电机及拖动基础_吴玉香_微控电机.ppt

1、,本章主要教学内容 1.单相异步电动机 2.伺服电动机 3.测速发电机 4.步进电动机 5.开关磁阻电动机 6.力矩电动机 7.直线电动机 8.无刷直流电动机 9.超声波电机,8.1 单相异步电动机,由单相电源供电的异步电动机即为单相异步电动机。 8.1.1 基本结构 单相异步电动机的接线如右图。,结构特点： 1）通常定子有主、辅两绕组，主绕组占2/3槽，辅绕组占1/3槽； 2）转子制成笼型 。 主要类型： 1)分相式：电阻分相或电容分相； 2)罩极式。,单相异步电动机的接线示意图,8.1.2 单相异步电动机的工作原理 单相绕组通单相交流电建立的磁动势为脉振磁动势，仅考 虑基波分量时，其表达式

2、为,脉振磁动势的分解,转子转速为 ，转子对正向旋转磁场的转差率为 ，则转子对反向旋转磁场的转差率为,正向旋转磁场与其所感应的转子电流作用，产生正向电磁转矩；反向旋转磁场与其所感应的转子电流作用，产生反向电磁转矩；两者之和构成电动机的合成电磁转矩，如下图。,特点： (1) 时，合成电磁转矩为零，说明它无起动转矩； (2) 左右两边，合成转矩对称，说明它无固定的转向 ； (3)工作时的转向由起动时的转动方向决定 。,单相异步电动机T-s曲线,8.1.3 单相异步电动机的等效电路,特点： 1）当转子不动时，转差率 ， 和 大小相等 ； 2）当转子旋转时 ， 故,单相异步电动机的等效电路,8.1.4

3、单相异步电动机的起动和调速 一. 起动方法 1. 分相式起动,接线如右图 起动原理： (1) 两个空间互差900电角度的不对称绕组通以不对称电流，在气隙中形成椭圆形旋转磁场，产生一定的起动转矩； (2)适当选择电容分相的电容，可在气隙中建立接近于圆形的旋转磁场，产生较大起动转矩，同时使起动电流减小 ； 注意： 工作绕组或起动绕组接电源的两出线端对调可改变电动机的转向。,分相启动接线图,2. 罩极式起动 罩极式单相异步电动机的定子铁心多数做成凸极式，主要结构如右图,结构特点： 在每个定子磁极上装有工作绕组。在磁极极靴的1/3处开有小槽，槽内嵌有短路铜环，把部分磁极“罩”起来，此铜环也称为罩极线圈

4、； (2) 转子仍为普通鼠笼式转子,起动原理： (1)工作绕组通入单相交流电时，产生脉振磁通，其中一部分磁通 不通过铜环，另一部分磁通 则通过铜环。由于 和 在空间上有一定的相位差，在时间上也有一定的相位差，故在罩极式单相异步电动机中就会产生椭圆形旋转磁场。 (2)在椭圆形旋转磁场的作用下，电动机将产生一定的起动转矩，使转子顺着磁场旋转的方向转动起来。 注意： 罩极式起动的单相异步电动机，电机的转向总是从磁极未罩部分向被罩部分的方向旋转。,二. 调速方法 调压调速 调速原理如图：,实现办法： 用电子开关做调压器，或采用串联电抗器，以控制电机端电压。,调压调速原理图,电容分相的单相异步电动机也常

5、用工作绕组或起动绕组抽头的接法实现调速 ，典型接法有L形接法和T形接法。,(a),(b),(a),(b),(a) 高速接法 (b) 低速接法,8.2 伺服电动机,伺服电动机的功能是将输入的电信号转换为电动机转轴上的角位移或角速度。分为直流和交流伺服电动机。,8.2.1 直流伺服电动机 1. 基本结构和工作原理 直流伺服电动机实际上就是微型他励直流电动机，由装有磁极的定子、可以转动的电枢和换向器组成。按励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式两种。 直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机的工作原理相同，电磁转矩公式为 ，当 或 时，电动机能自动停止转动。,2. 直流伺服电动机的控制 电枢控制：改变

