《电机与变压器》课件 第3-6章　直流电动机 -　特殊变压器

第三章直流电动机1目录2§3-1直流电动机的结构和参数§3-2直流电动机的原理和机械特性§3-3直流电动机的运行§3-4直流电动机的运维和检修§3-1直流电动机的结构和参数341．了解直流电动机的分类、特点和参数。2．熟悉直流电动机的结构和各组成部分的作用。学习目标一、直流电动机的分类1．按励磁方式分类励磁方式是指对直流电动机励磁绕组供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的方式。不同的励磁方式会产生不同的电动机输出特性，可适用于不同的场合。按照励磁方式的不同，直流电动机可分为两大类，一类由永磁体作为主磁极产生主磁场，另一类通过给励磁绕组（主磁极绕组）通入直流电而产生主磁场。后一类根据励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又可分为他励、并励、串励、复励直流电动机。52．按电枢直径分类电枢直径大于1000mm的称为大型直流电动机，电枢直径为425～1000mm的称为中型直流电动机，电枢直径小于425mm的称为小型直流电动机。3．按防护等级分类按照防护等级的不同，直流电动机可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式等。6二、直流电动机的结构直流电动机的种类很多，但各类直流电动机的基本结构是相同的。与其他旋转电动机一样，直流电动机主要由静止部分和旋转部分以及端盖、风扇、轴承、轴承盖、接线盒等其他附件组成。静止部分称为定子，旋转部分称为转子，转子是直流电动机进行能量转化的枢纽，也称电枢，在静止部分和转动部分之间具有一定大小的间隙，称为气隙。典型直流电动机的结构如图所示。78典型直流电动机的结构a）整体结构b）结构分解1—后端盖2—励磁绕组3—电枢绕组4—电刷装置5—换向器6—前端盖7—电枢铁芯8—主磁极9—机座10—风扇11—后轴承盖12—轴承13—电枢14—接线盒15—观察窗16—通风孔17—前轴承盖1．定子部分直流电动机定子部分的作用是产生主磁场和作为电动机的机械支撑，主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。（1）主磁极主磁极用于产生主磁场。在中、小型直流电动机中，主磁极主要由主磁极铁芯和主磁极绕组（励磁绕组）等构成。主磁极的结构如图所示。910主磁极的结构a）整体结构b）励磁绕组和主磁极铁芯1—机座2—极身3—极靴4—电枢5—励磁绕组6—主磁极铁芯（2）换向极换向极是位于两个主磁极之间的小磁极，又称附加磁极，用螺杆固定在机座上，如图所示。换向极用于产生换向磁场，以改善电动机的换向性能。换向极的结构如图所示，主要由换向极铁芯和换向极绕组等构成。11换向极在直流电动机中的位置1—机座2—换向极3—主磁极换向极的结构1—换向极绕组2—换向极铁芯（3）机座机座的作用有两个：一是固定主磁极、换向极、端盖等零部件，起支撑和固定作用，要求具有一定的机械强度；二是作为磁路的一部分，构成磁极之间磁的通路（机座中磁通通过的部分称为磁轭），要求具有较好的导磁性能。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，机座一般由铸钢件或钢板焊接而成。对于某些在运行中要求较高的微型直流电动机，主磁极、换向极和磁轭由硅钢片一次冲压而成，机座只起固定零部件的作用。12（4）电刷装置电刷装置的作用是使旋转的换向器与固定的电刷保持滑动接触，从而使旋转的电枢与固定不动的外电路相连，引入或引出直流电压和直流电流。因此，电刷装置与换向器既要有紧密的接触，又要有良好的相对滑动。电刷装置的结构如图所示，主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和压力弹簧等组成。13电刷装置的结构a）电刷装置b）电刷1—刷杆座2—刷握3—电刷4—刷杆5—压力弹簧6—铜丝辫2．转子部分（电枢）直流电动机转子部分的作用是产生电磁转矩，从而实现能量转化，主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴等组成，如图所示。14直流电动机的电枢1—换向器2—电枢铁芯3—电枢绕组4—转轴（1）电枢铁芯电枢铁芯的作用是嵌放电枢绕组和构成磁的通路。由于电枢铁芯不断地在N极和S极下旋转，通过电枢铁芯的磁通大小及方向都在不断地变化，因此，电枢铁芯中将产生磁滞损耗和涡流损耗。为了减小损耗，电枢铁芯通常用表面有绝缘层的圆形硅钢冲片叠压而成，外圆均匀分布着嵌放电枢绕组的槽，轴向有轴孔和通风孔，如图所示。15电枢铁芯1—转轴2—电枢铁芯3—嵌线槽（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的转化。电枢绕组通常用圆形截面（用于小功率电动机）或矩形截面（用于大功率电动机）的导线绕制而成，再按一定的规律嵌放在电枢铁芯槽内，并利用绝缘材料进行线匝之间以及整个电枢绕组与电枢铁芯之间的绝缘处理，如图所示。16电枢绕组1—转轴2—电枢铁芯3—电枢绕组4—电枢绕组端接部分（3）换向器换向器又称整流子，其作用是与电刷装置一起将外部输入的直流电流转变为电枢绕组中的交变电流，使电动机旋转，并保证所有绕组上产生的转矩方向一致。换向器由换向片组合而成，是直流电动机的关键部件，也是最薄弱的部分。如图所示。17换向器1—换向片2—绝缘缝隙3—升高片4—焊线槽5—绝缘套筒（4）转轴转轴的作用是传递转矩。为了使直流电动机安全、可靠地运行，转轴一般用合金钢锻压加工而成。对于小功率直流电动机，电枢铁芯安装在转轴上；对于大功率直流电动机，为了减小硅钢片产生的损耗和转子的质量，转轴上装有金属支架，电枢铁芯安装在支架上。此外，转轴上还装有风扇，以保证电动机运行时的冷却。18三、直流电动机的特点1．永磁直流电动机永磁直流电动机的结构原理如图所示。19永磁直流电动机的结构原理永磁直流电动机具有以下特点：（1）永磁直流电动机由永磁体提供固定磁通，不需要外部的励磁电源。（2）永磁直流电动机没有励磁绕组及相关的功率损耗，效率较高。（3）永磁体所需空间比励磁绕组所需空间小，永磁直流电动机的

尺寸较小。绝大多数微型直流电动机都是永磁直流电动机。202．他励直流电动机他励直流电动机的结构原理如图所示。21他励直流电动机的结构原理3．并励直流电动机并励直流电动机的结构原理如图所示。22并励直流电动机的结构原理4．串励直流电动机串励直流电动机的结构原理如图所示。23串励直流电动机的结构原理5．复励直流电动机复励直流电动机的结构原理如图所示。24复励直流电动机的结构原理四、直流电动机的参数1．直流电动机的铭牌直流电动机的机座上都装有一块铭牌，如图所示。铭牌上标注了直流电动机的型号和一些重要技术数据，这些技术数据是正确选择和合理使用直流电动机的依据。25直流电动机的铭牌2．直流电动机的型号含义直流电动机的型号包含直流电动机的系列、机座、铁芯长度、设计序号等结构和使用特点信息。根据直流电动机的型号，便可以从相关手册和资料中查出该电动机的有关技术数据。国产直流电动机的型号一般由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，主要包括四个部分：第一部分用字母表示产品代号，第二部分用数字表示设计序号，第三部分用数字表示机座代号，第四部分用数字表示电枢铁芯长度代号。263．直流电动机的主要参数直流电动机的主要参数见下表。27直流电动机的主要参数28直流电动机的主要参数§3-2直流电动机的原理和机械特性29301．掌握直流电动机的工作原理和可逆原理。2．了解直流电动机的机械特性。3．熟悉直流电动机的电枢反应。学习目标一、直流电动机的原理1．工作原理如图所示为直流电动机的工作原理。31直流电动机的工作原理a）电刷1与换向片4接触b）电刷与换向片未接触c）电刷1与换向片3接触d）电刷与换向片未接触1、2—电刷3、4—换向片abcd—电枢绕组N、S—主磁极通过电刷和换向片的滑动接触，电刷1始终与N极下的电枢绕组有效边相连，电刷2始终与S极下的电枢绕组有效边相连。在电刷1和电刷2两端加上直流电压后，只要电枢绕组有效边转到S极下，电枢绕组有效边中的电流都是流进去的，只要电枢绕组有效边转到N极下，电枢绕组有效边中的电流都是流出来的，同一个电枢绕组有效边在不同性质的主磁极下，电流方向是相反的。这样保证了N极和S极下电枢绕组有效边受电磁力作用形成的电磁转矩始终是顺时针方向，带动电枢按顺时针方向连续旋转。换向器是直流电动机换向的关键部件。直流电动机借助换向器和电刷的作用，将电刷间的直流电流转变成电枢绕组中的交变电流，以确保电动机按恒定方向连续旋转。32综上所述，当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而使电枢产生方向恒定的电磁转矩，确保直流电动机朝一个方向连续旋转。332．可逆原理同一台直流电机，既能作发电机运行，又能作电动机运行，这一原理称为直流电机的可逆原理。直流电机的实际工作状态取决于外界的条件。实际的直流电动机和直流发电机在设计时考虑了工作特点的一些差别，因此有所不同。例如，直流发电机的额定电压略高于直流电动机的额定电压，以补偿线路的电压降，便于两者配合使用。直流发电机的额定转速略低于直流电动机的额定转速，便于选配原动机。34二、直流电动机的机械特性当直流电动机的电枢电压Ua、励磁电流If、电枢绕组电阻Ra

