电机与电气控制技术 课件 任务4 特种电机的选择与使用

学习情境4特种电机（单相/伺服/测速/步进电机）的选择与使用任务4.1单相异步电动机的选择与使用任务4.2单相异步电动机控制实例—电风扇控制任务4.3伺服电机、测速发电机的选择与使用任务4.4步进电机的使用与选择【任务目标】技能目标：1.能根据使用场合选择合适单相交流电动机；2.能根据要求选择合适的伺服、测速、步进电机。知识目标：1.能定性描述特种电机的转动原理；2.熟悉特种电机的特点、选择与应用。学习情境4特种电机（单相/伺服/测速/步进电机）的选择与使用任务4.1单相异步电动机的选择与使用

【任务描述】

单相异步电动机是用单相交流电源供电的一类驱动用电机，凡是有普通民用电器的地方都可以使用。它具有结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便等一系列优点。所以广泛应用于各行各业和人们的日常生活中，与人们的工作、学习和生活有着极密切的关系。本任务主要研究单相异步电动机的基本原理和结构以及调速和反转等。【子任务目标】技能目标：1.学会单相异步电动机的接线和操作使用；2.能根据负载要求和应用场合选择合适的电动机容量和型式。知识目标：1.了解单相异步电动机的特点和用途；2.熟悉单相异步电动机结构与工作原理；3.掌握单相异步电动机的起动、反转与调速控制方法。

任务4.1单相异步电动机的选择与使用

（一）单相异步电动机结构和工作原理1.单相异步电动机的工作原理单相异步电动机仅仅是指由单相交流电源供电的异步电动机，并不表示电机的定子上只有一相绕组，因为这种异步电动机不能产生起动转矩，因此单相电动机的定子上必须有两套绕组，一个称为主绕组，另一个称为副绕组，主、副绕组在定子空间布置上相差电度角，同时使两套绕组中的电流在时间上也有不同相位。例如在副绕组上串联一个适当的电容器即可达到上述目的。这样，两套绕组就共同产生一个相差电度角的两相旋转磁场，从而在转子上产生转矩，用以起动电动机。电动机转动起来后起动装置适时地自动将辅助绕组从电源断开，仅剩下主绕组在线路上工作。任务4.1单相异步电动机的选择与使用【知识准备】

（b）（c）图4.1.1两相绕组产生的两相旋转磁场任务4.1之

【知识准备】放大

图4.1.1（a）中，两个电流在相位上相差90°，（b）中所示为在空间布置上相差电度角的两相绕组。将通入绕组A-X，通入绕组B-Y。线端A、B为绕组首端，线端X、Y为末端。正电流从绕组的首端流入，负电流从绕组的末端流入。（c）中显示了与两个电流5个瞬时所产生的磁场情况，从图中可以看出，当电流变化一周时，磁场也旋转了一周。综上所述，我们只要将相位上相差的两个电流通入在空间相差电度角的绕组，就能使单相异步电动机产生一个两相旋转磁场。在其作用下，转子得到起动转矩而转动。

任务4.1之

【知识准备】2.单相异步电动机的结构

单相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子。（1）定子部分单相异步电动机的定子部分包括机座、铁芯和绕组三大部分。机座主要用来支撑定子铁芯和固定端盖、机座有铸铁、铸铝和钢板结构等几种。定子绕组是由带有绝缘的高强度漆包线绕制而成。定子绕组型式常为单层、双层、单双层绕组和正弦绕组。定子绕组一般为两相绕组，即主绕组和副绕组。主、副绕组的轴线在空间一般相隔电度角。为了改善性能，有时把两相绕组的轴线设计成非正交。（2）转子部分

转子部分包括转子铁芯、转子绕组、转轴和风扇等部分。转子绕组一般采用笼型绕组，通常用铝压铸或离心浇铸而成。风扇用来加强电机的通风散热。一般由聚丙烯注塑而成。

任务4.1之

【知识准备】（二）单相异步电动机类型与特性单相异步电动机本身没有起动转矩，不能自行起动的起动，要使电动机起动就必须有一个旋转磁场，也就是要使定子产生一个旋转磁场，最好是产生一个圆形旋转磁场。有了旋转磁场，单相异步电动机就能起动。常用的办法是在电动机的定子上安放两相定子绕组，使两相绕组在圆周上相差电角度，并将单相电源通过电阻、电容和电抗的合理配合分为有相位差的两相电源，将它们分别接在两绕组上，两相电源加在两绕组上以后，能产生旋转磁场，在笼型转子上产生起动转矩。根据使定子产生旋转磁场的方法，可将单相异步电动机分为电阻分相式电动机、电容分相式电动机和罩极式电动机三类。

任务4.1之

【知识准备】1.罩极式电动机

1）结构与原理

罩极式电动机在单相异步电动机中结构最简单。其转子为笼型，在用硅钢片冲压而成的转子铁芯槽中铸有铝制笼型绕组。其定子也是用硅钢片冲压而成，主要制成凸极式和隐极式两种形式。罩极式电动机的工作原理如图4.1.2所示，定子上有凸出的磁极，主绕组就安置在这个磁极上。在磁极表面的1/3处开有一个凹槽，将磁极分成大小两部分，并在磁极小的部分套着一个短路铜环，磁极的一部分被罩起来，它相当于一个辅助绕组。当定子绕组中接入单相电源后，则磁极中将会产生交变磁通，从而铜环内产生一个相位滞后的感应电流。

任务4.1之

【知识准备】这样被罩部分和未罩部分就产生了两个空间位置不一致，且在时间上有一定相位差的交变磁通，在电机气隙中构成一个近似的旋转磁场呈脉动变化。这个旋转磁场切割转子后，使转子绕组中产生感应电流。载有电流的转子绕组与定子旋转磁场相互作用的结果，使转子得到起动转矩，从而使转子由磁极未罩部分向被罩部分旋转。

