電機學(xué)-清華大學(xué)專業(yè)課課件

第七章直流電動機單相異步電動機第七章電動機§7.2直流電動機7.2.1概述7.2.2工作原理7.2.3電樞電動勢及電壓平衡關(guān)系7.2.4電磁轉(zhuǎn)矩7.2.5機械特性7.2.6直流電動機的調(diào)速7.2.7直流電動機的使用和額定值§7.3單相異步電動機§7.4步進電機7.2.1概述與異步電動機相比，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源。直流電機的優(yōu)點：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。應(yīng)用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片IIFFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。二、直流電機的構(gòu)成直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和機座等部分構(gòu)成。機座磁極勵磁繞組轉(zhuǎn)子勵磁式直流電動機結(jié)構(gòu)1.轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵磁式的直流電機又可細分為：他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復(fù)勵U根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動機轉(zhuǎn)速：磁通單位：（韋伯），n（轉(zhuǎn)/每分），E（伏）FFU+–NS電刷換向片IIEE二、電樞繞組中電壓的平衡關(guān)系因為E與通入的電流方向相反，所以叫反電勢。U：外加電壓Ra:繞組電阻MRaIaE+–+–U以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動勢的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當(dāng)外加電壓一定時，電機轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。7.2.4電磁轉(zhuǎn)矩KT：與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對數(shù)等有關(guān)）：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流一、電磁轉(zhuǎn)矩單位：

（韋伯），Ia（安培），T（牛頓米）由轉(zhuǎn)矩公式可知：(1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。(2)改變電機旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=TL+T0(平衡)，這時，若TL突然增加，則調(diào)整過程為：與原平衡點相比，新的平衡點：Ia

、P入TL

nEIaT

最后達到新的平衡點。機械特性指的是電機的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，下邊以他勵和串勵電機為例說明。他勵電動機和并勵電動機的特性一樣。7.2.5機械特性一、他勵電動機的機械特性即：其中，M他勵UfIfIaUn0：

理想空載轉(zhuǎn)速,即T=0時的轉(zhuǎn)速。（實際工作時,由于有空載損耗，電機的T不會為0。）當(dāng)T時n

，但由于他勵電動機的電樞電阻Ra很小，所以在負載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大，屬硬機械特性。根據(jù)n-T公式畫出特性曲線n0nNTNTnn其中，(1)T=0時，在理想情況下，n。但實際上負載轉(zhuǎn)矩不會為0，不會工作在T=0的狀態(tài)，但空載時T很小，n很高。串勵不允許空載運行，以防轉(zhuǎn)速過高。串勵特性：(2)隨轉(zhuǎn)矩的增大，n下降得很快，這種特性屬軟機械特性。nT(2)恒功率負載（P一定時，T和n成反比），要選軟特性電機拖動。如：電氣機車等。直流電動機特性類型的選擇:(1)恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械(TL一定，和轉(zhuǎn)速無關(guān)）要選硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。7.2.6直流電動機的調(diào)速與異步電動機相比，直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維護不方便，但它的最大優(yōu)點是調(diào)速性能好。下面以他勵電動機為例說明直流電動機的調(diào)速方法。（1）調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速。（2）調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達200（他勵式）以上（調(diào)速比等于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）。直流電動機調(diào)速的主要優(yōu)點是：

Rf

Ifn

，但在額定情況下，已接近飽和，If再加大，對影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。

Rf

Ifn，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。If的調(diào)節(jié)有兩種情況：概念：改變磁通調(diào)速的方法—減小磁通，n只能上調(diào)。其中，2.特性的變化所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。，因為：（

減?。㏕LRf增加Tn其中，調(diào)速過程:

U一定,則RfEIaTnIaE暫時T

>TL其中，最后達到新的平衡T

=TL二、改變電樞電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。1.特性曲線nn0"n0'n0電壓降低T其中，2.改變電樞電壓調(diào)速的特點（1）工作時電樞電壓一定，電壓調(diào)節(jié)時，不允許超過UN，，而nU，所以調(diào)速只能向下調(diào)。（2）可得到平滑、無級調(diào)速。（3）調(diào)速幅度較大。MUfIfIaU變壓整流220V~整流調(diào)壓220V~Uf=110V固定U=0~110V可調(diào)改變電樞電壓調(diào)速方案舉例：例：已知他勵電動機的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時,

n=?（2）=0.8

N時,

n=?解：（1）TL=0.5TN時（2）=0.8

N時這種調(diào)速方法耗能較大，只用于小型直流機。串勵電機也可用類似的方法調(diào)速。三、改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速在電樞中串入電阻，使n、

n0不變，即電機的特性曲線變陡（斜率變大），在相同力矩下，nnn0RaRa+

RT其中，7.2.7直流電動機的使用和額定值限制Iast的措施：（1）啟動時在電樞回路串電阻。（2）啟動時降低電樞電壓。一、使用1.啟動啟動時,n=0

Ea=0，若加入額定電壓，則Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN內(nèi)。(1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉(zhuǎn)矩T=KTIa，而0，電機將不能啟動，因此，反電動勢為零，電樞電流會很大，電樞繞組有被燒毀的危險。直流機在啟動和工作時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生以下事故：注意：（2）如果電動機在有載運行時磁路突然斷開，

則E，Ia，T和，可能不滿足TL的要求，電動機必將減速或停轉(zhuǎn)，使

Ia更大，也很危險。（3）如果電機空載運行，可能造成飛車。EIaT>>

T0

n飛車措施：他勵直流電動機一定要有失磁保護。一般在勵磁繞組加失壓繼電器或欠流繼電器。當(dāng)失壓或欠流時，自動切斷電樞電源U。M他勵UfIfIaU2.反轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)動方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵磁電流的方向。（2）或改變電樞電流的方向。改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法：（1）反接制動3.制動制動的所采用的方法：

反接制動、能耗制動、發(fā)電回饋制動MUUfIf+–R運行制動電阻R的作用是限制電源反接制動時電樞的電流過大。（2）能耗制動—電樞斷電后立即接入一個電阻。MUUfIf+–R運行制動K停車時，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時：由于慣性電樞仍保持原方向運動，感應(yīng)電動勢方向也不變，電動機變成發(fā)電機，電樞電流的方向與感應(yīng)電動勢相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動作用。特殊情況下，例如汽車下坡時、吊車重物下降時，在重力的作用下nn0（n0理想空載轉(zhuǎn)速），這時電動機變成發(fā)電機，電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩，從而限制電機轉(zhuǎn)速過分升高。(3)發(fā)電回饋制動直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組各兩個，可通過標(biāo)出的字符和繞組電阻的大小區(qū)別。4.連接（1）繞組的阻值范圍電樞繞組的阻值在零點幾歐姆到1~2歐姆。他勵/并勵電機的勵磁繞組的阻值有幾百歐姆。串勵電機的勵磁繞組的阻值與電樞繞組的相當(dāng)。自學(xué)（2）繞組的符號S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2電樞繞組他勵繞組并勵繞組串勵繞組換向極繞組補償繞組啟動繞組始端繞組名稱末端二、額定值1.額定功率PN:電機軸上輸出的機械功率。2.額定電壓UN：額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）3.額定電流IN：額定電壓下，軸上輸出額定功率時的電流（并勵應(yīng)包括勵磁電流和電樞電流）三者關(guān)系：PN=UNIN（：效率）注意：調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速不能超過1.2nN。4.額定轉(zhuǎn)速nN

：在PN，UN，IN時的轉(zhuǎn)速。直流電機的轉(zhuǎn)速等級一般在500r/min以上。特殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低（如：每分鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。7.3單相異步電動機一、單相異步電動機的工作原理結(jié)構(gòu)：定子放單相繞組（其中通220V單相交流電）轉(zhuǎn)子一般用鼠籠式。定子轉(zhuǎn)子定子繞組220V~NS當(dāng)定子繞組產(chǎn)生的合成磁場增加時，根據(jù)右手螺旋定則和左手定則，可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉(zhuǎn)矩。在電流正半周在電流負半周？轉(zhuǎn)子借助其它力量轉(zhuǎn)動后，外力去除后仍按原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。其原理分析如下：定子繞組產(chǎn)生的脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉(zhuǎn)磁場合成而等效。即：

