自动控制元件课件

第一篇执行元件第一章电磁铁和电磁继电器下一页第一篇执行元件第一章电磁铁和电磁继电器1.1电磁铁的静吸力和静吸力特征1.2电磁继电器和接触器1.3新型继电器举例上一页

下一页第一章电磁铁和电磁继电器

电磁铁和电磁继电器都是利用电磁力（或力矩)把电能（或电信号)转换成机械能（或位移信号)的电磁元件。由工作原理可知，电磁铁主要由励磁线圈、静止铁心、衔铁（动铁心)和返回弹簧等组成。按照产生电磁吸力的原理，电磁铁可分为三大类，如图1.0.2所示，即拍合式、吸入式和旋转式。电磁继电器、接触器的工作原理与电磁铁相同，只是结构上增加了触头（或触点)系统。按励磁电流的不同，电磁铁可分为直流和交流电磁铁两大类。

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返回图1.0.2电磁铁的分类（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋转式1-动铁心；2-线圈；3-静铁心；4-导磁外壳；5-旋转衔铁返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性电磁铁是靠电磁吸力（或力矩)做功的。电磁铁作为能量转换装置，通过磁场作媒介，把输入的电能转换为机械能。因此讨论电磁铁的吸力和吸力特性，先要分析电磁铁中的能量关系。1.1.1电磁铁中的能量转换

图1.1.1所示的直流拍合式电磁铁中，假设电压U、电流i、电势e和磁通Φ为相关方向。衔铁位移以静铁心端面为坐标原点，向上为正。为讨论方便做如下假设：（1)认为铁心不饱和（铁心导磁系数μFe为常数)；（2)忽略漏磁影响；（3)当工作气隙δ1变化时，铁心饱和程度不变；

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下一页图1.1.1直流电磁铁原理图返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性（4)衔铁与静止铁心之间的气隙为δ1，并保持δ1不变，即衔铁不动。当开关K合上瞬间，由于线圈存在自感，电流不能马上达到稳定状态，根据电路的基尔霍夫第二定律，此时电路平衡方程式为

e=iR-UU=-e+iR=(1.1.1)式中，R——线圈回路总电阻；e——线圈的自感电势；Ψ——线圈的磁链，Ψ=NΦ；N——线圈匝数。对直流电磁铁，当电流达到稳定后,

=0,自感电势为零，I=上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性将式（1.1.1)两边乘以idt，并积分得

=+(1.1.2)式中，

——从0到t1时间内电源提供的能量；

——从0到t1时间内电阻消耗的能量；

——从0到t1时间内转换为磁场的能量。上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特

转换为磁场的能量一部分储存在铁心内，另一部分储存在气隙内。这可用图解法求出。如图1.1.2所示的磁系统的总磁势Fm=IN。当气隙为δ1时，气隙磁导线AB1的斜率tanα1=，它与该系统磁化曲线OB1的交点B1即为此时该磁系统的工作点。此时铁心内磁压降如图中OC1，气隙内磁压降为C1A。Fm=IN=+。该磁系统由t=0到t1时刻，主磁通由0到Φδ1，转换为磁场内储存的总磁能上一页

下一页图1.1.2线性磁系统的磁场能量返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性====上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性1.1.2电磁铁的静吸力特征电磁铁的静吸力特性是指衔铁处在不同位置并且静止时，保持线圈电流（磁势)不变的情况下，作用在衔铁上的电磁吸力Fd（或电磁力矩Md)和工作气隙δ的关系，即Fd=f（δ)或Md=f（α)。

设时间从t1→t2时，衔铁在电磁力作用下做机械运动，电磁力方向指向静铁心端面，那么气隙δ1下降到δ2，此时气隙磁阻为δ2/(μ0A)，A为气隙截面积，相应气隙磁导线斜率tanα2=μ0A/δ2，大于tanα1=μ0A/δ1，如图1.1.3所示。前面已求出当气隙为δ1时磁场储存的能量

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下一页图1.1.3图解法求线性磁系统的电磁吸力返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

=

当气隙为δ2时磁场储存的能量为

=

电磁铁线圈始终接在电源上，时间从t1→t2，δ1下降到δ2时，该磁系统又从电源吸收了一部分能量，并转换为磁场能量，所增加的磁场能量由可求出，以Wm表示。

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下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

Wm==

由能量守恒定律，磁系统原来储存的能量，又从电源吸收的能量Wm和现在磁系统所储存的能量及电磁力作用下衔铁从δ1移动到δ2所做的机械功ΔW平衡。机械功ΔW=Fdp(δ2－δ1)=－FdpΔδ。用式表达为ΔW=+Wm-=--=-上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性当Δδ很小时，很小，可以忽略，由此

-=-（1.1.3）式中，为气隙磁导，=，负号表示电磁作用方向始终指向气隙减小方向。对衔铁作旋转运动的电磁铁，用完全相同的方法可推出作用在衔铁上的电磁力矩为

=（1.1.5）上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

当磁通Φδ单位为Wb，磁压降Uδ单位为A，气隙磁阻Rδ单位为H-1，气隙长度单位为m时，电磁力Fdp单位为N，电磁力矩Md单位为N·m。1.1.3图同结构电磁铁的静吸力特征一、拍合式电磁铁

它的结构特点是气隙不大，气隙内磁场分布均匀，当铁心不饱和时

，

=IN,则=二、吸入式电磁铁上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

在吸入式电磁铁中，除了工作气隙中会产生电磁力外，在螺管式励磁线圈与衔铁侧面气隙中，由于衔铁运动时漏磁通将发生变化，也会产生吸力，称为螺管力，如图1.1.5所示。当不考虑导磁体的磁阻和非工作气隙的影响时，吸入式电磁铁衔铁所受的电磁力为

=--（1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式电磁铁中，作用在衔铁上的电磁力是两部分力的合成。

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下一页图1.1.5螺管力的产生返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性三、旋转式电磁铁

旋转式电磁铁转动时，通常漏磁变化不大，因此可用式（1.1.5)来计算电磁力矩。与拍合式电磁铁不同的是其衔铁的运动方向垂直于磁力线方向。电磁力矩的方向总是力图使衔铁运动到整个磁路磁阻最小的位置，如图1.0.2（c)所示的旋转式电磁铁中，电磁力矩的方向为顺时针方向。当衔铁转动时，气隙δ的大小并不改变，但气隙截面积Aδ随转角α而变化。如不考虑漏磁，则气隙磁导可由下式计算