任务4.1之

【知识准备】图4.1.2单相罩极式电动机工作原理图放大2）主要特性

（1）起动转矩单相罩极电动机的起动转矩很小，通常只有满载转矩的30％～50％。因此，只能拖动轻负载起动的机电器械。（2）效率单相罩极电动机的效率很低，与其他型式的比较，大约要低8％～15％。（3）功率因数由于效率低，功率因数也就比较低。（4）额定电流单相罩极电动机在空载、满载和堵住时。电流的变化都很小，因此，就是将电动机转子堵住不转，罩极电动机也不会发生任何故障。（5）额定转速单相罩极电动机的实际转速略低于电机的同步转速。

任务4.1之

【知识准备】2.分相式电动机1）结构与原理单相分相式电动机的转子为笼型结构，定子采用齿槽式。一般主绕组占定子总槽数的2/3，辅助绕组占1/3，如图4.1.3。单相分相式电动机在起动时为了使起动用辅助绕组电流与运行用主绕组电流在时间上产生相位差，通常用增大辅助绕组本身的电阻或在辅助绕组回路中串联电阻的方法达到。以电阻分相式为例，由于两套绕组中的电阻和电抗

任务4.1之

【知识准备】图4.1.3分相式电动机绕组布置图放大不同，所以电阻大电抗小的辅助绕组中的电流，比主绕组中的电流先期达到最大值。因而在两套绕组之间出现一定的相位差，形成了两相电流。结果就建立起了一个旋转磁场，转子就因电磁感应作用而旋转。单相分相式电动机的起动依赖定子铁芯上相差电度角的主、辅助绕组来完成，一般将辅助绕组选用细导线来增加电阻，因此，辅助绕组导线的电流密度都比主绕组大，所以能短时间工作。单相分相式电动机的起动，可以用离心开关或多种类型的起动继电器来完成。

任务4.1之

【知识准备】2）主要特性（1）起动转矩分相式电动机的起动转矩一般是满载转矩的两倍，因此应用范围很广，如电冰箱的配套电动机。

（2）额定转速分相式电动机的转速很稳定，它的大小随定子极数和电源频率而变。它加速过程很快，不到一秒钟即可达到额定转速。（3）效率分相式电动机的效率因设计性能、容量大小和转速高低的不同而改变，一般约为50％～60％。（4）功率因数分相式电动机的功率因数，也随电机的设计性能、容量大小、转速高低而不同。一般在满载时约为0.5～0.6。因此，电动机在接近满载时运行最为经济。（5）起动电流起动电流大是分相电动机的一大缺点约为满载电流的6～7倍。

任务4.1之

【知识准备】

（6）过载容量分相式电动机过载时温升都很高，因此，一般过载容量不得超过满载转矩的25％，时间不超过5min。3.电容式电动机1）结构与原理

单相电容式电动机具有三种型式，即：电容起动式；电容运转式；电容起动、运转式。电容电动机和同样功率的分相电动机，在外形尺寸、定、转子铁心、绕组、机械结构等都基本相同，只是添加了1～2个电容器而己。电容电动机的辅助绕组中串联一只电容器，它的电流在相位上就将比线路电压超前。将绕组和电容器容量适当设计，两套线圈相互就完全可以达到相位差的最佳状况。

任务4.1之

【知识准备】

起动方式：对于电容启动时式电动机，电容器经过离心开关接入起动用辅绕组，接通电源，电动机即运转。当转速达到额定转速的70％～80％时，离心开关动作，切断辅助绕组的电源。对于电容运转式电动机，电容器与起动用副绕组中没有串接起动装置，因此电容器与辅助绕组将和主绕组一起长期运行在电源线路上。对于电容起动与运转式电动机，起动用辅助绕组经过运行电容与电源接通，并经过离心开关与容量较大的起动电容并联。接通电源时，两个电容器都串接在起动绕组回路中。这时电动机开始起动，当转速达到额定转速的70％～80％时，离心开关动作将起动电容从电源线路切除，而运行电容则仍留在电路中运行。

任务4.1之

【知识准备】2）主要特性（1）电容起动式电动机起动转矩一般可达到满载转矩的3～5倍，故能适用于满载起动的场合。由于它的电容器和副绕组只在起动时接入电路，所以运转特性与同样大小并有相同设计的分相式电动机基本相同。（2）单相电容运转式电动机起动转矩较低，但功率因数和效率均比较高。体积小、重量轻、运行乎稳、振动与噪声小、可反转、能调速，适用于直接与负载联接的场合。如电风扇、通风机、录音机及各种空载或轻载起动的机械，但不适于空载或轻载运行的负载。（3）单相电容起动与运转式电动机具有较好的起动性能，较高的功率因数、效率和过载能力，可以调速。适用于带负载起动和要求低噪声的场合，如小型机床、家用电器等。

任务4.1之

【知识准备】（三）单相异步电动机调速与反转1.调速（1）变极调速变极调速接线原理如图4.1.4所示。单相异步电动机的转速公式为式中

n——单相异步电动机转速；

n1——同步转速；

s——单相异步电动机转差率；

f1——电源频率；

p——电动机极对数。这种调速电动机的引出线很多，要用专门的调速开关才能保证接头的迅速切换，转速可以成倍的变化。

任务4.1之

【知识准备】

对于同一套绕组当采用庶极接法时，将比用显极接法的极对数要多一倍。因此，如在电动机定子的一套绕组中运用显、庶极两种接法的变换，即可得到极数成倍的两种转速。图4.1.4单相显、庶极双速接线图图4.1.5主绕组降压调速任务4.1之