都为常数时，转速n

与电磁转矩T

之间的关系曲线称为直流电动机的机械特性曲线。机械特性曲线是直流电动机一个很重要的特性曲线。351．他励直流电动机的机械特性（1）他励直流电动机的固有机械特性当直流电动机的电枢电压和励磁电流均为额定值，电枢绕组回路不串联外接电阻时的机械特性称为固有机械特性，此特性是直流电动机自然具有的。他励直流电动机的固有机械特性曲线如图所示。36他励直流电动机的固有机械特性曲线（2）他励直流电动机的人为机械特性人为改变电枢电压、励磁电流或电枢绕组电阻三个量中的任意一个数值所得到的机械特性称为人为机械特性。1）电枢绕组回路串电阻时的人为机械特性。如图a所示为他励直流电动机电枢绕组回路串电阻时的人为机械特性曲线，即保持电枢电压为额定电压、励磁电流为额定电流不变，在电枢绕组回路中串联一个可调电阻。37他励直流电动机的人为机械特性曲线a）电枢绕组回路串电阻b）降低电枢电压c）减小励磁电流2）改变电枢电压时的人为机械特性。如上图b所示为他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性曲线，即保持励磁电流为额定电流不变，电枢绕组回路不串联外接电阻，改变电枢电压的数值。3）减小励磁电流时的人为机械特性。如上图c所示为减小励磁电流时的人为机械特性曲线，即保持电枢电压为额定电压不变，电枢绕组回路不串联外接电阻，改变励磁电流的数值。382．并励直流电动机的机械特性并励直流电动机具有与他励直流电动机相似的硬机械特性。由于并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个电源，电枢电压的变化会影响励磁电流的大小，因此，并励直流电动机的机械特性比他励直流电动机的机械特性稍软。393．串励直流电动机的机械特性由于串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，因此，当电动机所带负载发生变化时，电枢电流随之变化，也会引起主磁通发生较大变化，对应的机械特性曲线也将显著变化。在磁路未饱和的条件下，串励直流电动机的机械特性曲线如图所示，它接近于一条双曲线，这种机械特性称为软特性，即电动机转速随电磁转矩变化而剧烈变化。4041串励直流电动机的机械特性曲线由上图可知，串励直流电动机空载时，理想空载转速n0

为无穷大，实际空载转速也可达到额定转速nN

的5～7倍（称为“飞车”），这是直流电动机的机械强度所不允许的。因此，串励直流电动机不允许空载或轻载运行。串励直流电动机的这种机械特性使得它在某些应用中具有独特的优势。此外，串励直流电动机的启动性能较好，适用于频繁启动和停止的场合。424．并励直流电动机与串励直流电动机的比较并励直流电动机与串励直流电动机的比较见下表。43并励直流电动机与串励直流电动机的比较三、直流电动机的电枢反应在直流电动机中，励磁绕组中的电流产生的磁场是主磁场，电枢绕组中的电流产生的磁场是电枢磁场。电枢磁场的轴线与主磁场的轴线垂直相交，因此，电枢磁场会对主磁场产生影响，造成主磁场扭曲和削弱。在直流电动机带负载运行时，电枢磁场对主磁场产生的影响称为电枢反应。441．主磁场当直流电动机的励磁绕组通入励磁电流后，在直流电动机气隙中产生主磁场，如图a所示为直流电动机空载时的主磁场分布图，图中YY′为主磁极的轴线，每对主磁极下主磁场以YY′轴线为分界，对称分布。通过电枢轴中心，主磁场N极和S极平分线称为几何中性线，用nn′表示。通过电枢轴中心，电枢铁芯圆周上磁通为零的两点连线称为物理中性线，用mm′表示。4546直流电动机的电枢反应示意图a）主磁场分布图b）电枢磁场分布图c）合成磁场分布图2．电枢磁场当直流电动机带负载运行时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流产生电枢磁场，其分布图如上图b所示。如果不考虑磁路的饱和，此时直流电动机中的实际磁场是由主磁场和电枢磁场叠加而成的，叠加后的合成磁场分布图如上图c所示。3．电枢反应比较上图a和上图c可知，直流电动机从空载运行变到带负载运行后，磁场也发生了变化。47§3-3直流电动机的运行48491．理解直流电动机启动、反转、调速和制动的原理。2．掌握直流电动机启动、反转、调速和制动方法的特点和适用范围。学习目标一、直流电动机的启动带有负载的直流电动机从静止状态逐渐到某一稳定转速状态的过程称为直流电动机的启动过程。直流电动机启动时，必须保证先有磁场，即先通入励磁电流。由于直流电动机带动生产机械启动，因此根据生产工艺的特点，对直流电动机的启动过程会有不同的要求。50直流电动机启动的基本要求如下：（1）具有足够大的启动转矩，启动转矩一般为额定电磁转矩的2～2.5倍，以便快速启动，缩短启动时间。（2）启动电流不能过大，应在一定的范围内，一般规定启动电流应不超过额定电流的

2～2.5倍。（3）启动设备安全、可靠、经济。511．全压启动全压启动又称直接启动，即给直流电动机加额定电压进行启动。必须指出，除了额定功率很小的直流电动机，一般的直流电动机是不允许全压启动的。这是因为电枢绕组电阻很小，直流电动机直接加额定电压启动，启动电流将很大，通常可达额定电流的10～20倍。522．电枢绕组回路串变阻器启动直流电动机电枢绕组回路串变阻器启动是在电枢绕组回路中串入可变的启动电阻后，将直流电动机接入额定电压进行启动的方法。启动电流产生的启动转矩使直流电动机按一定的加速度旋转起来，随着转速升高，电枢反应电动势增大，电枢电流减小，电动机的加速度也减小，转速升高的趋势便慢下来，使启动过程变长。理想情况是保持电动机在启动过程中的加速度不变，这就要求启动过程中的启动转矩保持不变。因此，随着转速的升高要逐级切除启动电阻，当直流电动机的转速等于额定转速时，完全切除启动电阻，启动过程结束。这种可变的电阻专为限制启动电流而用，因此称为启动变阻器，如图所示。5354启动变阻器如图所示为并励直流电动机串变阻器启动原理图。启动变阻器RS四个接线端L+、E1、A1和L-分别接电源正极、励磁绕组、电枢绕组和电源负极。手轮8上附有衔铁9和复位弹簧10，弧形铜条7