==上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

衔铁旋转时，左、右两个气隙的极面下磁导都发生变化，都有力矩产生，因此电磁转矩为

=-（1.1.8）例1一个电磁铁如图1.1.8所示，衔铁R和中心铁柱的截面积都为A，气隙长度为δ，励磁线圈匝数为N。当接在直流电源上时，电流为I，假设铁心磁导率μFe=∞，不计气隙的边缘效应和漏磁，忽略衔铁与固定铁心滑动面之间的气隙，求作用在衔铁上的电磁力Fdp。

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下一页图1.1.8例1题图返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性

由已知条件可知该磁路是线性的，铁心磁压降可忽略不计，则Uδ=IN。气隙磁导为

=1.1.4交流嗲磁铁的吸力电磁铁的励磁绕组由交流电源供电的，称为交流电磁铁。一般情况下，如果电源电压是正弦的交流电压，则磁通也是时间的正弦函数。任一瞬时的电磁吸力fd取决于该瞬时的磁通值，因此其电磁吸力也将是周期性地变化的。

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下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性上一页

下一页设工作气隙中的磁通为=

，为磁通的最大值。当电磁铁磁路不饱和，并忽略漏磁影响时，对拍合式交流电磁铁的电磁力可按下式计算=

将代入得

==-（1.1.9）式中，Fdm——最大电磁吸力。电磁吸力fd(t)与时间关系如图1.1.9所示。由式（1.1.9)可知，交流电磁吸力包括两个分量，即

=

图1.1.9拍合式交流电磁铁磁通与电磁力返回1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性例2图1.1.8所示的电磁铁，其他条件均不改变。当励磁线圈接在交流电源上，感应电势为e=Esinωt时，如忽略线圈电阻和漏磁通，求作用在衔铁上的电磁力。解：由题意，此时气隙磁通为

=-=

则电磁力为

=·平均电磁力为=这里上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性1.1.5电磁铁的特性参数与应用一、电磁铁的特性参数通常以下列特性参数来表示电磁铁的工作性能：(1)吸力特性指电磁铁在一定的励磁磁势下衔铁的吸力（力矩)与衔铁行程（转角)间的关系。特别是衔铁的行程和衔铁在初始位置时的吸力值，是使用者在选用电磁铁时要注意的两个重要参数。(2)额定工作电压指电磁铁可靠工作时绕组线圈所加的电压（V)。(3)电磁铁的吸合电压Uxh（或吸合电流Ixh)它是能使衔铁从初始位置运动到完全吸合位置的线圈最小电压（或电流)值。在此电压（或电流)作用下，电磁铁吸力特性处处都应大于（或等于)衔铁对应位置的反作用力（或力矩)。上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性(4)电磁铁的释放电压Usf（或电流Isf)它是指能使衔铁从吸合位置返回初始位置的线圈最大电压（或电流)值。此时对应的电磁吸力（力矩)都应等于或小于作用在衔铁上的反作用力（力矩)。(5)贮备系数Kcb=

(6)返回系数Kfh=(7)吸合时间txh

电磁铁线圈接通额定电压的瞬间到衔铁运动到完全吸合所需要的时间。(8)释放时间tsf

电磁铁线圈断开电源瞬间到衔铁回复到初始位置所需要的时间。

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下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性二、电磁铁的应用电磁铁结构简单，动作速度快，维护方便，能产生较大的吸力，因而是自动控制中重要的电磁元件之一。它不仅可以作为独立的元件直接应用，而且还是众多电磁元件的主体部件之一，应用十分广泛，下面仅举几个应用实例。1.电磁冷气阀电磁冷气阀在国防和民用工业中被广泛应用。它的结构如图1.1.11所示。2.双绕组操纵电磁铁这种电磁铁实际上可看作是组合在一起的两个电磁铁，如图1.1.12所上一页

下一页1.1电磁铁的静吸力和静吸力特性示。当线圈1、2均没通电时，衔铁处于中间位置（零位)。当线圈1通电时，衔铁在电磁力作用下将向左移动。而当线圈1不通电，线圈2通电时，衔铁又将向右移动，因此它是一种双向运动的电磁铁。3.电磁离合器电磁离合器的结构如图1.1.13所示。图中虚线表示由线圈电流产生的磁通。电磁铁的衔铁通过花键与从动轴联结。4.微动同步力矩器

图1.1.14所示的旋转式电磁铁在航空陀螺仪表中又称微动同步力矩器。图中转子轴为弹性扭力轴。

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返回图1.1.11电磁冷气阀1、2—活门；3—衔铁；4—铁心；5—线圈；6—弹簧返回图1.1.12双绕组操纵电磁铁1、2—绕组；3—衔铁；4—台座返回图1.1.13电磁离合器（a）工作原理图；（b）结构图1—主动轴；2—从动轴；3—衔铁；4—线圈；5—导磁体；6—安装法兰盘返回图1.1.14微动同步力矩器返回1.2电磁继电器和接触器1.2.1结构和工作原理电磁继电器是一种具有跳跃输出特性的用于传输信号的电磁器件。它的基本组成是在电磁铁基础上加上触点系统而构成。图1.2.1是其原理结构图和符号图。1.2.2静吸力特征和范例特征配合继电器（或接触器)能否可靠地工作，取决于静吸力特性与反作用力特性恰当地配合，即要使衔铁顺利地动作，使常开触点可靠地闭合（或常闭触点打开)，也就必须使吸力特性在继电器动作过程中，在任何气隙位置上，吸力始终大于反作用力，用数学式表达为

FD>FF

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返回图1.2.1直流电磁继电器（a）结构图；（b）符号图返回1.2电磁继电器和接触器

所谓反力特性是指衔铁沿电磁力方向运动时所要克服的阻力Ff和工作气隙的关系，即Ff=f(δ)。在图1.2.7中同时画出了该继电器在不同线圈磁势时的静吸力特性Fd=f(δ)。图中(IN)cd称为触动磁势，对应的励磁电压、励磁电流称为触动电压Ucd和触动电流Icd。为了保证继电器可靠地工作，吸合时，电磁吸力必须始终大于反力，即静吸力特性曲线必须在反力特性上面；释放时，电磁吸力必须始终小于反力，即静吸力特性曲线必须在反力特性下面。1.2.3继电器的触点与火化继电器的触点系统是由导电性好、耐腐蚀、耐磨擦的贵金属如银、铂、金及其合金材料制成的触点组成。

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下一页图1.2.7静吸力特性及反作用力特性的配合返回1.2电磁继电器和接触器