【知识准备】放大放大

（2）自耦变压器调速接法利用自耦变压器的调压特性来直接降低主、辅绕组的电压或者只降低主绕组的电压，均能对电动机进行调速。具体接线方法有以下三种。

图4.1.5所示为主绕组降压调速接线图。自耦变压器是通过对主绕组的电压调控进行调速的。图4.1.6所示为主、辅绕组同电压降压调速接线图。自耦变压器是以同一电压对电动机的主、辅绕组作电压调控进行调速。图4.1.7所示为主、辅绕组异电压降压调速接线固。自耦变压器是分别以不同电压施加到主、辅绕组上进行降压降速。采用自耦变压器降压调速方法，能使单相电动机的起动性能和电能消耗有较大改善，其缺点是在增加自耦变压器后使整体成本大力增加。

任务4.1之

【知识准备】图4.1.6主、副绕组同电压降压调速图4.1.7主、副绕组异电压降压调速

任务4.1之

【知识准备】放大放大

（3）电抗器调速接法将电抗器串接到电动机单相电源电路中，通过变换电抗器的线圈抽头来实现降压调速，如图4.1.8所示。当调速开关S转到c时，主绕组与电抗器L串接到电源上，电源电压的一部分将降落在电抗器L的ac段上，因而主绕组的工作电压降低了，主绕组产生的磁场减弱，电动机的转差率增大，转速显著降低。当调速开关S转到a时，主绕组在额定电压下运行，转速达到最高速。调速开关转到b时，此时的主绕组和副绕组的工作电压介于高速和低速之间，因而作中速运行。（4）绕组抽头调速接法单相电容运转电动机现已普遍采用定子绕组抽头调速的方法。这种调速方法具有不同于自耦变压器或电抗器调速，而只需改变定子绕组接线的特点。

任务4.1之

【知识准备】

所以它有用料省、重量轻、耗电少等优点，其缺点是工艺性差、绕组的嵌线、接线较麻烦，使其应用范围受到某些限制。采用这种接法的电动机，定子上除嵌放有主绕组和副绕组外，还另外加一套调速绕组，由于辅助绕组的线径般较细而槽满率偏低，所以调速绕组多嵌于副绕组同一槽内。通过改变调速绕组抽头的方法来改变主绕组的电压降及磁场强度，从而实现单相电动机的调速。

图4.1.8主、副绕组异电压降压调速

任务4.1之

【知识准备】放大2.反转要改变单相电动机的旋转方向，通常只需将副绕组或主绕组的两根引线端互换，单相分相式电动机和电容式电动机的旋转方向即可反转。单相罩极式电动机的反转有三种方式：集中式磁极罩极电动机的反转、分布绕组罩极式电动机的反转和双主绕组罩极电动机的反转。

1）集中式对罩极式电动机的反转，必须将罩极式、电动机定子调头后再装进转子才能达到。

2）分布绕组式在罩极式电动机的定子槽中嵌放一套分布式主绕组和两套分布式罩极绕组。

3）双主绕组式在罩极电动机定子槽中嵌放两套主绕组和一套罩极绕组。

任务4.1之

【知识准备】1.实施地点：教室、电机实训室2.实施所需器材

1）多媒体设备；2）每组罩极式、电容式、分相式单相异步电动机各一台。3）单相异步电动机工作特测试用仪器仪表一套。3.实施内容与步骤：1）学生分组：4人左右一组，指定组长。工作始终各组人员尽量固定。2）教师布置工作任务。学生阅读学习指导书，了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。

任务4.1之【任务实施】引导问题为：（1）单相电动机是如何工作的？根据使定子产生旋转磁场的方法，可将单相异步电动机分为哪几类？（2）变单相电动机有哪几种调速方法？各有什么特点？（3）如何实现单相电动机的反转？3）教师通过图片、实物或多媒体分析演示让学生了解单相异步电动机结构、原理、铭牌参数以及启动、调速方法并举例，或指导学生自学。

4）实际观察几种单相异步电动机结构，并作工作特性测试。（1）观察给定的单相异步电动机，并注意各类型单相异步电动机的结构特点与适用场合，观察结果记录在表4-1-1中。

任务4.1之【任务实施】（2）注意事项

①认真观察，注意区别；

②训练过程中遵守规定、注意安全。

电动机类型型号应用场合起动转矩起动电流过载容量调速与反转特点罩极式电容式分相式表4-1-1单相异步电动机观察记录表

任务4.1之【任务实施】3.实施内容与步骤：1.单相异步电动机同三相异步电动机一样，也是感应电动机，也是依据法拉弟电磁感应定律制成的，它若要自行起动必须有一个旋转磁场；

2.电动机的反转有三种方式：集中式磁极罩极电动机的反转、分布绕组罩极式电动机的反转和双主绕组罩极电动机的反转。

3.单相异步电动机的调速有四种：变极调速、自耦变压器调速、电抗器调速和绕组抽头调速。各种调速方法有其各自的特点，应用时要权衡利弊，综合考虑，决定采用哪种方法调速。

任务4.1之【学习小结】4.2-1怎样改变单相电容式电动机和罩极式电动机的旋转方向？4.2-2为什么单相异步电动机不能自行起动?怎样才能使它起动?4.2-3单相异步电动机的特点是什么?为什么具备这些特点?

