直流电动机与常用特种电机

1、 第一节第一节直流电机直流电机第三节第三节常用特种电动机常用特种电动机第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制本章小结本章小结* * 第九章第九章直流电动机与常用特种电机直流电动机与常用特种电机 第一节第一节直流电机直流电机一、直流电机的构造一、直流电机的构造二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理三、直流电机的励磁三、直流电机的励磁 一、直流电机的构造一、直流电机的构造直流发电机与直流电动机在理论上是可逆的。直流发电机与直流电动机在理论上是可逆的。（一）定子（一）定子定子由机座、主磁极、定子由机座、主磁极、换向磁极、电刷组件组成，换向磁极、电刷组件组成，如如右右图所示。图所示。第

2、一节第一节直流电机直流电机 定子的横剖平面图定子的横剖平面图如如右右图所示。图所示。1机座机座用铸钢或铜板焊成，用作支撑和保护整机结构，同时又是用铸钢或铜板焊成，用作支撑和保护整机结构，同时又是电机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械强度。电机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械强度。第一节第一节直流电机直流电机 2主磁极主磁极由铁心和励磁绕组组成。铁心由极身和极靴两部分组成，如由铁心和励磁绕组组成。铁心由极身和极靴两部分组成，如下下图所示。图所示。励磁绕组绕在铁心外面，主磁极的作用是在励磁绕组中通入励磁绕组绕在铁心外面，主磁极的作用是在励磁绕组中通入励磁电流时产生主磁通。励磁电流时产生主磁通

3、。 第一节第一节直流电机直流电机 3换向磁极换向磁极换向磁极的作用是为了改善换向性能，减小换向火花。换换向磁极的作用是为了改善换向性能，减小换向火花。换向磁极与转子间气隙较大，涡流较小，可用整块钢制成。其上向磁极与转子间气隙较大，涡流较小，可用整块钢制成。其上的绕组一般与电枢绕组串联，用横截面较大的铜导线绕制。的绕组一般与电枢绕组串联，用横截面较大的铜导线绕制。第一节第一节直流电机直流电机 4电刷组件电刷组件电刷组件由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧组成，如电刷组件由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧组成，如下下图所示。图所示。电刷内有用细铜丝编织成的刷辫与外电路导通，从而连接电电刷内有用细

4、铜丝编织成的刷辫与外电路导通，从而连接电枢、电刷及电路，引入或导出电枢电流。枢、电刷及电路，引入或导出电枢电流。第一节第一节直流电机直流电机 （二）电枢（二）电枢电枢又称转子，作用是在励磁磁场作用下，产生感应电动电枢又称转子，作用是在励磁磁场作用下，产生感应电动势和电磁转矩，实现电能与机械能之间的转换。其结构如势和电磁转矩，实现电能与机械能之间的转换。其结构如下下图图所示。所示。第一节第一节直流电机直流电机 1电枢铁心电枢铁心电机磁路的另一部分，为减小涡流由硅钢片叠压而成。在电机磁路的另一部分，为减小涡流由硅钢片叠压而成。在电区外缘有嵌放绕组的铁心槽，整个铁心固定在转动轴上，随电区外缘有嵌放绕

5、组的铁心槽，整个铁心固定在转动轴上，随轴一起转动。轴一起转动。2电枢绕组电枢绕组由绝缘铜导线或扁铜线在模具上绕制成型后嵌放在转子铁由绝缘铜导线或扁铜线在模具上绕制成型后嵌放在转子铁心槽中，伸出铁心槽的端部，均用非磁性丝带扎紧，每个线圈心槽中，伸出铁心槽的端部，均用非磁性丝带扎紧，每个线圈的首尾端，均按一定规律，焊接到换向片上。的首尾端，均按一定规律，焊接到换向片上。 第一节第一节直流电机直流电机 3换向器换向器由若干个楔形铜片装成一圆柱体，片与片之间用云母绝缘。由若干个楔形铜片装成一圆柱体，片与片之间用云母绝缘。结构如结构如下下图所示。图所示。换向片与转轴之间又用换向片与转轴之间又用塑料绝缘，

