自動控制元件課件

第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器下一頁第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特征1.2電磁繼電器和接觸器1.3新型繼電器舉例上一頁

下一頁第一章電磁鐵和電磁繼電器

電磁鐵和電磁繼電器都是利用電磁力（或力矩)把電能（或電信號)轉(zhuǎn)換成機械能（或位移信號)的電磁元件。由工作原理可知，電磁鐵主要由勵磁線圈、靜止鐵心、銜鐵（動鐵心)和返回彈簧等組成。按照產(chǎn)生電磁吸力的原理，電磁鐵可分為三大類，如圖1.0.2所示，即拍合式、吸入式和旋轉(zhuǎn)式。電磁繼電器、接觸器的工作原理與電磁鐵相同，只是結構上增加了觸頭（或觸點)系統(tǒng)。按勵磁電流的不同，電磁鐵可分為直流和交流電磁鐵兩大類。

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返回圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋轉(zhuǎn)式1-動鐵心；2-線圈；3-靜鐵心；4-導磁外殼；5-旋轉(zhuǎn)銜鐵返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩)做功的。電磁鐵作為能量轉(zhuǎn)換裝置，通過磁場作媒介，把輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能。因此討論電磁鐵的吸力和吸力特性，先要分析電磁鐵中的能量關系。1.1.1電磁鐵中的能量轉(zhuǎn)換

圖1.1.1所示的直流拍合式電磁鐵中，假設電壓U、電流i、電勢e和磁通Φ為相關方向。銜鐵位移以靜鐵心端面為坐標原點，向上為正。為討論方便做如下假設：（1)認為鐵心不飽和（鐵心導磁系數(shù)μFe為常數(shù))；（2)忽略漏磁影響；（3)當工作氣隙δ1變化時，鐵心飽和程度不變；

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下一頁圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的氣隙為δ1，并保持δ1不變，即銜鐵不動。當開關K合上瞬間，由于線圈存在自感，電流不能馬上達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)電路的基爾霍夫第二定律，此時電路平衡方程式為

e=iR-UU=-e+iR=(1.1.1)式中，R——線圈回路總電阻；e——線圈的自感電勢；Ψ——線圈的磁鏈，Ψ=NΦ；N——線圈匝數(shù)。對直流電磁鐵，當電流達到穩(wěn)定后,

=0,自感電勢為零，I=上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以idt，并積分得

=+(1.1.2)式中，

——從0到t1時間內(nèi)電源提供的能量；

——從0到t1時間內(nèi)電阻消耗的能量；

——從0到t1時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為磁場的能量。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特

轉(zhuǎn)換為磁場的能量一部分儲存在鐵心內(nèi)，另一部分儲存在氣隙內(nèi)。這可用圖解法求出。如圖1.1.2所示的磁系統(tǒng)的總磁勢Fm=IN。當氣隙為δ1時，氣隙磁導線AB1的斜率tanα1=，它與該系統(tǒng)磁化曲線OB1的交點B1即為此時該磁系統(tǒng)的工作點。此時鐵心內(nèi)磁壓降如圖中OC1，氣隙內(nèi)磁壓降為C1A。Fm=IN=+。該磁系統(tǒng)由t=0到t1時刻，主磁通由0到Φδ1，轉(zhuǎn)換為磁場內(nèi)儲存的總磁能上一頁

下一頁圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性====上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.2電磁鐵的靜吸力特征電磁鐵的靜吸力特性是指銜鐵處在不同位置并且靜止時，保持線圈電流（磁勢)不變的情況下，作用在銜鐵上的電磁吸力Fd（或電磁力矩Md)和工作氣隙δ的關系，即Fd=f（δ)或Md=f（α)。

設時間從t1→t2時，銜鐵在電磁力作用下做機械運動，電磁力方向指向靜鐵心端面，那么氣隙δ1下降到δ2，此時氣隙磁阻為δ2/(μ0A)，A為氣隙截面積，相應氣隙磁導線斜率tanα2=μ0A/δ2，大于tanα1=μ0A/δ1，如圖1.1.3所示。前面已求出當氣隙為δ1時磁場儲存的能量

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下一頁圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

=

當氣隙為δ2時磁場儲存的能量為

=

電磁鐵線圈始終接在電源上，時間從t1→t2，δ1下降到δ2時，該磁系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，所增加的磁場能量由可求出，以Wm表示。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

Wm==

由能量守恒定律，磁系統(tǒng)原來儲存的能量，又從電源吸收的能量Wm和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲存的能量及電磁力作用下銜鐵從δ1移動到δ2所做的機械功ΔW平衡。機械功ΔW=Fdp(δ2－δ1)=－FdpΔδ。用式表達為ΔW=+Wm-=--=-上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性當Δδ很小時，很小，可以忽略，由此

-=-（1.1.3）式中，為氣隙磁導，=，負號表示電磁作用方向始終指向氣隙減小方向。對銜鐵作旋轉(zhuǎn)運動的電磁鐵，用完全相同的方法可推出作用在銜鐵上的電磁力矩為

=（1.1.5）上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

當磁通Φδ單位為Wb，磁壓降Uδ單位為A，氣隙磁阻Rδ單位為H-1，氣隙長度單位為m時，電磁力Fdp單位為N，電磁力矩Md單位為N·m。1.1.3圖同結構電磁鐵的靜吸力特征一、拍合式電磁鐵

它的結構特點是氣隙不大，氣隙內(nèi)磁場分布均勻，當鐵心不飽和時

，

=IN,則=二、吸入式電磁鐵上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

在吸入式電磁鐵中，除了工作氣隙中會產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵磁線圈與銜鐵側面氣隙中，由于銜鐵運動時漏磁通將發(fā)生變化，也會產(chǎn)生吸力，稱為螺管力，如圖1.1.5所示。當不考慮導磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時，吸入式電磁鐵銜鐵所受的電磁力為

=--（1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式電磁鐵中，作用在銜鐵上的電磁力是兩部分力的合成。

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下一頁圖1.1.5螺管力的產(chǎn)生返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性三、旋轉(zhuǎn)式電磁鐵

旋轉(zhuǎn)式電磁鐵轉(zhuǎn)動時，通常漏磁變化不大，因此可用式（1.1.5)來計算電磁力矩。與拍合式電磁鐵不同的是其銜鐵的運動方向垂直于磁力線方向。電磁力矩的方向總是力圖使銜鐵運動到整個磁路磁阻最小的位置，如圖1.0.2（c)所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵中，電磁力矩的方向為順時針方向。當銜鐵轉(zhuǎn)動時，氣隙δ的大小并不改變，但氣隙截面積Aδ隨轉(zhuǎn)角α而變化。如不考慮漏磁，則氣隙磁導可由下式計算

==上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

銜鐵旋轉(zhuǎn)時，左、右兩個氣隙的極面下磁導都發(fā)生變化，都有力矩產(chǎn)生，因此電磁轉(zhuǎn)矩為

=-（1.1.8）例1一個電磁鐵如圖1.1.8所示，銜鐵R和中心鐵柱的截面積都為A，氣隙長度為δ，勵磁線圈匝數(shù)為N。當接在直流電源上時，電流為I，假設鐵心磁導率μFe=∞，不計氣隙的邊緣效應和漏磁，忽略銜鐵與固定鐵心滑動面之間的氣隙，求作用在銜鐵上的電磁力Fdp。

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下一頁圖1.1.8例1題圖返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

