常用同步电动机

关于常用同步电动机第一节

同步电动机的工作原理同步电动机n=ｎ1=60f1/p一、三相异步电动机的同步运行

1.异步电动机的工作原理：

n<n1→E2s→I2s→Temn=n1→Tem=02.异步电动机的同步运行：第2页,共81页，2024年2月25日，星期天当n<n1作异步运行时，将直流电源加入三相转子绕组，→产生转子磁场→定子磁场拉着转子磁场→n=n1“异步”“同步”集电环A1B1C1U1U2V1V2W1W2QS+-A1U2B1V2C1W2IA1A2IB1B2IC1C2第3页,共81页，2024年2月25日，星期天二、三相同步电动机工作原理：1.三相定子绕组加入三相对称交流电→旋转磁场

2.转子永久磁铁→永久磁场

3.定子磁场拉着转子磁场旋转→三相永磁同步电动n1n1dNSqNS第4页,共81页，2024年2月25日，星期天双边励磁的同步电动机两种结构集流环凸极转子n1NNSS定子凸极式SN定子隐极转子集流环n1隐极式第5页,共81页，2024年2月25日，星期天三、同步电动机电磁功率公式当定、转子处于图示位置气隙小，磁阻小，电抗Xd大，转过90º时，气隙大，磁阻大，磁导小→Xq小凸极式（转子）n1n1dNSqNS第6页,共81页，2024年2月25日，星期天

略去定子绕组电压降：定子电压平衡方程式dqd轴İdMİİqMjİdMxdjİqMxqÙ

M

M凸极：隐极：第7页,共81页，2024年2月25日，星期天IdM：定子相电流的直流分量。

IqM：定子相电流的交轴分量。第8页,共81页，2024年2月25日，星期天第9页,共81页，2024年2月25日，星期天四、同步电动机的V形曲线

与功率的调整（一）V形曲线

假设：（1）不计（2）（隐极机）第10页,共81页，2024年2月25日，星期天可得图示特性曲线根据ÙĖ0İMjİMxt

MÙĖ03İqMİMjİMxt

M

MÙĖ02İqMİMjİMxt

M

M第11页,共81页，2024年2月25日，星期天IMIfIf0Pem2Pem1Pem=0不稳定超前过励欠励滞后Pem2>Pem1>Pemcos

M=10

同步电机过励，向电网输送无功电流，提高功率因数。调节If→P1q变→cos

M(二）功率因数的调整第12页,共81页，2024年2月25日，星期天五、同步电动机的起动

当转子与定子磁场相对静止时，定子磁场才能拉着转子旋转。n1TemNSNSTemn1NSNS所以同步电动机不能自行起动。第13页,共81页，2024年2月25日，星期天同步电动机的起动方法1.变频起动法起动时让f1从0逐渐增加。

2.同步电动机的转子上装置阻尼绕组（装在极靴上）方法：异步起动后，牵入同步运行。5~10RrfS1ABCS2+-第14页,共81页，2024年2月25日，星期天第二节

三相永磁同步电动机三相永磁同步电动机：无换向器电动机或直流无刷电动机特点：结构简单，无机械换向器，具有硬机械特性。一、永磁同步电动机的基本结构组成：电机本体、转子位置传感器、电子开关控制信号电源电子开关输出BQMS3~第15页,共81页，2024年2月25日，星期天无刷直流电动机的外形图第16页,共81页，2024年2月25日，星期天系

统

图第17页,共81页，2024年2月25日，星期天（一）永磁同步电动机—

直流无刷电动机

定子：三相对称绕组，接成Y或△，称为电枢绕组→产生同步旋转磁场。转子：高磁能积的稀土磁性材料→永磁转子。分类：按定子三相电枢绕组所加电压波形分：正弦波驱动和方波驱动*方波驱动控制简单，成本低第18页,共81页，2024年2月25日，星期天（二）定子电枢绕组的开关控制三相绕组接成Y或△。由转子位置检测器决定晶体管的导通、关断。V1V2V3V4V5V6ABCMS3~MS3~第19页,共81页，2024年2月25日，星期天△接法的控制方式第20页,共81页，2024年2月25日，星期天（三）转子位置传感器作用：检测电动机转子的实际位置。