6、电枢绕组电压的方向与大小的控制方式。 磁场控制：改变励磁绕组电压的方向与大小的控制方式(永磁直流伺服电动机无，电磁式直流伺服电动机也较少用）。 电枢控制的直流伺服电动机机械特性表达式为,机械特性曲线：如右图。,调节特性：指电动机在一定的负载转矩下，稳态转速随控制电枢电压的变化关系。它反应了电机在带负载情况下转速随控制信号的变化情况。 (1) 负载恒定的情况 调节特性方程式： 调节特性曲线：如右图。 起始电压：,(2) 负载变化的情况 负载变化时，直流伺服电动机的调节特性不再是一条直线了。由于在不同的转速条件下转矩会有所不同，因此电枢电流也会发生相应的变化，随着转速的增大，电阻上的压降也增大，电

7、枢电动势 的增量逐渐减小，此时直流伺服电动机的调节特性接近于一种近似饱和的特性，如右图。,调节特性,总结：电枢控制的直流伺服电动机的机械特性和负载恒定时的调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象(控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象称为“自转”现象)，在自动控制系统中是一种很好的执行元件。 但电枢控制的直流伺服电动机并不是在任何情况下都能迅速准确反应控制电压的变化。由于摩擦及电机结构等原因，在电压降到一定程度时，直流伺服电动机的转速会时快时慢，很不均匀，出现低速爬行状态。 在使用中要设法排除低速爬行状态的出现。,8.2.2 交流伺服电动机 1. 基本结构和工作原理 交流伺服电动机实际上就是

8、两相异步电动机，其原理电路如右图。 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处 。但要注意避免“自转”现象，方法：加大交流伺服电动机转子的电阻 。,交流伺服电动机原理电路,2. 交流伺服电动机的控制 交流伺服电动机的控制信号为控制电压 ，具体的控制方式有幅值控制、相位控制和幅相控制三种 。 (1)幅值控制,指控制电压 与励磁电压 的相位差保持90o不变，而以 的幅值大小作为控制量来控制电机的转速 ，接线如右图。,幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性：如下图,-有效信号系数,机械特性 调节特性,(2) 相位控制 指保持控制电压 的幅值不变，调节控制电压 与励磁电压 之间的相位差来

9、控制电机的转速和转向的控制方式 ，接线如右图。 改变 与 之间的相位差还可以改变电动机的转向，若控制电压 的相位改变180o电角度，即可改变交流伺服电动机的转向。,机械特性和调节特性与幅值控制相似 。,(3) 幅-相控制 指同时调节控制电压的幅值和相位的控制方式，接线如右图。 幅相控制的交流伺服电动机的控制信号变化时，电机内合成气隙磁场的大小与椭圆度随着发生变化，从而使其转矩、转速变化，使电动机随控制信号而具有伺服性。 机械特性和调节特性与幅值控制相似 。,总结：交流伺服电动机的结构简单，抗干扰性好，在自动控制系统中常作为执行元件使用。,8.3 测速发电机,测速发电机是一种测量转速的微型发电机

10、，功能是将转速信号变换成电压信号，且输出的电压信号与转速成正比。 8.3.1 直流测速发电机 1. 基本结构和工作原理 直流测速发电机就是一种微型直流发电机，由装有磁极的定子，可以转动的电枢和换向器等组成。原理电路如下图,(a),(b),(a)他励式 (b)永磁式,工作原理：与一般直流发电机基本相同 。 空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢电动势 ，为 一定时， 与 成正比； 负载时，若电枢电阻为 ，负载电阻为 ，不计电刷和换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为,只要 和 都保持不变，负载时直流测速发电机的输出电压 仍与转速 成正比。改变转子的转向，输出电压的极性随之改变。,2.

