交流與直流電機

1、交流與直流電機 調(diào)速方法 分類 原理 優(yōu)缺點 應(yīng)用三相交流電機調(diào)速有哪些方法1變極調(diào)速.2變頻調(diào)速.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三相交流電機有很多種。1. 普通三相鼠籠式。這種電機只能通過變頻器改變電源頻率和電壓調(diào)速（F/U） <2. 三相繞線式電機，可以通過改變串接在轉(zhuǎn)子線圈上的電阻改變電機的機械特性達到調(diào)速的目的。這種方式常 用在吊車上。長時間工作大功率的繞線式電機調(diào) 速不用電阻串接，因為電阻會消耗大量的電能。通常是串可控硅，通過控制可控 硅的導通角控制電流。相當于改變回路中的電阻達到同上效果。轉(zhuǎn)子的電能經(jīng)可控硅組整流后，再逆變送回電網(wǎng)。這種方式稱為串級調(diào)速。配上好的調(diào)速控制 柜，據(jù)說可以和直流電

2、機調(diào)速相比美。3. 多極電機。這種電機有一組或多組繞組。通過改變接在接線合中的繞組引線接 法，改變電機極數(shù)調(diào)速。最常見的 4/2極電機用（角/雙丫）接。4. 三相整流子電機。這是一種很老式的調(diào)速電機，現(xiàn)在很用了。這種電機結(jié)構(gòu)復 雜，它的轉(zhuǎn)子和直流電機轉(zhuǎn)子差不多，也有換向器，和電刷。通過機械機構(gòu)改變電刷相對位置，改變轉(zhuǎn)子組繞組的電動勢改變電流而調(diào)速。 這種電機用的是三相 流電，但是，嚴格上來說，其實它是直流機。原理是有點象串礪直流機。5. 滑差調(diào)速器。這種方式其實不是改變電機轉(zhuǎn)速。而是改變和是電機軸相連的滑 差離合器的離合度，改變離合器輸出軸的轉(zhuǎn)速來調(diào)速的。還有如，硅油離合器， 磁粉離合器，等等

3、，一此離合機械裝置和三相電機配套，用來調(diào)速的方式。嚴格 上來說不算是三相電機的調(diào)還方式。但是很多教材常常把它們算作調(diào)速方式和一 種。直流電機的調(diào)速方法一是調(diào)節(jié)電樞電壓，二是調(diào)節(jié)勵磁電流，而常見的微型直流電機，其磁場都是固定的，不可調(diào)的永磁體，所以只好調(diào)節(jié)電樞電壓，要說有那幾種調(diào)節(jié)電樞電壓方法， 常用的一是可控硅調(diào)壓法，再就是脈寬調(diào)制法 （PWM）PW啲H型屬于調(diào)壓調(diào)速。PW啲H橋只能實現(xiàn)大功率調(diào)速。國內(nèi)的超大功率調(diào) 速還要依靠可控硅實現(xiàn)可控整流來實現(xiàn)直流電機的調(diào)壓調(diào)速。還有弱磁調(diào)速，通過適當減弱勵磁磁場的辦法也可以調(diào)速。直流電機與交流電機比較最大的優(yōu)點就是直流電機可以實現(xiàn) 平滑而經(jīng)濟的調(diào)速”；

4、直流電機的調(diào)速不需要其它設(shè)備的配合，可通過改變輸入的電壓 /電流，或者勵磁電壓/電流來調(diào)速。 交流永磁同步的調(diào)速是靠改變頻率來實現(xiàn)的，需要變頻器。直流電機雖不需要其它的設(shè)備來幫助調(diào)速， 但自身的結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高；在 大功率可控晶閘管大批量使用之前， 直流電動機用于大多的調(diào)速場合。在大功率 可控晶閘管工業(yè)生產(chǎn)化后，交流電動機的調(diào)速變得更簡單了，交流電動機的制造 成本低廉，使用壽命長等優(yōu)點就表現(xiàn)出來。直流電機的3種調(diào)速方法各有什么優(yōu)缺點？不同的需要，采用不同的調(diào)速方式，應(yīng)該說各有什么特點。1. 在全磁場狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，適合應(yīng)用在 0基速以下范圍內(nèi)調(diào)速。不能達到 電機的最高轉(zhuǎn)速。2. 在電樞全

