电机与拖动：第八章 单相异步电动机及控制电机

1、第八章 单相异步电动机及控制电机第一节 单相异步电动机 单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到几百瓦。一、单相异步电动机的工作原理 单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕组同时相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁通势一般为椭圆形旋转磁通势。1工作绕组单独通电时的情况由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转

2、，电动机会被加速到接近 转动而不致停止。其原理可解释如下：工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩 ，对应的转差率 曲线如图8-1中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率图8.1 单相异步电动机的 曲线 曲线如图8.1中的曲线2所示.合成电磁转矩 与 S 的关系曲线如曲线3所示。可见 时 ，无启动转矩，而在外力作用下，使S+或S-不为1时，合成转矩不等于零，如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。 2两

3、相绕组通电时的机械特性 如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁通势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产生的基波合成磁通势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆形的旋转磁通势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁通势。设正转磁通势的幅值F+大于反转磁通势的幅值F-，则Fe-S+曲线和Fe-S-曲线分别如图8-1中的曲线1和曲线2所示。由合成曲线3可见，S=1时，起动转矩大于0，能自行起动，正向运行。如果F+F-，则将反向起动运行。 起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关 S，当转速上升到同步转速 的时自

4、动断开。图8.2 两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线二单相异步电机的主要类型和起动方法（一）电阻分相式启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，电流超前一个电角度，从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。由于两个绕组的电路都是感性的，两者电流的相位差不大（Im为主绕组，Ia为副绕组），所以起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动的场合。（二）电容分相式 起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电流接近（Im为主绕组，Ia为副绕组），因而产生椭圆度较小（接近圆形）的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩和较小的起动电流。

5、电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头对调即可。（三）罩极式电动机 罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-2所示，定子磁极极面的约1/3处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为短路环，把磁极的小部分罩在环中。图8.3 罩极式异步电动机的结构示意图 当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩部分的 ，另有一部分磁通 欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动势 ，产生电流 和磁通 ，使实际过被罩部分的磁通过 ，如图8-4所示。图8.4 罩极式单相异步电动机磁通向量图

6、第二节 电磁调速感应电动机 电磁调速感应电动机亦称滑差电动机，从原理上看，它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的普通鼠笼式感应电动机，其原理如图8.5(a)所示。(a)电子离合器连接 (b)电枢和磁极图8.5 电磁离合器原理图 电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者之间无机械联系，各自能独立旋转。电枢为一由铸钢制成的空心圆柱体，与感应电动机的转子直接联接，由感应电动机带动旋转，称为主动部分。磁极由直流电源励磁，并与生产机械直接联接，称为从动部分。当感应电动机带动离合器电枢以n的速度旋转时，若励磁电流等于零，则离合器中无磁场，也无电磁感应现象产生，因此磁极部分不会旋转。当有励磁时，电枢便切割磁

7、场产生涡流，涡流的方向如图8.5b所示。电枢中的涡流与磁极磁场相互作用产生电磁力和电磁转矩。电枢受到的力 的方向可用左手定则判定，如图8-5b所示。由此而产生的电磁转矩的方向与旋转方向相反，因此对电枢而言，是个制动力矩，需要依靠感应电动机的输出力矩克服此制动力矩，从而维持电枢的转动。根据作用与反作用大小相等、方向相反， 离合器磁极所受到的力 的方向与 相反，由 所产生的电磁转矩，驱使磁极转子并带动生产机械沿电枢转向以 的速度旋转，显然 。电磁滑差离合器的工作原理和感应电动机的相同，电磁力矩的大小决定于磁极磁场的强弱和电枢与磁极之间的转差。因此在一定的负载转矩时，若改变励磁电流的大小，为使电磁力

8、矩不变，磁极的转速必将发生变化，这就达到了调速的目的。 电磁离合器的具体结构形式有很多种，目前我国生产铰多的是电枢为圆筒形铁芯(也称力杯形铁芯)。磁极为爪形磁极。磁极为爪形磁极。 图8.6为组合式结构的电磁调速感应电动机。其中测速发电机是用来构成一个反馈系统以保证机械特性的硬度。 图8.6电磁调速感应电动机1-电动机 2-主动轴 3-法兰端盖 4-电枢 5-工作气隙 6-励磁线圈 8-测速机定子 9-测速机磁极 10-永久磁铁 11-输出轴 12-刷架 13-电刷 14-集电环 第三节 伺服电动机 伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移

9、或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程中。因此对伺服电动机的性能有如下要求：1无“自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行停转。2. 具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。3. 具有线性的机械特性和调节特性。4. 快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。一 直流伺服电动机 直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的转子磁极是永久磁铁

