《控制器》-第5章 其他类型电动机

5.1单相异步电动机

在电动机的家族中除了三相异步电动机以外，还有许多其它类型的电动机广泛应用于各行各业，特别是一些特种电机相继出现，极大地满足了实际需要。在这一章将介绍单相异步电动机、直线电动机、永磁直流电动机伺服电动机、步进电动机等的工作原理及应用。单相异步电动机：使用单相交流电源；特点：结构简单、成本低、使用方便其定子只有一相主绕组。功率：比较小，通常为几瓦~几百瓦应用：家用电器、电动工具、医疗器械等方面4.14.1单相异步电动机实物图5.1.1单相异步电动机的结构和特点1.单相异步电动机的结构单相异步电动机转子—笼型结构定子隐极式结构凸极式结构隐极式凸极式12344.14—笼型转子绕组1—定子2—定子绕组3—转子

由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流i通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即磁场的大小随时间变化，而N、S极始终在一个轴线上。4.12.单相异步电动机的磁场分析i+–uZ1Z2单相绕组

ti

0x

t0t1t2t3驻波

B4.12.单相异步电动机的磁场分析

由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流i通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即磁场的大小随时间变化，而N、S极始终在一个轴线上。脉动磁场不能产生起动转矩，故不能自行起动。

单相异步电动机的转子电流和电磁力

f

如图。

当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为交变脉动磁场：在每一瞬间各点

分布为正弦；在不同瞬间各点

分布为驻波。

可将驻波分解为两个幅值相等、以同一转速向相反方向旋转的磁通。

+

T+

–

T–ff

4.12.单相异步电动机的磁场分析4.13.单相异步电动机的机械特性nTT

–合成转矩

T

=

T

+

–

T

–

TT

+机械特性

n=f

(T)具有下列特点：

当转速n

=

0时，转矩T

=

0，无起动转矩,电动机不能起动。

若转速n

0，转矩T

0，电动机正转;若n

0,T

0，电动机反转。

而单相电动机一经起动，T

T

（或T

T

）,在单相绕组作用下,其合成电磁转矩T

0，它能沿着某一个方向继续旋转下去。

结论：1.单相电机不能自行起动；2.起动后可以继续运转。05.1.2分相式单相异步电动机4.1分相式单相异步电动机设置了两个绕组：

由三相异步电动机的旋转原理可知，应在单相异步电动机起动时设法建立起旋转磁场，使其产生起动转矩。根据建立旋转磁场的方法，单相异步电动机可分为电容分相式、电阻分相式和罩极式等不同类型。1.电容分相式异步电动机Z1Z2—

工作绕组(或称主绕组)F1F2—

起动绕组(或称辅助绕组)两个绕组在空间相隔90

放置通入绕组的电流在相位上相差接近于90

这种情况称为分相，常用电容或电阻元件实现分相。工作绕组Z1Z2IZQU••CIF•I•

电容分相

起动绕组

F1F2

,

与工作绕组Z1Z2在空间相隔90

,并串联电容器

C，使二绕组中的电流相差约90

,即可产生旋转磁场。

在电机起动后，有些电动机用离心开关S断开起动绕组F1F2。起动绕组S1.电容分相式电动机4.1F1F2M1~+‒反转：只要将起动绕组接电源的两端F1F2对调即可。IFIZIU•

•••相量图iZ

tiF0

t=0°iZ=0，iF为正值(1)两相绕组形成的旋转磁场磁场从F1F2的轴线位置转向Z1Z2的轴线位置iF=Imsin(

t

+

90)iZ=Imsin

tF2F1Z1Z2C

t=45°iZ、iF均为正值F2F1Z1Z2

t=90°iZ为正值，iF=0F2F1Z1Z2

n1uiFiZ4.1+‒0

t(2)如何改变旋转磁场的转向？4.1iZ

tiF0iF=Imsin(

t

–

90)iZ=Imsin

tiZiF反转：只要将起动绕组接电源的两端F1、F2对调即可。

此时旋转磁场从Z1Z2的轴线位置转向F1F2的轴线位置。–工作绕组Z1Z2IZQU••IF•I•

电阻分相工作绕组Z1Z2电感量大，电阻小，而起动绕组F1F2的电阻大而电感量小，因此两绕组中电流相位差接近于90

，从而形成旋转磁场。

在电机起动后，电动机用离心开关

S

断开起动绕组F1F2。起动绕组2.电阻分相式电动机4.1F1F2M1~+‒相量图•UIFIZI•••S

空间相差120º

角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º

)。小结产生旋转磁场的条件

空间位置相差一定角度的N相绕组，通入具有一定相位差的N

相电流时，即可产生空间旋转磁场；当电流经过一个周期变化时，磁场也转过一个空间角度。4.1

在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。罩极式单相异步电动机起动转矩较小，但结构简单、制造方便，常用于小型风扇及吹风机中。磁极极靴4.1短路铜环(1)结构5.1.3罩极式单相异步电动机(2)罩极内外的磁通分析