为了消除触点间的火花，往往可以采用一些灭火花电路。灭火花电路的基本原理是提供一个放电回路，将输出回路中电感负载所储存的能量以其他能量形式消耗掉。除了采用灭火花电路以外，在一些可靠性要求较高的场合，如航空航天、矿井等，还广泛采用密封继电器（或接触器)。这时整个继电器用金属外罩完全密封起来，罩内还可充以惰性气体，这就保证了触点有一个不受外界环境影响的、洁净的工作条件，提高了可靠性。1.2.4继电器的主要技术指标（1)灵敏度指继电器在规定负载条件下的最小吸合功率，单位为W或

mW。上一页

下一页1.2电磁继电器和接触器(2)触点负荷指继电器触点所承受的开路电压和闭路电流值。(3)动作时间包含吸合时间txh和释放时间tsf。吸合时间是指继电器励磁线圈加额定电压后，从通电瞬间到常开（闭)触点闭合（打开)所需的时间。释放时间是指线圈从断电瞬间到常开（闭)触点断开（闭合)所需的时间。单位为s或ms。(4)返回系数Kfh定义==为继电器的返回系数，总是小于1。(5)储备系数=。一般大于1.5。上一页

返回1.3新型继电器举例一、舌簧继电器舌簧继电器的结构简单，由线圈和舌簧管组成，如图1.3.1所示。舌簧管是用烧结的方法将舌簧片封结在玻璃管内而成。舌簧继电器具有下列特点：（1)舌簧管结构简单，体积小，质量轻，容易实现自动化生产，价格便宜；（2)触点单独密封在充有惰性气体的玻璃管中，为触点工作可靠性的提高创造了有利条件；（3)可动部分质量小，且属无铰链联结，所以动作快，一般吸合与释放时间均在0.5～2ms以内。下一页

返回图1.3.1具有一对触点的舌簧继电器（a）原理结构图；（b）工作原理图返回1.3新型继电器举例（4)吸合功率小，灵敏度高，多用半导体元件启动。舌簧继电器的主要缺点是触点较容易出现冷焊（非通电熔化而造成的触点间的黏结现象)；触点断开容量较低，过载能力较差；触点距离近，耐压较低；簧片断开瞬间易出现颤抖现象等。二、无触点继电器1.固态继电器（SSR）及其应用固态继电器是一种新型的无触点继电器，如图1.3.3所示。这种器件为四端器件，1、2为输入端，3、4为输出端。输入端与输出端之间无公共连线，它们之间信号的耦合目前大量采用的是光电耦合器件。

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下一页图1.3.3固态继电器（a）交流型；（b）直流型返回1.3新型继电器举例2.晶闸管无触点开关图1.3.6为用晶闸管组成的交流单相开关。它的通断由晶闸管控制极是否加触发电压（控制电压)决定。3.逻辑电路构成无触点开关及其应用逻辑电路构成的无触点开关包括两类：一类是半导体逻辑门电路，如与门、非门、或门、与非门和或非门。它们是根据输入电平的组合来得到输出结果；另一类是各种触发器，它们是一种具有记忆功能的器件。从上述实例中可看出，无触点控制中无论是门电路还是触发器，它们输出电平很低，功率不大，均不足以直接去驱动控制对象，因此都必须在它们之间增加接口和放大电路。此外，无触点开关一般可以有多个上一页

下一页1.3新型继电器举例输入，但输出只有一个，这在需要用一个输入去控制多个输出场合，会带来使用上的不便。上一页

返回第一篇执行元件第二章变压器第二章变压器2.0概述2.1单相变压器的空载运行2.2单相变压器的负载运行2.3变压器的额定值和性能指标2.4特殊变压器2.5变压器绕组极性的测定2.0概述

变压器是一种传递电能的静止电器，它能把某一电压或电流的交流电能转换成同频率的另一电压或电流的交流电能。变压器的基本工作特性是通过一个共同的磁路，把两个或两个以上的接到不同电路上的线圈组匝链在一起，通过电磁感应，在电路之间实现能量的传递。这共同的磁路部分称为铁心，被匝链的线圈称为绕组。根据变压器变换交流电的相数不同，绕组可以是单相的或三相的。但无论是单相还是三相变压器，它们每相都有一个（或一组)一次绕组，一个（或一组)二次绕组，如图2.0.2所示。一次绕组接电源，而二次绕组接负载。当变压器的二次侧电压高于一次侧电压时，叫升压变压器，反之叫降压变压器。返回图2.0.2变压器电原理图返回2.1单项变压器的空载运行2.1.1空载运行时的电压平衡方程式为了正确表示各物理量之间的关系，必须规定它们的参考正方向。首先规定磁通的参考正方向（可以任意规定)，用Φ表示。其他各物理量的参考正方向均是以Φ的参考正方向为准的关联方向，可按右手螺旋法则决定。即一次电流与磁通正方向符合右手螺旋法则，感应电动势和电流正方向一致，电压降与电流正方向一致，如图2.1.1所示。在上述规定的正方向下，感应电动势的表达式为

=-，=-，=-下一页

返回2.1单项变压器的空载运行当各物理量均为正弦交流时，用向量表示的电压平衡方程式为

=-=-（2.1.2）2.1.2感应电动势和空载电流一、感应电动势和变比设主磁通φ=φmcosωt,则由e=-N可得

=

=

（2.1.3）上一页

下一页2.1单项变压器的空载运行式中，=——一次绕组感应电势最大值；

=——二次绕组感应电势最大值。感应电势有效值分别为

====（2.1.4）如以主磁通作基准向量，则为

=上一页

下一页2.1单项变压器的空载运行

感应电势e1、e2相位相同，电势的瞬时值之比等于它们有效值之比，该比值称为变压器的变比K。

K===(2.1.6)二、空载电流变压器空载时主磁通Φ由一次绕组的空载电流I0产生，I0也称为励磁电流。主磁通经过铁心闭合，所以主磁通与励磁电流之间的关系与铁心材料的磁化曲线形状相似。三、漏感电势漏感电势是由漏磁通产生的，由于漏磁通的路径主要是空气，它的磁阻是常数，因此漏感系数是与铁心饱和程度无关的常数。假定空上一页

下一页2.1单项变压器的空载运行载电流i0已经是等值正弦波，则漏感电势可写成

=-=-2.1.3变压器空载时的等效电路和向量图变压器空载运行时的等效电路，就是用一些基本的电路元件构成的电路，去代替实际的空载变压器。

I0流过Xm时只消耗无功功率，而不消耗有功功率。事实上，由于铁心交变磁化要产生铁耗，这部分是有功功率损耗，要靠电源补充。为了考虑铁耗存在，E1必须用I0在阻抗上的压降来表示，即

=-=-（2.1.11）上一页

下一页2.1单项变压器的空载运行式中，称为励磁阻抗，==，=（2.1.12）变压器空载时的等效电路如图2.1.3（a)所示。根据电路中阻抗变换，可以将rm、Xm串联支路改换为并联支路，如图2.1.3（b)所示。其中bm称为励磁感纳，gm称为励磁电导，Ym=（gm-jbm)称为励磁导纳。它们与、、之间关系为