10、；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺服电动机(例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服电动机时的性能进行分析。直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改变电枢绕组电压Ud的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向实现对转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。 电枢控制是励磁电压Uf不变，控制

11、电枢电压Ud的控制方式。在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为（1）直流伺服电动机的机械特性由图可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压Ud的增加，直线的斜率 保持不变，机械特性向上平移。当控制电压Ud不变时，转矩Te增大时，转速n降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。直流伺服电动机的这种机械特性是十分理想的。（2）直流伺服电动机的调节特性 直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速 与控制电压 之间的关系 。根据机械特性表达式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。二 交流伺服电动机 交流伺服电动机

12、就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间互成 电角度。一相绕组为励磁绕组f，一相为控制绕组k，转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压Uk的幅值或相位就可以实现转速控制。 作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，则电动机不转。 但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率 。使电动机在整个

13、调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。 （1）交流伺服电动机的特性要求（2）交流伺服电动机的伺服特性 对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在 范围内，单相电机的转矩 ，转子将继续沿原转向旋转，如图a所示。 信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这种情况。 为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻使 ，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。 从图b中所示的单向相绕组通电时的机械特性可

14、见，正转电磁转矩特性曲线 上， 时的临界转差率 ， 与 对称。 因此电机总的电磁转矩特 性 通过零点， 即无启动转矩；在 时， ， 是制动性转矩； 时， ，也是制动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到 显然只要 ， 就能避免自转现象。（3）控制方式与运行特性 交流伺服电动机运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能为脉振磁动势。 而由于气隙磁动势的

15、不同，电动机机械特性也相应改变，那么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速n也随之变化。这就是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：幅值控制、相位控制和幅值相位控制。1.幅值控制及特性 幅值控制接线如图8-11所示。励磁绕组f直接接至交流电源，电压Uf的大小为额定值。控制绕组所加的电压为Uk，Uk在时间上落后于励磁绕组电压Uf90，且保持90不变，Uk的大小可以改变。调节时，Uk的大小可以表示为 ，其中,UKN为控制绕组额定电压， 又称为有效信号系数。 当有效信号系数 时，控制电压 ，此时交流伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙

16、合成磁动势为脉振磁动势。图8.11 交流伺服电动机的幅值控制 当有效信号系数 时，控制电压 ，此时交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形旋转磁动势。 越小，椭圆度越大，越接近脉振磁动势。 当有效信号系数 时，控制电压 ，励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势大小等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势。由此可以获得不同 值的机械特性如图8.12所示 图8.12 交流伺服电动机的机械特性 采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直线，从而获得一定转矩下转速与 之间的关系曲线，

17、即调节特性，如图8.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节特性。图8.13 交流伺服电动机的调节特性2 相位控制 保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.14所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，UK 的幅值不变，但 UK 与 Uf 的相位差可以通过调节移相器在090之间变化，UK 与 Uf 的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之发生变化。 图8.14 交流伺服电动机的相位控制 3幅值相位控制及特性 交流伺服电动机采用幅值相位控制时的接线如图8.15所示。图

18、中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。图8.15 交流伺服电动机的幅值相位控制 交流伺服电动机采用幅值相位控制机械特性与幅值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。 第六节 步进电动机 一般电动机是连续转动，而步进电动机是一步一步转动的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就前进一步，因此被称为步进电动机。 常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步

19、进电动机的基本运行原理。一、步进电动机的原理 三相六极反应式步进电动机的运行原理如图8.21所示。从结构上看步进电机与开关磁阻电机类似，也是凸极结构。不同的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开有若干个齿槽。因此，步进电机输出步距角的精度主要取决于自身的结构。 图8.21 反应式步进电动机的运行原理(a) 相通电(b) 相通电(c) 相通电 从图8.21可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组。当A相绕组通电时，由于磁力线有力图通过磁阻最小路径的特性，转子在磁阻转矩的作用下，l3号齿与定

20、子A相绕组轴线重合，如图8.21（a)所示；当A相断电而B相定子绕组通电时，转子按逆时针方向转过30机械角，转子的24号齿与定子B相绕组轴线重合，如图8.21(b)所示；同样，当B相断电而C相定子绕组通电时，转子再转过30机械角，13号齿与定子C相绕组轴线重合，如图8.21(c)所示。可见，定子绕组按照A B C A顺序通电，转子一步步沿逆时针方向旋转。若改变通电顺序，使之按A C B A顺序通电，则转子将一步步沿顺时针方向旋转。二、步进电动机的结构 步进电动机的种类繁多，结构各异。其中，反应式步进电动机自身又有单段式和多段式之分。上面介绍的反应式步进电动机只是单段式结构。下面对除单段反应式步

