电机的种类及工作原理

关于电机的种类及工作原理7.1单相异步电动机内容要点：一、概述

1、

应用情况广泛应用于家用电器（电风扇、电冰箱、洗衣机等）、空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。⒈了解单相感应电动机的结构特点、优缺点及应用情况；⒉掌握单相感应电动机的工作原理，弄清单相感应电动机为什么没有起动转矩？⒊重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。第2页,共69页，2024年2月25日，星期天

2、优缺点

优点：结构简单，成本低廉，噪音小。缺点：与同容量三相感应电动机相比较，体积较大，功率因数及过载能力都较低。故单相感应电动机只能作成小容量：微型：几瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。第3页,共69页，2024年2月25日，星期天2、

结构继续继续

与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌有定子绕组。单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可，但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运行的电动机没有起动转矩。为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。第4页,共69页，2024年2月25日，星期天第5页,共69页，2024年2月25日，星期天

二、基本工作原理1、单相绕组通入单相交流电时的情况

单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势，一个脉动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁势。分别用F+、F-表示，建立起正转和反转磁场ф+、ф-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。第6页,共69页，2024年2月25日，星期天返回第7页,共69页，2024年2月25日，星期天设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为

对反转磁场而言，转差率s-为

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单相异步电动机的T=f(s)曲线第9页,共69页，2024年2月25日，星期天分析：1）转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相感应电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。

三相异步电动机电源断一相，相当于一台单相异步电动机，故不能起动。2）当s≠1时，T≠0，且T无固定方向，取决于s的正负。一旦旋转，转向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。

三相感应电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。3）由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力低，TF不变，n下降→S上升→I2`上升→I1上升→温升增加。第10页,共69页，2024年2月25日，星期天7.1.2单相异步电动机的主要类型一、分相起动电动机

分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机

根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机1、电容起动电动机

特点：

ⅰ）起动绕组和电容按短时工作设计；

ⅱ）电容起分相和提高功率因数的作用。

由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达75～80%n1时，离心开关自动打开。第11页,共69页，2024年2月25日，星期天第12页,共69页，2024年2月25日，星期天2、电容电动机电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容应按长期工作设计。第13页,共69页，2024年2月25日，星期天特点：ⅰ）起动绕组和电容器按长期工作设计；ⅱ）过载能力、功率因数和效率均较高；ⅲ）容量能做到五十瓦至几千瓦；ⅳ）应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。第14页,共69页，2024年2月25日，星期天3电阻起动电动机

在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。二、罩极电动机

1、结构特点：定子作成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面1/3～1/4处开有一个小槽，放入罩极绕组（短路环），如下图：第15页,共69页，2024年2月25日，星期天第16页,共69页，2024年2月25日，星期天2、工作原理

在时间上滞后一个角度Ψ，而两个绕组在空间也相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。3、改变转向的方法：

1）定子上绕制两套起动绕组；

2）将定、转子反向安装。

4、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。

5、应用:用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电动模型和电唱机中。第17页,共69页，2024年2月25日，星期天小结：

1、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应用情况，单相异步电动机广泛应用于家电、医疗器械、轻工设备中；2、单相感应电动机的工作原理，为什么没有起动转矩？3、单相感应电动机的的起动方法与类型1）分相起动电动机；2）

罩极电动机。

第18页,共69页，2024年2月25日，星期天7.4伺服电动机7.4.1直流电动机一、直流伺服电机的结构分类：普通型直流伺服电机；盘型电枢直流伺服电动机；空心杯直流伺服电动机；无槽直流伺服电动机。第19页,共69页，2024年2月25日，星期天第20页,共69页，2024年2月25日，星期天第21页,共69页，2024年2月25日，星期天二、直流伺服电动机的运行特性1、机械特性定义：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。式中：第22页,共69页，2024年2月25日，星期天

当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩

当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为理想空载转速第23页,共69页，2024年2月25日，星期天直流伺服电动机的机械特性如下：2、调节特性定义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。直流伺服电动机的调节特性如上图所示。第24页,共69页，2024年2月25日，星期天7.4.2

交流伺服电动机

一、交流伺服电机的工作原理

交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如下图所示：第25页,共69页，2024年2月25日，星期天“自转”现象及避免“自转”现象方法：“自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。避免“自转”现象方法：增大转子电阻值。第26页,共69页，2024年2月25日，星期天二、交流伺服电机的控制方式

交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制

1、幅值控制控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。

2、相位控制控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。

3、幅值—相位控制通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速，这种控制方法称为幅值—相位控制。第27页,共69页，2024年2月25日，星期天7.5测速发电机

分类：直流测速发电机和交流伺服电动机

分永磁式和电磁式两种。7.5直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性

输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。第28页,共69页，2024年2月25日，星期天减少误差的方法：纹波的影响产生误差的原因电枢反应电刷接触电阻的影响二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法第29页,共69页，2024年2月25日，星期天7.5.2交流异步测速发电机

分为同步测速发电机和异步测速发电机一、空心杯转子异步测速发电机的工作原理第30页,共69页，2024年2月25日，星期天切割电动势计算公式1、n=0电机不转输出电压U2=02、n0电机旋转切割电动势大小:即：输出绕组的感应电动势的幅值正比于电机的转速。第31页,共69页，2024年2月25日，星期天二、异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差产生原因：励磁绕组存在漏电感。减小该误差的方法：增大转子电阻。第32页,共69页，2024年2月25日，星期天2、剩余电压误差产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。第33页,共69页，2024年2月25日，星期天7.6自整角机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机一、力矩式自整角机的结构与工作原理

