机4.5.1 直线异步电动机直线异步电动机2工作原理工作原理 当初级的多相绕组通入

50、多相电流后，会产生一个气隙磁场，当初级的多相绕组通入多相电流后，会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度按通电的相序顺序做直线移动该磁场称这个磁场的磁感应强度按通电的相序顺序做直线移动该磁场称为行波磁场。为行波磁场。 行波磁场的运行速度行波磁场的运行速度图图4-31 直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的工作原理s2vf第四章 控制电动机4.5.1 直线异步电动机直线异步电动机2工作原理工作原理 在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电动势和电流，在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电动势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果初级固定不动，次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。初级固定不动，次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。 次级的运行速度次级的运行速度图图4-31 直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的工作原理1(1)2(1)vs vfsS为滑差率为滑差率s为 ssvvsv第四章 控制电动机4.5.1 直线异步电动机直线异步电动机3用途及特点用途及特点 直线异步电动机主