的一端直接与励磁绕组回路接通，同时经过全部启动电阻与电枢绕组接通。55并励直流电动机串变阻器启动原理图0～5—分段静触点6—电磁铁7—弧形铜条8—手轮9—衔铁10—复位弹簧3．降低电枢电压启动直流电动机降低电枢电压启动的方法称为降压启动，他励直流电动机降压启动原理图如图所示。56他励直流电动机降压启动原理图采用降低电枢电压的方法启动并励直流电动机时，电动机上必须加额定的励磁电压，使磁通保持额定值，否则电动机启动电流虽然比较大，但启动转矩却很小，电动机可能无法启动。直流电动机降低电枢电压启动的过程中能量损耗很少，由于电压连续可调，所以电动机启动平滑；但是，采用降压启动时，需要专用的可调直流电源，设备投入较大。因此，降低电枢电压启动常用于要求频繁启动的场合和大、中型直流电动机。57二、直流电动机的反转在由直流电动机拖动的机械设备中，由于生产工艺的要求，经常需要电动机进行正、反两个方向的旋转。直流电动机的电磁转矩是由主磁场和电枢电流相互作用而产生的，只要改变主磁场的方向或电枢电流的方向，即可改变电磁转矩的方向。因此，直流电动机改变转向的方法包括两种：一是电枢绕组反接，二是励磁绕组反接。581．电枢绕组反接在保持励磁电流方向不变即主磁场方向不变的条件下，将电枢绕组上电压的正、负极反接，即改变了电枢电流的方向，从而改变了电磁转矩的方向，实现直流电动机反转，如图a所示。59他励直流电动机正、反转原理图a）电枢绕组反接b）励磁绕组反接2．励磁绕组反接在保持电枢电压极性不变即电枢电流方向不变的条件下，将励磁绕组上电压的正、负极反接，即改变了励磁电流的方向，从而改变了主磁场的方向，可使电磁转矩方向改变，实现直流电动机反转，如上图b所示。60三、直流电动机的调速直流电动机的调速是指在电动机的机械负载不变的条件下，改变直流电动机的转速。直流电动机的主要特点是调速性能良好，比较容易满足调速范围宽、调速连续平滑、经济性能好、设备投入少、损耗小等电动机调速的基本要求。直流电动机的调速方法包括三种：电枢绕组回路串电阻调速、改变励磁磁通调速和改变电枢电压调速。611．电枢绕组回路串电阻调速如图所示为并励直流电动机电枢绕组回路串电阻调速原理图，这种调速方法是通过在直流电动机的电枢绕组回路中串接可变电阻RP来实现的。62并励直流电动机电枢绕组回路串电阻调速原理图电枢绕组回路串电阻调速的特点如下：（1）所需的设备简单，投入少，只需增加可变电阻，操作方便。（2）只能分级调速，调速的平滑性较差。（3）调速范围较窄，在空载时几乎无调速作用。（4）低速时，机械特性很软，转速受负载转矩影响较大。转速越低，电枢绕组回路串入的电阻越大，电能损耗也越大，调速的经济性差。（5）属于恒转矩调速方法，调速过程中允许的输出转矩不变，转速只能由额定转速向下调节。由此可知，直流电动机电枢绕组回路串电阻调速只能在短期工作、功率较小且机械特性硬度要求不高的场合使用，如蓄电池搬运车、无轨电车、吊车等。632．改变励磁磁通调速如图所示为并励直流电动机改变励磁磁通调速原理图，这种调速方法是通过改变励磁电流的大小来实现的。调节可变电阻RP时，可以改变励磁电流的大小，从而改变主磁通的大小，实现直流电动机的调速。64并励直流电动机改变励磁磁通调速原理图改变励磁磁通调速的特点如下：（1）可以实现无级调速，调速的平滑性好，但是转速只能向上调节，不能在额定转速以下调节。（2）励磁回路电流小，调速时能量损耗小，调速的经济性好，控制方便。（3）机械特性较硬，稳定性好，属于恒功率调速方法。（4）受到换向能力、机械强度等因素的限制，调速范围较窄，在磁通减少太多时，电枢磁场对主磁场的影响加大，直流电动机的换向火花增大，换向困难。653．改变电枢电压调速如图所示也是他励直流电动机改变电枢电压调速原理图，改变电枢电压调速需要有连续可调的直流电源给电枢供电。改变电枢电压调速时，励磁磁通不变，允许的最大电枢电流为额定值，电磁转矩也为额定值。66他励直流电动机降压启动原理图四、直流电动机的制动直流电动机的制动方法和交流电动机的制动方法一样，可分为机械制动和电气制动，其中，机械制动包括电磁抱闸制动和电磁离合器制动，电气制动包括能耗制动、电枢反接制动、倒拉反接制动和再生发电制动等。电气制动的共同点是在保持原磁场大小和方向不变的情况下，使电动机电磁转矩方向与旋转方向相反，从而对直流电动机产生制动效果。671．能耗制动直流电动机处于电动工作状态时，电磁转矩方向与旋转方向相同，如图a所示。制动时，保持励磁电流不变即励磁磁通不变，将电枢两端从电源立即切换到制动电阻RP上。由于惯性，电动机将继续按原来的方向旋转。因磁通方向不变，产生的感应电动势Ea

方向也不变。此时，电动机凭惯性处于发电机运行状态，电枢电流及其产生的电磁转矩方向都发生了变化，电磁转矩方向与旋转方向相反，将惯性旋转的动能转化为电能并消耗在制动回路中，使电动机迅速停止，如图b所示。6869他励直流电动机能耗制动原理图a）电动工作状态b）能耗制动状态上述制动过程中，电动机由生产机械和自身惯性的作用而驱动发电，将生产机械和电动机储存的动能转化为电能，再消耗在制动回路的制动电阻上，因此称为能耗制动。能耗制动时，制动电阻越小，制动时的电枢电流越大，产生的制动转矩也越大，制动效果越好。为了避免制动转矩和电枢电流过大给传动机构和电动机带来不利影响，通常选择电枢绕组回路串制动电阻，使最大制动电流不超过电动机额定电流的2～2.5倍。702．电枢反接制动他励直流电动机电枢反接制动原理图如图所示。71他励直流电动机电枢反接制动原理图在电枢反接的同时，必须在电枢绕组回路串入制动电阻RP，以限制过大的制动电流。当直流电动机转速接近零时，应迅速脱离电源，实现直流电动机的电枢反接制动。如果继续反接，电动机将反方向旋转。直流电动机电枢反接制动时，电动机变为发电机运行状态，电源供给的电能和驱动系统动能转化的电能，全部消耗在电枢绕组回路电阻和制动电阻上，因此，电枢反接制动能量消耗很多。723．倒拉反接制动当直流电动机驱动位能性负载（如起重机械吊重物），电枢绕组回路串入大电阻时，电动机被外力（重物）驱动向着与原旋转方向相反的方向旋转，此时电动机工作在倒拉反接制动状态。如图a所示，当驱动起重机械的直流电动机电枢绕组回路未串入制动电阻时，电动机正向旋转提升重物。73他励直流电动机倒拉反接制动原理图a）电动工作状态b）倒拉反接制动状态当转速降至零时，若电动机的电磁转矩T

仍小于负载转矩TL，则在负载转矩TL

的作用下，将电动机倒拉而开始反转，电动机旋转方向变为下放重物的方向，如图b所示。在此情况下，电动机的感应电动势方向也随之改变，与电枢电压方向相同。直流电动机倒拉反接制动时，直流电源仍然向电动机供给电能，而下放重物的势能也转化为电能，这两部分电能都消耗在电枢绕组回路电阻和制动电阻上，因此，倒拉反接制动在电能利用方面很不经济。744．再生发电制动再生发电制动又称回馈制动。电动机在运行过程中，由于某种原因，负载转矩变成驱动性质，使电动机转速n