11、 误差分析 直流测速发电机实际的输出特性为非线性的，如右图。 造成误差的主要原因有： (1)电枢反应 (2)电机温升 (3)接触电阻,结论：直流测速发电机的转速 越高， 越小，误差越大。因此，在直流测速发电机的技术数据中给出了最大线性工作转速和最小负载电阻值。,8.3.2 交流测速发电机 交流测速发电机分为同步、异步测速发电机两种。下面仅介绍异步测速发电机的基本结构、工作原理及误差分析。 1. 基本结构和工作原理,交流测速发电机与交流伺服电动机的结构相似。定子上有两个互差的绕组，工作时，一个加励磁电压，另一个用来输出电压。转子有笼型和空心杯型两种。结构原理图如右图。,工作原理： 转子静止时，交

12、流测速发电机类似于一台变压器，由于直轴脉振磁通 轴线与输出绕组轴线垂直，理论上无电压输出。 转子旋转时，会因转子绕组切割直轴脉振磁通 建立交轴脉振磁通 ，这时位于交轴的输出绕组将匝链 而产生感应电动势,当测量用的负载阻抗 很大时，测速发电机的输出电压近似为,2. 误差分析 交流测速发电机的误差主要有： (1)线性误差： 与 成正比的前提： 严格不变，但在实际中直轴磁通 是变化的，原因主要有两方面； (2)剩余电压：转子静止时，交流测速发电机的输出电压应为零，但实际上还会有一个很小的电压输出，即剩余电压 ； (3)相位误差：输出电压与励磁电压的相位误差是由励磁绕组的漏抗、杯型转子的漏抗产生。 线

13、性误差、剩余电压和相位误差是交流测速发电机的主要技术数据。实际选用时应使负载阻抗远大于测速发电机的输出阻抗，使其工作在接近空载状态，以减少误差。,8.4 步进电动机,步进电动机是由脉冲控制运行的特殊同步电动机，它将脉冲电信号转换为角位移或线位移。 8.4.1 基本结构,从励磁的方式来看，步进电动机分为反应式、永磁式和感应式三种 。反应式步进电动机的结构如右图。 永磁式、感应式步进电动机的定子结构与反应式步进电动机的定子结构大致相同，但转子结构不同。,8.4.2 工作原理 步进电动机的工作原理类似于同步电动机的工作原理。,三相反应式步进电动机工作原理图,A相通电，B、C断电，转子旋转到与A相的齿

14、对齐；随后B相通电，A、C断电，转子会旋转到与B相的齿对齐；随后C相通电，A、B断电，则转子会旋转到与C相的齿对齐。如此循环，电机就可旋转起来。,步进电动机每改变一次通电方式，电动机就旋转过一个角度，称为一拍。经过一拍转子旋转的角度称为步距角，用 表示,-转子齿数 -运行拍数 -通电方式系数,当步进电动机定子中脉冲的频率为 时，电机的转速为,8.4.3 步进电动机的控制 通电方式：单拍通电方式指每次通电时仅一相绕组得电；双拍通电方式指每次通电时有两相绕组得电。 运行方式：以三相反应式步进电动机为例，有三相单三拍、三相双三拍、三相六拍三种。 要改变步进电动机的转向，只需改变步进电动机的通电相序。

15、 步进电动机定子中输入的是脉冲电信号，因此使用计算机来进行控制非常合适，如步进电动机的斩波式细分驱动控制、脉宽调制式细分驱动控制等。,8.5 开关磁阻电动机,8.5.1 基本结构 开关磁阻电动机由定子、转子构成，且定、转子均由硅钢片叠压制成凸极式结构。为避免存在零转矩点(或称死点)，定、转子的极数(或齿数)之比一般不为整数。 8/6极开关磁阻电动机结构图如右图。,8.5.3 工作原理 开关磁阻电动机的转矩是磁阻性质的。以前页的图为例，当A相绕组通电时，A相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线 与定子极轴线 重合的位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。若顺序给A、B、C、D相绕组通电，则转子

16、按逆时针方向连续转动起来；若依次给B、A、D、C相绕组通电，则转子会沿顺时针方向旋转。 设每相绕组通电的开关频率为 ，每个周期 相轮流导通，转子极数为 ，则开关磁阻电动机的同步转速为,设定子 相为励磁相，可得其电压平衡方程式为,当 时，表示电动机吸收电功率，产生机械功率，电磁转矩为驱动性转矩； 当 时，表示电动机吸收机械功率，回馈电功率，电磁转矩为制动性转矩。 开关磁阻电动机有两个重要特征： (1)磁路严重非线性； (2)定子相绕组中电流的非正弦性。,若忽略磁路的非线性，则开关磁阻电动机的电磁转矩为,由此可知，开关磁阻电动机电磁转矩的方向与 的方向一致，与定子相绕组通入电流的方向无关。在一相绕