任务4.1之【自我评估】

任务4.1单相异步电动机的选择与使用【评价标准】项目内容配分考核要求扣分标准得分实训态度1.实训的积极性；2.安全操作规程地遵守情况；3.纪律遵守情况30积极参加实训，遵守安全操作规程和劳动纪律，有良好的职业道德和敬业精神违反操作规程扣20分；不遵守劳动纪律扣10分观察单相异步电动机结构1.观察电动机特性记录数据2.结构特点与区别50观察认真；找出区别；记录完整观察不认真扣10分；找不出区别扣20分；记录不完整各扣10分工具的整理与环境清洁1.工具整理情况；2.环境清洁情况；3.完成技能训练报告20要求工具码放整齐，工作台周围无杂物；；技能训练报告符合要求工具码放不整齐1件扣1分；有杂物1件扣1分；

；技能训练报告不符合要求扣10分合计100注

各项配分扣完为止表4-1-2任务4.1综合评价表【任务描述】

随着人民生活水平的不断提高，不论城市或农村，使用电风扇已是极其普通的事情了。原因是功率最小的冷气机，耗电量也在300W以上，工作3.4小时，就得耗用1kWh。一把电风扇，其功率充其量不过几十瓦，购置一把电风扇的费用，很容易在一年半载所节省的电费中得到补偿。更主要的还在于冷气机不能满足夏日多变天气的要求，不少时候，使用电风扇倒觉得比开冷气机来得舒适。有些人还认为，冷气加风扇，更能使室温均匀调和，空气流畅。电风扇所使用的单相电动机是多式多样的，其调速方法颇具代表性。本任务主要研究电风扇使用与控制。任务4.2单相异步电动机控制实例-电风扇控制【子任务目标】技能目标：1.会使用与控制电风扇，2.会电风扇控制元件的使用。知识目标：1.掌握单相异步电动机降压调速原理与方法；2.掌握电风扇的控制原理与方法。任务4.2单相异步电动机控制实例-电风扇控制任务4.2单相异步电动机控制实例-电风扇控制【知识准备】

（一）降压调速的可能性

电风扇除能促使气流流通外，并无致冷降温作用。电风扇能使人感到凉快，主要是电风扇加速了人体表皮水份的蒸发。在不同的气温、湿度、气压和人体的不同状态下（如静坐、用膳期间、运动后或从事各种不同的工作），人体表皮所含的水份不相同，使人感到凉快而所需的风量、风速也不相同，单速电风扇难以和人体的凉快感相适应。因此，电风扇一般都具备3～4档转速（台扇、座地扇），甚至多达7～8档转速（吊扇），以便使用者能有最佳选择。

拖动风扇扇叶和为生产机器提供原动力的单、三相感应电动机，转速是与其外施电压的平方成正比的，只要改变输入电动机的电压，即可改变电动机的转速。电风扇的调速就是通过改变其工作电压这一简便的方法来实现的。而生产机械却是利用变速箱中不同齿数的齿轮搭配、蜗轮蜗杆机构或改变传动皮带轮直径等方法进行调理。为什么电风扇可用改变电压的方法进行调速而生产机械却不采用这一方法？这问题可用感应电动机及其拖动负荷的机械特性来说明。任务4.2之【知识准备】

图4.2.1所示为感应电动机工作特性的M-n曲线，即机械特性曲线，曲线的A1-B1段为电动机的稳定运行区，B1-C1段为不稳定区。电动机只能在稳定运行区工作，在这一范围内，电动机能自动调节负荷力矩和转速的关系。

图4.2.1感应电动机机械特性曲线

任务4.2之【知识准备】放大

若电动机的拖动负荷是某一生产机械，该机械作用于电动机轴上的反转矩为ML，则ML与AL-BL的交点K即为电动机的工作点，电动机在转速nK下稳定运行。当施于电动机上的电压U1降U2到时，输出转矩也将大为降低，特性曲线由A1-B1-C1下降到A1-B2-C2，但对所拖动的机械来说，其作用于电动机轴上的反力矩是额定不变的，曲线A1-B2-C2的最大转矩B2点，也比ML较小，电动机无法拖动负荷被逼停止运转。所以，拖动负荷力矩为恒定值的电动机，不能用改变电压的方法进行调速。

对于电风扇这种风机类负荷，它们的机械特性与上述机械大不相同，风扇在高转速时，风量大，扇叶的负荷重；低转速时，扇叶送风量小，负荷轻，其机械特性如图4.2.1中的曲线MF所示。

任务4.2之【知识准备】

这种特性，正好和电动机高压、高转速、高转矩和低压、低转速、低转矩的特性相吻合。所以，只要电压不是下降得过低，曲线MF与电动机在各种不同电压下的机械特性均有稳定的工作点，所以电风扇可以在不超过额定电压而又高于最低驱动电压的各种不同电压下，以不同速度稳定运行。电风扇的转速常有快、中、慢三档或快、中、稍慢、慢四档。一般设计电容式风扇的慢档转速为快档的70％，罩极式风扇的慢挡转速为快档的80％，而中档转速则没有具体规定，只要求与快、慢档速度有明显的区别即可。按调速的方法不同，可分为电抗器调速、绕组抽头调速（改变绕组每匝伏数调速）和电子调速等几种。不论哪一种调速方法，都是利用降低风扇电动机工作电压这一基本原理。任务4.2之【知识准备】（二）降压调速的方法1.电抗器降压图4.2.2为电抗器调速原理图。快档时，电抗器不接入，电动机全压运行，转速最高，风量最大。中档和慢档时，分别串入匝数不同即阻抗不同的电抗线圈，产生不同的电压降，使风扇的转速降低，达到调节风量的目的。随着电容式电风扇的普遍使用，电抗器调速电路也不断改进。图4.2.2电抗器降压调速原理图图4.2.3不带指示灯调速电路任务4.2之【知识准备】放大放大