电机的转向为从磁极的未罩部分转向被罩部分，方向不能改变。4.1

k••

2

1•in

2•'磁通相量图

1••

2

k•

2•'

在短路环中产生感应电动势和感应电流，产生的磁通

k通过短路环的总磁通

2与

1在时间上有相位差

角，在空间又相隔一定角度，因而能产生旋转磁场。若要改变方向，只能改变罩极的位置。'•••5.4控制电机前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为动力电机来使用的，主要任务是能量转换。4.4

用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。对控制电机的要求是：可靠性高、精度高、响应速度快。常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。它们的功率一般小于750W。本节重点介绍它们的特点和工作原理。5.4.1伺服电动机4.4

伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可以改变伺服电动机的转速及转向。

对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动机能立即停止转动），能快速响应。

伺服电动机有直流和交流之分,交流伺服电动机是两相异步电动机。直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同：直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦；交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。1.直流伺服电动机直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。直流伺服电动机定子转子(电枢)—重量较轻，转动惯量小永磁式—

磁极是永久磁铁电磁式—

磁极是电磁铁铁心绕组（1）直流伺服电动机的结构具有很好的快速响应特性4.41.直流伺服电动机（2）直流伺服电动机的机械特性直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变，通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。机械特性的表达式和曲线U1

U2

U3Tn10nT2n2n3U1U2U3电压U越大，转速n越高。

对应某一负载转矩，电动机有一始动电压。4.42.交流伺服电动机（1）可控无自转—当控制电压Uk=0时,转速n

=

0；（2）灵敏度高—转速与转向随控制电压的大小和（4）功率小—通常为零点几瓦

几十瓦；（5）运行稳定—n在(0

n0

之间连续稳定运行；（6）起动电压小—Ust=UN(3

。（3）响应快速—由于转动惯量小，起动转矩大，交流伺服电动机的控制电压为交流电压,特点为：所以电动机起动快；极性而改变；4.4交流伺服电动机及其驱动器实物图交流伺服电动机及其驱动器实物图(1)结构交流伺服电动机定子转子定子绕组转子铁心定子铁心转子绕组转轴机座笼形转子杯形转子励磁绕组控制绕组4.4

特点：笼型转子结构同普通笼型异步电动机，只是转子细而长，并采用高电阻率的导电材料作导条，以获得较小的转动惯量和较大电阻。

外定子内定子定子绕组杯形转子(铝合金)杯型转子可看成由无数导条并联而成。两种转子伺服电动机的分析方法相同。当只在励磁绕组上加入交流电压转子

产生电流if

产生脉振磁场

f。ifik

t04.4(2)工作原理

当控制绕组也接入电源，即加上控制电压,

电流

ik滞后

if

90º

产生的磁场

k

滞后

f

90º。因此可建立起旋转磁场。这时电动机就可产生起动转矩，转子也就转动起来了。

工作原理与单相异步电动机相似。控制绕组励磁绕组ifQCikS~fk电动机无起动转矩，转子不能转动。

励磁绕组与控制绕组在空间位置相差90º。4.4(3)机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。

有两点不同：

由于转子电阻大，使临界转差率

sm=

1，交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线；nTT

–TT

+01nTT

–TT

+01由机械特性，加之转子的转动惯量小，使交流伺服电动机可以克服“自转”。单相异步电动机交流伺服电动机(sm=1)ssT与伺服电动机的转向相反，成为制动转矩，且转子转动惯量小，所以电动机能立即停转。4.4(4)“自转”现象及其克服

一旦控制电压消失，电动机应能立即停转。若电动机还继续转动，称这种现象为“自转”。

交流伺服电动机可以克服“自转”的原因解释如下：由交流伺服电动机的机械特性曲线合成电磁转矩，0.4UkNUkN0.8

UkN0.6UkNn0T0.8UkNnT01saa'(5)交流伺服电动机的控制方法4.4(a)

幅值控制控制绕组电压和励磁绕组电压之间的相位差保持不变，改变加在控制绕组上电压幅值的大小；

(b)相位控制保持控制电压的幅值不变，仅改变其相位；

(c)

幅

-

相控制同时改变控制电压的幅值和相位。在三种控制方法中，幅值控制和相位控制方法都需要较复杂的装置，而幅值

-

相位控制方法所需设备简单，成本较低，因而是最常用的一种控制方法。

交流伺服电动机的控制电压Uk可以控制电机转速的大小和方向。在交流伺服电动机运行时，通常保持励磁绕组所接电压Uf的大小和相位不变，只改变控制绕组所加电压Uk的大小和相位，实现对交流伺服电动机的转速和转向的控制。•••主要有以下三种控制方法：位置调节器功率放大器交流伺服电动机机械负载4.4(6)交流伺服电动机的应用位置指令装置位置反馈装置+–位置随动系统框图