高于理想空载转速n0，势能转化所得的动能使电动机加速，电动机就处于发电状态，并对电动机传动系统的运动机构起制动作用。再生发电制动不能串入制动电阻。因为串入制动电阻后，电动机转速会升得更高，再生发电制动的最低转速已经高于理想空载转速，再升高转速，控制系统的安全、机械强度、换向等都是不允许的。75§3-4直流电动机的运维和检修76771．了解直流电动机的运行与维护要求和方法。2．掌握直流电动机的常见故障及检修方法。学习目标一、直流电动机的运行与维护1．直流电动机的使用（1）根据负载大小正确选择直流电动机的功率。一般直流电动机的额定功率要比负载所需的功率稍大一些，以免直流电动机过载，但也不能太大，以免浪费。78（2）根据负载转速正确选择直流电动机的转速。其原则是使直流电动机和被拖动的负载都在额定转速下运行。（3）根据负载特点正确选择直流电动机的结构型式。一般要求转速恒定的负载选用并励直流电动机，起重、运输机械选用串励直流电动机，还需要考虑直流电动机的抗振性能并防止风沙和雨水等的侵袭，在矿井内使用的直流电动机还应具备防爆性能。79（4）直流电动机使用前的检查新安装使用或搁置较长时间未使用的直流电动机在通电前必须进行如下检查。1）使用压缩空气吹净附着于直流电动机内部的灰尘，并检查轴承润滑油脂是否洁净、适量。2）用柔软、干燥而无绒毛的抹布擦拭换向器表面，并检查其是否光洁，如有油污，可蘸少许煤油擦拭干净。3）检查电刷压力是否正常（电刷间的压力差应不超过10%），刷握的固定是否可靠，电刷在刷握内是否太紧或太松，电刷与换向器的接触是否良好等。804）检查刷杆座上是否标有电刷位置的记号。5）用手转动电枢，检查电枢是否阻塞，在转动时是否有撞击或摩擦声。6）检查直流电动机接地装置是否良好。7）使用兆欧表测量绕组对地的绝缘电阻，如果绝缘电阻不符合要求，必须进行干燥处理。8）检查直流电动机引出线与励磁调节变阻器、启动设备等的连接是否正确，接触是否良好。（5）直流电动机在运行中的监视对运行中的直流电动机进行监视，清除一切不利于直流电动机正常运行的因素，及早发现故障隐患，及时进行处理，以免故障扩大，造成重大损失。812．直流电动机的维护直流电动机在使用过程中应定期进行检查和维护。（1）清洁直流电动机周围应保持干燥，其内、外部均不应放置其他物品。直流电动机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应用压缩空气吹净直流电动机内部的灰尘，特别是换向器、绕组连接线和引出线部分。82（2）换向器的维护1）换向器应有圆柱形光洁的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。2）换向器在负载下长期无火花运转后，在表面产生一层褐色有光泽的坚硬薄膜，它能保护换向器免遭磨损，不能用砂布打磨掉。3）若换向器表面粗糙或烧焦，可用砂布在旋转的换向器表面细致研磨；若换向器表面粗糙不平、不圆或部分下凹，应对换向器进行车削，车削速度不大于1.5m/s，车削深度、每转进刀量均不得大于0.1mm，车削时换向器不应有轴向位移。834）若换向器表面磨损很多，或经车削后发现云母片凸出，应用铣刀将云母片铣成1.0～1.5mm的凹槽。5）车削换向器或铣削云母片时，应防止铜屑、灰尘进入电枢内部，因此应将电枢端部覆盖住。加工完毕，用压缩空气进行清洁处理。84（3）电刷的维护1）电刷与换向器的工作面应有良好的接触，电刷压力应正常。2）电刷研磨后，用压缩空气进行清洁处理，先使直流电动机空载运转，再以轻负载（额定负载的1/4～1/3）运转1h，使电刷在换向器上得到良好的接触面（每块电刷的接触面积应不小于80%）。85（4）轴承的维护1）若轴承在运转时温度过高或发出刺耳杂音，说明可能已经损坏或有外物侵入，应拆下轴承进行清洗、检查。若滚动体、保持架出现裂纹或轴承经清洗后使用情况仍未改变，必须更换轴承。轴承工作2000～2500h后应涂抹润滑油脂，且每年至少涂抹一次。2）轴承在运转时应防止灰尘、潮气侵入，并严禁对轴承内圈或外圈进行任何冲击。86（5）绝缘电阻的检测1）经常检测电动机的绝缘电阻，如果电动机的绝缘电阻不符合要求，应仔细用煤油、甲苯等清除绝缘电阻表面的污物和灰尘，待干燥后再涂绝缘漆。2）必要时可采用热空气干燥法，用通风机将热空气（80℃）送入直流电动机进行干燥，开始时绝缘电阻减小，然后增大，最后趋于稳定。（6）通风系统的检查经常检查定子温升，判断通风系统是否正常，通风系统风量是否足够。如果定子温升超过允许值，应立即停机检查通风系统。87二、直流电动机的检修直流电动机的常见故障及检修方法见下表。88直流电动机的常见故障及检修方法89直流电动机的常见故障及检修方法90直流电动机的常见故障及检修方法第四章特种电机91目录92§4-1步进电动机§4-2伺服电动机§4-3直线电动机§4-4永磁电动机§4-1步进电动机93941．了解步进电动机的分类、特点和应用。2．理解步进电动机的结构和工作原理。3．掌握步进电动机的工作方式。学习目标步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或线位移的电动机。常用的步进电动机如图所示。95常用的步进电动机一、步进电动机的分类和特点步进电动机的种类很多。按照定子和转子结构的不同，步进电动机可分为单段式和多段式。按照控制绕组的相数不同，步进电动机可分为两相、三相、四相、五相或更多相数。按照励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和混合式三大类。近年来又发展出直线步进电动机、平面步进电动机等新型步进电动机。961．反应式步进电动机反应式步进电动机是一种传统的步进电动机，利用磁性转子铁芯与定子产生的脉冲磁场相互作用而使电动机旋转，如图所示。