5、電壓狀態(tài)，調(diào)激磁電壓，適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。不能得到電機的較低轉(zhuǎn)速。3. 在全磁場狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。適合應(yīng)用在調(diào)速范 圍大的情況。這是直流電機最完善的調(diào)速方式，但設(shè)備復雜，造價高。直流電機調(diào)速一般采用脈沖寬度調(diào)制。即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓。當脈沖最寬時，相當于直流電，功率最大， 轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減小時，相當于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。無刷電機沒有電刷磨損，維護相對簡單，較有刷可靠，但需加裝驅(qū)動（換向）電 路，一次性投資較大。脈寬調(diào)制（PWM是調(diào)整脈沖的寬度而不是頻率。脈沖寬了”指的是高電平時間長了，低電平時間短了，脈沖頻率并沒有變。脈寬調(diào)制并不是

6、直接調(diào)整電機的速 度，而是改變電機的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。直流電機有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉(zhuǎn)子 有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上也形成磁場（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個夾 角，在定轉(zhuǎn)子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，是電機旋轉(zhuǎn)。改變電刷的 位子，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊， 轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機的旋轉(zhuǎn)方向電動機也稱電機（俗稱馬達），在電路中用字母 M'（舊標準用D”表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。（

7、一）電動機的種類電動機有多種類型。1. 按工作電源分類 根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。2. 按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為直流電動機，異步電 動機和同步電動機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同布電動機。異步電動機可分為感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。 感應(yīng)電動機又分為三相異步 電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。 交流換向器電動機又分為單相串 勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動

8、機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鉆永磁直流電動機。3. 按起動與運行方式分類電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相異步 電動機、電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機和分相式 單相異步電動機。4. 按用途分類 電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。驅(qū)動用電動機又分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工 具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機、錄像機、 影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須

9、刀等）用電動機及其它通用小型機 械設(shè)備（包括各種小型機床、小型機械、醫(yī)療器械、電子儀器等 ）用電動機。 控制用電動機又分為步進電動機和伺服電動機等。5. 按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動機（舊標準稱為 鼠籠型異步電動機）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。6. 按運轉(zhuǎn)速度分類 電動機按運轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電 動機、調(diào)速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、 電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電 動機等。調(diào)速電動機除可分為有級恒速電動機、 無級恒速電動機、有級變速電動機和無極 變速電動機外，還可分為電磁調(diào)速電動機、直流調(diào)速電動機、 p

10、wr變頻調(diào)速電動 機和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機。（二）直流電動機直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，廣泛應(yīng)用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風、電子表動玩具等。1. 電磁式直流電動機 電磁式直流電動機由定子磁極、轉(zhuǎn)子（電樞）、換向器（俗稱 整流子）、電刷、機殼、軸承等構(gòu)成，電磁式直流電動機的定子磁極（主磁極）由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵磁（舊 標準稱為激磁）方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直 流電動機和復勵直流電動機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通（由定子磁極的勵磁線圈通電后產(chǎn)生）的規(guī)律也不同。串勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電

11、流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大， 轉(zhuǎn)矩近似與電樞 電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉(zhuǎn)矩可達額定 轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時間過載轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的 4倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大， 空載轉(zhuǎn)速甚高（一般不允許其在空載下運行）。可通過用外用電阻器與串勵繞組串 聯(lián)（或并聯(lián)）、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調(diào)速。并勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的 增大而略有下降，短時過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 1.5倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為 5%15%可通過消弱磁場的恒功率來調(diào)速。他

12、勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為 5%15%可以通過消弱磁場恒功率來 提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。復勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外， 還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵繞 組（其匝數(shù)較少）。串聯(lián)繞組產(chǎn)生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右，短時間過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3.5倍左右。轉(zhuǎn)速變化 率為25%30%與串聯(lián)繞組有關(guān)）。轉(zhuǎn)速可通過消弱磁場強度來調(diào)整。換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉(zhuǎn)子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機的電刷

13、一 般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。轉(zhuǎn)子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成， 一般為12槽，內(nèi)嵌12組電樞繞組，各繞組間 串聯(lián)接后，再分別與12片換向片連接。2. 永磁式直流電動機永磁式直流電動機也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成， 定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鉆、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu) 形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數(shù)為圓筒型磁體，而電 動工具及汽車用電器中使用的電動機多數(shù)采用專塊型磁體。圖18-12是兩種永磁體的磁路示意圖。轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。 錄放機中使 用的小功率電動機多數(shù)為3槽,較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉(zhuǎn)

14、子鐵心的 兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換各器的金屬片上。 電刷是連 接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使 用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。3. 無刷直流電動機 無刷直流電動機是采用半導體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦 公設(shè)備中。無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成，如圖 18-13 所示。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化