17、组励磁作用下，产生的对应转矩为脉冲式转矩，如下图。,定子相电感与与转子位移角的关系,转矩与转子位移角的关系,通过控制加到开关磁阻电动机定子绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，就可控制开关磁阻电动机电磁转矩的大小和方向。 8.5.4 开关磁阻电动机的控制方式 开关磁阻电动机的控制系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、位置监测装置、控制器四大部分组成，见下图。,开关磁阻电动机类似于大步距角步进电动机，其控制方式与步进电动机类似。 但开关磁阻电动机的控制与步进电动机的控制又有不同，表现在： (1) 开关磁阻电动机中绕组的导通角和关断角是可控的，而步进电动机中绕组的导通角和关断角是固定不变

18、的； (2) 开关磁阻电动机是连续运行的，而步进电动机是断续运行的。 开关磁阻电动机的优缺点： 优点：结构简单、效率高、调速范围宽等 缺点：转矩波动问题、噪声高的问题等,8.6 力矩电动机,8.6.1 概述 力矩电动机的特点：一种特殊的伺服电动机，不加减速机构直接驱动负载，控制输入电压信号可直接调节负载的转速。在位置控制的伺服系统中，可长期工作在堵转状态；在速度控制的伺服系统中，可工作在低速状态，且输出较大的转矩。 采用力矩电动机拖动负载的优点（与采用高速的伺服电动机相比）：响应快、精度高、机械及调节特性的线性度好，结构紧凑、运行可靠、维护方便、振动小等，低速运行时转速可低到4天才转一圈，调速

19、范围可高达几万、几十万。 力矩电动机分类：直流力矩电动机、交流力矩电动机及无刷直流力矩电动机等，,8.6.2 直流力矩电动机 特点：它是一种永磁式低速直流伺服电动机，工作原理与普通直流伺服电动机基本相同。外形和普通直流伺服电动机完全两样，通常做成扁平式结构，电枢长度与直径之比一般仅为0.2左右，选取较多的极对数，以便使直流力矩电动机在一定的电枢体积和电枢电压下能产生较大的转矩和较低的转速。 直流力矩电动机分类：分装式和内装式两种，见下图。,分装式,内装式,8.6.3 交流力矩电动机 主要指三相异步力矩电动机，可用于传动需要恒定张力和恒定线速度的卷线机械上，如数控机床以及电影、造纸、橡胶、电缆设

20、备等机械上。 特点：具有宽广的调速范围和较软的机械特性，其转速随负载转矩的变化而变化，并允许长期堵转。 工作原理与普通笼型异步电动机基本相同，但结构和一般鼠笼式异步电动机不同，它采用电阻率较高的导电材料(如黄铜)作为转子导条及端环，且采用开启式结构，转子具有轴向通风孔，并外加鼓风机强迫通风。 但小容量交流力矩电动机也有采用封闭式结构的。,8.6.4 力矩电动机使用注意事项 (1）在伺服系统中使用的力矩电动机要保持其机械特性和调节特性有很好的线性度，故使用中它在一定使用条件(如电压及散热面大小)时的空载转速和堵转转矩 。 (2）当运行转速大于零时，输出转矩小于堵转转矩，力矩电动机机械特性为直线（

21、线性的），故使用中应考虑它不带散热面或带有规定散热面时的连续堵转转矩。 (3)对永磁式直流力矩电动机，电枢电流太大会使永久磁铁去磁，故使用中应考虑它的峰值转矩、峰值电流。 注意：永磁式直流力矩电动机磁钢一旦失磁，必须重新充磁才能恢复正常工作,8.7 直线电动机,8.7.1 概述 直线电动机是一种不需要中间转换装置而直接作直线运动的电动机械。 与旋转电动机传动相比，直线电动机传动具有如下优点： (1)简化结构，提高精度，减少振动和噪音。(2)响应快速。 (3)提高可靠性，延长使用寿命。(4)可提高电动机的容量定额。 (5)装配灵活性大，可将电动机和其它机件合成一体。 分类：直线直流电动机、直线异