由已知條件可知該磁路是線性的，鐵心磁壓降可忽略不計，則Uδ=IN。氣隙磁導為

=1.1.4交流嗲磁鐵的吸力電磁鐵的勵磁繞組由交流電源供電的，稱為交流電磁鐵。一般情況下，如果電源電壓是正弦的交流電壓，則磁通也是時間的正弦函數(shù)。任一瞬時的電磁吸力fd取決于該瞬時的磁通值，因此其電磁吸力也將是周期性地變化的。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁

下一頁設工作氣隙中的磁通為=

，為磁通的最大值。當電磁鐵磁路不飽和，并忽略漏磁影響時，對拍合式交流電磁鐵的電磁力可按下式計算=

將代入得

==-（1.1.9）式中，F(xiàn)dm——最大電磁吸力。電磁吸力fd(t)與時間關系如圖1.1.9所示。由式（1.1.9)可知，交流電磁吸力包括兩個分量，即

=

圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性例2圖1.1.8所示的電磁鐵，其他條件均不改變。當勵磁線圈接在交流電源上，感應電勢為e=Esinωt時，如忽略線圈電阻和漏磁通，求作用在銜鐵上的電磁力。解：由題意，此時氣隙磁通為

=-=

則電磁力為

=·平均電磁力為=這里上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.5電磁鐵的特性參數(shù)與應用一、電磁鐵的特性參數(shù)通常以下列特性參數(shù)來表示電磁鐵的工作性能：(1)吸力特性指電磁鐵在一定的勵磁磁勢下銜鐵的吸力（力矩)與銜鐵行程（轉(zhuǎn)角)間的關系。特別是銜鐵的行程和銜鐵在初始位置時的吸力值，是使用者在選用電磁鐵時要注意的兩個重要參數(shù)。(2)額定工作電壓指電磁鐵可靠工作時繞組線圈所加的電壓（V)。(3)電磁鐵的吸合電壓Uxh（或吸合電流Ixh)它是能使銜鐵從初始位置運動到完全吸合位置的線圈最小電壓（或電流)值。在此電壓（或電流)作用下，電磁鐵吸力特性處處都應大于（或等于)銜鐵對應位置的反作用力（或力矩)。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性(4)電磁鐵的釋放電壓Usf（或電流Isf)它是指能使銜鐵從吸合位置返回初始位置的線圈最大電壓（或電流)值。此時對應的電磁吸力（力矩)都應等于或小于作用在銜鐵上的反作用力（力矩)。(5)貯備系數(shù)Kcb=

(6)返回系數(shù)Kfh=(7)吸合時間txh

電磁鐵線圈接通額定電壓的瞬間到銜鐵運動到完全吸合所需要的時間。(8)釋放時間tsf

電磁鐵線圈斷開電源瞬間到銜鐵回復到初始位置所需要的時間。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性二、電磁鐵的應用電磁鐵結構簡單，動作速度快，維護方便，能產(chǎn)生較大的吸力，因而是自動控制中重要的電磁元件之一。它不僅可以作為獨立的元件直接應用，而且還是眾多電磁元件的主體部件之一，應用十分廣泛，下面僅舉幾個應用實例。1.電磁冷氣閥電磁冷氣閥在國防和民用工業(yè)中被廣泛應用。它的結構如圖1.1.11所示。2.雙繞組操縱電磁鐵這種電磁鐵實際上可看作是組合在一起的兩個電磁鐵，如圖1.1.12所上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性示。當線圈1、2均沒通電時，銜鐵處于中間位置（零位)。當線圈1通電時，銜鐵在電磁力作用下將向左移動。而當線圈1不通電，線圈2通電時，銜鐵又將向右移動，因此它是一種雙向運動的電磁鐵。3.電磁離合器電磁離合器的結構如圖1.1.13所示。圖中虛線表示由線圈電流產(chǎn)生的磁通。電磁鐵的銜鐵通過花鍵與從動軸聯(lián)結。4.微動同步力矩器

圖1.1.14所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵在航空陀螺儀表中又稱微動同步力矩器。圖中轉(zhuǎn)子軸為彈性扭力軸。

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返回圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；5—線圈；6—彈簧返回圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—臺座返回圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結構圖1—主動軸；2—從動軸；3—銜鐵；4—線圈；5—導磁體；6—安裝法蘭盤返回圖1.1.14微動同步力矩器返回1.2電磁繼電器和接觸器1.2.1結構和工作原理電磁繼電器是一種具有跳躍輸出特性的用于傳輸信號的電磁器件。它的基本組成是在電磁鐵基礎上加上觸點系統(tǒng)而構成。圖1.2.1是其原理結構圖和符號圖。1.2.2靜吸力特征和范例特征配合繼電器（或接觸器)能否可靠地工作，取決于靜吸力特性與反作用力特性恰當?shù)嘏浜希匆广曡F順利地動作，使常開觸點可靠地閉合（或常閉觸點打開)，也就必須使吸力特性在繼電器動作過程中，在任何氣隙位置上，吸力始終大于反作用力，用數(shù)學式表達為

FD>FF

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返回圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結構圖；（b）符號圖返回1.2電磁繼電器和接觸器

所謂反力特性是指銜鐵沿電磁力方向運動時所要克服的阻力Ff和工作氣隙的關系，即Ff=f(δ)。在圖1.2.7中同時畫出了該繼電器在不同線圈磁勢時的靜吸力特性Fd=f(δ)。圖中(IN)cd稱為觸動磁勢，對應的勵磁電壓、勵磁電流稱為觸動電壓Ucd和觸動電流Icd。為了保證繼電器可靠地工作，吸合時，電磁吸力必須始終大于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性上面；釋放時，電磁吸力必須始終小于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性下面。1.2.3繼電器的觸點與火化繼電器的觸點系統(tǒng)是由導電性好、耐腐蝕、耐磨擦的貴金屬如銀、鉑、金及其合金材料制成的觸點組成。

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下一頁圖1.2.7靜吸力特性及反作用力特性的配合返回1.2電磁繼電器和接觸器

為了消除觸點間的火花，往往可以采用一些滅火花電路。滅火花電路的基本原理是提供一個放電回路，將輸出回路中電感負載所儲存的能量以其他能量形式消耗掉。除了采用滅火花電路以外，在一些可靠性要求較高的場合，如航空航天、礦井等，還廣泛采用密封繼電器（或接觸器)。這時整個繼電器用金屬外罩完全密封起來，罩內(nèi)還可充以惰性氣體，這就保證了觸點有一個不受外界環(huán)境影響的、潔凈的工作條件，提高了可靠性。1.2.4繼電器的主要技術指標（1)靈敏度指繼電器在規(guī)定負載條件下的最小吸合功率，單位為W或

mW。上一頁

下一頁1.2電磁繼電器和接觸器(2)觸點負荷指繼電器觸點所承受的開路電壓和閉路電流值。(3)動作時間包含吸合時間txh和釋放時間tsf。吸合時間是指繼電器勵磁線圈加額定電壓后，從通電瞬間到常開（閉)觸點閉合（打開)所需的時間。釋放時間是指線圈從斷電瞬間到常開（閉)觸點斷開（閉合)所需的時間。單位為s或ms。(4)返回系數(shù)Kfh定義==為繼電器的返回系數(shù)，總是小于1。(5)儲備系數(shù)=。一般大于1.5。上一頁

