清华大学电机学课件

1、第七章电机7.2 DC电机7.2.1概述7.2.2工作原理7.2.3电枢电动势和电压平衡关系7.2.4电磁转矩7.2.5机械特性7 . 2 . 6 DC电机的速度调节7 . 2 . 7 DC电机的使用和额定值7.3单相异步电机7.4步进电机7.2.1概述和7.2.2工作原理1。工作原理、电刷、换向器片、注意：换向器片和电源是固定连接的，无论线圈如何转动，上半部分的电流总是向内，下半部分的电流总是向外。电刷压在换向器片上。根据左手定则，通电的线圈在磁场的作用下逆时针旋转。根据右手定则，当线圈在磁场中旋转时，线圈中会产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。感应电动势Ea的方向、电枢绕组电

2、阻Ra、感应电动势和输出电压由右手定则确定。第二，DC电机由定子、转子和机架组成。框架、磁极、励磁绕组、转子和励磁DC电机结构。1.转子(也叫电枢)由铁芯、绕组(线圈)和换向器组成。2.定子，定子的分类：励磁的定义：磁极上的线圈用直流电激励，产生磁通量，称为励磁。根据励磁线圈与转子绕组的连接关系，励磁DC电机可细分为：单独励磁电机：励磁线圈与转子电枢的电源分离。并联励磁电机：励磁线圈和转子电枢并联在同一个电源上。串联励磁电机：励磁线圈和转子电枢串联在同一电源上。复合励磁电机：励磁线圈和转子电枢串联和并联，并连接到同一电源。7.2.3电枢电动势与电压平衡的关系，电枢通电后，产生电磁转矩，从而使电

3、机在磁场中旋转。当通电的线圈在磁场中旋转时，它将在线圈中产生感应电动势(用E表示)。根据右手定则，电枢中的感应电动势与原电流相反，其大小为：单位：(韦伯)，N(每分钟转数)，E(伏特)。第二，电枢绕组中的电压平衡，因为E与电流相反，所以叫做反电动势。u:外加电压Ra:绕组电阻，7.2.4电磁扭矩，1。电磁转矩，单位： (韦伯)，Ia(安培)，t(牛顿米)，可从转矩公式得知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转方向：改变电枢电流方向或改变磁通量方向。二是转矩平衡关系，电磁转矩t是驱动转矩，它必须与电机运行时的外部负载和空载损耗的阻力转矩相平衡，即转矩平衡过程：当负载

4、转矩(TL)发生变化时，电磁转矩通过电机转速、电动势和电枢电流的变化自动调节，实现新的平衡。让所施加的电枢电压u保持不变，并且T=TL T0(平衡)。此时，如果TL突然增加，调整过程如下：与原来的平衡点相比，新的平衡点是Ia和P-in。机械特性是指电磁转矩和电机转速之间的关系。以下是单独励磁和串联励磁电机的例子。单独励磁电机的特性与并联励磁电机的特性相同。7.2.5机械特性，1。独立励磁电机的机械特性，n0:理想空载速度，即T=0时的速度。(在实际工作中，由于空载损耗，电机的t不会为0。)，但由于单独励磁电机的电枢电阻Ra很小，当负载变化时，速度n变化不大，这是一个硬机械特性。根据n-T公式，

5、串联励磁的特性曲线是励磁线圈的电流与电枢线圈的电流相同。2。串联励磁电机的机械特性。如果通量与电流成正比，即=k1a，则T-n曲线根据该公式绘制。(1)当T=0时，在理想条件下，不考虑串联励磁特性：(2)随着转矩的增大，N迅速减小，属于软机械特性。(2)恒功率负载(当p不变时，t和n成反比)，必须选择软特性电机驱动。例如电力机车。选择DC电机特性类型：(1)具有硬特性的电机应选择用于具有恒定扭矩(TL是恒定的，与转速无关)的生产机械，如金属加工和起重机机械。与异步电机相比，DC电机结构复杂、价格昂贵、维护不便，但其最大的优点是调速性能好。下面以独立励磁电机为例，说明DC电机的调速方法。(1)调