目前使用的电抗调速电路分为不带指示灯和带指示灯两种，图4.2.3为不带指示灯的调速电路，带指示灯的电抗器又分为单独线圈式和自耦变压器式，其接线图分别如图4.2.4和图4.2.5所示。在单独线圈式中电抗器除用于降压调速外，还作为指示灯变压器的初级绕组，指示灯由线圈的感应电压点亮。图4.2.4带指示灯单独线圈式调速电路图4.2.5带指示灯自耦变压器调速线路任务4.2之【知识准备】放大放大2.电动机绕组抽头调速电抗调速器的优点是结构简单、调速效果好、且易于调整。但与电动机绕组抽头调速比较，却要多使用一个部件，电抗器本身亦因发热而消耗部分电能，故直接从电动机绕组中抽取抽头进行调速的方法出现后，采用者日益增加。抽头调速由于工艺上的波动，尽管各风扇的匝数和抽头位置相同，绕组阻抗却往往不相等，致使备台风扇的转速有所差异。但只要加强控制绕线质量，调速亦甚稳定。这种调速方法最大的好处是省去电抗器、成本较低，这是制造商乐于采用的原因。

任务4.2之【知识准备】

绕组抽头调速方法是在定子绕组（电容式电动机）或磁场绕组（罩极式电动机）抽取抽头，利用不同的抽头改变电动机每伏匝数。抽头调速一般用于使用最多的4极电容式或罩极式风扇中。吊扇极数较多（常在16极以上），调速开关与风扇电动机的距离较远，所以不宣采用抽头调速。4极以上的罩极式风扇，因磁场的平衡、绕组的分段、调速档位的决定等都较难处理，亦不宜用抽头调速。抽头调速电动机的定子绕组上，通常绕有主绕组、中间和副绕组三个绕组。

任务4.2之【知识准备】

图4.2.6是一台电容式风扇的调速方法，在主绕组和副绕组之间，加绕有中间绕组，调速开关打到快速位置时，运行绕组全压工作，同时，运行绕组和中间绕组组成一个升压自耦变压器，使副绕组支路的电压高于电源电压。慢档时，副绕组支路的电压降为电源电压，中间绕组则成为运行绕组的电抗线圈，故运行绕组的电压亦相应降低，两绕组的磁场强度同时减弱，转速显著下降。中间绕组有几种不同的嵌线方法，最常用的是把中间绕组嵌于主绕组同一槽内，绕组节距与所嵌槽数与主绕组相同。

图4.2.6抽头调速接线图

任务4.2之【知识准备】放大1.实施地点：教室、电机实训室2.实施所需器材1）多媒体设备；2）风扇用单相异步机、导线、万用表和相应数量的闸刀开关、调速开关等。3）或一台电风扇散件配以调速开关。3.实施内容与步骤：1）学生分组：4人左右一组，指定组长。工作始终各组人员尽量固定。2）教师布置工作任务。学生阅读学习指导书，了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。

任务4.2之【任务实施】引导问题为：（1）什么叫降压调速？电风扇的调速是通过什么方法来实现的？（2）降压调速有哪几种方法？各有什么特点？3）教师通过图片、实物或多媒体分析演示让学生了解常用电风扇结构、原理及调速方法并举例，或指导学生自学。4）实际电风扇调速训练（1）电抗器调速训练。①按图4.2.2接线，学生先自己检查，再经教师检查确认。②先将调速开关置于低速档，合上电源开关，观察并测量转速，记录在表4-2-1中。

任务4.2之【任务实施】③再将调速开关分别置于中、高速档，观察并测量转速，记录在表4-2-1中。（2）绕组抽头调速训练①按图4.2.6接线，学生先自己检查，再经教师检查确认。②先将调速开关置于低速档，合上电源开关，观察并测量转速，记录在表4-2-2中。

铭牌参数额定功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）备注转速档位快中慢断开转速记录表4-2-1电抗器降压调速训练记录表任务4.2之【任务实施】

任务4.2之

【任务实施】③再将调速开关分别置于中、高速档，观察并测量转速，记录在表4-2-2中。（3）注意事项①通电前应将电动机放稳，并稍加固定；②训练过程中注意电动机轴头或风扇扇叶划伤；③接线牢靠，避免电伤。

铭牌参数额定功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）备注抽头位置快中慢断开转速记录表4-2-2绕组抽头调速训练记录表

3.实施内容与步骤：1.电抗器降压调速的优点是结构简单、调速效果好、且易于调整。电抗器必须和风扇电动机及扇叶特性匹配才能获得良好的调速效果；

2.绕组抽头调速方法是在定子绕组或磁场绕组抽取抽头，利用不同的抽头改变电动机每伏匝数的方法来调速。这种方法省去电抗器，成本较低。

任务4.2之【学习小结】

任务4.2之【自我评估】4.2-1试述电抗调速和绕组抽头调速的原理？4.2-2电抗调速和绕组抽头调速各有什么优缺点？4.2-3为什么电风扇可用改变电压的方法进行调速而生产机械却不用？

任务4.2之

【评价标准】项目内容配分考核要求扣分标准得分实训态度1.实训的积极性；2.安全操作规程地遵守情况；3.纪律遵守情况30积极参加实训，遵守安全操作规程和劳动纪律，有良好的职业道德和敬业精神违反操作规程扣20分；不遵守劳动纪律扣10分电抗器调速1.按图连接电路；2.选用仪表；3.测量转速30看懂电路图，并能够根据电路图连接电源、电路；正确选用仪表；准确测量转速电路连接不对扣10分；选用仪表不对扣10分；转速测量不准确扣10分绕组抽头调速1.按图连接电路；2.选用仪表；3.测量转速20看懂电路图，并能够根据电、路图连接电源、电路；正确选用仪表；准确测量转速电路连接不对扣10分；选用仪表不对扣10分；转速测量不准确扣10分工具的整理与环境清洁1.工具整理情况；2.环境清洁情况；3.完成训练报告20要求工具码放整齐，工作台周围无杂物；技能训练报告符合要求工具码放不整齐1件扣1分；有杂物1件扣1分；技能训练报告不符合要求扣10分合计100注