返回1.3新型繼電器舉例一、舌簧繼電器舌簧繼電器的結構簡單，由線圈和舌簧管組成，如圖1.3.1所示。舌簧管是用燒結的方法將舌簧片封結在玻璃管內(nèi)而成。舌簧繼電器具有下列特點：（1)舌簧管結構簡單，體積小，質(zhì)量輕，容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，價格便宜；（2)觸點單獨密封在充有惰性氣體的玻璃管中，為觸點工作可靠性的提高創(chuàng)造了有利條件；（3)可動部分質(zhì)量小，且屬無鉸鏈聯(lián)結，所以動作快，一般吸合與釋放時間均在0.5～2ms以內(nèi)。下一頁

返回圖1.3.1具有一對觸點的舌簧繼電器（a）原理結構圖；（b）工作原理圖返回1.3新型繼電器舉例（4)吸合功率小，靈敏度高，多用半導體元件啟動。舌簧繼電器的主要缺點是觸點較容易出現(xiàn)冷焊（非通電熔化而造成的觸點間的黏結現(xiàn)象)；觸點斷開容量較低，過載能力較差；觸點距離近，耐壓較低；簧片斷開瞬間易出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象等。二、無觸點繼電器1.固態(tài)繼電器（SSR）及其應用固態(tài)繼電器是一種新型的無觸點繼電器，如圖1.3.3所示。這種器件為四端器件，1、2為輸入端，3、4為輸出端。輸入端與輸出端之間無公共連線，它們之間信號的耦合目前大量采用的是光電耦合器件。

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下一頁圖1.3.3固態(tài)繼電器（a）交流型；（b）直流型返回1.3新型繼電器舉例2.晶閘管無觸點開關圖1.3.6為用晶閘管組成的交流單相開關。它的通斷由晶閘管控制極是否加觸發(fā)電壓（控制電壓)決定。3.邏輯電路構成無觸點開關及其應用邏輯電路構成的無觸點開關包括兩類：一類是半導體邏輯門電路，如與門、非門、或門、與非門和或非門。它們是根據(jù)輸入電平的組合來得到輸出結果；另一類是各種觸發(fā)器，它們是一種具有記憶功能的器件。從上述實例中可看出，無觸點控制中無論是門電路還是觸發(fā)器，它們輸出電平很低，功率不大，均不足以直接去驅(qū)動控制對象，因此都必須在它們之間增加接口和放大電路。此外，無觸點開關一般可以有多個上一頁

下一頁1.3新型繼電器舉例輸入，但輸出只有一個，這在需要用一個輸入去控制多個輸出場合，會帶來使用上的不便。上一頁

返回第一篇執(zhí)行元件第二章變壓器第二章變壓器2.0概述2.1單相變壓器的空載運行2.2單相變壓器的負載運行2.3變壓器的額定值和性能指標2.4特殊變壓器2.5變壓器繞組極性的測定2.0概述

變壓器是一種傳遞電能的靜止電器，它能把某一電壓或電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一電壓或電流的交流電能。變壓器的基本工作特性是通過一個共同的磁路，把兩個或兩個以上的接到不同電路上的線圈組匝鏈在一起，通過電磁感應，在電路之間實現(xiàn)能量的傳遞。這共同的磁路部分稱為鐵心，被匝鏈的線圈稱為繞組。根據(jù)變壓器變換交流電的相數(shù)不同，繞組可以是單相的或三相的。但無論是單相還是三相變壓器，它們每相都有一個（或一組)一次繞組，一個（或一組)二次繞組，如圖2.0.2所示。一次繞組接電源，而二次繞組接負載。當變壓器的二次側電壓高于一次側電壓時，叫升壓變壓器，反之叫降壓變壓器。返回圖2.0.2變壓器電原理圖返回2.1單項變壓器的空載運行2.1.1空載運行時的電壓平衡方程式為了正確表示各物理量之間的關系，必須規(guī)定它們的參考正方向。首先規(guī)定磁通的參考正方向（可以任意規(guī)定)，用Φ表示。其他各物理量的參考正方向均是以Φ的參考正方向為準的關聯(lián)方向，可按右手螺旋法則決定。即一次電流與磁通正方向符合右手螺旋法則，感應電動勢和電流正方向一致，電壓降與電流正方向一致，如圖2.1.1所示。在上述規(guī)定的正方向下，感應電動勢的表達式為

=-，=-，=-下一頁

返回2.1單項變壓器的空載運行當各物理量均為正弦交流時，用向量表示的電壓平衡方程式為

=-=-（2.1.2）2.1.2感應電動勢和空載電流一、感應電動勢和變比設主磁通φ=φmcosωt,則由e=-N可得

=

=

（2.1.3）上一頁

下一頁2.1單項變壓器的空載運行式中，=——一次繞組感應電勢最大值；

=——二次繞組感應電勢最大值。感應電勢有效值分別為

====（2.1.4）如以主磁通作基準向量，則為

=上一頁

下一頁2.1單項變壓器的空載運行

感應電勢e1、e2相位相同，電勢的瞬時值之比等于它們有效值之比，該比值稱為變壓器的變比K。

K===(2.1.6)二、空載電流變壓器空載時主磁通Φ由一次繞組的空載電流I0產(chǎn)生，I0也稱為勵磁電流。主磁通經(jīng)過鐵心閉合，所以主磁通與勵磁電流之間的關系與鐵心材料的磁化曲線形狀相似。三、漏感電勢漏感電勢是由漏磁通產(chǎn)生的，由于漏磁通的路徑主要是空氣，它的磁阻是常數(shù)，因此漏感系數(shù)是與鐵心飽和程度無關的常數(shù)。假定空上一頁

下一頁2.1單項變壓器的空載運行載電流i0已經(jīng)是等值正弦波，則漏感電勢可寫成

=-=-2.1.3變壓器空載時的等效電路和向量圖變壓器空載運行時的等效電路，就是用一些基本的電路元件構成的電路，去代替實際的空載變壓器。

I0流過Xm時只消耗無功功率，而不消耗有功功率。事實上，由于鐵心交變磁化要產(chǎn)生鐵耗，這部分是有功功率損耗，要靠電源補充。為了考慮鐵耗存在，E1必須用I0在阻抗上的壓降來表示，即

=-=-（2.1.11）上一頁

下一頁2.1單項變壓器的空載運行式中，稱為勵磁阻抗，==，=（2.1.12）變壓器空載時的等效電路如圖2.1.3（a)所示。根據(jù)電路中阻抗變換，可以將rm、Xm串聯(lián)支路改換為并聯(lián)支路，如圖2.1.3（b)所示。其中bm稱為勵磁感納，gm稱為勵磁電導，Ym=（gm-jbm)稱為勵磁導納。它們與、、之間關系為

=，

==，=上一頁

返回圖2.1.3變壓器空載時的等效電路圖返回2.1單項變壓器的空載運行

變壓器的負載運行是指變壓器二次繞組接上負載，有電流輸出時的工作情況。負載運行時的原理線路如圖2.2.1所示。2.2.1負載運行時的電壓平衡方程式

=--+

=+-（2.2.1）2.2.2負載時變壓器的磁勢平衡方程式

=（2.2.4）2.2.3變壓器負載運行時的等效電路和向量圖一、變壓器負載運行時的等效電路

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返回圖2.2.1變壓器的負載運行返回2.1單項變壓器的空載運行電壓平衡方程式為