15、，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流（即 檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置， 并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號， 經(jīng)信 號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換）。 定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件 （例如霍爾元件、磁 敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?）裝在定子組件上，用來 檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機， 在定子組件上按一定位置配置了光電 傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管

16、或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于 遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機， 是在定子組件上安裝有電磁傳感器部 件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化 時，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號 （其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。各種交流電動機的旋轉(zhuǎn)原理目前較常用的交流電動機有兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第 一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。一、三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。 我們知道，但相

17、電源相與相之間的電壓在相 位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差 120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁 場，其產(chǎn)生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的 變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P式中f為電源頻率、P是磁場的磁 極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù) 和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動機的轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實現(xiàn)對交流

18、電動 機的無級變速控制。觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時針排列，磁場順時針方向旋轉(zhuǎn)，若把三根電源線中的任意兩根對調(diào)，例如 將B相電流通入C相繞組中，C相電流通入B相繞組中，則相序變?yōu)椋篊 B、A， 則磁場必然逆時針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱訖C的旋 轉(zhuǎn)方向。定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子導條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁 力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向以 n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。一般情況 下，電動機的實際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。因為假設(shè)n=n1,則轉(zhuǎn)子

19、導條 與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。二、單相交流電動機的旋轉(zhuǎn)原理單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組 時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變 化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。 這個交變脈 動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當轉(zhuǎn)子靜止時， 這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn)。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時 （如順時針

20、 方向旋轉(zhuǎn)），這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變小； 轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破 了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來。 要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組 與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組 的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差 90 度的電流通入兩個在空間上相差 90度的繞組，將會在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn) 磁場，如圖2所示。在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動，起動后，待轉(zhuǎn) 速升到一定時，借助于

21、一個安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其他自動控制裝置將起動 繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，起動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候，起動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機， 要 改變這種電動機的轉(zhuǎn)向，可由改變電容器串接的位置來實現(xiàn)。在單相電動機中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法， 又稱單相罩極式電動 機。此種電動機定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3-1/4全極面處開有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一 個短路銅環(huán)，好象把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套 裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯(lián)的，連接時必須使其產(chǎn)生

22、的極性依次按 N、 S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)楞次定律，其中 穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個在相位上滯后90度的感應(yīng)電流，此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動機的起動繞組相 當，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電動機轉(zhuǎn)動起來。直流電機的基本工作原理直流勵磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用， 除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸 器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵 磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。 此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內(nèi) 電車、電纜設(shè)

23、備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動 機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源， 向負載輸出電能；直流 電動機則是作為原動機帶動各種生產(chǎn)機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng) 中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。雖然直流發(fā)電機和 直流電動機的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互 作用來實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題， 消耗有色金屬較多，成本高，運行 中的維護檢修也比較麻煩。因此，電機制造業(yè)中正在努力改善交流電動機的調(diào)速 性能，并且大量代替直流電動機。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流

24、 發(fā)電機方面，已經(jīng)取得了很大進展。包括直流電機在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機， 實際上 都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。 一條是：導線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一條是：載流導體在磁場中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來看， 任何電機都包括磁場部分和電路部分。 從上述原理可見，任何電機都體現(xiàn)著電和 磁的相互作用，是電、磁這兩個矛盾著的對立面的統(tǒng)一。 我們在這一章里討論直 流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機中的磁”和電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象 （電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、 電磁功率、電樞反應(yīng)等）。一、直流發(fā)電機的基本工作原理直流發(fā)電機和直流電動機具有相同的結(jié)構(gòu)

25、， 只是直流發(fā)電機是由原動機（一般是 交流電動機）拖動旋轉(zhuǎn)而發(fā)電?？梢姡前褭C械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。直流電動 機則接在直流電源上，拖動各種工作機械（機床、泵、電車、電纜設(shè)備等）工作， 它是把電能變?yōu)闄C械能的設(shè)備。但是，當前已經(jīng)有可控硅整流裝置替代了直流發(fā) 電機，為了能使大家更好的理解直流電動機， 有必要同時講述一下直流發(fā)電機的 原理。我們首先來觀察直流發(fā)電機是怎樣工作的。如圖1所示，電刷A、B分別與兩個半園環(huán)接觸，這時 A、B兩電刷之間輸出的是 直流電。我們再來看看這時線圈在磁極之間運動的情況。從圖1（ a）可以看出，當線圈的ab邊在N極范圍內(nèi)按逆時針方向運動時，應(yīng)用發(fā)電機右手定則，這時 所產(chǎn)