6、固定在转轴的一塑料绝缘，固定在转轴的一端，按照一定规律与电枢绕端，按照一定规律与电枢绕组连接。它的作用是变换电组连接。它的作用是变换电枢电流方向并通过电刷将电枢电流方向并通过电刷将电枢绕组与电路接通。枢绕组与电路接通。第一节第一节直流电机直流电机 （三）直流电机的其他部分（三）直流电机的其他部分直流电机的其他部分还有端盖、轴承、转轴、风扇、接线直流电机的其他部分还有端盖、轴承、转轴、风扇、接线板、接线盒等。板、接线盒等。直流电动机原理示意图如直流电动机原理示意图如右右图所示。图所示。二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理第一节第一节直流电机直流电机 1在图中所示位置时在图中所示位置时

7、电源正极接电源正极接 A、负极接、负极接 B，电，电枢绕组中电流流向枢绕组中电流流向 a b c d，电枢受，电枢受力朝逆时针方向旋转。力朝逆时针方向旋转。第一节第一节直流电机直流电机2电枢转过电枢转过 90 时时电源中断，电枢凭惯性旋转。电源中断，电枢凭惯性旋转。3电枢转过电枢转过 180 时时电枢中电流流向为电枢中电流流向为 d c b a，电，电枢受力朝逆时针方向旋转。枢受力朝逆时针方向旋转。 4反电动势反电动势5电源电压电源电压电枢转动后，其绕组切割励磁磁场磁感线产生与电枢电流方电枢转动后，其绕组切割励磁磁场磁感线产生与电枢电流方向相反的感应电动势，其值为向相反的感应电动势，其值为式中

8、，式中， Ce 电动机电动势常数。电动机电动势常数。nCEea 加在电枢绕组上的电压必须用于解决两个部分的需要，即平加在电枢绕组上的电压必须用于解决两个部分的需要，即平衡平衡反电动势和克服电枢绕组的电阻电压衡平衡反电动势和克服电枢绕组的电阻电压。aaaIREU 其中电枢电流为其中电枢电流为aaaREUI 当负载增大时，电枢电流增大，电动机功率增大，但转速下当负载增大时，电枢电流增大，电动机功率增大，但转速下降；当负载减小时，情况与上述规律相反。降；当负载减小时，情况与上述规律相反。第一节第一节直流电机直流电机 （一）并励电机（一）并励电机电机励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个直流电源供电，如电机

9、励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个直流电源供电，如下下图所示。图所示。三、直流电机的励磁三、直流电机的励磁为了保证电枢的输出功率，电枢绕组线径粗、匝数少、电阻为了保证电枢的输出功率，电枢绕组线径粗、匝数少、电阻小，应有足够大的工作电流。小，应有足够大的工作电流。第一节第一节直流电机直流电机 （二）串励电机（二）串励电机电机的励磁绕组与电枢绕组串联接于同一电源，如图所示。电机的励磁绕组与电枢绕组串联接于同一电源，如图所示。为了减小励磁电压，励磁绕组的线径粗、匝数少、电阻小。为了减小励磁电压，励磁绕组的线径粗、匝数少、电阻小。第一节第一节直流电机直流电机 （三）复励电机（三）复励电机电机主磁极上嵌放

10、两套独立的绕组，一套与电枢绕组并电机主磁极上嵌放两套独立的绕组，一套与电枢绕组并联，另一套与电枢绕组串联，如联，另一套与电枢绕组串联，如下下图所示。图所示。第一节第一节直流电机直流电机 （四）他励电机（四）他励电机以上三种励磁方式的直流电机作发电机时，它们的励磁电以上三种励磁方式的直流电机作发电机时，它们的励磁电流都是由自己发出的，所以通称为自励电机流都是由自己发出的，所以通称为自励电机。他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示。这类电机设备较复杂，但它的优点是：励磁电流不受电枢这类电机设备较复杂，但它的优点是：励磁电流不受电枢电压影响，

11、而只与励磁电源电动势和励磁绕组有关。电压影响，而只与励磁电源电动势和励磁绕组有关。第一节第一节直流电机直流电机 第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制一、直流电动机的调速控制一、直流电动机的调速控制二、直流电动机的反转控制二、直流电动机的反转控制 并励电动机转速公式并励电动机转速公式一、直流电动机的调速控制一、直流电动机的调速控制 串励电动机转速公式串励电动机转速公式 下面以改变主磁极磁通下面以改变主磁极磁通 调速为例分析其调速方法及原理。调速为例分析其调速方法及原理。 eaaCIRUn eaLa)(CIRRUn 第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制 1并励电动机的变并励电动机的