=-+=-（2.2.10）這里

==K（-）=二、變壓器負載時的向量圖

電感負載時，變壓器向量圖如圖2.2.5所示。上一頁

返回圖2.2.5感性負載時變壓器的向量圖返回2.3變壓器的額定值和性能指標2.3.1變壓器的額定值（1）型號（2）額定電壓（3）額定電流（4）額定容量（5）額定頻率2.3.2變壓器的特性一、變壓器的外特性=

變壓器的外特性是指當輸入額定電壓不變時，變壓器的輸出電壓隨二次側電流I2變化的關系。U2的大小不僅與電流I2的大小有關，而且還

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返回2.3變壓器的額定值和性能指標與負載邊的功率因數(shù)cosφ2有關。圖2.3.1為感性負載時變壓器的外特性。輸出電壓的大小用電壓調(diào)整率ΔU來表示，它等于變壓器從空載到額定負載時，二次側電壓變化的數(shù)值和二次側額定值之比。

ΔU=-*100%

（2.3.1）一般變壓器ΔU為2%～5%，變壓器越小，ΔU越大。二、變壓器的損耗和效率變壓器的有功功率傳遞可用它的能流圖來描述，如圖2.3.2所示。變壓器一次繞組從電源輸入的電功率為

=（2.3.2）

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圖2.3.1變壓器負載時的外特性返回2.3變壓器的額定值和性能指標式中，——一次繞組的功率因數(shù)；——一次側電壓和電流之間的相位差。在一次繞組上產(chǎn)生的銅耗為

=（2.3.3）變壓器的效率為η==-（2.3.9）變壓器因沒有旋轉(zhuǎn)部分的損耗，因此與電機相比，它的效率比較高，額定負載時一般都在90%以上，大型變壓器可達99%。上一頁

返回2.4特殊變壓器

常用的特殊變壓器有自耦變壓器、電壓互感器、電流互感器等。它們的基本工作原理與前面介紹的單相雙繞組變壓器一樣，但因為用途不同而有其特殊的結構和要求。這里主要介紹它們的工作原理和特點。2.4.1自耦變壓器自耦變壓器有單相和三相之分。圖2.4.1為單相自耦變壓器的原理圖。在該變壓器的鐵心上只繞一個繞組，一、二次側共用一部分繞組。由于自耦變壓器一、二次間不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，因此在使用過程中必須注意：一次側高電壓可直接傳入二次側，以至危及人身安全。2.4.2電壓互感器下一頁

返回圖2.4.1自耦變壓器的原理圖(a)結構圖；(b)電路圖返回2.4特殊變壓器

電壓互感器是一種降壓變壓器。其一次繞組與被測電路并聯(lián)，二次繞組與電壓表相接，如圖2.4.2所示。由于電壓表內(nèi)阻很大，二次繞組實際上可認為是開路，所以電壓互感器就相當于變壓器的空載運行。電壓互感器是用來測量高電壓的，因此它和一般的變壓器不同，要求有準確的變比值。為了滿足不同線路的要求，根據(jù)準確度的不同可分為0.2級、0.5級、1級和3級四種。使用電壓互感器時應注意一、二次繞組兩側都應接熔斷器，防止短路故障時電流過大的危險。二次繞組、鐵心和外殼都應接地，這樣在一次繞組的絕緣損壞時，二次繞組側對地的電壓就不至升高，以保證安全。上一頁

下一頁圖2.4.2電壓互感器線路圖返回2.4特殊變壓器2.4.3電流互感器電流互感器是一種將大電流變換為小電流的鐵心變壓器。其一次繞組串聯(lián)于被測電路中，通過的電流I1就是被測電流，見圖2.4.3。二次繞組與電流表相接。電流互感器也要求一定的準確度。目前生產(chǎn)的電流互感器也有0.2、0.5、1和3級四個等級。0.2級的電流互感器主要用于實驗室內(nèi)要求測量非常準確的場合，如校驗其他電流互感器，校驗電流表等；0.5級電流互感器用來測量電能；1級電流互感器用于測量功率、電流等要求較準確的地方；3級電流互感器一般用來測量準確度要求不高的線路上的電流。上一頁

返回圖2.4.3電流互感器線路圖返回2.5變壓器繞組極性的測定

在使用變壓器或其他有磁耦合的互感線圈時，均存在著線圈正確聯(lián)接問題。為了能正確聯(lián)接，在繞組上標以記號“*”。標有“*”號的兩端稱為同名端。對已制造好的變壓器或其他電磁元件，如從外觀上已無法辨認其同名端時，就要用實驗的方法來確定了。通常采用下面兩種實驗方法。一、交流法用交流法測定繞組極性的電路如圖2.5.2（a)所示。二、直流法用直流法測定繞組極性的電路如圖2.5.2（b)所示。返回圖2.5.2變壓器繞組極性的測定(a)交流法；(b)直流法返回第一篇執(zhí)行元件第三章直流電機第三章直流電機3.0

概述3.1直流電機的基本原理和結構3.2直流電機的電樞繞組和磁場3.3直流電機的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩3.4直流電機的換向與火花3.5直流發(fā)電機下一頁第三章直流電機3.6直流伺服電動機3.7特殊直流電動機上一頁3.0概述直流電機是人類最早發(fā)明和應用的一種電機，它包括直流發(fā)電機和直流電動機兩大類。直流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能；直流電動機則是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能去拖動生產(chǎn)機械。返回3.1直流電機的基本原理和結構3.1.1直流電機的基本原理電機是電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的裝置。電機的作用原理都是建立在電與磁的相互作用與相互轉(zhuǎn)化的基礎上的。圖3.1.1是直流電動機的工作原理圖。由此可見，在直流電動機中，為了產(chǎn)生方向始終如一的電磁轉(zhuǎn)矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機內(nèi)部的交變電流，這一過程稱為電流的換向，換向用的銅片，稱為換向片，互相絕緣的換向片組合的總體稱為換向器。直流電機既可作為電動機運行，把電能轉(zhuǎn)換成機械能，又可作發(fā)電機運行，把機械能轉(zhuǎn)換成電能，這一特性稱為電機的可逆性原理。具有這種特性的裝置稱為雙向機電能量轉(zhuǎn)換裝置。下一頁

返回圖3.1.1直流電動機的工作原理圖返回3.1直流電機的基本原理和結構3.1.2直流電機的基本結構從直流電機工作原理的分析可知，電機的磁極與電樞之間必須要有相對運動，這也是所有電機的一個重要特征。任何電機都有固定不動的和旋轉(zhuǎn)的兩部分。前者稱為定子，后者稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙叫空氣隙，如圖3.1.3所示。一、定子

直流電機的定子由機殼、主磁極、換向磁極、電刷架組件和電刷等組成，其主要作用是產(chǎn)生磁場并作電機的機械支撐。（1)機殼又稱磁軛，它是電機磁路的一部分，同時又是電機的機械支架，用來固定磁極和端蓋等。上一頁

下一頁圖3.1.3直流電機的結構圖返回3.1直流電機的基本原理和結構（2)主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組組成。用來產(chǎn)生電機的主磁場，如圖3.1.4所示。（3)電刷盒組件電刷盒固定在端蓋上，電刷放在電刷盒中，并用彈簧將它壓在換向器上，使它與換向器有良好的滑動接觸，如圖3.1.3所示。（4)端蓋和軸承端蓋用來安放軸承，以支撐轉(zhuǎn)子。電刷盒也固定在端蓋上。二、轉(zhuǎn)子直流電機轉(zhuǎn)子又稱電樞，其作用是安放電樞繞組，從而產(chǎn)生感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、上一頁