26、生的電動勢是從b指向a。這時線圈的cd邊則是在S極范圍內(nèi)按逆時針方 向運動，依據(jù)發(fā)電機右手定則可以判斷，cd邊中的感應(yīng)電動勢方向是從d指向c。 從整個線圈來看，感應(yīng)電動勢的方向是 d-c-b-a。因此，和線圈a端連接的銅片 1和電刷A是處于正電位；而和線圈的d端連接的銅片2和電刷B是處于負電位。 如果接通外電路，那么電流就從電刷 A經(jīng)負載流入電刷B,與線圈一起構(gòu)成閉合 的電流通路。當線圈的ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)時，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)（圖1, b）,用右手 定則判斷可以知道，這時線圈cd邊中產(chǎn)生的電動勢方向是從 c到d，而ab邊轉(zhuǎn) 到了 S極范圍內(nèi)，其中電動勢的方向則是有 a到b。由于電刷在空

27、間是不動的， 因此和線圈d端連接的銅片2和電刷A接觸，它的電位仍然是正。而與線圈 a 端連接的銅片1則和電刷B接觸，它的電位仍然是負。接通外電路時，電流仍然 是從電刷A經(jīng)負載流入電刷B,與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過，要注意 到這時線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。由此可知，當線圈不停地旋轉(zhuǎn)時，雖然與兩個電刷接觸的線圈邊不停的變化， 但 是，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負電位。因此，有兩電刷引出的是具有 恒定方向的電動勢，負載上得到的是恒定方向的電壓和電流。 也就是說，盡管線 圈abcd中感應(yīng)電動勢的方向不斷交變，但是電刷 A總是和處在N極范圍內(nèi)的線 圈邊接觸，電刷B總是和處在S極范圍內(nèi)的線圈邊

28、相接觸，它們的極性始終不變。 于是，線圈中的交流電經(jīng)過銅片和電刷整流后， 便成為外電路中的直流電了。 這 兩個半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。二、直流電動機的基本工作原理上面已經(jīng)討論了直流發(fā)電機的工作原理，現(xiàn)在再來討論直流電動機是怎樣工作 的。如果直流電機的轉(zhuǎn)子不用原動機拖動，而把它的電刷 A、B接在電壓為U的直流 電源上（如圖2所示），那么會發(fā)生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷A是正電位，B是負電位，在N極范圍內(nèi)的導體ab中的電流是從a流向b，在S 極范圍內(nèi)的導體cd中的電流是從c流向d。前面已經(jīng)說過，載流導體在磁場中 要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導體都要受到

29、電磁力Fde的作用。根據(jù) 磁場方向和導體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電流， 所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作 用而按逆時針方向轉(zhuǎn)動了。當線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零， 電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半州之后，雖然 ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是， 由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到 N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向 c，在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc

30、的方向仍然不 變，線圈仍然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動?？梢姡謩e處在N、S極范圍內(nèi)的導體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可 以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，通過齒輪或皮帶等機構(gòu)的傳動，便可以帶動其它 工作機械。從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問題是當導體從一 個磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個異性磁極范圍內(nèi)時（也就是導體經(jīng)過中性面后），導體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務(wù)的裝置。 在直流發(fā) 電機中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵?；而在直流電動機中，貝U用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電?？梢姡瑩Q向器

31、和電刷是直流電機中不可缺少的關(guān)鍵性部件。當然，在實際的直流電動機中，也不只有一個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌 在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當導體中通過電流、在磁場中因受力而轉(zhuǎn)動，就帶動整個轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機的基本工作原理。比較直流發(fā)電機和直流電動機的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形 式不同的。正如前面已經(jīng)說過，直流發(fā)電機由原動機拖動，輸入的是機械能，輸 出的是電能；直流電動機則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機械能。步進電機的工作原理步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為 步距角”），

32、它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。 可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移 量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速 度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機， 利用其沒有積累誤差（精度為100%的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（ VR、永磁式步進電機（PM、 混合式步進電機（HB和單相式步進電機等。一般用在精確定位方面!同步電機轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場（用 直流電機 產(chǎn)生），定子旋轉(zhuǎn)磁場 拖著”轉(zhuǎn)子磁場（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，也因此叫做同步電機。同步電機與異步電機相對應(yīng)。輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機。直流電機與交流電機相對應(yīng)。電機按運動和靜止分：變壓器和旋轉(zhuǎn)電機。旋轉(zhuǎn)電機可分為：1. 按能量傳遞方向分：發(fā)電機和電動機。2. 按交直流分：直流電機，交流電機。交流電機可