自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电机。一般成对或多台组合使用。7.6.1自整角机的结构与工作原理

通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构，频率高、尺寸大的力矩式自整角机采用隐极式结构第34页,共69页，2024年2月25日，星期天

力矩式自整角机的三种结构：第35页,共69页，2024年2月25日，星期天图7.6.2为自整角机的工作原理图第36页,共69页，2024年2月25日，星期天发送机的转子位置为θ1，接收机的转子位置为θ2，失调角θ为

θ=θ1-θ2１．力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流

每相整步绕组中的感应电动势：发送机：接收机：第37页,共69页，2024年2月25日，星期天各相绕组中的总电动势：第38页,共69页，2024年2月25日，星期天各相绕组中的电流：第39页,共69页，2024年2月25日，星期天2．力矩式自整角机整步绕组的磁动势：第40页,共69页，2024年2月25日，星期天发送机的交轴磁动势分量：发送机的直轴磁动势分量：合成磁动势的幅值：第41页,共69页，2024年2月25日，星期天同理可求得接收机的整步磁动势为：3．力矩式自整角机的转矩：式中：k1为转矩系数，φ为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。第42页,共69页，2024年2月25日，星期天二、控制式自整角机的结构与工作原理

控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。

图7.6.3为控制式自整角机的工作原理图第43页,共69页，2024年2月25日，星期天7.6.2自整角机的误差分析与选用时应注意的问题

力矩式自整角机的误差：主要有零位误差和静态误差。

控制式自整角机的误差：主要有电气误差和零位电压误差。第44页,共69页，2024年2月25日，星期天7.7旋转变压器

旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。分类：按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器。按电机的极对数多少来分：单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。按使用要求来分：用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。一、正余弦旋转变压器的工作原理7.7.1旋转变压器的结构与工作原理第45页,共69页，2024年2月25日，星期天1.正弦绕组第46页,共69页，2024年2月25日，星期天2.正余弦旋转变压器的工作原理

定子上放置两套互差90

空间角度的匝数、型式完全相同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组。励磁绕组上施加交流励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向为d轴，在气隙中产生d轴磁通Фd，励磁绕组中的感应电动势为：（1）正余弦旋转变压器的空载运行

转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的空间位置也互差90

，d轴磁通与转子交链，产生变压器电动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组的相对位置有关。第47页,共69页，2024年2月25日，星期天将Фd分解为两个分量：与正弦绕组轴线方向一致的磁通Фr1和与正弦绕组轴线相垂直的磁通Фr2。第48页,共69页，2024年2月25日，星期天正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：第49页,共69页，2024年2月25日，星期天（2）正余弦旋转变压器的负载运行第50页,共69页，2024年2月25日，星期天第51页,共69页，2024年2月25日，星期天一次补偿与二次补偿的概念第52页,共69页，2024年2月25日，星期天二、线性旋转变压器的工作原理输出电压的大小与转子转角α成正比关系第53页,共69页，2024年2月25日，星期天正弦绕组的开路输出电压：进行级数展开：第54页,共69页，2024年2月25日，星期天设ku=0.5,将级数展开式代入（1）式中，得：忽略转角的高次项时，上式可写为：第55页,共69页，2024年2月25日，星期天二次补偿的线性旋转变压器：第56页,共69页，2024年2月25日，星期天7.7.2旋转变压器的误差及其改进方法1、产生误差的原因2、改进方法7.7.3旋转变压器的应用第57页,共69页，2024年2月25日，星期天

步进电动机用电脉冲信号进行控制，以实现对生产过程或设备的数字控制。7.8步进电动机7.8.1步进电动机的结构与工作原理根据作用原理和结构不同，分为两大类型：（1）电磁型步进电机，仅靠电磁作用不能使电机的转子作步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果；（2）定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的电机。第58页,共69页，2024年2月25日，星期天

在第2类步进电机中，根据转子结构形式，分为永磁式转子电机和反应式转子电机。

二、反应式步进电机的工作原理

图7.8.1为一台三相反应式步进电机，它由定子和转子两大部分组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。转子由软磁材料制成，在转子上均匀分布四个凸极，极上步装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。

第59页,共69页，2024年2月25日，星期天步距角：步进电机每改变一次通电状态（一拍）转子所转过的角度称为步距角。步距角的计算公式：式中：m为步进电机的相数；C为通电状态系数，单拍或双拍工作时C=1，单双拍混合方式工作时C=2；Zr为步进电机转子的齿数。步进电机的控制方式分三种：（1）三相单三拍工作方式，A-B-C-A;(2)三相单、双六拍工作方式，

A-AB-B-BC-CA-A;(3)三相双三拍工作方式，

AB-BC-CA-AB;第60页,共69页，2024年2月25日，星期天一、反应式步进电机的静特性(1)矩角特性7.8.2反应式步进电动机的特性步进电机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下，步进电机的静转矩与失调角之间的关系。用T=f(θ)表示。步进电机的转速为：

式中：f为步进电机每秒的拍数，称为步进电机通电脉冲频率。第61页,共69页，2024年2月25日，星期天