下一頁圖3.1.4主磁極返回3.1直流電機的基本原理和結構換向器和轉(zhuǎn)軸組成。（1)電樞鐵心電樞鐵心是主磁通磁路的一部分。（2)電樞繞組它由許多絕緣導線繞制成的線圈（稱為元件)組成，如圖3.1.8所示。（3)換向器換向器的作用是將電樞繞組內(nèi)的交流電通過電刷轉(zhuǎn)換為直流電。上一頁

返回圖3.1.8電樞繞組元件的安放返回3.2直流電機的電樞繞組和磁場3.2.1直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組在產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩、實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換方面起著重要作用，因此對其繞組組成原理及特點必須有基本的了解。為使討論的問題簡明易懂，先用簡單的兩極環(huán)形繞組直流電機模型來加以說明，圖3.2.1是該模型的示意圖。直流電機的繞組形式是多樣的，但任何繞組形式的直流電動機其工作原理是完全相同的。為了今后分析直流電機方便，習慣上常采用如圖3.2.4所示的直流電機示意圖。圖中省略了換向器。電刷位于幾何中心線上，它的含意是此時電刷通過換向片與幾何中心線上（感應電勢為零)的元件相接通，電刷間獲得最大的直流電勢。下一頁

返回圖3.2.1環(huán)形繞組直流電機原理圖返回圖3.2.4直流電機示意圖返回3.2直流電機的電樞繞組和磁場3.2.2直流電機的磁場直流電機的氣隙磁場是電機產(chǎn)生感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩所必不可少的。電機運行性能好壞在很大程度上也取決于電機磁場的情況。電機空載時，氣隙磁場僅取決于勵磁繞組所產(chǎn)生的勵磁磁勢，它稱為主磁場或空載（勵磁)磁場。當有負載時，電樞繞組里有電流流過，它所產(chǎn)生的電樞磁勢，在空氣隙中也將產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。此時電機氣隙磁場將是兩者的合成。對線性系統(tǒng)可用疊加原理求出它們的合成磁場。一、直流電機的空載磁路和磁場當勵磁繞組通以直流電時，勵磁磁勢便在電機內(nèi)建立起勵磁磁場，磁極上一頁

下一頁3.2直流電機的電樞繞組和磁場就會呈現(xiàn)出N、S極性。在多極直流電機中，N、S是交替排列的。磁通從N極出發(fā)，經(jīng)過氣隙及電樞再回到相鄰的兩個S極，構成一個閉合磁路，如圖3.2.5所示。

直流電機的主磁路包括磁極鐵心、空氣隙、電樞齒槽、電樞磁軛和定子磁軛5部分。二、直流電機的電樞反應電機空載時，氣隙中主要是勵磁繞組產(chǎn)生的空載磁場。在有負載后，電樞繞組有直流電通過，會產(chǎn)生電樞磁勢Fa，從而在氣隙中產(chǎn)生電樞磁場。圖3.2.7表示兩極直流電機主磁場分布情況。此時主磁場對主磁極軸線是對稱的，對幾何中心線也是對稱的。圖3.2.8表示當電刷位上一頁

下一頁圖3.2.5直流電機的磁路和磁通返回圖3.2.72p=2直流電空載時的主磁場返回圖3.2.8直流發(fā)電機負載時的電樞磁場返回3.2直流電機的電樞繞組和磁場于幾何中心線上時，直流電流通過電刷流入電樞繞組所產(chǎn)生的電樞磁場，電樞磁場的方向取決于電樞電流的方向。從圖3.2.9可以看出，在一對極的直流電機中，電樞反應磁場也是一個兩極磁場，磁場軸線與主磁場軸線相垂直。這樣在每一個主磁極下，電樞磁場在半個極下和主磁場同向，從而加強了主磁場；而在另外半個極下，則由于電樞磁場和主磁場反向，從而削弱了主磁場。從圖中可看出，電機負載時的合成磁場不再對稱于幾何中心線了，幾何中心線處的磁密不再為零。負載時電樞表面磁密為零的兩點連線稱為物理中心線，它與幾何中心線此時將不再重合。所以交軸電樞反應將使主磁場扭曲。在直流發(fā)電機中，交軸電樞反應將使主磁場的前極尖（即電樞進入上一頁

下一頁圖3.2.92p=2直流發(fā)電機負載時的合成磁場返回3.2直流電機的電樞繞組和磁場的磁極端)的磁場削弱，而后極尖（即電樞離開的磁極端)將增強，對電動機而言則相反。當電刷不處于幾何中心線時，如圖3.2.10所示，此時電樞磁勢Fa可分解為交軸磁勢分量Faq和直軸磁勢分量Fad，其中交軸磁勢分量的作用如上所述。而直軸磁勢分量對主磁場的作用隨電刷移動的方向和電機的運用方式不同而異。當電機作發(fā)電機運行時，電刷順電樞轉(zhuǎn)向移動α角，則Fad對主磁場起去磁作用；當電刷逆電樞轉(zhuǎn)向移動時，F(xiàn)ad起增磁作用。上述結論對直流電動機則相反。

上一頁

返回圖3.2.10電刷偏移后的電樞反應（發(fā)電機）返回3.3直流電機的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩3.2.1直流電機的電樞電勢直流電機電樞繞組感應電勢，簡稱電樞電勢。無論是直流電動機還是直流發(fā)電機，運行時都存在電樞電勢，不同的是前者為反電勢，后者為原電動勢。直流電機的電樞電勢是指直流電機正、負電刷之間的感應電動勢，它等于每一支路內(nèi)各串聯(lián)元件電勢之和。設每極磁通量為Φ，則=（3.3.1）電樞繞組感應電勢為=（3.3.4）

=是由電樞繞組結構參數(shù)決定的常數(shù)，稱為電勢常數(shù)。3.3.2直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩當通電的電樞繞組元件處于氣隙磁場中時，元件導體便受到電磁力矩的下一頁

返回3.3直流電機的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩作用，在直流電動機中它是原動轉(zhuǎn)矩，帶動軸上機械負載，輸出機械能；在直流發(fā)電機中則是阻轉(zhuǎn)矩。設每根導體所受的平均電磁力為fcp，則

==（3.3.5）對同一臺直流電機，常數(shù)Ce和Cm之間存在一定的關系，即

==（3.3.7）上一頁

返回3.4直流電機的換向與火花

電樞繞組元件的電流方向在某條支路時是一個方向，當進入另一條時將改變?yōu)榱硪粋€方向。當電樞繞組旋轉(zhuǎn)時，繞組的元件將依次從一條支路經(jīng)過電刷短路轉(zhuǎn)而進入另一條支路，如圖3.4.1所示的元件K，其中的電流將由換向前的反時針方向變成換向后的順時針方向。這個過程叫元件的換向過程。進行換向的元件稱為換向元件。換向元件從開始換向到換向完畢所需的時間稱為換向周期。返回圖3.4.1元件電流的換向(a)換向開始；(b)換向中；(c)換向完畢返回3.5直流發(fā)電機3.5.1直流發(fā)電機的形式直流發(fā)電機的性能與它的勵磁方式有密切關系，按照勵磁方式不同，直流發(fā)電機有永磁式和電磁式兩種。永磁式直流發(fā)電機其定子磁極由永久磁鋼組成，沒有勵磁繞組，通常以圖3.5.1所示的符號表示。勵磁繞組所消耗的功率是很小的，一般僅占電機額定容量的1%~3%，但它對電機性能影響卻很大。3.5.2直流發(fā)電機的基本電磁關系一、電勢和轉(zhuǎn)矩平衡方程式圖3.5.3為直流發(fā)電機示意圖。下面以他勵式直流發(fā)電機為例來進行分析。下一頁