12、变 调速调速在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器 RP，如图所示。，如图所示。由由第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制 eaaCIRUn 可知，可知，RP 增大时，增大时， 减小，转速减小，转速 n 上升上升；RP 减小时，减小时， 增大，增大，转速转速 n 下降下降。 2串励电动机变串励电动机变 调速调速在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器，如图所示。在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器，如图所示。第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制转速公式应修改为转速公式应修改为 eaPLa)/(CIRRRUn 因此，因此，RP 增大时，增大时，

13、 增大，转速增大，转速 n 下降下降；RP 减小时，减小时， 减小，转速减小，转速 n 上升。上升。 （1）可实现无级平滑调速。）可实现无级平滑调速。3根据转矩公式根据转矩公式 T = CT Ia 分析，在调速中如保持转矩分析，在调速中如保持转矩 T 不变，不变， 减小，电枢电流减小，电枢电流 Ia 必然增大。如果调速前已达额定值，必然增大。如果调速前已达额定值，则不能用此法调速。它只适用于调高速度以前电枢电流未达额则不能用此法调速。它只适用于调高速度以前电枢电流未达额定值的情况。这种调速方法具有如下特点：定值的情况。这种调速方法具有如下特点：第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制（2）

14、调节器速后，新的转速仍较稳定。）调节器速后，新的转速仍较稳定。（3）励磁电流小，能量损耗小。）励磁电流小，能量损耗小。（4）这种调速方法的缺点是转速只能调到比加调速变阻器）这种调速方法的缺点是转速只能调到比加调速变阻器前的转速高。前的转速高。 让直流电动机反转有两种方法：让直流电动机反转有两种方法：二、直流电动机的反转控制二、直流电动机的反转控制第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制1保持电枢电流方向不变，将励磁绕组反接，改变励磁电保持电枢电流方向不变，将励磁绕组反接，改变励磁电流方向；流方向；2保持励磁电流方向不变，将电枢绕组反接，从而改变电保持励磁电流方向不变，将电枢绕组反接，从而改

15、变电枢电流方向。枢电流方向。 一、单相交直流两用串励电动机一、单相交直流两用串励电动机第三节第三节常用特种电机常用特种电机二、伺服电动机二、伺服电动机三、步进电动机三、步进电动机 一、单相交直流两用串励电动机一、单相交直流两用串励电动机（一）基本结构与工作原理（一）基本结构与工作原理1基本结构基本结构由定子和电枢两大部分组成，定子包括外壳、磁极、电刷由定子和电枢两大部分组成，定子包括外壳、磁极、电刷组件，电枢由转子铁心、绕组、转轴及换向器等组成。组件，电枢由转子铁心、绕组、转轴及换向器等组成。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 原理电路如图原理电路如图（a）所示。所示。2工作原理工作原理对比

16、图（对比图（b）和图（和图（c）可以看出，）可以看出，无论是正向连接或无论是正向连接或反向连接，电磁转反向连接，电磁转矩的方向相同，所矩的方向相同，所以以既既可以用于直流可以用于直流又可以用于交流。又可以用于交流。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 （二）机械特性及其应用（二）机械特性及其应用单相交直流两用串励电动机单相交直流两用串励电动机的机械特性如右图所示。的机械特性如右图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机由图可见这种电动机的起动转矩大、机械特性软，最适用由图可见这种电动机的起动转矩大、机械特性软，最适用于在电动工具中作动力机。单相交直流两用串励电动机多数用于在电动工具中作动力机

17、。单相交直流两用串励电动机多数用于交流电源，其转速很高，在带负载运行时中速一般保持在于交流电源，其转速很高，在带负载运行时中速一般保持在 400 1 000 r/min。所以不能直接接电源空载运转。所以不能直接接电源空载运转。这种电动机影响通信设备、寿命短、结构复杂、可靠性差。这种电动机影响通信设备、寿命短、结构复杂、可靠性差。 将输入信号转换成轴上的角位移或角速度输出。按使用电将输入信号转换成轴上的角位移或角速度输出。按使用电源不同分为交流伺服电动机和直流伺服电动机，下面以交流伺源不同分为交流伺服电动机和直流伺服电动机，下面以交流伺服电动机为例分析其基本结构、工作原理、机械特性及应用。服电动