=，

==，=上一页

返回图2.1.3变压器空载时的等效电路图返回2.1单项变压器的空载运行

变压器的负载运行是指变压器二次绕组接上负载，有电流输出时的工作情况。负载运行时的原理线路如图2.2.1所示。2.2.1负载运行时的电压平衡方程式

=--+

=+-（2.2.1）2.2.2负载时变压器的磁势平衡方程式

=（2.2.4）2.2.3变压器负载运行时的等效电路和向量图一、变压器负载运行时的等效电路

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返回图2.2.1变压器的负载运行返回2.1单项变压器的空载运行电压平衡方程式为

=-+=-（2.2.10）这里

==K（-）=二、变压器负载时的向量图

电感负载时，变压器向量图如图2.2.5所示。上一页

返回图2.2.5感性负载时变压器的向量图返回2.3变压器的额定值和性能指标2.3.1变压器的额定值（1）型号（2）额定电压（3）额定电流（4）额定容量（5）额定频率2.3.2变压器的特性一、变压器的外特性=

变压器的外特性是指当输入额定电压不变时，变压器的输出电压随二次侧电流I2变化的关系。U2的大小不仅与电流I2的大小有关，而且还

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返回2.3变压器的额定值和性能指标与负载边的功率因数cosφ2有关。图2.3.1为感性负载时变压器的外特性。输出电压的大小用电压调整率ΔU来表示，它等于变压器从空载到额定负载时，二次侧电压变化的数值和二次侧额定值之比。

ΔU=-*100%

（2.3.1）一般变压器ΔU为2%～5%，变压器越小，ΔU越大。二、变压器的损耗和效率变压器的有功功率传递可用它的能流图来描述，如图2.3.2所示。变压器一次绕组从电源输入的电功率为

=（2.3.2）

下一页上一页

图2.3.1变压器负载时的外特性返回2.3变压器的额定值和性能指标式中，——一次绕组的功率因数；——一次侧电压和电流之间的相位差。在一次绕组上产生的铜耗为

=（2.3.3）变压器的效率为η==-（2.3.9）变压器因没有旋转部分的损耗，因此与电机相比，它的效率比较高，额定负载时一般都在90%以上，大型变压器可达99%。上一页

返回2.4特殊变压器

常用的特殊变压器有自耦变压器、电压互感器、电流互感器等。它们的基本工作原理与前面介绍的单相双绕组变压器一样，但因为用途不同而有其特殊的结构和要求。这里主要介绍它们的工作原理和特点。2.4.1自耦变压器自耦变压器有单相和三相之分。图2.4.1为单相自耦变压器的原理图。在该变压器的铁心上只绕一个绕组，一、二次侧共用一部分绕组。由于自耦变压器一、二次间不仅有磁的联系，还有电的联系，因此在使用过程中必须注意：一次侧高电压可直接传入二次侧，以至危及人身安全。2.4.2电压互感器下一页

返回图2.4.1自耦变压器的原理图(a)结构图；(b)电路图返回2.4特殊变压器

电压互感器是一种降压变压器。其一次绕组与被测电路并联，二次绕组与电压表相接，如图2.4.2所示。由于电压表内阻很大，二次绕组实际上可认为是开路，所以电压互感器就相当于变压器的空载运行。电压互感器是用来测量高电压的，因此它和一般的变压器不同，要求有准确的变比值。为了满足不同线路的要求，根据准确度的不同可分为0.2级、0.5级、1级和3级四种。使用电压互感器时应注意一、二次绕组两侧都应接熔断器，防止短路故障时电流过大的危险。二次绕组、铁心和外壳都应接地，这样在一次绕组的绝缘损坏时，二次绕组侧对地的电压就不至升高，以保证安全。上一页

下一页图2.4.2电压互感器线路图返回2.4特殊变压器2.4.3电流互感器电流互感器是一种将大电流变换为小电流的铁心变压器。其一次绕组串联于被测电路中，通过的电流I1就是被测电流，见图2.4.3。二次绕组与电流表相接。电流互感器也要求一定的准确度。目前生产的电流互感器也有0.2、0.5、1和3级四个等级。0.2级的电流互感器主要用于实验室内要求测量非常准确的场合，如校验其他电流互感器，校验电流表等；0.5级电流互感器用来测量电能；1级电流互感器用于测量功率、电流等要求较准确的地方；3级电流互感器一般用来测量准确度要求不高的线路上的电流。上一页

返回图2.4.3电流互感器线路图返回2.5变压器绕组极性的测定

在使用变压器或其他有磁耦合的互感线圈时，均存在着线圈正确联接问题。为了能正确联接，在绕组上标以记号“*”。标有“*”号的两端称为同名端。对已制造好的变压器或其他电磁元件，如从外观上已无法辨认其同名端时，就要用实验的方法来确定了。通常采用下面两种实验方法。一、交流法用交流法测定绕组极性的电路如图2.5.2（a)所示。二、直流法用直流法测定绕组极性的电路如图2.5.2（b)所示。返回图2.5.2变压器绕组极性的测定(a)交流法；(b)直流法返回第一篇执行元件第三章直流电机第三章直流电机3.0

概述3.1直流电机的基本原理和结构3.2直流电机的电枢绕组和磁场3.3直流电机的电枢电势和电磁转矩3.4直流电机的换向与火花3.5直流发电机下一页第三章直流电机3.6直流伺服电动机3.7特殊直流电动机上一页3.0概述直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，它包括直流发电机和直流电动机两大类。直流发电机将机械能转换为直流电能；直流电动机则是将直流电能转换为机械能去拖动生产机械。返回3.1直流电机的基本原理和结构3.1.1直流电机的基本原理电机是电能和机械能互相转换的装置。电机的作用原理都是建立在电与磁的相互作用与相互转化的基础上的。图3.1.1是直流电动机的工作原理图。由此可见，在直流电动机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交变电流，这一过程称为电流的换向，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。直流电机既可作为电动机运行，把电能转换成机械能，又可作发电机运行，把机械能转换成电能，这一特性称为电机的可逆性原理。具有这种特性的装置称为双向机电能量转换装置。下一页

返回图3.1.1直流电动机的工作原理图返回3.1直流电机的基本原理和结构3.1.2直流电机的基本结构从直流电机工作原理的分析可知，电机的磁极与电枢之间必须要有相对运动，这也是所有电机的一个重要特征。任何电机都有固定不动的和旋转的两部分。前者称为定子，后者称为转子。定子和转子之间的空隙叫空气隙，如图3.1.3所示。一、定子