返回圖3.5.1永磁式直流發(fā)電機返回圖3.5.3直流發(fā)電機示意圖返回3.5直流發(fā)電機當電樞由原動機拖動逆時針旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中產(chǎn)生感應電勢，其值為

=二、電磁功率和功率平衡方程式直流發(fā)電機的功率平衡關系為

===（3.5.7）式中，=——直流發(fā)電機總損耗。發(fā)電機的效率η為

η=×100%=×100%（3.5.8）直流發(fā)電機的功率分配如圖3.5.4所示。其中Pj為勵磁繞組的銅損耗。在他勵式直流發(fā)電機中Pj由另外電源供給。上一頁

下一頁圖3.5.4直流發(fā)電機的功率分配圖返回3.5直流發(fā)電機三、直流發(fā)電機的外特性直流發(fā)電機的外特性是指當電機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nN，他勵式直流發(fā)電機的勵磁電流達到額定值IjN時，發(fā)電機負載兩端電壓Ua與負載電流Ia之間的關系Ua=f（Ia)。圖3.5.5所示的他勵式直流發(fā)電機，當Ij=IjN，n=nN并保持不變時，感應電勢Ea也一定。因此隨負載電流的增加，電樞回路電阻壓降增加，發(fā)電機的輸出端電壓Ua將是下降的，如圖3.5.5（b)所示。上一頁

返回圖3.5.5他勵式直流發(fā)電機的外特性(a)測試線路圖；(b)外特性返回3.6直流伺服電動機

直流伺服電動機是自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件用的直流電動機，其基本結構及內(nèi)部電磁關系均和一般工業(yè)驅(qū)動用的直流電動機相同。直流電動機的功能是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能。因此，它只是直流電機的電動機運行狀態(tài)，所以前面所討論的直流電機的感應電勢、電磁轉(zhuǎn)矩等對它也完全適用。直流電動機按勵磁方式也可分為永磁式和電磁式兩類。電磁式中又有自勵式和他勵式。自勵式根據(jù)電樞繞組與勵磁繞組連接的方式不同又有并勵、串勵和復勵式三種。3.6.1直流電動機的基本方程式及功率平衡方程式一、直流電動機的基本方程

下一頁

返回3.6直流伺服電動機

直流電動機運行時，加在電樞兩端的電壓為Ua，在此電壓作用下產(chǎn)生電樞電流Ia。此時，電樞在電磁力矩作用下以n速度勻速旋轉(zhuǎn)。電樞繞組內(nèi)感應電勢Ea=CenΦ。由于Ea與電流Ia的方向相反，稱為反電勢。圖3.6.1為直流電動機運行原理圖。當電動機以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速n，帶動軸上機械負載旋轉(zhuǎn)時，直流電動機穩(wěn)態(tài)時的電樞回路電壓平衡方程式為

=（3.6.1）當電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量將產(chǎn)生慣性阻轉(zhuǎn)矩，它與電動機轉(zhuǎn)動部分的角加速度成正比。此時的轉(zhuǎn)矩平衡方程式稱為瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式，為

=（3.6.4）

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下一頁3.6直流伺服電動機二、直流電動機的功率平衡方程式

=(3.6.7)3.6.2直流電動機的使用一、直流電動機的啟動電動機從靜止狀態(tài)過渡到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程稱為直流電動機的啟動過程。對于電動機的啟動性能一般有以下要求：(1)啟動轉(zhuǎn)矩大，足以克服啟動時的阻轉(zhuǎn)矩；(2)啟動時電樞電流不能太大；(3)啟動時間要短。上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機

電動機在啟動瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，反電勢Ea=0，故電動機的端電壓Ua全部降落在電樞電阻Ra上，此時電動機的電樞電流稱為啟動電流（或堵轉(zhuǎn)電流)，其值為=(3.6.9)對應的啟動轉(zhuǎn)矩（或稱堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)MQ為

=(3.6.10)二、直流電動機的正反轉(zhuǎn)他勵式直流電動機電樞的轉(zhuǎn)動方向取決于通電的電樞繞組在磁場中受力的方向。由左手定則可知，電磁力方向由磁場方向和導線內(nèi)電流方向所決定。上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機三、直流電動機的調(diào)速由直流電動機驅(qū)動的某些機械如電車、機床等，在運行時往往要求電動機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可以方便地調(diào)節(jié)。其調(diào)速范圍則根據(jù)負載要求來決定。由直流電動機的轉(zhuǎn)速公式

n=-(3.6.11)

可知，對一臺已制造好的直流電動機，可以有三種調(diào)速方法：1．改變電樞端電壓Ua調(diào)速實質(zhì)是，當負載轉(zhuǎn)矩恒定時，通過增加或減少輸入功率來調(diào)速。2．改變電樞回路的調(diào)節(jié)電阻Rtj調(diào)速上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機

當Ua、Φ不變，負載轉(zhuǎn)矩也不變，則電樞電流Ia也不變。加入調(diào)節(jié)電阻Rtj后轉(zhuǎn)速n將下降。3改變勵磁電流Ij

即改變勵磁磁通Φ調(diào)速。實質(zhì)是轉(zhuǎn)換為機械功率的電磁功率維持不變。四、直流伺服電動機的控制方法電樞控制方法被廣泛采用，刺激控制很少采用。3.6.3直流伺服電動機的運行特性一、直流伺服電動機的機械特性上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機電樞回路的電壓平衡方程式為

E==(3.6.15)上式表明，放大器的內(nèi)阻Ri所起的作用與電動機電樞電阻Ra相同?？紤]了Ri之后機械特性斜率為

K=(3.6.16)顯然此時K將增大，機械特性變軟，如圖3.6.11所示。因此，一般希望放大器有較小的內(nèi)阻，以改善電動機的性能。二、直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的斜率K=1/（CeΦ)，它與負載轉(zhuǎn)矩大小無關，僅由電機本身的參數(shù)所決定。因此對同一臺電機，在負載轉(zhuǎn)矩不同時，它的調(diào)節(jié)上一頁

下一頁圖3.6.11放大器內(nèi)阻對機械特性的影響返回3.6直流伺服電動機特性是一組斜率不變，但不同的平行線，如圖3.6.13所示。3.6.4直流伺服電動機的制動工作狀態(tài)直流電動機的電磁制動方法有三種：能耗制動、反接制動和反饋制動。一、能耗制動以n轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行的電動機，為使其迅速停轉(zhuǎn)，在保持勵磁不變的情況下，將電樞繞組電源迅速切斷，并將電樞兩端自行短接，如圖3.6.14所示。由于電動機與它所拖動的負載具有慣性，轉(zhuǎn)速在一瞬間不變，仍為n1，轉(zhuǎn)向也不變，所以電勢Ea也不變。它的電壓平衡方程式及電流為=0二、反接制動上一頁

