《电机与变压器》课件 第四章　特种电机

第四章特种电机322目录323§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3243251．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。326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。3271．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。328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。3292．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。330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。3313．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。332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。333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。3344．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。335反应式、永磁式和混合式步进电动机的比较336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。337两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。338两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。339（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。340341两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°。342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。3433．两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。344（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。345两相混合式步进电动机的工作原理346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。347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。348（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349（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350（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。351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。3522．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。353（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。3543．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。355§4-2伺服电动机3563571．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。358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。359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。360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。361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。3623．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。3634．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。364（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。365（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。366二、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。3671．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。3682．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。369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。370三、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。3711．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。372373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。374（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。3752．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。376（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。3773．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。378§4-3直线电动机3793801．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。381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。382三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。383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。384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。385386三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。387388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。389（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。3902．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。391§4-4永磁电动机3923931．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。394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。395396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。397（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。398二、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。399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。400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。401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。402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。403三、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。404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。405406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