直流电机的定子由机壳、主磁极、换向磁极、电刷架组件和电刷等组成，其主要作用是产生磁场并作电机的机械支撑。（1)机壳又称磁轭，它是电机磁路的一部分，同时又是电机的机械支架，用来固定磁极和端盖等。上一页

下一页图3.1.3直流电机的结构图返回3.1直流电机的基本原理和结构（2)主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成。用来产生电机的主磁场，如图3.1.4所示。（3)电刷盒组件电刷盒固定在端盖上，电刷放在电刷盒中，并用弹簧将它压在换向器上，使它与换向器有良好的滑动接触，如图3.1.3所示。（4)端盖和轴承端盖用来安放轴承，以支撑转子。电刷盒也固定在端盖上。二、转子直流电机转子又称电枢，其作用是安放电枢绕组，从而产生感应电势和电磁转矩，实现机电能量转换。转子由电枢铁心、电枢绕组、上一页

下一页图3.1.4主磁极返回3.1直流电机的基本原理和结构换向器和转轴组成。（1)电枢铁心电枢铁心是主磁通磁路的一部分。（2)电枢绕组它由许多绝缘导线绕制成的线圈（称为元件)组成，如图3.1.8所示。（3)换向器换向器的作用是将电枢绕组内的交流电通过电刷转换为直流电。上一页

返回图3.1.8电枢绕组元件的安放返回3.2直流电机的电枢绕组和磁场3.2.1直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组在产生感应电动势和电磁转矩、实现机电能量的转换方面起着重要作用，因此对其绕组组成原理及特点必须有基本的了解。为使讨论的问题简明易懂，先用简单的两极环形绕组直流电机模型来加以说明，图3.2.1是该模型的示意图。直流电机的绕组形式是多样的，但任何绕组形式的直流电动机其工作原理是完全相同的。为了今后分析直流电机方便，习惯上常采用如图3.2.4所示的直流电机示意图。图中省略了换向器。电刷位于几何中心线上，它的含意是此时电刷通过换向片与几何中心线上（感应电势为零)的元件相接通，电刷间获得最大的直流电势。下一页

返回图3.2.1环形绕组直流电机原理图返回图3.2.4直流电机示意图返回3.2直流电机的电枢绕组和磁场3.2.2直流电机的磁场直流电机的气隙磁场是电机产生感应电势和电磁转矩所必不可少的。电机运行性能好坏在很大程度上也取决于电机磁场的情况。电机空载时，气隙磁场仅取决于励磁绕组所产生的励磁磁势，它称为主磁场或空载（励磁)磁场。当有负载时，电枢绕组里有电流流过，它所产生的电枢磁势，在空气隙中也将产生磁场，称为电枢磁场。此时电机气隙磁场将是两者的合成。对线性系统可用叠加原理求出它们的合成磁场。一、直流电机的空载磁路和磁场当励磁绕组通以直流电时，励磁磁势便在电机内建立起励磁磁场，磁极上一页

下一页3.2直流电机的电枢绕组和磁场就会呈现出N、S极性。在多极直流电机中，N、S是交替排列的。磁通从N极出发，经过气隙及电枢再回到相邻的两个S极，构成一个闭合磁路，如图3.2.5所示。

直流电机的主磁路包括磁极铁心、空气隙、电枢齿槽、电枢磁轭和定子磁轭5部分。二、直流电机的电枢反应电机空载时，气隙中主要是励磁绕组产生的空载磁场。在有负载后，电枢绕组有直流电通过，会产生电枢磁势Fa，从而在气隙中产生电枢磁场。图3.2.7表示两极直流电机主磁场分布情况。此时主磁场对主磁极轴线是对称的，对几何中心线也是对称的。图3.2.8表示当电刷位上一页

下一页图3.2.5直流电机的磁路和磁通返回图3.2.72p=2直流电空载时的主磁场返回图3.2.8直流发电机负载时的电枢磁场返回3.2直流电机的电枢绕组和磁场于几何中心线上时，直流电流通过电刷流入电枢绕组所产生的电枢磁场，电枢磁场的方向取决于电枢电流的方向。从图3.2.9可以看出，在一对极的直流电机中，电枢反应磁场也是一个两极磁场，磁场轴线与主磁场轴线相垂直。这样在每一个主磁极下，电枢磁场在半个极下和主磁场同向，从而加强了主磁场；而在另外半个极下，则由于电枢磁场和主磁场反向，从而削弱了主磁场。从图中可看出，电机负载时的合成磁场不再对称于几何中心线了，几何中心线处的磁密不再为零。负载时电枢表面磁密为零的两点连线称为物理中心线，它与几何中心线此时将不再重合。所以交轴电枢反应将使主磁场扭曲。在直流发电机中，交轴电枢反应将使主磁场的前极尖（即电枢进入上一页

下一页图3.2.92p=2直流发电机负载时的合成磁场返回3.2直流电机的电枢绕组和磁场的磁极端)的磁场削弱，而后极尖（即电枢离开的磁极端)将增强，对电动机而言则相反。当电刷不处于几何中心线时，如图3.2.10所示，此时电枢磁势Fa可分解为交轴磁势分量Faq和直轴磁势分量Fad，其中交轴磁势分量的作用如上所述。而直轴磁势分量对主磁场的作用随电刷移动的方向和电机的运用方式不同而异。当电机作发电机运行时，电刷顺电枢转向移动α角，则Fad对主磁场起去磁作用；当电刷逆电枢转向移动时，Fad起增磁作用。上述结论对直流电动机则相反。

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返回图3.2.10电刷偏移后的电枢反应（发电机）返回3.3直流电机的电枢电势和电磁转矩3.2.1直流电机的电枢电势直流电机电枢绕组感应电势，简称电枢电势。无论是直流电动机还是直流发电机，运行时都存在电枢电势，不同的是前者为反电势，后者为原电动势。直流电机的电枢电势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，它等于每一支路内各串联元件电势之和。设每极磁通量为Φ，则=（3.3.1）电枢绕组感应电势为=（3.3.4）

=是由电枢绕组结构参数决定的常数，称为电势常数。3.3.2直流电机的电磁转矩当通电的电枢绕组元件处于气隙磁场中时，元件导体便受到电磁力矩的下一页

返回3.3直流电机的电枢电势和电磁转矩作用，在直流电动机中它是原动转矩，带动轴上机械负载，输出机械能；在直流发电机中则是阻转矩。设每根导体所受的平均电磁力为fcp，则