6、速平稳，可无级调速。(2)调速范围大，调速比可达200以上(分励式)(调速比等于最大速度与最小速度之比)。DC电机调速的主要优点如下：从这个公式中，n是相关的，在一定的u条件下，变化可以改变n。一个电阻RF串联在励磁电路中，通过改变Rf的大小来调节励磁电流，从而改变Rf的大小。1.改变磁通量(调整磁通量)，1。原理，其中：=K If，Rf If n，但是在额定条件下，它接近饱和，并且If再次增加，这对它影响很小，因此通常不使用这种增加磁通量的方法。减少磁通量是一种常用的调速方法。中频调整有两种情况：概念：改变磁通调速的方法会减少磁通，但N只能向上调整。2。特性的变化，调速过程是： U，那么，就

7、目前而言，T1，(1)调速是平稳的，可以实现无级调速，但只能向上调节。由于机器本身的强度，氮不能太高。(2)励磁电流可调(该电流比电枢电流小得多)，便于调节和控制。3。减速调速的特点：1。改变电枢电压进行速度调节。根据速度特性方程，电枢电压U、n0变化，斜率不变，因此速度调节特性是一组平行曲线。1。特征曲线，2。改变电枢电压调速的特性，(1)电枢电压在运行中是恒定的，当电压被调节时，不允许超过UN，但不允许超过n，因此只能向下调节调速。(2)可实现平滑无级调速。(3)调速范围大。Uf=110V是固定的，U=0110V是可调的，通过改变电枢电压的调速方案示例：已知pn=2.2kw，un=220v

8、，Ian=12.4a ra=0.5，nn=1500r/min的独立励磁电机。搜索：(1)当1)t1=0.5TN，n=？(2)当=0.8 n时，n=？解决方案：(1)当TL=0.5 TN、(2)=0.8 N时，这种速度调节方法消耗大量能量，并且仅用于小型DC机器。串联励磁电机也可以用类似的方式进行调节。3。改变转子电阻进行调速，串联电阻使N和n0不变，即电机特性曲线变陡(斜率变大)。7.2.7在相同的转矩下，DC电动机的使用和额定值，以及最后的限制措施：(1)起动时在电枢回路中增加电阻。(2)启动时降低电枢电压。1。使用，1。起动，起动时，n=0 Ea=0，如果加上额定电压，如果最后一个过高，换

9、向器会产生严重的火花，烧坏换向器。一般来说，最后一个限制为(2-2.5)IaN。(1)如果电机静止，由于励磁转矩T=KT Ia为0，所以电机不会启动，因此反电动势为零，电枢电流非常大，电枢绕组有烧毁的危险。(2)如果电动机在负载下运行时磁路突然断开，则E、Ia、T和可能不符合T1的要求，电动机将减速或停止运行，使Ia变得更大且非常危险。措施：单独励磁的DC电机必须失去磁保护。通常，电压损失继电器或欠电流继电器被添加到励磁绕组。当电压丢失或电流不足时，自动切断电枢电源。2.反向旋转时，电机的旋转方向由电磁t的方向决定在特殊情况下，例如，当汽车下坡或起重机重量下降时，nn0(非理想空载速度)处于重

10、力作用下。此时，电动机变成了发电机，电磁转矩变成了阻力转矩，从而限制了电动机速度的过度增加。(3)发电反馈制动，DC电机有四个输出端，两个电枢绕组和两个励磁绕组，可通过标记字符和绕组电阻大小来区分。4。连接，(1)绕组的电阻范围，电枢绕组的电阻范围从十分之几欧姆到12欧姆。单独励磁/并联励磁电机的励磁绕组电阻为几百欧姆。串联励磁电机励磁绕组的电阻值与电枢绕组的电阻值相等。(2)绕组符号，2)额定值，1)电机轴上的额定功率PN :机械功率输出。2.额定电压UN:在额定工作条件下施加在电枢上的DC电压。(例如：110伏、220伏、440伏)，3。额定电流IN:轴在额定电压下输出额定功率时的电流(并

11、联励磁应包括励磁电流和电枢电流):PN=UNIN(:效率)，注意：对于无调速要求的电机，最大速度不应超过1.2nN，4。额定速度nN:PN、UN、IN时的速度。一般情况下，DC电机的转速在500转/分以上。特殊的DC马达速度可以非常低(例如，每分钟几转)或非常高(每分钟3000转以上)。7.3单相异步电动机，1。单相异步电动机的工作原理和结构：定子置于单相绕组(其中提供220伏单相交流电)，转子一般为鼠笼式。当定子绕组产生的合成磁场增大时，根据右手螺旋法则和左手法则，可以知道转子条的左右力大小相等，方向相反，因此没有起动转矩。在电流的正半周，在转子与其他力一起旋转后，在外力消除后，转子继续以原