下一頁圖3.6.13直流伺服電動機在不同負載時的調(diào)節(jié)特性返回圖3.6.14能耗制動返回3.6直流伺服電動機

如圖3.6.15所示，當電動機以n轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)運行時，為達到迅速制動目的，將電樞電壓極性迅速反接，此時由于系統(tǒng)的慣性，電機仍以n轉(zhuǎn)速朝原來轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，所以Ea大小不變，極性不變。但此時電樞電壓由于反接，已與Ea方向相同，此時電壓平衡方程式和電樞電流為

-Ua=三、反饋制動3.6.5直流伺服電動機的過渡過程一、直流伺服電動機過渡過程分析研究電動機的過渡過程的基本方法是用微分方程將電機在過渡過程中的上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機物理規(guī)律表達出來，再根據(jù)初始條件求解方程，找出各物理量與時間的函數(shù)關系。下面就以直流伺服電動機電樞繞組加上階躍電壓啟動為例，來分析其過渡過程。電動機在動態(tài)時的電磁轉(zhuǎn)矩和感應電勢的關系式為

==（3.6.19）

==（3.6.20）機電時間常數(shù)τj被定義為：電機在空載情況下，勵磁電壓為額定值時，加上階躍的額定控制電壓，電機轉(zhuǎn)速從零上升到理想空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間。稱為過渡過程時間。二、機電時間常數(shù)和電機參數(shù)的關系機電時間常數(shù)的表達式為=（3.6.28）上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機可見，機電時間常數(shù)與電機的轉(zhuǎn)動慣量J、電樞回路電阻Ra成正比。

K=n0/Md——機械特性斜率。三、直流伺服電動機的傳遞函數(shù)W(s)為他勵式直流伺服電動機的傳遞函數(shù)。

==他勵式電流伺服電動機電樞控制時的傳遞函數(shù)為

W(s)=

3.6.6直流伺服電動機的額定值幾個主要的額定值上一頁

下一頁3.6直流伺服電動機（1）額定功率（2）額定電壓（3）額定電流（4）額定轉(zhuǎn)速（5）定額（6）額定轉(zhuǎn)矩上一頁

返回3.7特殊直流電動機一、直流力矩電動機1.結構及其特點直流力矩電動機是從一般的直流電動機發(fā)展而來的一種特殊電機，它的工作原理和基本結構仍和普通的永磁式直流電動機一樣，只是為了能在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩和低的轉(zhuǎn)速，一般做成扁圓形。2.永磁直流力矩電動機的特殊問題（1）高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速或連續(xù)堵轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)在一般直流電動機中將會使電樞電流很大，繞組溫升很高，因此不允許在這樣狀態(tài)下長期工作。（2）波紋轉(zhuǎn)矩。下一頁

返回3.7特殊直流電動機（3）機械特性。（4）控制特性。3.直流力矩電動機的性能指標（1）峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(N·m)（2）連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(N·m)（3）峰值堵轉(zhuǎn)電壓（V）（4）峰值堵轉(zhuǎn)控制功率（W）（5）轉(zhuǎn)矩靈敏度(N·m/A)（6）波紋轉(zhuǎn)矩的脈動量（%）（7）最大空載轉(zhuǎn)速（r/min）上一頁

下一頁3.7特殊直流電動機（8）電動機的摩擦力矩(N·m)（9）電氣時間常數(shù)（s）（10）機械時間常數(shù)（s）（11）黏性阻尼系數(shù)(N·m·s/rad)二、直流直線式伺服電動機與旋轉(zhuǎn)式直流伺服電動機工作原理不同的是，直流直線式伺服電動機運動部分稱為動子，它在電磁力作用下將做直線運動，當改變控制信號時，就可以改變動子的直線位移量、位移方向和速度。圖3.7.2是它簡單的工作原理圖。三、無刷直流電動機上一頁

下一頁圖3.7.2直流永磁直線伺服電動機工作原理圖1—移動線圈；2—軟鐵棍；3—斜鐵塊；4—線圈電流；5—軟鐵軛返回3.7特殊直流電動機1.結構與工作原理無刷直流電動機取消了傳統(tǒng)的電刷和換向器，因此在結構上與傳統(tǒng)直流電動機也不同。它的電樞繞組放置在定子上，而轉(zhuǎn)子由徑向磁化的永久磁鐵做成，特別是采用高磁能積的稀土合金材料。其結構示意圖如圖3.7.4所示。2.無刷直流電動機的幾個問題（1）轉(zhuǎn)子位置的測定。轉(zhuǎn)子位置的測定在大多數(shù)無刷直流電動機中均采用轉(zhuǎn)子位置傳感器。根據(jù)工作原理不同轉(zhuǎn)子位置傳感器有電磁的、光電的、霍爾效應的等。而其中又以光電和霍爾元件位置傳感器應用最廣泛。圖3.7.6為霍爾元件傳感器用于無刷直流電動機的原理圖。

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下一頁圖3.7.4無刷直流電動機結構示意圖返回圖3.7.6霍爾元件位置傳感器無刷直流電動機工作原理圖返回3.7特殊直流電動機（2）相繞組的聯(lián)結。（3）轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的直流電動機一樣，無刷直流電動機也以電壓作為轉(zhuǎn)速控制的手段。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法是用一個測速傳感器來測定實際轉(zhuǎn)速值，將與轉(zhuǎn)速成正比的輸出電壓作為控制信息，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)。同其他直流電動機一樣，無刷直流電動機也可采用其他的控制方式如脈寬調(diào)制控制等。鎖相技術的應用使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制精度大大提高。隨著計算機技術的發(fā)展，用單片機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式調(diào)節(jié)和控制，不僅已得到廣泛應用，而且性能價格比越來越高。上一頁

返回第一篇執(zhí)行元件第四章交流異步電動機第四章交流異步電動機4.0概述4.1交流異步電動機的結構和磁場

4.2三相交流異步電動機的運行分析

4.3三相交流異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩

4.4三相交流異步電動機的使用4.5交流伺服電動機

4.6直線異步電動機

4.0概述

采用交流電勵磁的電機統(tǒng)稱為交流電機。按其工作原理的不同，主要可分為同步電機和異步電機亦稱感應電機兩大類。在固定的電網(wǎng)頻率下，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨負載大小而改變的電動機稱為異步電動機。異步電機通常作為電動機使用，但也可作為發(fā)電機使用于控制系統(tǒng)中，如異步測速發(fā)電機，它在伺服控制系統(tǒng)中作為測速傳感器使用。交流異步電機與其他類型的電機相比較，具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、維修方便等優(yōu)點，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、國防和日常生活中應用十分廣泛。根據(jù)定子所加交流電相數(shù)的不同，它可分為三相、單相和兩相異步電動機。兩相異步電動機主要用于交流伺服系統(tǒng)中。而三相異步電動機功率一般都比較大，常用于軋鋼設備，金屬切削機床，起重運輸機械，中、小型鼓風機，水泵等生產(chǎn)設備中。單相異步電動機容量較小，性能較差，常用于家用電扇、電冰箱、洗衣機、空調(diào)機等家用電器和實驗室裝置中。返回4.1交流異步電動機的結構和磁場4.1.1交流異步電動機的結構常用的交流異步電動機的結構如圖4.1.1所示。它主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。一、定子定子主要用來產(chǎn)生磁場和起機械支撐作用。它的最外面是鑄鐵制成的機座，機座內(nèi)裝有由互相絕緣的由電工鋼片疊成的定子鐵心，如圖4.1.2所示。定子鐵心內(nèi)壁有齒和槽，槽內(nèi)放有三個彼此獨立的三相繞組。兩相或單相電機則放置兩個彼此獨立的兩相繞組。三相繞組的六個首末端A—X，B—Y，C—Z分別引到機座上的接線盒內(nèi)的接線柱U1-U2、V1-V2、W1-W2上。接線柱的布置如圖4.1.3所示。其中圖（a）把三相繞組接成星形（），圖（b）是三角形聯(lián)結（△）。下一頁返回圖4.1.1交流異步電動機結構圖返回1-軸；2-彈簧片；3-軸承；4-端蓋；5-定子繞組；6-基座；7-定子鐵心；8-轉(zhuǎn)子貼心；9-吊環(huán)；10-出線盒；11-風罩；12-軸承內(nèi)蓋圖4.1.2定子鐵心和鐵心沖片返回（a）定子鐵心；（b）定子鐵心沖片