97反应式步进电动机的结构示意图1—定子2—硅钢片转子3—定子绕组反应式步进电动机的特点如下：（1）定子磁极为凸极式，磁极表面开有小齿，每个磁极上套有一个集中线圈（励磁绕组），径向相对的两个磁极上的线圈串联组成一相绕组，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。（2）转子由硅钢片叠压而成，沿圆周表面开有均匀的小齿，其齿距与定子磁极上小齿的齿距相等，齿数有一定的限制。反应式步进电动机的优点是结构简单，成本低，步距角小、可达1.2°，缺点是动态性能差，效率低，发热大，可靠性难以保证，因此应用较少。982．永磁式步进电动机永磁式步进电动机的定子采用冲压方式加工成爪型磁极（爪极），转子采用永磁磁钢，利用定子绕组中的电流产生的磁场与转子的固定磁场相互作用而使电动机旋转，如图所示。99永磁式步进电动机的结构示意图1—定子2—永磁磁钢转子3—定子绕组永磁式步进电动机的特点如下：（1）定子磁极为凸极式，磁极表面无小齿，装设两相或多相绕组。（2）转子是多对磁极的永磁磁钢。传统的步进电动机转子使用硅钢片，必须依靠外部励磁才可以产生转子磁场；而永磁式步进电动机转子使用永磁体，减少了转子励磁系统，更适宜运行。而且由于没有转子励磁，相应的损耗也减少。永磁式步进电动机的优点是驱动功率小，阻尼大，力矩较大，具有断电自锁力矩，成本低廉，缺点是步距角大，启动频率低，电源供给必须为正、负脉冲，否则不能连续运转，驱动电路要做成双极性驱动，供电电源的线路较复杂。1003．混合式步进电动机混合式步进电动机是综合反应式和永磁式的优点而设计的步进电动机，如图所示，它兼具永磁式步进电动机的高转矩和反应式步进电动机的高精度，通过特定的结构设计，实现了两者的优势互补。101混合式步进电动机的结构示意图1—定子2—转子（硅钢片和永磁磁钢合体）3—定子绕组混合式步进电动机的特点如下：（1）定子结构与反应式步进电动机的定子基本相同。（2）转子由环形永磁磁钢和多段硅钢片铁芯组成。环形永磁磁钢在转子中部，硅钢片铁芯分别安装在永磁磁钢两端，且表面开有均匀小齿。环形永磁磁钢的作用是提供一个恒定的磁场，有利于增大电动机的输出力矩和减少发热；硅钢片铁芯的作用是及时响应步进驱动器的电脉冲信号，通过改变磁路来实现步进运动。102混合式步进电动机的优点是输出力矩大，步距精度高，噪声低，振动小，效率高，动态性能良好，控制简单，兼容性、可靠性和适应性优秀，缺点是转子的结构较复杂，转动惯量较大，影响快速启停和高频响应性能，灵活性不如反应式步进电动机。混合式步进电动机在3D打印机、机器人、自动门窗、数码设备、通信设备、包装机械、智能制造业中应用广泛。随着技术的不断发展，混合式步进电动机的性能不断提高，应用领域也不断拓展。1034．常见步进电动机的比较反应式、永磁式和混合式步进电动机的比较见下表。104反应式、永磁式和混合式步进电动机的比较105反应式、永磁式和混合式步进电动机的比较二、步进电动机的工作原理和工作方式1．两相混合式步进电动机的结构两相混合式步进电动机主要由定子和转子两部分组成，如图所示。106两相混合式步进电动机的结构a）整体结构b）剖面图1—转轴2—滚珠轴承3—转子1（硅钢片）4—永磁磁钢5—转子2（硅钢片）6—定子铁芯7—定子绕组8—A相绕组9—B相绕组2．两相混合式步进电动机的工作原理两相混合式步进电动机的初始状态如图所示，其定子绕组有四个，相对的两个绕组串联组成一相绕组，上侧和下侧的绕组为A相绕组，左侧和右侧的绕组为B相绕组。绕组的串联使两个相对的定子磁极在通电后互为N极和S极。107两相混合式步进电动机的初始状态1—永磁磁钢2—转子1（N极）3—转子2（S极）如上图中，两相混合式步进电动机的白色转子是转子1，通过永磁磁钢被磁化为N极，小齿齿数为15；蓝色转子是转子2，通过永磁磁钢被磁化为S极，小齿齿数也为15。在步进电动机通电的初始状态，A相定子的上磁极变为S极，下磁极变为N极。转子1的小齿为N极，与A相定子的上磁极（S极）相吸；转子2的小齿为S极，与A相定子的下磁极（N极）相吸。A相定子磁极上小齿与转子1上小齿的偏移角度为0°，B相定子磁极上小齿与转子1上小齿的偏移角度为6°。从该状态开始，A、B两相绕组的通电状态按照以下（1）～（4）的顺序变化。108（1）A相绕组不通电，B相绕组正向通电，使B相定子右磁极变为S极，左磁极变为N极。转子1的小齿（N极）与右磁极（S极）相吸，转子2的小齿（S极）与左磁极（N极）相吸，转子按逆时针方向旋转6°，如下图中①的圆圈所示位置。（2）A相绕组反向通电，B相绕组不通电，使A相定子上磁极变为N极，下磁极变为S极。转子1的小齿（N极）与下磁极（S极）相吸，转子2的小齿（S极）与上磁极（N极）相吸，转子继续按逆时针方向旋转6°，如下图中②的圆圈所示位置。109110两相混合式步进电动机的工作原理（3）A相绕组不通电，B相绕组反向通电，使B相定子左磁极变为S极，右磁极变为N极。转子1的小齿（N极）与左磁极（S极）相吸，转子2的小齿（S极）与右磁极（N极）相吸，转子继续按逆时针方向旋转6°，如上图中③的圆圈所示位置。（4）A相绕组正向通电，B相绕组不通电，使A相定子上磁极变为S极，下磁极变为N极。转子1的小齿（N极）与上磁极（S极）相吸，转子2的小齿（S极）与下磁极（N极）相吸，转子继续按逆时针方向旋转6°，如上图中④的圆圈所示位置。此时，转子相对于初始状态按逆时针方向旋转了24°。111综上所述，按照（1）～（4）的顺序通电，转子就会按逆时针方向旋转，重复上述步骤就能使步进电动机连续旋转。若要步进电动机按顺时针方向旋转，按照（4）～（1）的顺序控制通电状态即可。1123．两相混合式步进电动机的工作方式两相混合式步进电动机的工作方式包括两相单四拍工作方式、两相双四拍工作方式和两相单双八拍工作方式。其中，“两相”是指步进电动机定子包含两相绕组；“单”是指步进电动机每次只有一相绕组通电，“双”是指步进电动机每次有两相绕组通电；“拍”是指步进电动机定子绕组从一种通电状态切换到另一种通电状态，“四拍”是指定子绕组的通电状态经过四次切换后完成一个循环，第五次通电就重复第一次的状态，此时转子在空间所转过的角度称为步距角，用