==（3.3.5）对同一台直流电机，常数Ce和Cm之间存在一定的关系，即

==（3.3.7）上一页

返回3.4直流电机的换向与火花

电枢绕组元件的电流方向在某条支路时是一个方向，当进入另一条时将改变为另一个方向。当电枢绕组旋转时，绕组的元件将依次从一条支路经过电刷短路转而进入另一条支路，如图3.4.1所示的元件K，其中的电流将由换向前的反时针方向变成换向后的顺时针方向。这个过程叫元件的换向过程。进行换向的元件称为换向元件。换向元件从开始换向到换向完毕所需的时间称为换向周期。返回图3.4.1元件电流的换向(a)换向开始；(b)换向中；(c)换向完毕返回3.5直流发电机3.5.1直流发电机的形式直流发电机的性能与它的励磁方式有密切关系，按照励磁方式不同，直流发电机有永磁式和电磁式两种。永磁式直流发电机其定子磁极由永久磁钢组成，没有励磁绕组，通常以图3.5.1所示的符号表示。励磁绕组所消耗的功率是很小的，一般仅占电机额定容量的1%~3%，但它对电机性能影响却很大。3.5.2直流发电机的基本电磁关系一、电势和转矩平衡方程式图3.5.3为直流发电机示意图。下面以他励式直流发电机为例来进行分析。下一页

返回图3.5.1永磁式直流发电机返回图3.5.3直流发电机示意图返回3.5直流发电机当电枢由原动机拖动逆时针旋转时，电枢绕组中产生感应电势，其值为

=二、电磁功率和功率平衡方程式直流发电机的功率平衡关系为

===（3.5.7）式中，=——直流发电机总损耗。发电机的效率η为

η=×100%=×100%（3.5.8）直流发电机的功率分配如图3.5.4所示。其中Pj为励磁绕组的铜损耗。在他励式直流发电机中Pj由另外电源供给。上一页

下一页图3.5.4直流发电机的功率分配图返回3.5直流发电机三、直流发电机的外特性直流发电机的外特性是指当电机转速为额定转速nN，他励式直流发电机的励磁电流达到额定值IjN时，发电机负载两端电压Ua与负载电流Ia之间的关系Ua=f（Ia)。图3.5.5所示的他励式直流发电机，当Ij=IjN，n=nN并保持不变时，感应电势Ea也一定。因此随负载电流的增加，电枢回路电阻压降增加，发电机的输出端电压Ua将是下降的，如图3.5.5（b)所示。上一页

返回图3.5.5他励式直流发电机的外特性(a)测试线路图；(b)外特性返回3.6直流伺服电动机

直流伺服电动机是自动控制系统中作为执行元件用的直流电动机，其基本结构及内部电磁关系均和一般工业驱动用的直流电动机相同。直流电动机的功能是将直流电能转换成机械能。因此，它只是直流电机的电动机运行状态，所以前面所讨论的直流电机的感应电势、电磁转矩等对它也完全适用。直流电动机按励磁方式也可分为永磁式和电磁式两类。电磁式中又有自励式和他励式。自励式根据电枢绕组与励磁绕组连接的方式不同又有并励、串励和复励式三种。3.6.1直流电动机的基本方程式及功率平衡方程式一、直流电动机的基本方程

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返回3.6直流伺服电动机

直流电动机运行时，加在电枢两端的电压为Ua，在此电压作用下产生电枢电流Ia。此时，电枢在电磁力矩作用下以n速度匀速旋转。电枢绕组内感应电势Ea=CenΦ。由于Ea与电流Ia的方向相反，称为反电势。图3.6.1为直流电动机运行原理图。当电动机以稳定的转速n，带动轴上机械负载旋转时，直流电动机稳态时的电枢回路电压平衡方程式为

=（3.6.1）当电动机转速发生变化时，转动部分的转动惯量将产生惯性阻转矩，它与电动机转动部分的角加速度成正比。此时的转矩平衡方程式称为瞬态转矩平衡方程式，为

=（3.6.4）

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下一页3.6直流伺服电动机二、直流电动机的功率平衡方程式

=(3.6.7)3.6.2直流电动机的使用一、直流电动机的启动电动机从静止状态过渡到稳定运转状态的过程称为直流电动机的启动过程。对于电动机的启动性能一般有以下要求：(1)启动转矩大，足以克服启动时的阻转矩；(2)启动时电枢电流不能太大；(3)启动时间要短。上一页

下一页3.6直流伺服电动机

电动机在启动瞬间，转速n=0，反电势Ea=0，故电动机的端电压Ua全部降落在电枢电阻Ra上，此时电动机的电枢电流称为启动电流（或堵转电流)，其值为=(3.6.9)对应的启动转矩（或称堵转转矩)MQ为

=(3.6.10)二、直流电动机的正反转他励式直流电动机电枢的转动方向取决于通电的电枢绕组在磁场中受力的方向。由左手定则可知，电磁力方向由磁场方向和导线内电流方向所决定。上一页

下一页3.6直流伺服电动机三、直流电动机的调速由直流电动机驱动的某些机械如电车、机床等，在运行时往往要求电动机的转速在一定范围内可以方便地调节。其调速范围则根据负载要求来决定。由直流电动机的转速公式

n=-(3.6.11)

可知，对一台已制造好的直流电动机，可以有三种调速方法：1．改变电枢端电压Ua调速实质是，当负载转矩恒定时，通过增加或减少输入功率来调速。2．改变电枢回路的调节电阻Rtj调速上一页

下一页3.6直流伺服电动机

当Ua、Φ不变，负载转矩也不变，则电枢电流Ia也不变。加入调节电阻Rtj后转速n将下降。3改变励磁电流Ij

即改变励磁磁通Φ调速。实质是转换为机械功率的电磁功率维持不变。四、直流伺服电动机的控制方法电枢控制方法被广泛采用，刺激控制很少采用。3.6.3直流伺服电动机的运行特性一、直流伺服电动机的机械特性上一页

下一页3.6直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方程式为

E==(3.6.15)上式表明，放大器的内阻Ri所起的作用与电动机电枢电阻Ra相同。考虑了Ri之后机械特性斜率为

K=(3.6.16)显然此时K将增大，机械特性变软，如图3.6.11所示。因此，一般希望放大器有较小的内阻，以改善电动机的性能。二、直流伺服电动机的调节特性调节特性的斜率K=1/（CeΦ)，它与负载转矩大小无关，仅由电机本身的参数所决定。因此对同一台电机，在负载转矩不同时，它的调节上一页