18、机为例分析其基本结构、工作原理、机械特性及应用。（一）基本结构（一）基本结构二、伺服电动机二、伺服电动机交流伺服电动机的结构与交流伺服电动机的结构与单相电容式异步电动机相似，单相电容式异步电动机相似，有两相在空间按有两相在空间按 90 电角度分电角度分布的绕组，分别为励磁绕组和布的绕组，分别为励磁绕组和控制绕组，两个绕组分别由独控制绕组，两个绕组分别由独立的电源供电。如图所示。立的电源供电。如图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 转子结构有笼型和非磁性杯型两种，结构如图所示。转子结构有笼型和非磁性杯型两种，结构如图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 三、步进电动机三、步进电动机

19、（一）基本结构（一）基本结构步进电动机通入一个电脉冲信号只转动一个角度。下面介步进电动机通入一个电脉冲信号只转动一个角度。下面介绍反应式旋转运动步进电动机。绍反应式旋转运动步进电动机。单段式反应式旋转运动步单段式反应式旋转运动步进电动机的结构如图所示。进电动机的结构如图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 三相反应式步进电动机原理如图所示。三相反应式步进电动机原理如图所示。（二）工作原理（二）工作原理当向当向 U 相绕组通入电脉冲时，由于相绕组通入电脉冲时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，于是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，于是产生磁场力使转子轴线与产生磁场力使转子轴线与 U 相绕组轴线

20、相绕组轴线对齐。如将电脉冲改通入到对齐。如将电脉冲改通入到 V 相绕组中，相绕组中，根据同样的原理，转子沿顺时针方向旋根据同样的原理，转子沿顺时针方向旋转转 60 。如定子绕组按。如定子绕组按 UVWU 的顺序重复通入电脉冲，转子就按的顺序重复通入电脉冲，转子就按顺时针的方向一步一步转动。顺时针的方向一步一步转动。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 每对定子磁极上绕有一对控制每对定子磁极上绕有一对控制绕组被称为一相，定子磁极数为相绕组被称为一相，定子磁极数为相数的两倍。在定子磁极极面和转子数的两倍。在定子磁极极面和转子外缘均开有分布均匀的小齿，两者外缘均开有分布均匀的小齿，两者齿型和齿距相同

21、，齿型和齿距相同，U 相磁极的小齿相磁极的小齿子与转子小齿一一对正，而子与转子小齿一一对正，而 V 相磁相磁极的小齿与转子小齿错开极的小齿与转子小齿错开 1/3 齿距，齿距，W 相则错开相则错开 2/3 齿距，这种结构称齿距，这种结构称为槽齿结构。为槽齿结构。这种电动机制造简便、精确度高，每转一步对应的转子转这种电动机制造简便、精确度高，每转一步对应的转子转角小，容量获得较高的起动转矩和运行频率。角小，容量获得较高的起动转矩和运行频率。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 在工程技术上，从一相通电切换到另一相通是称为一拍，在工程技术上，从一相通电切换到另一相通是称为一拍，而三相依次通电的运行方

22、式称为三相单三拍运行方式。在使用而三相依次通电的运行方式称为三相单三拍运行方式。在使用中，还可中，还可 U、V 两相同时通电，使转子轴线转至两相同时通电，使转子轴线转至 U、V 两相之间两相之间的轴线上。这类按的轴线上。这类按 UVVWWU 的顺序，两相同时依次通电的顺序，两相同时依次通电的运行方式称为三相双三拍运行方式。此外还可按的运行方式称为三相双三拍运行方式。此外还可按 UUVVVWWWU 的组合方式依次通电，称为三相六拍运行方的组合方式依次通电，称为三相六拍运行方式式。采用槽齿结构可使步距角更小，设转子齿数为采用槽齿结构可使步距角更小，设转子齿数为 Z，步进电动，步进电动机拍数为机拍数为 N，则步距角为，则步距角为ZN 360s 第三节第三节常用特种电机常用特种电机 第三节第三节常用特种电机常用特种电机1换向用的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总换向用的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。体称为换向器。2直流电动机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖组成。直流电动机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖组成。3直流电动机转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇直流电动机转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。等组成。（1）他励电动机的励磁