θs

表示。113（1）两相单四拍工作方式如图所示两相混合式步进电动机的工作方式为两相单四拍工作方式，该工作方式的绕组通电顺序为A1→B1→A2→B2。114两相混合式步进电动机的工作原理115由上述分析可知，定子绕组完成一个通电循环，转子转过一个齿距。因此，步进电动机的步距角

θs

与定子相数m、转子齿数z

和通电方式c

的关系为式中，θs——步距角，°；

m——定子相数；

z——转子齿数；

c——通电方式，采用单相轮流通电或双相轮流通电时c=1，采用单、双轮流通电时c=2。由步进电动机的步距角公式可知，定子相数越多，步距角越小；转子齿数越多，步距角越小；采用的通电方式拍数越多，步距角越小。116在两相单四拍工作方式中，定子相数为2，转子齿数为30，通电方式采用单四拍，则步距角为若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速n

为式中，n——电动机转速，r/min；

f——脉冲频率，Hz；

m——定子相数；

z——转子齿数；

c——通电方式。117（2）两相双四拍工作方式两相混合式步进电动机两相双四拍工作方式的绕组通电顺序为A1B1→B1A2→A2B2→B2A1。在该工作方式中，定子相数为2，转子齿数为30，通电方式采用双四拍，则步距角为118（3）两相单双八拍工作方式两相混合式步进电动机两相单双八拍工作方式的绕组通电顺序为A1B1→B1→B1A2→A2→A2B2→B2→B2A1→A1。在该工作方式中，定子相数为2，转子齿数为30，通电方式采用单双八拍，则步距角为119（4）细分工作方式若调整两相绕组中电流分配的比例和方向，使相应的合成转矩在空间中可处于任意位置，则循环拍数可为任意值，这样的工作方式称为细分工作方式。细分工作方式的实质就是把步距角减小，例如，八拍工作方式已经将单四拍或双四拍细分了一半。采用细分工作方式可以使步进电动机的运行更平稳，定位分辨率更高，负载能力也有所增加，并且步进电动机可做低速同步运行。步进电动机可以做成两相、三相，也可以做成四相、五相或更多相，其拍数等于相数或相数的两倍。三、步进电动机的应用1．步进电动机控制系统的组成步进电动机控制系统通常由步进电动机、步进驱动器和控制器三部分组成，如图所示。120步进电动机控制系统的组成1—步进电动机2—步进驱动器3—控制器（1）步进电动机步进电动机作为执行元件，将输入的电脉冲信号转换为精确的角位移或线位移，实现开环或闭环的位置控制。（2）步进驱动器步进驱动器将控制器输出的脉冲信号进行功率放大与分配，转换为适合步进电动机各相绕组的电流序列，从而驱动步进电动机按指令运转。（3）控制器控制器负责生成脉冲信号，以控制电动机的运转参数，如步进速度、方向和总步数。控制器可以是单片机、PLC（可编程逻辑控制器）或其他数字控制装置。1212．步进电动机的应用范围（1）工业自动化领域作为最关键的应用领域，步进电动机广泛应用于数控机床、自动化装配线、机器人关节等设备，实现对机械臂、传送带、阀门等执行机构的精确位置定位和轨迹控制，显著提升生产效率和加工精度。（2）消费电子和数据存储领域在打印机、扫描仪、硬盘驱动器（HDD）等设备中，步进电动机负责驱动打印头、光头或磁盘主轴，完成高精度的定位和进给运动。（3）汽车电子领域步进电动机应用于汽车的电子燃油喷射、自动变速器控制、电动助力转向、车窗升降、座椅调节等系统，提供可靠、精准的运动控制。122（4）医疗设备领域在精密医疗仪器如注射泵、呼吸机、CT扫描仪、手术机器人中，步进电动机确保流体输送、部件移动的准确性和稳定性，满足医疗安全的高要求。（5）5G通信和智能设备领域步进电动机用于5G基站天线的电调系统、智能门锁、智能家居中的窗帘电机、智能家电等的精准控制，实现远程、自动化操作。（6）其他领域包括纺织机械、金融设备（如ATM机）、安防监控（云台摄像机）等需要精确、可靠运动控制的场合。1233．步进电动机的选用通常在选择步进电动机时，可以综合考虑以下几个方面的因素：（1）步进电动机的体积和质量。（2）步进电动机的功率、控制电压和驱动电流。（3）步进电动机的步距角。（4）环境温度、湿度等。（5）根据加速转矩和负载转矩确定步进电动机的转矩。124§4-2伺服电动机1251261．了解伺服电动机的分类和结构。2．理解伺服电动机的工作原理。3．熟悉伺服电动机的应用。学习目标伺服电动机又称执行电动机，在自动化控制系统中常作为执行元件，其作用是将输入的控制电压信号转换为转轴的角速度或角位移。伺服电动机与一般的旋转电动机不同，旋转电动机侧重于机电能量的转化，伺服电动机则侧重于控制特性的高精度和快响应。常用的伺服电动机分为交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类，如图所示。127常用的伺服电动机a）交流伺服电动机b）直流伺服电动机一、交流伺服电动机1．交流伺服电动机的结构交流伺服电动机在结构上与电容运转单相异步电动机相似，如图所示。128交流伺服电动机的结构a）整体结构b）结构分解1—法兰2—波纹垫圈3、9—轴承4—转轴5—转子6—定子7—电源线缆8—内端盖10—密封垫圈11—编码器线缆12—编码器13—外端盖如图所示，交流伺服电动机的定子装有两套空间位置相差90°电角度的绕组：一套是励磁绕组LL，固定连接交流电源uL；另一套是控制绕组LK，连接交流控制信号