下一页图3.6.11放大器内阻对机械特性的影响返回3.6直流伺服电动机特性是一组斜率不变，但不同的平行线，如图3.6.13所示。3.6.4直流伺服电动机的制动工作状态直流电动机的电磁制动方法有三种：能耗制动、反接制动和反馈制动。一、能耗制动以n转速稳定运行的电动机，为使其迅速停转，在保持励磁不变的情况下，将电枢绕组电源迅速切断，并将电枢两端自行短接，如图3.6.14所示。由于电动机与它所拖动的负载具有惯性，转速在一瞬间不变，仍为n1，转向也不变，所以电势Ea也不变。它的电压平衡方程式及电流为=0二、反接制动上一页

下一页图3.6.13直流伺服电动机在不同负载时的调节特性返回图3.6.14能耗制动返回3.6直流伺服电动机

如图3.6.15所示，当电动机以n转速稳态运行时，为达到迅速制动目的，将电枢电压极性迅速反接，此时由于系统的惯性，电机仍以n转速朝原来转向旋转，所以Ea大小不变，极性不变。但此时电枢电压由于反接，已与Ea方向相同，此时电压平衡方程式和电枢电流为

-Ua=三、反馈制动3.6.5直流伺服电动机的过渡过程一、直流伺服电动机过渡过程分析研究电动机的过渡过程的基本方法是用微分方程将电机在过渡过程中的上一页

下一页3.6直流伺服电动机物理规律表达出来，再根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。下面就以直流伺服电动机电枢绕组加上阶跃电压启动为例，来分析其过渡过程。电动机在动态时的电磁转矩和感应电势的关系式为

==（3.6.19）

==（3.6.20）机电时间常数τj被定义为：电机在空载情况下，励磁电压为额定值时，加上阶跃的额定控制电压，电机转速从零上升到理想空载转速的63.2%所需的时间。称为过渡过程时间。二、机电时间常数和电机参数的关系机电时间常数的表达式为=（3.6.28）上一页

下一页3.6直流伺服电动机可见，机电时间常数与电机的转动惯量J、电枢回路电阻Ra成正比。

K=n0/Md——机械特性斜率。三、直流伺服电动机的传递函数W(s)为他励式直流伺服电动机的传递函数。

==他励式电流伺服电动机电枢控制时的传递函数为

W(s)=

3.6.6直流伺服电动机的额定值几个主要的额定值上一页

下一页3.6直流伺服电动机（1）额定功率（2）额定电压（3）额定电流（4）额定转速（5）定额（6）额定转矩上一页

返回3.7特殊直流电动机一、直流力矩电动机1.结构及其特点直流力矩电动机是从一般的直流电动机发展而来的一种特殊电机，它的工作原理和基本结构仍和普通的永磁式直流电动机一样，只是为了能在相同的体积和电枢电压下产生比较大的转矩和低的转速，一般做成扁圆形。2.永磁直流力矩电动机的特殊问题（1）高转矩、低转速或连续堵转的工作状态在一般直流电动机中将会使电枢电流很大，绕组温升很高，因此不允许在这样状态下长期工作。（2）波纹转矩。下一页

返回3.7特殊直流电动机（3）机械特性。（4）控制特性。3.直流力矩电动机的性能指标（1）峰值堵转转矩(N·m)（2）连续堵转转矩(N·m)（3）峰值堵转电压（V）（4）峰值堵转控制功率（W）（5）转矩灵敏度(N·m/A)（6）波纹转矩的脉动量（%）（7）最大空载转速（r/min）上一页

下一页3.7特殊直流电动机（8）电动机的摩擦力矩(N·m)（9）电气时间常数（s）（10）机械时间常数（s）（11）黏性阻尼系数(N·m·s/rad)二、直流直线式伺服电动机与旋转式直流伺服电动机工作原理不同的是，直流直线式伺服电动机运动部分称为动子，它在电磁力作用下将做直线运动，当改变控制信号时，就可以改变动子的直线位移量、位移方向和速度。图3.7.2是它简单的工作原理图。三、无刷直流电动机上一页

下一页图3.7.2直流永磁直线伺服电动机工作原理图1—移动线圈；2—软铁棍；3—斜铁块；4—线圈电流；5—软铁轭返回3.7特殊直流电动机1.结构与工作原理无刷直流电动机取消了传统的电刷和换向器，因此在结构上与传统直流电动机也不同。它的电枢绕组放置在定子上，而转子由径向磁化的永久磁铁做成，特别是采用高磁能积的稀土合金材料。其结构示意图如图3.7.4所示。2.无刷直流电动机的几个问题（1）转子位置的测定。转子位置的测定在大多数无刷直流电动机中均采用转子位置传感器。根据工作原理不同转子位置传感器有电磁的、光电的、霍尔效应的等。而其中又以光电和霍尔元件位置传感器应用最广泛。图3.7.6为霍尔元件传感器用于无刷直流电动机的原理图。

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下一页图3.7.4无刷直流电动机结构示意图返回图3.7.6霍尔元件位置传感器无刷直流电动机工作原理图返回3.7特殊直流电动机（2）相绕组的联结。（3）转速的控制与调节。与传统的直流电动机一样，无刷直流电动机也以电压作为转速控制的手段。传统的转速调节方法是用一个测速传感器来测定实际转速值，将与转速成正比的输出电压作为控制信息，实现转速控制与调节。同其他直流电动机一样，无刷直流电动机也可采用其他的控制方式如脉宽调制控制等。锁相技术的应用使转速调节和控制精度大大提高。随着计算机技术的发展，用单片机实现转速的数字式调节和控制，不仅已得到广泛应用，而且性能价格比越来越高。上一页