21、进电动机以外的各类步进电动机的结构与特点分别作简单介绍。（1）多段反应式步进电动机 图8.22为两段式步进电机结构的示意图。多段反应式步进电动机的每段铁芯沿圆周方向开有数量、形状相同的齿槽，并且各段定子(或转子)铁芯沿圆周方向依次错开 1/m 齿距。每段绕组组成单独一相，m段组成m相步进电动机。多段反应式步进电动机步距角较小，故起动和运行频率较高。其缺点是：铁芯错位工艺复杂，精度不易保证，且功率消耗较大，断电时无定位转矩。 图8.22 两段反应式步进电动机的结构 （2）永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子采用永久磁钢，永久磁钢的极数与定子每相的极数相同，如图8.23给出了永磁式步进电动机的典

22、型结构。注意：相绕组只画出了一部分。图中，定子采用两相绕组，每相包括两对磁极。转子则采用两对极的星形磁钢。由该图不难看出，当采用二相四拍通电方式，定子绕组按照A B (A) (一B) A顺序轮流通电时，转子将按顺时针方向旋转，步距角为45。图8.23 永磁式步进电动机的结构示意图 永磁式步进电动机的缺点是：步距角大，起动和运行频率较低，需要正、负脉冲供电。但这种步进电机消耗的功率小，断电时具有自锁能力。（3）混合式步进电动机 混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的特点。其定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子则由环形磁铁和两段铁芯组成。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯上的小齿

23、彼此错开1/2齿距。 混合式步进电动机的步距角较小，起动和运行频率较高，消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式和永磁式步进电动机的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制造复杂。三、步进电动机的控制方式 步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距角 。（1）三相单三拍运行方式 A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式。其中“单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角 。（2）三相双三拍通电方式 三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，其通电顺序为 AB BC CA AB，此时转子逆

24、时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为AC CB BA AC。三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即对于三相六极步进电动机，步距角仍为 。三相双三拍通电方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、运行稳定。（3）三相单、双六拍通电方式 三相单、双六拍通电方式是指：三相绕组中，单相、两相定子绕组轮流通电，其顺序为A AB B BC C CA A，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为A AC C CB B BA A。由于六拍为一通电循环周期，因此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即 。（4）小步距角反应式步进电机通电方式 为了减小步距角，

25、在步进电动机的定、转子均采用多齿结构，如图8.24所示。三相小步距角步进电动机定子仍采用三对磁极，在同一直径的磁极绕组构成一相。所不同的是定子极靴与转子铁芯上均开有多个小齿槽，而且定、转子的齿宽与槽宽均相等。书有误185页 图8.24 小步距角三相反应式步进电动机 反应式步进电动机由于同一直径上的相对磁极为一相，这两个磁极上定、转子齿槽相对位置完全相同；并且当某一相两个极下定、转子齿槽完全对齐时，要求相邻磁极下定、转子齿的轴线应错开1/m个转子齿距t，见图8.25。只有这样，才能确保经过一个通电周期后，转子转过一个齿距。图8.25 小步距角三相反应式步进电动机展开图 满足以上条件的转子齿数为式

26、中，2p为定子绕组通电时在圆周上形成的磁极个数；m为定子相数；K为正整数。反应式步进电动机经过一个通电周期后转子转过一个齿距，一个通电周期由N拍组成，即转过一个齿距需要N拍，则每拍 (或每个电脉冲)作用下转子所转过的角位移即步距角为 上式表明，步距角 与转子齿数和拍数N有关。而拍数N又与步进电动机定子绕组的相数和通电方式有关。要想减小 ，除了在步进电机本体选择时尽量考虑使用定子相数和转子齿数 较多的步进电动机外，也可以通过增加拍数N达到减小步距角的目的。 步进电动机转子转速与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例步关系。若通电脉冲的频率为f(拍秒)，则经过一个通电周期(即N个电脉冲)后转子转过一个齿

27、距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为N/f秒，转子每转过一周所用的时间为 秒。因此，转子的转速为第七节 测速发电机测速发电机是一种检测元件，主要用途有1.产生加速或减速的信号2.在计算装置中作计算元件3.对旋转机械作恒速控制对测速发电机的要求:1.输出电压与转速成严格的线性关系;2.输出电动势斜率要大.测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比： U2=Cn测速发电机分直流和交流两大类。交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。1. 交流异步测速发电机（1）结构及工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步