+

-tm=

+

-=

m/2脈動磁場的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①

+

-

正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性合成轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩為零。（正向）（反向）正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反電容分相式起動二、單相異步電動機的起動~KDCWSTW:主繞組（工作繞組）ST：啟動繞組K：離心開關(guān)AXA'X'WSTAXA'X'~KDCWST接近90°電容分相式單相異步電動機起動原理~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0NSt=t0WSTAXA'X'NSWSTAXA'X'NSt=t1磁場逆時針方向旋轉(zhuǎn)t=t0t=t1啟動時開關(guān)K閉合，使兩繞組電流相位差約為90°，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機轉(zhuǎn)起來；轉(zhuǎn)動正常以后離心開關(guān)被甩開，啟動繞組被切斷，而電機仍按原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。工作原理~KDCWSTAXA'X'罩極式單相電機定子磁極轉(zhuǎn)子短路環(huán)定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來。圖中電機的轉(zhuǎn)動方向：順時針旋轉(zhuǎn)。因為沒有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先。單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應(yīng)用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風(fēng)扇）、電動工具（如手電鉆）、醫(yī)用器械、自動化儀表等。

三、單相電機的使用三相異步電動機的單相運行三相異步電動機在運行過程中，若其中一相和電源斷開，則變成單相運行。此時和單相電機一樣，電機仍會按原來方向運轉(zhuǎn)。但若負載不變，三相供電變?yōu)閱蜗喙╇?，電流將變大，?dǎo)致電機過熱。使用中要特別注意這種現(xiàn)象；三相異步電動機若在啟動前有一相斷電，和單相電機一樣將不能啟動。此時只能聽到嗡嗡聲，長時間啟動不了，也會過熱，必須趕快排除故障。第7章控制電機概述§7.4步進電動機

7.4.1結(jié)構(gòu)7.4.2工作方式7.4.3小步距角的步進電動機§7.5伺服電動機

7.5.1交流伺服電動機7.5.2直流伺服電動機前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，例如將電能轉(zhuǎn)換為機械能。本章介紹控制電機。概述如：伺服機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；步進機將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移?？刂齐姍C的主要功能是轉(zhuǎn)換和傳遞信號?？刂齐姍C的種類很多，本章主要介紹步進機、伺服機。對控制電機的主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等?！?.4步進電動機機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，改變方向。種類：有勵磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。應(yīng)用：

步進機的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機床、自動繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。7.4.1結(jié)構(gòu)步進機主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個、四個磁極。定子轉(zhuǎn)子定子繞組定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC7.4.2工作方式步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

（3）工作過程化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；C相通電再轉(zhuǎn)30。1C'342CA'BB'A這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電（2）AA'

磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A3412總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A34127.4.3小步距角的步進電動機實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是6個磁極，但每個磁極上也有五個齒。轉(zhuǎn)子的齒距等于360/40=9，齒寬、齒槽各4.5。為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。（1）A相通電時，定子A相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊。此時，B相和A相空間差120，含120/9=齒

A相和C相差240，含240/9=個齒。所以，A相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對齊時，B相、C相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、定子相差1/3個齒（3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個齒（6）。若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)1.5。異步機的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。同理，C相通電再轉(zhuǎn)3……（2）A相斷電、B相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個齒（3），使B相轉(zhuǎn)子、定子對齊。f：電脈沖的頻率

轉(zhuǎn)速步進機通過一個電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。m:一個周期的運行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Zr=40,m=3時步距角§7.5伺服電動機交流伺服電動機和直流伺服電動機。伺服電動機分類：伺服電動機的作用是驅(qū)動控制對象。被控對象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機的轉(zhuǎn)動速度和方向也跟著變化。伺服電動機的作用7.5.1交流伺服電動機

原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組—勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90?？刂评@組勵磁繞組轉(zhuǎn)子勵磁繞組中串聯(lián)電容C的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。接線：勵磁繞組的接線放大器控制繞組的接線檢測元件控制信號適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。1例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電流的相量關(guān)系如圖所示。勵磁繞組的接線放大器控制繞組的接線檢測元件控制信號工作時兩個繞組中產(chǎn)生的電流和的相位差近90°，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來?？刂齐妷?/p>