1.光电编码器：光学编码器或旋转编码器（1）增量式组成：固定在定子上的光电耦合开关

+固定在转轴上的遮光盘原理：有光线通过，光电管导通，输出低电平。无光线通过，光电管截止，输出高电平。第21页,共81页，2024年2月25日，星期天发光二极管（固定）遮光盘（旋转）光电二极管（固定）A相B相

R相（基准）第22页,共81页，2024年2月25日，星期天

（２）绝对码式：光电码盘的码按照二进制读数设计。

2.旋转变压器光电码盘易受电气“噪声”的干扰。旋转变压器的定子、转子均有二相交流绕组。

3.霍尔位置传感器第23页,共81页，2024年2月25日，星期天二、三相永磁同步电动机

的工作原理

1.普通直流电机的工作原理NSnBaBf（一）反装式直流电机的工作原理第24页,共81页，2024年2月25日，星期天2.反装式直流电动机

的工作原理

根据左手定则，电枢绕组产生最大的电磁转矩，要使电枢绕组顺时针方向转动，电磁转矩的反作用力，迫使磁极逆时针方向转。

第25页,共81页，2024年2月25日，星期天nBaBfNSBaBfnNS电机继续旋转。Ba与Bf保持垂直→Tem=TmBf与Ba同方向→Tem=0若Bf与Ba之间保持一定的夹角，BaBfnNSn第26页,共81页，2024年2月25日，星期天（二）三相永磁同步电动机

的工作原理

转子位置传感器检测转子的实际位置→控制电子开关中晶体管的通断→磁场方向变→Tem→电机旋转。UdnNSABC转子位置传感器晶体管控制电路V1bV6bV1V2V3V4V5V61b6b第27页,共81页，2024年2月25日，星期天

１.V2.V3导通，→Ba与Bf垂直→Tem=TmV2V1V3V4IAIBBaBaBfBfBBBASNn0V5ICBaIBBaBfBfBBBCSNn0V6V1IAICBaBaBfBfBCBASNn02.V4.V5导通，→Ba转过1200→Tem=Tm3.V6.V1导通，→Ba再转过1200→Tem=Tm第28页,共81页，2024年2月25日，星期天电枢三相绕组的电流波形第29页,共81页，2024年2月25日，星期天三、三相永磁同步电动机的调速方法及运行特性第30页,共81页，2024年2月25日，星期天

（一）转速公式及调速方法设：第31页,共81页，2024年2月25日，星期天ε0：晶闸管逆变器的换流超前角

r：重叠角，不同相晶闸管同时导通的重叠时间忽略阻抗压降：

则第32页,共81页，2024年2月25日，星期天改变α角，实现调速。第33页,共81页，2024年2月25日，星期天（二）运行特性1.转矩特性实际：ε0≥30º(超前)，会出现Tem=0,∴ε0<30º第34页,共81页，2024年2月25日，星期天IdmaxIa0Tem第35页,共81页，2024年2月25日，星期天2.调速特性

30o60o45o200n/（r.min-1)3000200010000100Ea/Vε0=00。第36页,共81页，2024年2月25日，星期天3.机械特性

与直流伺服电动机

相似，可得到一组平行线。

第37页,共81页，2024年2月25日，星期天Ed=100Vn0TemEd=50V第38页,共81页，2024年2月25日，星期天2.调节特性

当TL=cn=f（Ed）

第39页,共81页，2024年2月25日，星期天T1<T2<T3<T4Ed02T2Ed03T3Ed04T4Ed01EdT1n0第40页,共81页，2024年2月25日，星期天四、三相永磁同步电动机