各项配分扣完为止表4-2-4任务4.2综合评价表任务4.3伺服电机、测速发电机的选择与使用【任务描述】

在现代的生产技术，空间技术和电子计算机技术中使用各种各样的特种电机。它们在自动控制系统中，计算装置中分别作为测量和比较元件、放大元件、执行和解算元件。这类电机也称为控制电机。特种电机的种类很多，若按电流分类、可分为直流和交流两种。按用途分类，直流控制电机又可分为电机扩大机、伺服电动机和测速发电机三种；交流控制电机可分为自整角机、伺服电动机、测速电机和步进电机等。特种电机着重于输出量的大小，特性的精确度和快速反应。本任务主要研究伺服电机与测速电机的结构特点、工作原理、工作特性及应用。【子任务目标】技能目标：学会伺服电机、测速发电机的基本操作使用方法。知识目标：1.了解伺服电机、测速发电机的作用和用途；2.了解伺服电机、测速发电机的基本结构和工作原理。任务4.3伺服电机、测速发电机的选择与使用任务4.3伺服电机、测速发电机的选择与使用【知识准备】（一）伺服电机伺服电机具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，无信号时静止，有信号时运行，因其“伺服”性而得名。伺服电动机在自动控制系统中担任执行元件，它的作用是把输入电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。1.直流伺服电动机直流伺服电动机是指使用直流电源的伺服电动机。一般的直流伺服电动机的基本结构装有磁极的定子、可以旋转的电枢和换向器等组成。按励磁方式之不同可分为电磁式和永磁式两种。1）盘形电枢直流伺服电动机这种电机的定子是由永久磁铁和前后磁轭所组成，磁铁可在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置。电机的气隙就位于圆盘的两边。转子呈薄片圆盘状，厚度为1.5～2mm。圆盘上有电枢绕组，可分为印制绕组和线绕式绕组两种型式。盘形电枢上电枢绕组中的电流是沿径向流过圆盘表面，并与轴向磁通相互作用而产生转矩。因此，绕组的径向段为有效部分，弯曲段为端接部分。在这种电机中也常用电枢绕组有效部分的裸导体表面兼做换向器，它同电刷直接接触。

任务4.3之

【知识准备】

盘形电枢直流伺服电动机性能特点是：（1）电机结构简单，制造成本低。（2）起动转矩大，由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比一般直流伺服电动机高10倍以上，因此容许起动电流大，起动转矩也大。（3）力矩波动小，低速运行稳定，调速范围广而平滑。这主要是由于这种电机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数很多的缘故。（4）换向性能好，电枢由非磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。（5）电抠转动惯量小，反应快。属中等低惯量伺服电动机。

任务4.3之

【知识准备】2）空心杯电枢永磁式直流伺服电动机空心杯形电枢直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。通常外定子是由两个半圆形的永久磁铁所组成；而内定子则为圆柱形的软磁性材料做成，仅作为磁路的一部分。空心杯电枢上的电枢绕组可采用印制绕组，也可以先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，再用环氧树脂热固化成型。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。

任务4.3之

【知识准备】3）无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上并不开槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯粘成一个整体。定子磁极可以用永久磁铁做成，也可以采用电磁式结构。直流伺服电动机的控制方法有电枢控制和磁场控制两种方式。电枢控制就是电动机励磁绕组接固定的直流电压励磁，而电枢电压绕组接控制电压；磁场控制方式则与之相反。以电枢控制为例，其原理如图4.3.1所示。图4.3.1伺服电机电枢控制原理图任务4.3之

【知识准备】放大

当电枢电压的极性改变时，电枢中的电流方向随之改变。由左手定则可知，电枢绕组所受的电磁转矩的方向也改变，因此电动机反转。如果改变磁通方向，电枢电压方向不变，同样可以达到改变电动机转向的目的。当电枢电压升高时，电机转速就升高；反之，转速则下降。2.交流伺服电动机交流伺服电动机的定子结构是在定子铁芯内圆上均匀布有槽，在定子槽中分别装有励磁绕组和控制绕组。其转子结构型式主要有鼠笼式转子和空心杯形转子。鼠笼式的结构与普通鼠笼式异步电动机相同，不过为了减小转子的转动惯量，需要做得细而长。任务4.3之

【知识准备】

空心杯式交流伺服电机的外定子与鼠笼式的定子相同，内定子由环形硅钢片叠压在一个端盖上，一般不做绕组，只是代替鼠笼转子的铁芯，作为磁路的一部分，其作用是减小磁路的磁阻。在内外定子中间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子做成杯子形状，故称为空心杯形转子。交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似。在系统个运行时，励磁绕组固定地接到电源上。在控制电压为零肘，气隙内磁场为脉振磁场，电动机无起动转矩，转子不动。若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同相，则在气隙内建立一定大小的旋转磁场。因此电动机有了起动转矩，转子就旋转起来。

任务4.3之

【知识准备】

交流伺服电动机的控制方式有三种：（1）幅值控制这种控制方式是通过调节控制电压的大小来改变电机的转速。（2）相位控制这种控制方式是通过调节控制电压的相位，即调节控制电压与励磁电压之间相位差来改变电机的转速。（3）幅值—相位控制这是一种同时调节控制电压的幅值和相位，从而控制转速的方法。

任务4.3之

【知识准备】（二）测速发电机测速发电机是一种将转速信号变换成电压信号的元件，它的输出电压与转速成正比。在自动控制系统和计算装置中应用甚广，其主要用途为：①产生加速或减速信号，②在计算装置中作计算元件，③对旋转机械作恒速控制等。