uK。因此，交流伺服电动机是一种两相交流电动机。交流伺服电动机的转子结构包括鼠笼型和空心杯型两种。129交流伺服电动机的原理2．交流伺服电动机的工作原理如上图所示，如果交流伺服电动机只有励磁绕组LL接到交流电源上，控制绕组LK未接入交流控制信号，电动机内部的气隙磁场为脉动磁场，电动机不能产生启动转矩，转子保持静止状态。130无论如何，只要将控制绕组接入交流控制信号，在气隙中就会产生旋转磁场。产生旋转磁场后，转子绕组切割旋转磁场的磁感线，从而产生感应电动势和感应电流，此感应电流与旋转磁场相互作用而产生电磁转矩，使转子顺着旋转磁场的旋转方向而转动。在负载恒定的情况下，电动机的转速会随着交流控制信号的大小而变化。当正常运转的交流伺服电动机的交流控制信号等于零时，电动机会立即停止转动。当交流控制信号的相位改变180°时，电动机就会改变转向。1313．交流伺服电动机的运行特点交流伺服电动机的工作原理与电容运转单相异步电动机的工作原理相似。单相异步电动机启动运行后，其启动绕组断开，电动机仍可以正常运转。同样，交流伺服电动机在正常运转后，如果去除交流控制信号，在仅有交流电源作用的情况下，交流伺服电动机仍会继续运转，此种情况称为“自转”现象。“自转”现象不符合可控性的要求，在自动化控制系统中，不允许发生这种失去控制的现象。1324．交流伺服电动机的控制方式（1）幅值控制保持交流控制信号的相位不变，始终与交流电源电压的相位相差90°，通过改变交流控制信号的幅值来控制交流伺服电动机的转速。当交流控制信号有效值UK

等于交流电源电压有效值UL

时，气隙磁场为圆形旋转磁场，此时产生的电磁转矩最大，交流伺服电动机的转速最高。当减小交流控制信号，使Uk=0时，仅有交流电源电压，气隙磁场为脉动磁场，此时交流伺服电动机产生的电磁转矩为制动转矩，电动机转速迅速下降到零，停止运转。133（2）相位控制保持交流控制信号的幅值不变，通过移相器改变交流控制信号与交流电源电压的相位差来控制交流伺服电动机的转速。改变交流控制信号的相位，就改变了交流控制信号与交流电源电压的相位差。当相位差为零时，交流伺服电动机相当于一台单相异步电动机，气隙磁场为脉动磁场，交流伺服电动机的转速为零。当相位差为90°时，气隙磁场为圆形旋转磁场，交流伺服电动机的转速最高。134（3）幅相控制同时改变交流控制信号的幅值和相位，从而控制交流伺服电动机的转速。该方法是在励磁绕组LL回路中串联一个合适的电容器后，与控制绕组LK接到同一个交流电源上。在控制绕组回路中串联一个电位器用于分压，通过电位器可以改变交流控制信号的幅值，在交流控制信号的幅值变化过程中，交流控制信号与交流电源电压的相位差也发生了变化，从而达到改变交流伺服电动机转速的目的。135二、直流伺服电动机直流伺服电动机是专门为控制系统特别是直流伺服系统设计和制造的一种电动机，其转子运动受输入信号控制，能快速反应。早期的直流伺服电动机在结构、工作原理和基本特性上，与普通直流电动机相比没有大的区别，称为传统型直流伺服电动机。1361．直流伺服电动机的结构直流伺服电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相似，主要由主磁极、电枢、换向器、电刷装置和机座等组成，是功率和体积都很小的直流电动机。按照励磁方式的不同，直流伺服电动机可分为电磁式直流伺服电动机和永磁式直流伺服电动机等，目前永磁式直流伺服电动机应用较多。1372．直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理与他励直流电动机的工作原理相同。直流伺服电动机的原理如图所示。当励磁绕组和电枢绕组通过电流时，电枢电流与励磁磁通相互作用而产生电磁转矩，直流伺服电动机开始旋转。138直流伺服电动机的原理按照控制信号和励磁信号所施加的绕组不同，直流伺服电动机的控制方式包括电枢控制和励磁控制两种。（1）电枢控制电枢控制是指直流伺服电动机的励磁绕组固定接在直流电源上（或者磁极由永磁体制成），电枢绕组作为控制绕组，施加控制信号。（2）励磁控制励磁控制是指直流伺服电动机的电枢绕组固定接在直流电源上，励磁绕组作为控制绕组，施加控制信号。139三、伺服电动机的应用伺服电动机的主要作用是在需要高精度运动控制的场合中提供动力源，并通过反馈控制系统实现对位置、速度和加速度等参数的高精度控制。它能够将电能转化为机械能，用于驱动机床、印刷设备、自动化设计和工业自动化等领域中的精密运动。1401．伺服电动机控制系统的组成‌伺服电动机控制系统通常称为伺服系统，是一种用于精确控制机械位置、速度或加速度的反馈控制系统。其核心在于通过闭环控制，使输出量能够准确跟踪输入指令。伺服电动机控制系统通常由伺服电动机、反馈装置、伺服驱动器和控制器四部分组成，如图所示。141142伺服电动机控制系统的组成1—伺服电动机 2—反馈装置（编码器）3—伺服驱动器4—控制器（1）伺服电动机伺服电动机作为系统的执行元件，负责将电能转化为精确的机械运动，直接驱动负载。（2）反馈装置反馈装置通常安装在伺服电动机上，实现对伺服电动机位置和速度等参数的控制，并将其转换为电信号反馈给控制器。常用的反馈装置包括编码器、旋转变压器和光栅尺等。（3）伺服驱动器伺服驱动器主要用于将来自外部的运动指令转化为电信号，对伺服电动机的位置、速度和加速度等参数进行高精度控制。143（4）控制器控制器作为系统的“大脑”，接收外部指令，并计算目标值与实际反馈值之间的误差，从而生成相应的控制信号。控制器可以是单片机、PLC或其他数字控制装置。此外，伺服电动机控制系统通常还会加装辅助部件，如传感器、减速器、连杆等，以满足不同应用场合的需求。1442．伺服电动机的应用范围‌（1）工业自动化领域在工业机器人领域，伺服电动机作为机械臂的驱动核心，实现了多轴联动控制，能够满足焊接、装配等复杂工艺对机械臂运动的严格要求。在数控机床领域，伺服电动机凭借高精度定位能力，确保加工出的精密零件误差控制在微米级，极大地提升了加工精度和产品质量。145（2）智能设备领域在半导体制造领域，光刻机中的晶圆定位系统依赖伺服电动机实现纳米级的精度定位，为芯片制造的高精度工艺提供关键支持。（3）新能源与交通领域在电动汽车的电驱动系统中，伺服电动机应用于转矩矢量控制，有效提升了车辆的操控性能和行驶稳定性。在无人机飞行过程中，伺服电动机通过高速响应来实时调整螺旋桨速度，确保无人机在各种飞行条件下都能保持稳定飞行姿态。1463．伺服电动机的选用‌‌从伺服电动机的应用情况看，直流伺服电动机能在大范围内实现精密的速度控制和位置控制，因此，在系统性能要求高的场合多使用直流伺服电动机。与直流伺服电动机相比，交流伺服电动机具有无刷、可靠性高、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态等优点。近年来，交流伺服电动机逐渐得到广泛使用，有取代直流伺服电动机的趋势。147§4-3直线电动机1481491．了解直线电动机的分类、结构、特点和应用。2．熟悉直线电动机的工作原理。学习目标直线电动机是一种将电能直接转化成直线运动的机械能，而不需要任何中间机构的传动装置，它可以看作一台旋转电动机沿径向剖开，并展成平面而成。直线电动机不需要通过齿轮、传动带或其他传动机构将旋转运动转换为直线运动，从而消除了旋转电动机由旋转运动到直线运动的中间机构，使精度提高、结构简化。常用的直线电动机如图所示。150常用的直线电动机一、直线电动机的分类和结构1．平板型直线电动机的结构平板型直线电动机是一种扁平的矩形结构。在结构上，平板型直线电动机可以看作由旋转的三相异步电动机演变而来。将一台三相异步电动机沿径向剖开，然后将电动机的圆周展开成直线，就得到了平板型直线电动机，如图所示。151三相异步电动机到直线电动机的演变a）三相异步电动机b）直线电动机1—转子2—定子3—次级（转子）4—初级（定子）2．圆筒型直线电动机的结构圆筒型直线电动机的结构示意图如图所示。其结构的优点是没有绕组端部，不存在横向边缘效应，次级的支撑也比较方便；缺点是铁芯必须沿圆周叠片，才能减小交变磁通在铁芯中感应产生的涡流，在工艺上比较复杂，散热条件也比较差。圆筒型直线电动机的功率较小，行程也相对较小，一般只有0.5～2.0m。152圆筒型直线电动机的结构示意图1—初级2—绕组3—次级3．圆盘型直线电动机的结构圆盘型直线电动机的结构示意图如图所示。153圆盘型直线电动机的结构示意图1—转轴2—次级（圆盘）3—初级二、直线电动机的工作原理在结构上，直线电动机是从三相异步电动机演变而来的，其工作原理也与三相异步电动机的工作原理相似。在下图中，三相异步电动机的U、V、W三相定子绕组通入对称三相交流电流后，就会在气隙中产生一个旋转磁场，它沿气隙圆周呈正弦分布，旋转磁场的旋转方向与U、V、W的相序一致，旋转磁场的旋转速度为同步转速n1，相对于定子内圆表面有一个线速度v1，该线速度与同步转速和旋转磁场的极距成正比。154155三相异步电动机到直线电动机的演变a）三相异步电动机b）直线电动机1—转子2—定子3—次级（转子）4—初级（定子）同理，直线电动机初级的三相绕组通入对称三相交流电流后，也会产生气隙磁场。如果不考虑铁芯两端断开引起的纵向边端效应，这个气隙磁场的分布情况与三相异步电动机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当对称三相交流电流随时间变化时，气隙磁场将按U、V、W的相序沿直线移动。由于这个气隙磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度v1