圖4.1.3三相異步電動機的接線柱和聯(lián)結

（a）形聯(lián)結；（b）△形聯(lián)結

返回4.1交流異步電動機的結構和磁場

三相異步電動機定子繞組接成星形還是三角形，應根據(jù)電動機的額定電壓和電源電壓來確定。例如電機銘牌上標有額定電壓380V/220V，/△接法，它表示每相繞組的額定電壓是220V。如果電源線電壓是220V，定子繞組應接成△形，如果電源線電壓是380V，則應接成型。兩相（包括單相）繞組的四個接線端也引到接線柱上，兩個尾端彼此相連，首端引出接電源。定子部分還包括機座兩端的端蓋。端蓋上的軸承室里安放軸承，軸承用來支撐轉(zhuǎn)子，并使轉(zhuǎn)子能夠靈活地轉(zhuǎn)動。上一頁

下一頁返回4.1交流異步電動機的結構和磁場二、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子的基本組成部分是轉(zhuǎn)軸、壓在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子鐵心和放在鐵心槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心也是由電工鋼片疊壓而成，圓柱形轉(zhuǎn)子鐵心外表面有齒、槽，槽內(nèi)安放轉(zhuǎn)子繞組。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的構造不同，異步電動機分為籠型和繞線型轉(zhuǎn)子兩類?；\型轉(zhuǎn)子繞組像一個圓柱形的籠子，如圖4.1.4（a）所示。它由安放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的銅條組成，銅條的兩端各用一個短路銅環(huán)焊接起來，形似一個籠子。額定功率在100kW以下的籠型轉(zhuǎn)子繞組以及供冷卻用的風扇常用鋁鑄成一體，其外形如圖4.1.4（b）所示。由于籠型轉(zhuǎn)子構造簡單、堅固，加工、維修方便，成本便宜，因此籠型異步電動機應用也最廣泛。上一頁

下一頁返回圖4.1.4籠型轉(zhuǎn)子（a）銅條籠型轉(zhuǎn)子；（b）鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子返回4.1交流異步電動機的結構和磁場

繞線式轉(zhuǎn)子繞組構成同定子三相繞組一樣，且通常接成星形。繞組的三個首端分別接到三個彼此絕緣的滑環(huán)上，銅制的滑環(huán)壓在轉(zhuǎn)子軸上，滑環(huán)與轉(zhuǎn)軸絕緣，但隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。通過與滑環(huán)滑動接觸的三個電刷，將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機座上的接線盒中，以便轉(zhuǎn)子繞組能與外電路連接。如在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電阻，可改善電動機的啟動和調(diào)速性能。繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機結構復雜，制造成本高，需要經(jīng)常維護，因此它大多用在有特殊要求的場合，如大型立式車床、起重運輸設備等。上一頁

下一頁返回4.1交流異步電動機的結構和磁場4.1.2交流異步電動機的磁場

交流電機，無論是同步電機、異步電機還是自整角機等，在磁場的形成、特性和分析方法方面具有共同的特點，因此這節(jié)將由淺入深地做統(tǒng)一的闡述。為了便于分析交流磁場，首先介紹一些有關繞組的基本概念。一、交流繞組的基本知識

（1）極對數(shù)p磁場總是成對出現(xiàn)的，可用極對數(shù)p來描述。對一對極，即p=1，包括一個N極和一個S極。相鄰兩極之間沿定子內(nèi)表面之間的距離稱為極距，用τ表示。式中，D——定子內(nèi)徑。τ=πD——2p（4.1.1）上一頁

下一頁返回4.1交流異步電動機的結構和磁場（2）電角度與機械角度電機的圓周分為360°空間角，稱為機械角。而將定子磁場一對極所占的空間定義為360°電角度。如圖4.1.5（a）所示，轉(zhuǎn)子導體A從N1極下轉(zhuǎn)到N2極下，其中感應電勢eA變化一個周期，即2π電弧度（或360°電角度），如圖4.1.5（b）所示。此時導體A在空間只轉(zhuǎn)過180°機械角?？梢娨粋€圓周的電角度與機械角之間的關系為，電角度=p×機械角。根據(jù)極距定義可知用電角度表示的極距

τ=π（或180°電角度）（4.1.2）用空間機械角度表示的極距τ=360°——2p（4.1.3）上一頁

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（a）原理圖；（b）波形圖

返回4.1交流異步電動機的結構和磁場（3）相繞組m相交流電機有m相繞組，每相繞組又由多個線圈按一定規(guī)律均勻分布在定子（或轉(zhuǎn)子）鐵心槽內(nèi)，然后按要求互相串、并聯(lián)組成。每相繞組最后有兩個引出端，如三相繞組分別為A—X，B—Y，C—Z。每個線圈有兩條有效邊，每條有效邊又有Ny匝，它們分別放在相鄰的不同極性的極下對應位置，這樣得到的感應電勢大小相等，相位差180°電角度，而每個線圈電勢是兩條有效邊的感應電勢之和。上一頁

下一頁返回4.1交流異步電動機的結構和磁場（4）繞組的安置定子三相繞組（包括繞線式轉(zhuǎn)子繞組）在鐵心上是按一定規(guī)律放置的。如三相交流電機定子（或轉(zhuǎn)子）三相繞組之間在空間互差120°電角度。因為機械角與電角度之間關系與極對數(shù)有關，因此對不同極對數(shù)的電機，當三相繞組之間互差120°電角度時，它們之間在空間的機械角都不同，如圖4.1.6所示。兩相電機相繞組之間在空間互差90°電角度，當p=1時，機械角與電角度相吻合，如圖4.1.7所示。上一頁

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（a）2p=2；（b）2p=4

返回圖4.1.7兩相繞組在空間的安置

（a）2p=2；（b）2p=4

返回4.1交流異步電動機的結構和磁場二、交流電機的磁場

交流電機的磁場是由交流電流流過放在電機定（轉(zhuǎn)）子鐵心上的繞組線圈，在電機定、轉(zhuǎn)子之間磁路內(nèi)產(chǎn)生的。因此交流電機的磁場不僅是時間的函數(shù)，而且是沿氣隙空間分布的，又是空間函數(shù)。交流磁場的描述方法有解析法、波形法和空間矢量法。大多數(shù)教材中介紹的是空間矢量法，它比較直觀，可起到急功近利的效果，但將空間分布的磁場方波(確切地講是梯形波)用空間矢量表示，卻給出了一個嚴重的錯