的特点1.调速范围广

2.快速性好

3.低速性能好

4.寿命长，维护简单

5.适合易燃易爆的场合

第41页,共81页，2024年2月25日，星期天第三节磁阻电动机

三相永磁电动机的转子是由永磁体组成。

（开关）磁阻电动机、步进电动机的转子是非磁铁的。一、工作原理：转子本身没有磁性，转子d轴和q轴正交方向磁路不对称。定子磁场以n1速度旋转，定子磁极轴线与转子d轴差

角→磁力线扭歪→在磁力线的拉力作用下→转子跟随磁场旋转。第42页,共81页，2024年2月25日，星期天

磁阻电动机不能自行起动→转子上另设起动绕组。n1n1TTNSqqddθ第43页,共81页，2024年2月25日，星期天二、磁阻电动机的转子结构

转子由非磁性的材料，钢片、铝、铜等组成。铝、铜可以起到笼型绕组的作用→作起动绕组。

第44页,共81页，2024年2月25日，星期天钢轴铝第45页,共81页，2024年2月25日，星期天三、开关磁阻电动机

组成：电机本体，转子位置传感器，电子开关电路。电子开关电路控制信号电源输出RMBQ第46页,共81页，2024年2月25日，星期天有6个定子磁极，四个转子磁极定子1通电，转子的d轴与定子1的轴线重合。改变通电相→转子位置移动。改变相电流脉冲频率→n变化。abcd1233’2’1’第47页,共81页，2024年2月25日，星期天第四节步进电动机重点：步进电动机的工作原理矩频特性矩角特性负载能力第48页,共81页，2024年2月25日，星期天一、概述

步进电动机：数字控制系统中的一种执行元件，将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。每输入一个脉冲，电机前进一步。第49页,共81页，2024年2月25日，星期天1.步进电动机的特点（1）可用数字信号直接进行开环控制，整体系统简单、廉价。（2）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成较简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高时组成闭环控制系统。（3）电机本身部件少，可靠性高。（4）易于起动、停止、正反转及变速，响应性好。（5）停止时，可有自锁能力。第50页,共81页，2024年2月25日，星期天2.步进电动机的应用广泛应用于于计算机的磁盘驱动器，绘图仪，自动记录仪，数控机床。3.一般工作机械对步进电动机的要求（1）调速范围宽，尽量提高最高转速以提高劳动生产率。（2）动态性能好，能迅速起动、正反转、停转。（3）加工精度较高。即要求一个脉冲对应的位移量小、并要求精确、均匀。这就要求步进电动机步距角小、步距精度高、不丢步或失步。（4）输出转矩大，可直接带动负载。第51页,共81页，2024年2月25日，星期天微电脑及电源指令步进电动机控制电脉冲传动齿轮机床工作台丝杠第52页,共81页，2024年2月25日，星期天二、步进电动机的工作原理

以三相反应式步进电机为例组成：定子有六个磁极，每两对应的磁极绕有一相绕组。转子有四个均匀分布的齿，齿宽与定子磁极极靴宽度相等。A’C’B’B’CA1234第53页,共81页，2024年2月25日，星期天1.三相单三拍运行方式

单：每次只有一相绕组通电。三拍：三次切换为脉冲的一次循环。

A相通电：磁力线总是力图走磁阻最小的路径→在磁拉力作用下→转子齿轴线与A相磁极轴线重合。A’C’BB’CA1234第54页,共81页，2024年2月25日，星期天A→B

转子逆时针方向转过30

则电机反转θs=30ºA’C’BB’CA1234转子再转过30ºB’C3A’C’BA124A→B→C→A转子一步步按逆时针方向转动。若改变通电相序A→C→B→A，B→C第55页,共81页，2024年2月25日，星期天2.三相双三拍运行方式通电方式AB→BC→CA→AB双拍运行方式的稳定性较好4321CAB’BC’A’CAB’BC’A’4321θs=30º第56页,共81页，2024年2月25日，星期天3.三相六拍运行方式通电方式：A→AB→B→BC→C→CA→A