22、步电动机和直线同步电动机(包括直线步进电动机)三种。,8.7.2 直线异步电动机 1. 主要类型和结构 主要有三种型式：扁平型、管型和圆盘型。扁平型直线异步电动机可以看作是由普通的旋转异步电动机直接演变而来的。下图可说明其形成过程。,直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，即动次级；也可以固定次级而让初级运动，即动初级。 通常直线电动机都做成短初级形式，见下图。,扁平形直线电动机,双边形直线电动机,2. 工作原理 以单边型直线异步电动机为例。当直线异步电动机的初级三相绕组中通以对称三相交流电流以后，建立按A、B、C相序沿直线移动的行波磁场。 行波磁场直线移动速度为,行波磁场切割拉直的转

23、子(次级)，便会在次极产生电磁力。若初级是固定不动的，则次级在电磁力作用下会跟随行波磁场的移动而移动。设次级移动的线速度为 ，则转差率为,次级移动速度为,与旋转异步电动机一样，改变直线异步电动机初级绕组的通电相序，可改变直线异步电动机的运动方向。 直线异步电动机的其他特性，如机械特性、调节特性等都与旋转异步电动机相似，通常也是靠改变电源电压或频率来实现对速度的连续调节。 3. 主要用途 大容量直线异步电动机已应用于公共运输车辆、高速列车、材料加工、挤压加工及液体金属泵等；小容量直线异步电动机可应用于各种行业。,8.7.3 直线直流电动机 直线直流电动机主要有两种类型：永磁式和电磁式。永磁式直线

24、直流电动机多用在功率较小的自动记录仪表中，电磁式直线直流电动机用在驱动功率较大的机构中，见下图。,双极电磁式直线直流电动机的结构示意图,工作原理： 在励磁绕组中通上励磁电流时，在电机中就产生了磁通，经定子、动子和气隙构成闭合回路。动子绕组分为两部分，绕向相反。当动子绕组中通电时就会产生电磁力，使动子进行往复直线运动。若行程较短，则可以将电刷省去；若行程较长，则可以加装电刷，以控制电流流过工作区段。 8.7.4 直线步进电动机 直线步进电动机是旋转式步进电动机的演变，它利用定子和动子间气隙磁通的变化所产生的电磁力而工作。 分类：反应式和永磁式两种。,工作原理： 反应式直线步进电动机的工作原理与普

25、通旋转步进电动机基本相同，也是用脉冲对其进行控制。下图为五相反应式直线步进电动机的结构示意图。,控制方法： 直线步进电动机的定子上有均匀分布的齿槽，动子有磁极，在每个极上绕有控制绕组。当控制绕组按一定的相序通以脉冲电压或电流时，动子将以一定的齿距移动。 与普通的步进电动机相同，可通过相序的控制来进行齿距控制，满足各种不同的工作要求。 永磁式直线步进电动机： 定子用铁磁材料制成，动子上也有永久磁钢，控制方法与反应式直线步进电动机的控制方法基本相同。 平面步进电动机： 结构与工作原理同永磁式步进电动机基本相同，只是它将直线运动变成了平面运动。,8.8 无刷直流电动机,8.8.1 基本结构 无刷直流

26、电动机在结构上是一台反装式的普通直流电动机，它的电枢绕组安放在定子上，永磁磁极安放在转子上，采用电子换向。,右图为无刷直流电动机的基本构成,8.8.2 工作原理 电枢绕组通过电子开关的控制与直流电源相连，当电枢绕组内通入直流电流时，与转子作用产生电磁转矩，使转子转动。 控制电路对位置传感器检测的信号进行逻辑变换，产生控制信号，控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式的旋转磁场，拖动转子旋转。 随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，实现电子换向。,二相导通星形三相六状态无刷直流电动机工作原理，见下图。,开始A、B相通电， VT1,VT6导通，拖动转子顺时针转动，转子沿顺时针方向每转过60o电角度，功率开关元件的导通逻辑就发生变化，变化顺序为： VT1,VT6 VT3,VT4VT5,VT4VT5,VT6VT1,VT6,则转子磁场始终受到定子合成磁场(跳跃式旋转磁场)的作用并沿顺时针方向连续转动。,8.9 超声波电机,8