返回第一篇执行元件第四章交流异步电动机第四章交流异步电动机4.0概述4.1交流异步电动机的结构和磁场

4.2三相交流异步电动机的运行分析

4.3三相交流异步电动机的功率和转矩

4.4三相交流异步电动机的使用4.5交流伺服电动机

4.6直线异步电动机

4.0概述

采用交流电励磁的电机统称为交流电机。按其工作原理的不同，主要可分为同步电机和异步电机亦称感应电机两大类。在固定的电网频率下，电机转子的转速随负载大小而改变的电动机称为异步电动机。异步电机通常作为电动机使用，但也可作为发电机使用于控制系统中，如异步测速发电机，它在伺服控制系统中作为测速传感器使用。交流异步电机与其他类型的电机相比较，具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便等优点，因此在工农业生产、科学研究、国防和日常生活中应用十分广泛。根据定子所加交流电相数的不同，它可分为三相、单相和两相异步电动机。两相异步电动机主要用于交流伺服系统中。而三相异步电动机功率一般都比较大，常用于轧钢设备，金属切削机床，起重运输机械，中、小型鼓风机，水泵等生产设备中。单相异步电动机容量较小，性能较差，常用于家用电扇、电冰箱、洗衣机、空调机等家用电器和实验室装置中。返回4.1交流异步电动机的结构和磁场4.1.1交流异步电动机的结构常用的交流异步电动机的结构如图4.1.1所示。它主要包括定子和转子两大部分。一、定子定子主要用来产生磁场和起机械支撑作用。它的最外面是铸铁制成的机座，机座内装有由互相绝缘的由电工钢片叠成的定子铁心，如图4.1.2所示。定子铁心内壁有齿和槽，槽内放有三个彼此独立的三相绕组。两相或单相电机则放置两个彼此独立的两相绕组。三相绕组的六个首末端A—X，B—Y，C—Z分别引到机座上的接线盒内的接线柱U1-U2、V1-V2、W1-W2上。接线柱的布置如图4.1.3所示。其中图（a）把三相绕组接成星形（），图（b）是三角形联结（△）。下一页返回图4.1.1交流异步电动机结构图返回1-轴；2-弹簧片；3-轴承；4-端盖；5-定子绕组；6-基座；7-定子铁心；8-转子贴心；9-吊环；10-出线盒；11-风罩；12-轴承内盖图4.1.2定子铁心和铁心冲片返回（a）定子铁心；（b）定子铁心冲片

图4.1.3三相异步电动机的接线柱和联结

（a）形联结；（b）△形联结

返回4.1交流异步电动机的结构和磁场

三相异步电动机定子绕组接成星形还是三角形，应根据电动机的额定电压和电源电压来确定。例如电机铭牌上标有额定电压380V/220V，/△接法，它表示每相绕组的额定电压是220V。如果电源线电压是220V，定子绕组应接成△形，如果电源线电压是380V，则应接成型。两相（包括单相）绕组的四个接线端也引到接线柱上，两个尾端彼此相连，首端引出接电源。定子部分还包括机座两端的端盖。端盖上的轴承室里安放轴承，轴承用来支撑转子，并使转子能够灵活地转动。上一页

下一页返回4.1交流异步电动机的结构和磁场二、转子转子的基本组成部分是转轴、压在转轴上的转子铁心和放在铁心槽内的转子绕组。转子铁心也是由电工钢片叠压而成，圆柱形转子铁心外表面有齿、槽，槽内安放转子绕组。根据转子绕组的构造不同，异步电动机分为笼型和绕线型转子两类。笼型转子绕组像一个圆柱形的笼子，如图4.1.4（a）所示。它由安放在转子铁心槽内的铜条组成，铜条的两端各用一个短路铜环焊接起来，形似一个笼子。额定功率在100kW以下的笼型转子绕组以及供冷却用的风扇常用铝铸成一体，其外形如图4.1.4（b）所示。由于笼型转子构造简单、坚固，加工、维修方便，成本便宜，因此笼型异步电动机应用也最广泛。上一页

下一页返回图4.1.4笼型转子（a）铜条笼型转子；（b）铸铝笼型转子返回4.1交流异步电动机的结构和磁场

绕线式转子绕组构成同定子三相绕组一样，且通常接成星形。绕组的三个首端分别接到三个彼此绝缘的滑环上，铜制的滑环压在转子轴上，滑环与转轴绝缘，但随转轴一起旋转。通过与滑环滑动接触的三个电刷，将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒中，以便转子绕组能与外电路连接。如在转子回路中串入附加电阻，可改善电动机的启动和调速性能。绕线式转子异步电动机结构复杂，制造成本高，需要经常维护，因此它大多用在有特殊要求的场合，如大型立式车床、起重运输设备等。上一页

下一页返回4.1交流异步电动机的结构和磁场4.1.2交流异步电动机的磁场

交流电机，无论是同步电机、异步电机还是自整角机等，在磁场的形成、特性和分析方法方面具有共同的特点，因此这节将由浅入深地做统一的阐述。为了便于分析交流磁场，首先介绍一些有关绕组的基本概念。一、交流绕组的基本知识

（1）极对数p磁场总是成对出现的，可用极对数p来描述。对一对极，即p=1，包括一个N极和一个S极。相邻两极之间沿定子内表面之间的距离称为极距，用τ表示。式中，D——定子内径。τ=πD——2p（4.1.1）上一页

下一页返回4.1交流异步电动机的结构和磁场（2）电角度与机械角度电机的圆周分为360°空间角，称为机械角。而将定子磁场一对极所占的空间定义为360°电角度。如图4.1.5（a）所示，转子导体A从N1极下转到N2极下，其中感应电势eA变化一个周期，即2π电弧度（或360°电角度），如图4.1.5（b）所示。此时导体A在空间只转过180°机械角。可见一个圆周的电角度与机械角之间的关系为，电角度=p×机械角。根据极距定义可知用电角度表示的极距

τ=π（或180°电角度）（4.1.2）用空间机械角度表示的极距τ=360°——2p（4.1.3）上一页

下一页返回图4.1.5机械角与电角度

（a）原理图；（b）波形图

返回4.1交流异步电动机的结构和磁场（3）相绕组m相交流电机有m相绕组，每相绕组又由多个线圈按一定规律均匀分布在定子（或转子）铁心槽内，然后按要求互相串、并联组成。每相绕组最后有两个引出端，如三相绕组分别为A—X，B—Y，C—Z。每个线圈有两条有效边，每条有效边又有Ny匝，它们分别放在相邻的不同极性的极下对应位置，这样得到的感应电势大小相等，相位差180°电角度，而每个线圈电势是两条有效边的感应电势之和。上一页

下一页返回4.1交流异步电动机的结构和磁场（4）绕组的安置定子三相绕组（包括绕线式转子绕组）在铁心上是按一定规律放置的。如三相交流电机定子（或转子）三相绕组之间在空间互差120°电角度。因为机械角与电角度之间关系与极对数有关，因此对不同极对数的电机，当三相绕组之间互差120°电角度时，它们之间在空间的机械角都不同，如图4.1.6所示。两相电机相绕组之间在空间互差90°电角度，当p=1时，机械角与电角度相吻合，如图4.1.7所示。上一页

下一页返回图4.1.6绕组在空间的安置

（a）2p=2；（b）2p=4

返回图4.1.7两相绕组在空间的安置

（a）2p=2；（b）2p=4

返回4.1交流异步电动机的结构和磁场二、交流电机的磁场

交流电机的磁场是由交流电流流过放在电机定（转）子铁心上的绕组线圈，在电机定、转子之间磁路内产生的。因此交流电机的磁场不仅是时间的函数，而且是沿气隙空间分布的，又是空间函数。交流磁场的描述方法有解析法、波形法和空间矢量法。大多数教材中介绍的是空间矢量法，它比较直观，可起到急功近利的效果，但将空间分布的磁场方波(确切地讲是梯形波)用空间矢量表示，却给出了一个严重的错