是一样的，如图所示。156157直线电动机的工作原理1—初级2—次级3—行波磁场三、直线电动机的特点和应用1．直线电动机的特点（1）省去了将旋转运动转换为直线运动的中间传动机构，节约了成本，缩小了体积。（2）不存在中间传动机构的转动惯量和阻力的影响，直线电动机直接传动反应速度快，灵敏度高，随动性好，准确度高。（3）容易密封，不怕污染，适应性强，可在有毒气体、核辐射和液态物质中使用。158（4）散热条件好，温升低，因此，可提高电动机的额定功率。（5）装配灵活性大，通常可以将直线电动机与其他机件合成一体。（6）直线电动机也存在一些缺点，例如，大气隙导致功率因数和效率降低，存在单边电磁拉力，低速运行时需采用低频电源而使控制装置复杂等。1592．直线电动机的应用直线电动机的应用已经进入交通运输行业、工业自动化、办公自动化和医疗设备等许多领域。在铁路上，直线电动机可用于高速列车。在生产线上，各种传送带已开始采用直线电动机进行驱动。在机床加工设备中，可以采用直线电动机直接进行驱动与定位。在仪器、仪表系统中，直线电动机作为驱动、指示和测量装置的应用更加广泛，如快速记录仪、绘图仪、磁头定位系统、光驱中轨迹的聚集与跟踪等。160§4-4永磁电动机1611621．了解永磁电机的分类和永磁体。2．熟悉永磁电动机的结构和工作原理。学习目标一、永磁电机的分类和永磁体1．永磁电机的分类永磁电机种类繁多，按功能可分为永磁发电机和永磁电动机两大类。永磁电动机可分为永磁同步电动机和永磁直流电动机两类。永磁直流电动机按有无电刷和换向器，又可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机两种。常用的永磁电机如图所示。163常用的永磁电机a）永磁发电机b）永磁直流电动机c）永磁同步电动机2．永磁电机的永磁体（1）永磁体的种类和结构永磁体是指在开路状态下能长期保留较高剩磁的磁体，如天然磁石（磁铁矿）和人造磁体（铝镍钴合金）等。永磁电机的励磁部分是永磁体。永磁体主要由磁钢和导磁体等组成，磁钢采用铝镍钴、铁氧体和稀土三类永磁材料。典型永磁体的结构如图所示。164165典型永磁体的结构a）环形铝镍钴磁钢b）带磁极弧铝镍钴磁钢c）瓦形铁氧体磁钢d）环形铁氧体磁钢e）多极薄片形稀土磁钢1—磁钢2—电枢3—磁极4—机壳（2）磁钢的充磁方法磁钢的磁稳定性是衡量永磁体品质的主要磁性能指标之一。磁钢的磁性能不是永恒不变的，它将随着内因和外因而自然地衰减。磁钢充磁后才能成为磁源，一旦失磁，就必须重新充磁。磁钢的去磁曲线、永磁电机的气隙等与磁钢充磁密切相关。充磁质量对永磁电机性能影响很大，磁钢的充磁方法包括直流脉冲充磁法和直流发电充磁法两种。166（3）磁钢的稳磁方法环境因素对磁钢本身性能的影响和永磁电机运行状态引起的磁钢稳定性变化，都会使永磁电机性能发生变化。为此，应对磁钢进行针对性的稳定性处理，即稳磁处理。稳磁处理的方法、方式和次数必须根据所用的永磁材料来确定。磁钢的稳磁处理方法包括突然短路稳磁和空气稳磁两种。稀土永磁材料可采用突然短路稳磁的方法进行处理，铝镍钴永磁材料可采用空气稳磁的方法进行处理。不论采用何种稳磁处理方法，永磁电机的各项性能均须符合标准和设计要求。167二、永磁同步电动机1．永磁同步电动机的结构永磁同步电动机主要由定子和转子两部分组成，如图所示。168永磁同步电动机的结构1—风扇2—定子铁芯3—定子绕组 4—永磁体转子5—转轴6—机座永磁同步电动机的转子部分安装永磁体磁极，包括凸装式、表面嵌入式和内嵌入式等多种结构型式，如图所示，均由永磁体磁极、转子铁芯和鼠笼型转子绕组等组成。169永磁同步电动机转子的结构示意图a）凸装式b）表面嵌入式c）内嵌入式1—转子铁芯2—永磁体磁极3—隔磁材料2．永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机不能直接接入三相交流电源进行启动，因为转子转动惯量大，旋转磁场的转速太高，静止的转子根本无法跟随旋转磁场启动。永磁同步电动机的电源可以利用变频器提供，启动时变频器输出频率从0开始连续上升到工作频率，电动机转速则跟随变频器输出频率同步上升，改变变频器输出频率即可改变电动机的转速。170永磁同步电动机利用变频器启动大大增加了成本，在不需要调速的场合，可使用三相交流电源进行启动。但是在直接接入三相交流电源前，需要在永磁体转子上加装鼠笼型转子绕组，这样在定子绕组接通三相交流电源建立旋转磁场时，就会在转子的鼠笼型转子绕组中产生感应电流，转子就会像异步电动机一样旋转启动，这就是异步启动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电动机。171当永磁同步电动机定子绕组接通三相交流电源后，在气隙中产生旋转磁场，以同步转速旋转。转子中的鼠笼型转子绕组切割旋转磁场的磁感线，产生感应电动势和感应电流。鼠笼型转子绕组中的电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使转子旋转起来。当转子转速升高到接近同步转速时，旋转磁场与转子中的永磁体磁极相互吸引，将转子拉入同步运行状态，转子即以同步转速带动负载旋转。172三、永磁直流无刷电动机永磁直流无刷电动机具有线性机械特性优越、调速范围宽、调速性能平滑、启动转矩大、控制电路简单、可靠性高和噪声低等优点，广泛地应用于各种驱动装置和伺服系统。常用的永磁直流无刷电动机如图所示。173常用的永磁直流无刷电动机1．永磁直流无刷电动机的结构（1）电动机本体电动机本体包括定子和转子两大部分。定子由定子绕组、定子铁芯和机座等组成，定子铁芯由硅钢片叠压而成，其圆周上均匀分布的槽中嵌入三相定子绕组。转子用永磁材料制成，构成一定磁极对数的永磁体磁极。永磁直流无刷电动机本体的结构与一般直流电动机的结构相反，转子是磁极，定子是电枢。永磁直流无刷电动机转子的结构包括内、外两种型式，如图所示。174175永磁直流无刷电动机的结构示意图a）内转子型b）外转子型1—转轴2—定子绕组3—定子铁芯4—转子5—位置传感器6—转子磁轭（2）电子换向器电子换向器主要由逆变器和控制器等组成，它与位置传感器相配合，控制永磁直流无刷电动机各相定子绕组的通电顺序和时间，起到与机械换向类似的作用。1）逆变器。逆变器将直流电转换为交流电，向永磁直流无刷电动机定子绕组供电。1762）控制器。控制器是永磁直流无刷电动机正常运行并实现各种调速功能的指挥中心，它主要完成以下功能：对位置传感器的信号、正反转和停转信号进行综合分析，为逆变器提供控制信号，实现电动机的正、反转和停转；对电动机进行速度和电流的调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、过压和欠压等故障保护功能。177（3）位置传感器位置传感器是一种无机械接触地检测转子磁极相对于定子绕组位置信号的装置，为电子换向器提供正确的换相信息，以便确定逆变器电路中三极管的导通顺序和导通角，从而决定励磁磁场的状态，是永磁直流无刷电动机必不可少的重要组成部分。工程上可以采用磁敏式、电磁式、光电式等类型的位置传感器。磁敏式位置传感器结构简单、性能可靠、成本低，是目前在永磁直流无刷电动机上应用最多的位置传感器。1782．永磁直流无刷电动机的工作原理如图所示为三相永磁直流无刷电动机控制电路。永磁直流无刷电动机三相定子绕组采用星形接法，位置传感器与转子转轴相连，控制器对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，经隔离放大后控制逆变器的三极管，使三相定子绕组按一定的顺序通电。179三相永磁直流无刷电动机控制电路1—逆变器2—电动机本体3—位置传感器4—控制器当转子旋转到图a所示位置时，位置传感器输出的信号经控制器逻辑变换后驱动逆变器，使U、V两相定子绕组通电，使转子按顺时针方向旋转。当转子在空间转过60°，到达图b所示位置时，位置传感器输出的信号经控制器逻辑变换后驱动逆变器，使U、W两相定子绕组通电，使转子继续按顺时针方向旋转。180181三相永磁直流无刷电动机的工作原理a）U、V相通电b）U、W相通电c）V、W相通电d）V、U相通电由此可知，随着转子转到不同的位置，位置传感器不断发出信号，通过控制器逻辑变换后，每次同时触发两个三极管导通，导通的顺序为VT1、VT6→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT4→VT5、VT6→VT1、VT6，共有六种触发组合状态，每个状态都有两相定子绕组中通过电流，使定子产生按60°电角度不断旋转的磁极，带动转子按顺时针方向转过60°，周而复始，电动机进入正常运行状态，带动负载工作，输出机械能。普通直流电动机的正、反转控制是通过改变定子端电压的极性来实现的，而永磁直流无刷电动机则是通过改变定子绕组的换相顺序来改变转向的。1823．永磁直流无刷电动机的特点和应用永磁直流无刷电动机利用电子换向器和位置传感器来代替直流电动机的电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的控制性能特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点；电动机转速不再受换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。缺点是输出功率小，响应速度慢，保护电路复杂等。183永磁直流无刷电动机具有与直流电动机相似的优良调速性能，因此广泛应用于航空航天、电动车辆、医疗器械、仪器仪表、伺服系统、数控机床、军事装备、化工、轻纺和现代家用电器等领域。随着稀土永磁材料性价比不断提高，电力电子技术和微电子技术的不断进步，永磁直流无刷电动机的应用日益普及。184第五章变压器185目录186§5-1变压器的分类和基本结构§5-2变压器的工作原理§5-3三相电力变压器§5-1变压器的分类和基本结构1871881．了解变压器的分类和应用。2．了解变压器的外形和基本结构，熟悉各组成部分的作用。学习目标变压器的主要功能包括电压变换、电流变换、阻抗变换和隔离等。常用变压器的外形如图所示。189常用变压器的外形a）电力变压器b）弧焊变压器c）控制变压器d）线间变压器一、变压器的分类1．按相数分类按照供电电源的相数不同，变压器可分为三相变压器和单相变压器，如图所示。190变压器按相数分类a）三相变压器b）单相变压器2．按用途分类按照用途的不同，变压器可分为电力变压器、仪用变压器、自耦变压器和弧焊变压器等，如图所示。191变压器按用途分类a）电力变压器b）仪用变压器c）自耦变压器d）弧焊变压器3．按冷却方式分类按照冷却方式的不同，变压器可分为油浸式变压器、风冷式变压器、自冷式变压器和干式变压器等，如图所示。192变压器按冷却方式分类a）油浸式变压器b）风冷式变压器c）自冷式变压器d）干式变压器4．按铁芯结构型式分类按照铁芯结构型式的不同，变压器可分为芯式变压器和壳式变压器，如图所示。193变压器按铁芯结构型式分类a）芯式变压器b）壳式变压器5．按绕组数分类按照绕组数的不同，变压器可分为自耦变压器和独立绕组变压器，独立绕组变压器又可分为双绕组变压器和多绕组变压器等。6．按容量分类按照容量的不同，变压器可分为小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。194二、变压器的基本结构1．铁芯部分铁芯构成变压器的磁路系统，是变压器主磁通的通道，也是安放绕组的骨架。铁芯主要由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套装变压器的线圈，铁轭起连接铁芯柱使磁路闭合的作用，如图所示。195铁芯的结构示意图1—铁轭2—铁芯柱3—线圈（1）铁芯的材料铁芯材料的质量直接影响变压器的性能。高磁导率、低损耗和合适的价格是选择铁芯材料时要考虑的关键因素。为提高铁芯导磁能力，增大变压器容量，减小体积，提高效率，铁芯常用硅钢片叠装而成。硅钢片可分为热轧和冷轧两种类型，不同类型硅钢片的特点和应用范围见下表。196不同类型硅钢片的特点和应用范围（2）铁芯的类型按照绕组放置的位置不同，铁芯可分为芯式和壳式两种类型，不同类型铁芯的特点和应用范围见下表。197不同类型铁芯的特点和应用范围（3）铁芯柱与铁轭的装配工艺铁芯柱与铁轭的装配工艺可分为对接式和叠接式两种类型，见下表。198铁芯柱与铁轭的装配工艺2．绕组部分变压器的线圈通常称为绕组，是变压器的电路部分。（1）绕组的材料小型变压器的绕组一般用绝缘的漆包圆铜线绕制而成，大、中型变压器的