1.直流测速发电机直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如图4.3.2所示，其输出特性如图4.3.3所示。

图4.3.2直流测速发电机原理图

图4.3.3直流测速发电机输出特性任务4.3之

【知识准备】放大

在恒定磁场中，有负载时，因为电枢电阻及电刷和换向器有接触电阻等，会引起一定电压降。因此测速发电机输出比空载时小，从而导致输出电压与转速不再成正比，会使输出特性向下弯曲。为了改善输出特性，削弱电枢的去磁影响，尽量使气隙磁通不变，可以采取一下措施：（1）对电磁式直流测速发电机，可在电子磁极上装补偿绕组。（2）设计中，取较小的线负荷，适当加大电机气隙。（3）负载电阻不应小于规定值。

任务4.3之

【知识准备】2.交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。同步测速发电机有永磁式、感应子式和脉冲式。永磁式和感应子式测速发电机，其感应电动势随转速变化丽变化，因而，可以用来测速。不宜用在自动控制系统中。永磁式多作指示计式转速计。感应子式常经桥式整流后输出直流电压作为速度信号而用于自动控制系统。脉冲式测速发电机是以脉冲频率作为输出信号的，其速度分辨率较高，特别适用于鉴频锁相稳速系统。异步测速发电机按其结构可分为笼型转子和杯形转子两种。笼型转子异步测速发电机多用于精度要求不高的系统中。杯形转子异步测速发电机在自控系统中广泛应用。

任务4.3之

【知识准备】

交流测速发电机在一定的励磁和负载条件下，输出电压与转速的关系，称为输出特性。理想情况下，输出特性应为一直线。同样，输出电压和励磁电压应是同相的，且在转速为零时，没有输出电压，即所谓剩余电压为零。实际上测速电机因加工、材料等原因，将会破坏输出电压与转子转速间的线性关系。为了减小误差及减小工作转速范围内输出电压相位移的变化值，应当采取减少定子漏阻抗和增大转子电阻两种方法，还可以采取增大异步测速发电机的同步转速，即提高发电机励磁电源频率的方法。关于增大转子电阻的方法，可如前述，用高电阻率的材料做杯形转子。

任务4.3之

【知识准备】

异步测速发电机输出电压中的剩余电压会给系统带来不利影响，使系统产生误动作，引起随动系统的灵敏度降低。所以必须设法减小异步测速发电机的剩余电压。通常采用如下一些措施：（1）选用较低磁通密度的铁心。（2）采用单层集中绕组和可调铁心结构。（3）定子铁心采用旋转叠装法。（4）提高定子铁心和转子空心杯加工精度。（5）采用补偿绕组。（6）外接补偿装置，产生附加电压，其大小接近于剩余电压的固定分量，而相位相反。

任务4.3之

【知识准备】1.实施地点：教室、电机实训室2.实施所需器材

1）多媒体设备；2）每组各类伺服电机和测速电机各1～2台。3.实施内容与步骤：1）学生分组：4人左右一组，指定组长。工作始终各组人员尽量固定。2）教师布置工作任务。学生阅读学习指导书，了解工作内容，明确工作目标，制定实施方案。

任务4.3之

【任务实施】引导问题为：（1）什么叫伺服电机？有何用途？如何分类？（2）什么叫测速发电机？有何用途？如何分类？3）教师通过图片、实物或多媒体分析演示让学生了解伺服电机、测速发电机的结构、原理与用途并举例，或指导学生自学。4）实际观察各类伺服电机和测速电机结构与特点。观察给定的伺服电机和测速发电机，注意结构特点，记录铭牌数据。观察结果记录在表4-3-1中。

任务4.3之

【任务实施】3.实施内容与步骤：

电机名称额定功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）主要用途观察体会直流伺服电机交流伺服电机直流测速电机交流测速电机表4-3-1电机观察结果记录表

任务4.3之

【任务实施】1.伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号转换位轴上的角位移和角速度输出。它可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机。交流伺服电动机的基本特点是可控性好，采用杯形转子可以提高快速响应，提高起动转矩。直流伺服电动机实质是一台他励式直流电动机，电枢控制方式的机械特性与调节特性均为线性的。励磁功率小，响应迅速。

2.测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。发电机的输出电压与转速成正比。测速发电机分为两类，一是交流测速发电机，主要用于交流伺服系统中的测速元件和用作计算元件。二是直流测速发电机，它在自动控制系统中主要用作检测元件，即将转速信号变为电压信号。

任务4.3之

【学习小结】

任务4.3之

【自我评估】4.3-1伺服电机和测速电机的作用分别是什么？4.3-2试述直流伺服电机和交流伺服电机的优缺点？4.3-3交流伺服电动机与单相分相电动机有何区别?4.3-4直流伺服电动机与直流电机有何异同，直流伺服电动机有哪些特殊的优点?4.3-5为什么直流测速发电机的负载电阻要尽可能大?