六次切换为脉冲的一次循环。A相通电：转子齿轴线与A相的定子轴线重合4321CAB’BC’A’第57页,共81页，2024年2月25日，星期天A→AB：AB相磁极同时作用于转子，转子逆时针方向转15ºAB→B：转子齿轴线与V相定子轴线重合。4321CAB’BC’A’432C1AB’BC’A’第58页,共81页，2024年2月25日，星期天4.实际步进电动机的工作原理

设转子齿数Zr=40相数m=3每一齿所占的空间角每一极距的空间角每一极距所占的齿数线错开1/m齿距。当某一相定子齿轴线与转子齿轴线重合时，相邻相的定子齿轴线须与转子齿轴第59页,共81页，2024年2月25日，星期天AA’BB’CC’第60页,共81页，2024年2月25日，星期天以三相单三拍为例：

A相通电：转子齿轴线与A相定子齿轴线重合。A→B：转子逆时针方向转过30转子1/3（30）61/3(570)2/3t7(630)7(630)第61页,共81页，2024年2月25日，星期天步距角单、双拍混合方式C=2C：运行状态系数：单拍或双拍方式C=1第62页,共81页，2024年2月25日，星期天步进电动机的转速

第63页,共81页，2024年2月25日，星期天三、步进电动机的运行特性

（一）静态运行状态静态运行状态：不改变通电方式的工作状态。

1.步距角与静态步距角误差步距角：切换一次脉冲，转子转过的角度，

步距角实际步距角与理论步距角之间的偏差。

s=0.375~90º步距角误差：第64页,共81页，2024年2月25日，星期天2.稳定平衡位置TL=0，转子齿轴线与通电相定子齿轴线的夹角，θ=0出现扰动，转子偏离此位置，拢动消失，转子返回。若电源切除，转子的位置不变→自锁。

3.失调角θ

转子偏离稳定平衡位置的电角度。

一个转子齿对应的电角度为2л。

θ（电角度）=Zr×机械角度第65页,共81页，2024年2月25日，星期天4.矩角特性

步进电动机的静转矩T与失调角θ之间的函数关系：（1）θ=0转子上无切向磁拉力T=0

（2）θ=/2，切向磁拉力最大T=Tsm，作用反对定转子齿错开，T为负值。

</2时，θ越大→T越大

>/2时，θ增大→T减小。（3）θ=π时，切向磁拉力互相抵消,T=0

（4）θ=3/2π时，T=Tsm第66页,共81页，2024年2月25日，星期天=0没有转矩θ<π/2转矩增加θfθ=π/2转矩最大θf第67页,共81页，2024年2月25日，星期天=转矩又等于零

＞转矩反向

f第68页,共81页，2024年2月25日，星期天静稳定区稳定平衡点0TsmT

1800-1800第69页,共81页，2024年2月25日，星期天三相步进电动机两相同时通电0TsmT

1800-1800TATB三相步进电动机多相同时通电，不能提高TAB·TBTATAB··TAB=TA+TB···最大转矩，但可以增加电机运行的稳定性TAB=TA=TB第70页,共81页，2024年2月25日，星期天

四相步进电动机两相同时通电T0Tsm

1800-1800TATBTAB······第71页,共81页，2024年2月25日，星期天（二）步进运行状态

脉冲频率很低，1/f>t步进电机过渡过程时间，转子到达稳定平衡点时，下一个脉冲未到，转子在稳定平衡点附近振荡。实际：步进电动机的转子上装有阻尼器t

0t1

s第72页,共81页，2024年2月25日，星期天（三）连续脉冲运行状态

1.矩频特性Tdm=f(f)f在一定范围内T=cf↑一定值后，f↑→T↓

Tdm