12、始方向旋转。原理分析如下：(1)定子绕组产生的脉动磁场可以由两个旋转磁场合成并等效。即脉动磁场的分解，正向和反向旋转磁场的复合转矩特性，复合转矩，(正向)，(反向)，容性分相起动，第二，单相异步电动机起动，接近90，容性分相单相异步电动机起动原理，t=t0，磁场逆时针旋转，t=t0，t正常旋转后，离心开关关闭，起动绕组切断，电动机继续按原方向旋转。工作原理，罩极单相电机，定子通电后，部分磁通通过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通量的变化，导致短路环产生的磁通量和短路环产生的磁通量之间的相位差，从而形成旋转磁场并旋转转子。图中电机的旋转方向：顺时针旋转。因为无短路环的磁通量领先

13、于有短路环的磁通量。单相异步电动机功率低，主要制成小型电动机。它被广泛应用，如家用电器(洗衣机、冰箱、电风扇)、电动工具(如手电钻)、医疗器械、自动仪器等。第三，单相电动机的使用，三相异步电动机的单相运行，三相异步电动机在运行过程中，如果一相与电源断开，就成为单相运行。此时，与单相电机一样，电机仍将按原来的方向运行。但是，如果负载不变，三相电源将变成单相电源，电流将增加，导致电机过热。使用时要特别注意这种现象；如果三相异步电动机的一相在起动前被切断，它将不会像单相电动机那样起动。此时，只能听到嗡嗡声，如果长时间不启动，将会过热，因此有必要快速排除故障。第7章，控制电机，概述7 .4步进电机7.

14、4.1结构7.4.2工作模式7.4.3带小步进角的步进电机7.5伺服电机7.5.1交流伺服电机7.5.2 DC有多种控制电机。本章主要介绍步进电机和伺服电机。控制电机的主要要求：灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、功耗低等。7.4步进电机，机构：步进电机是利用电磁原理将脉冲信号转换成线性位移或角位移的电机。每当电脉冲到来时，马达就会以一定角度旋转，驱动机器移动一小段距离。特征：(1)向一个脉冲，转一个步进角度。(2)控制脉冲频率可以控制电机速度。(3)改变脉冲顺序和方向。类型：激发类型和反应类型。两种类型的区别在于，励磁步进电机的转子上有励磁线圈，而无功步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：步

15、进机被广泛使用。例如，它已被用于数控机床，自动绘图仪和其他设备。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。7.4.1结构中，步进机主要由两部分组成：定子和转子。它们都是由磁性材料制成的，分别有六个和四个磁极。定子、转子和定子绕组。定子的六个磁极上有控制绕组，两个相反的磁极形成一相。注：“相”的概念在这里不同于三相交流电。步进机由DC脉冲驱动，主要指线图的连接和组数的差异。IA、IB、IC、7.4.2步进电机的工作模式可分为三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1、三相单相三拍，(1)三相绕组的连接方式为Y形，(3)在工作过程中，A相通电，使转子的齿1和3与AA对齐。同样，B相通电

16、，转子2和4齿与B相的轴线对齐，A相的位置转动30；将c相开启30秒。在这种工作模式下，因为一次只有三相绕组的一相通电，一个周期总共包括三个脉冲，所以称为三相单三拍。三相单拍和三拍的特点如下：(1)每次电脉冲到来，转子转动30。该角度称为阶梯角，用s(2)表示。转子的旋转方向取决于三相线圈的通电顺序，通过改变通电顺序可以改变转向方向。两相和三相单、双六拍，三相绕组通电顺序为：AABBBCCCAA，共六拍。工作过程：a相通电，转子的齿1和3与a对齐.因此转子转到两个磁拉力平衡的位置。与AA相比，转子转动了15度。(1)BB磁场对齿2和齿4施加磁拉力，使转子顺时针旋转。A和B同时通电，并且(2)AA磁场继续在齿1和3上施加张力。总之，每个周期有六个通电状态，所以称为三相六拍，步角为15。b相通电，转子2，4齿和b对齐，转动15。三相、三相、三拍，三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB，共三拍。当工作模式为三相双拍时，转子每产生一个电脉冲也转动30，即S=30。7.4.3对于小步进角的步进电机，实际使用的步进电机的步进角大多为3度和1.5度。阶梯角越