任务4.3伺服电机、测速发电机的选择与使用【评价标准】项目内容配分考核要求扣分标准得分实训态度1.实训的积极性；2.安全操作规程地遵守情况；3.纪律遵守情况30积极参加实训，遵守安全操作规程和劳动纪律，有良好的职业道德和敬业精神违反操作规程扣20分；不遵守劳动纪律扣10分特种电机观察与操作观察各种电机结构特点，记录参数，简单操作40观察认真，记录完整，操作正确观察不认真扣10分；记录不完整扣10分；操作不正确扣20分；工具的整理与环境清洁1.工具整理情况；2.环境清洁情况；3.完成技能训练报告30要求工具码放整齐，工作台周围无杂物；技能训练报告符合要求工具码放不整齐1件扣1分；有杂物1件扣1分；技能训练报告不符合要求扣10分合计100注

各项配分扣完为止表4-3-2任务4.3综合评价表

步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需要量越来越大。本任务主要研究步进电动机的结构、工作原理及应用。

任务4.4步进电动机的使用与选择

【任务描述】

技能目标：学会步进电动机的操作使用方法。知识目标：1.了解步进电动机的作用和用途；2.了解步进电动机的基本结构和工作原理。

任务4.4步进电动机的使用与选择

【子任务目标】

步进电动机在本质上是一台反应式或永磁式的同步电动机。由于这种电动机的输入电源是一种脉冲电压，每输入一个脉冲信号，电动机就相应转过一个固定角度，即向前迈进了一步。因而这种电机也称为脉冲电动机。由于步进电动机的这一工作性能正好符合数字控制系统的要求，同时，电子技术的发展也解决了步进电机的电源问题，因此步进电机随着数字计算技术的发展，应用也日益广泛。目前它在数控机床、轧钢机、军事工业、钟表工业以及自动记录仪表等方面都有广泛的应用。步进电动机主要用于开环系统，也可加速速度和位置检测装置，用于闭环系统。在选择时要合理选择转矩的大小和负载转动惯量，步进电动机才能获得满意的运行性能。

任务4.4之

【知识准备】（一）步进电动机的结构步进电动机的结构型式和分类方法很多，一般根据励磁方式可分为永磁式、永磁感应子式和反应式。1.永磁式步进电动机永磁式步进电动机的结构如图4.4.1所示，定子的凸极无小齿，装有两相或多相绕组。转子为星形永久磁钢。转子极数与定子每相极数相同，图中定子为两相绕组，每相有两对磁极，因此转子也是两对磁极的永磁转子。这种电动机步距角较大，起动和运行频率较低，且需要供给正、负脉冲电源，消耗功率比反应式步进电动机小，具有定位转矩。

任务4.4之

【知识准备】

图4.4.1永磁式步进电机结构图

图4.4.2感应子式步进电机结构图放大放大任务4.4之

【知识准备】2.感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机的结构如图4.4.2所示。其定子结构与单段反应式相同。转子由环形磁钢和两端铁芯组成，两端转子铁芯上沿周围开有小齿，它们彼此相错齿距。定、转子齿数配合与单段式相同。这种电动机步距角可较小，有较高的起动和运行频率，需正、负脉冲供电，消耗功率较小，有定位转矩。它兼有反应式和永磁式两者的优点，但工艺复杂。3.反应式步进电动机（1）单段式反应步进电动机单段式又称径向分相式。其定子磁极数通常为相数的2倍，即，每个磁极上有一个控制绕组，并接成相。定子磁极极面上开有均布小齿，转子沿圆周也有均布小齿，其齿形和齿距与定子相同。

任务4.4之

【知识准备】

（2）多段式反应步进电动机多段式又称轴向分相式。按其磁路特点，又分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式两种，其结构分别如图4.4.3中（a）和（b）所示。轴向磁路多段式的每段定子铁芯为形，在其中置一相为环形控制绕组。

1-线圈2-定子3-转子4-引出线图4.4.3多段式步进电机

放大任务4.4之

【知识准备】

定、转子铁芯均沿电机轴向按相数分段，定、转子圆周上冲有齿形相近和齿数相同的均布小齿槽。这种结构使电机定子空间利用率较好，环形绕组易于制造，转子惯性低，因此其起动和运行频率较高，但制造工艺复杂。径向磁路多段式的定、转子沿电机轴向按相数分m段，每段定子铁芯上仅绕一相控制绕组，定子（或转子）铁芯与相连段铁芯错开1/m齿距，一段铁芯上每个极的定、转子齿相对位置相同。也可以在一段铁芯上有两、三相控制绕组，实质上它是多台单段式电机的组合。这种结构对于相数多而直径和长度又受到限制的反应式步进电动机来说，在结构布置上比前述形式灵活。

（二）步进电动机的工作原理

以三相反应式步进电动机为例，其定、转子铁芯由硅钢片叠成，定子上有六个极，每两个相对的极装有一相绕组，共有三相绕组，定子的三相绕组为控制绕组。转子有四极，

任务4.4之

【知识准备】其上无绕组，本身无磁性。工作时，电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上。按其通电顺序的不同，三相反应式步进电动机有三种运行方式。以三相单三拍运行方式为例来说明。其工作原理图如图4.4.4所示。

图4.4.4三相反应式步进电动机工作原理图放大任务4.4之

【知识准备】（二）步进电动机的工作原理

当U相控制绕组通电时，定子磁极U、U‘轴线若与转子1.3齿不对应时，总有一磁拉力使转子转到1.3齿与定子磁极U、U’重合。重合时，仅有径向力而无切向力，致使转子停转；当U相断电，V相控制绕组通电时，转子将在空间逆时针转过30°，转子齿2.4与定子极V、V‘对齐；如再使V相断电，W相控制绕组通电，转子又在空间逆时针旋转30°，使转子1.3齿与定子极W、W’对齐。若如此循环往复，并按U—V—W—U顺序通电，转子则按逆时针不断转动。其转速取决于控制绕组与电源接通和断开的变化频率。若通电顺序改变为U—W—V—U顺序时，则电机按顺时针方向转动。定子绕组每改变一次通电方式即称为一拍，“单”是指每次只对一相控制绕组通电，“三拍”指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。此外，还有“双三拍”“单、双六拍”通电方式。所谓“双三拍”即按UV—VW—WU—UV的通电顺序，这种方式的步距角仍为30°。

任务4.4之

【知识准备】（二）步进电动机的工作原理“单、双六拍”是按U—UV—VW—W—WU—U的顺序控制，则电机为六拍一循环。步进电机每改变一次