交流伺服系统常应用于位置随动系统中，如数控机床的定位控制及加工轨迹控制、火炮的瞄准、雷达天线的跟踪等。位置指令装置

—

将希望的位移量转换成给定电信号；位置反馈装置

—

将机械负载的实际位置转换成电信号；比较环节

—

将位置信号与给定信号比较，得到偏差信号；位置调节器

—

保证系统稳定并具有满意的动态品质；功率放大器

—

控制伺服电动机，向消除偏差的方向旋转。

位置随动系统是一个位置反馈系统：5.4.2步进电动机

步进电动机可将输入的电脉冲信号转变成直线位移或角位移，即每输入一个脉冲，步进电动机就转动一个角度或前进一步。显然步进电动机的位移与输入脉冲的数目成正比，它的速度与脉冲频率成正比。

按结构分：反应式、永磁式、永磁反应式；按相数分：单相、两相、多相。本节只介绍反应式步进电动机的结构和工作原理。速起动和制动的特点。被广泛用于数控机床、绘图机和自动记录仪表等场合。功能：特点：分类：可以通过改变输入脉冲的频率进行调速，具有快4.413241.步进电动机的基本结构

转子定子

AA'C'CBB'绕组三相反应式步进电动机的结构定子转子：有四个齿(或多个齿)

无磁性也无绕组三对磁极每对磁极上有一相绕组磁极定子和转子都由硅钢片叠成。

定子磁极上绕组的数目即是步进电动机的相数。

工作时将脉冲信号电压按一定的顺序加到三相绕组A

-

A'

、B

-

B'、C

-

C'上。4.41324转子定子

AA'C'CBB'绕组磁极三种运行方式：tttuAA'uBB'uCC'（1）三相单三拍运行方式根据绕组通电的顺序，步进电动机有以下A相B相C相通电顺序：A-B-C-A-…4.42.步进电动机的工作原理

输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。1324转子定子

AA'C'CBB'绕组磁极三种运行方式：tttuAA'uBB'uCC'根据绕组通电的顺序，步进电动机有以下（2）三相双三拍运行方式输入绕组的脉冲信号电压波形，通电三次为一个循环。通电顺序：AB-BC-CA-AB

-…4.42.步进电动机的工作原理

1324转子定子

AA'C'CBB'绕组磁极三种运行方式：tttuAA'uBB'uCC'根据绕组通电的顺序，步进电动机有以下（3）三相六拍运行方式输入绕组的脉冲信号电压波形，通电六次为一个循环。通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A-…4.42.步进电动机的工作原理

1243A'C'CBB'A'C'CBB'AA'C'CBB'AA124312434.4（a）正转（三相单三拍运行方式）

0

30

60

NSNSNS定子绕组通电顺序：A-B-C-A

转子总是力图转到磁阻最小的位置。定子每个绕组通电一次，转子在空间转过30

角。（4）分析转子的工作情况定子绕组通电三次完成一个循环。4.41243A'C'CBB'A'C'CBB'AA'C'CBB'AA1243124330

60

NS

0

NS定子绕组通电顺序：A-C-B-A

定子绕组的通电顺序相反，转子的转向也相反。NS定子绕组通电频率的大小，决定转子转速的快慢。（b）反转（三相单三拍运行方式）（4）分析转子的工作情况4.41243A'C'CBB'A'C'CBB'AA'C'CBB'AA1243124360

定子绕组通电顺序：AB-BC-CA-AB

转子总是力图转到磁阻最小的位置。定子绕组每通电一次，转子在空间转过

30

角。（c）三相双三拍运行方式30

0

（d）三相六拍运行方式定子绕组每通电一次，转子在空间转过

15

角。定子绕组通电六次完成一个循环。4.43.步进电动机的步距角和转速

（1）步距角

=——–Z

•

N

360

Z

—齿数，N—拍数

定子每输入一个脉冲，转子转过的角度称为步距角，用

表示，计算公式为（2）转速nn=——–Z

•

N60f转速单位—转/分（r/min）f—输入脉冲的频率（Hz）

小步距角步进电机是通过增加齿数来实现的。定子每个极上也要相应地开几个齿，定转子上齿距相同。AC'A'B'CB若Z=40，三相三拍N=3，则有4.44.小步距角三相反应式步进电动机若采用三相六拍N=6，则有步距角转速步距角转速5.步进电动机的驱动电源环形分配器功率放大器步进电动机负载输入脉冲环形分配器：决定步进电动机定子绕组通电顺序和电机转速。功率放大器：分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为励磁电流送到步进电动机定子绕组。4.4方向指令驱动电源

步进电动机的正常工作需要有一个驱动电源，为电