電機及拖動系統(tǒng) 課件 第6章 控制電機

6.1單相異步電動機

6.2伺服電動機

6.3同步電動機

6.4測速發(fā)電機

6.5步進電動機

6.6直線電動機

6.7無刷直流電動機

6.8開關磁阻電機

6.9超聲波電動機第六章

控制電機6.1單相異步電動機

單相異步電動機是用單相交流電源供電的異步電動機，具有結構簡單，成本低廉、噪聲小等優(yōu)點，常用在功率不大的家用電器（如電風扇、洗衣機、電冰箱等）和小型動力機械（如手電鉆、醫(yī)療器械、小型風機等）中。單相電容起動異步電動機單相電阻起動異步電動機6.1單相異步電動機6.1.1基本結構6.1單相異步電動機6.1.1基本結構轉子：均采用普通鼠籠型結構；定子繞組：一個工作繞組（也稱主繞組），用來產生主磁場并從電源輸入電功率；一個起動繞組（也稱副繞組）；二者在空間相差90o電角度。兩種工作方式：起動繞組只在起動時接入電源，起動結束后就斷開電源；

兩個繞組在起動、運行中都接入電源，兩個繞組都是工作繞組。6.1單相異步電動機6.1.2工作原理

6.1單相異步電動機6.1.2工作原理

圖6-1單相異步電動機一相通電時的T-S曲線6.1單相異步電動機6.1.2工作原理

6.1單相異步電動機6.1.3單相異步電動機的起動單相繞組產生的是脈振磁場，導致單相異步電動機不能產生起動轉矩；需要再氣隙中產生旋轉磁場，也即需要在定子兩相繞組中通入不同相位的電流；將定子繞組中的電流相位分開即“分相”；6.1單相異步電動機6.1.3單相異步電動機的起動1.分相式起動電容分相式起動是在起動繞組中串入一適當容量的電容，通過離心式開關與工作繞組并聯(lián)；起動繞組中的電流在時間相位上近似超前于工作繞組中的電流90度；空間相位上相差90度的兩個繞組分別流過在時間相位上相差90度的電流，在氣隙中建立圓形的旋轉磁場；圖6-2電容分相式單相異步電動機6.1單相異步電動機6.1.3單相異步電動機的起動2.罩極式起動罩極式單相異步電動機的定子鐵心多制成凸極式，每極上裝有工作繞組；極靴表面處開凹槽，把凸極分為兩部分，較窄的部分（稱為罩極）套一個很粗的短路銅環(huán)，該銅環(huán)稱為罩極繞組；脈振磁通的大部分不穿過銅環(huán)，小部分則穿過銅環(huán)。二者在空間和時間上都存在著相位差，產生橢圓形旋轉磁場圖6-3罩極式單相異步電動機6.2

伺服電動機伺服電動機是把輸入的電壓控制信號轉換為伺服電動機軸的角位移或角速度輸出，是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構，也稱為執(zhí)行電動機。按使用電源的性質不同，伺服電動機可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機1.杯形電樞內、外兩個定子，外定子通常由永久磁鐵組成，內定子由軟磁材料做成，僅起磁軛作用；空心杯電樞直接安裝在電機軸上，在內、外定子之間的氣隙中旋轉；轉子內、外側都需要有足夠的氣隙，所以磁阻大，磁動勢利用率低。通常采用高磁能積永磁材料作磁極；多用于高精度的自動控制系統(tǒng)及測量裝置等設備中，如電視攝像機，錄音機，機床控制系統(tǒng)等方面。圖6-4杯形電樞直流伺服電動機6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機2.盤形電樞盤形電樞通常無鐵心，僅由導體制成圓盤型；繞組的有效導體在空間沿徑向呈輻射狀分布，電樞直徑遠大于其長度；定轉子間的氣隙為軸向平面氣隙，主磁通沿軸向通過氣隙；繞組中電流沿徑向流過圓盤表面，與主磁通相互作用產生電磁轉矩；適用于低速和起動、反轉頻繁，要求薄型安裝尺寸的系統(tǒng)，功率較大的電機主要用于數控機床、工業(yè)機器人、雷達天線驅動等伺服系統(tǒng)6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機圖6-5印制式繞組盤形伺服電動機結構6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機圖6-6繞線式繞組盤形伺服電動機結構6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機3.無槽電樞電樞鐵心是光滑無槽的圓柱體，電樞繞組直接排列在轉子鐵心表面上；氣隙比普通直流電動機大十倍以上；不存在齒部磁通密度飽和的問題，氣隙磁通密度高；主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)，例如數控機床和雷達天線驅動等方面；圖6-7無槽電樞直流伺服電動機結構6.2

伺服電動機6.2.1直流伺服電動機3.無槽電樞電樞鐵心是光滑無槽的圓柱體，電樞繞組直接排列在轉子鐵心表面上；氣隙比普通直流電動機大十倍以上；不存在齒部磁通密度飽和的問題，氣隙磁通密度高；主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)，例如數控機床和雷達天線驅動等方面；圖6-7無槽電樞直流伺服電動機結構6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機1.基本結構定子繞組：定子上嵌有勵磁繞組和控制繞組，兩者在空間上互差900電角度;轉子：高電阻率導條的籠型轉子非磁性空心杯轉子鐵磁性空心轉子6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機（1）高電阻率導條的籠型轉子與普通鼠籠式異步電動機的轉子類似，但為了減少轉子的轉動慣量，消除自轉現(xiàn)象，做得細而長。圖6-8籠形轉子異步伺服電動機6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機（2）非磁性空心杯形轉子外定子鐵心槽中放置空間相差90o電角度的兩相分布繞組，內定子不放繞組;空心杯形轉子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內、外定子鐵心之間;一般用在要求運轉非常平穩(wěn)的特殊場合（如積分電路等）;圖6-9非磁性杯形轉子異步伺服電動機6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機（3）鐵磁性空心轉子轉子采用鐵磁材料制成,不需要內定子鐵心;轉子本身既是主磁通的磁路，又作為轉子繞組;轉動慣量較非磁性空心杯轉子要大得多，快速響應性能也較差;圖6-10鐵磁性空心轉子6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機2.工作原理（1）圓形旋轉磁場的產生兩相對稱繞組中通入兩相對稱電流，用數學公式表示為下式：圖6-11兩相對稱電流6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機圖6-12兩相繞組產生的圓形旋轉磁場6.2

伺服電動機6.2.2交流伺服電動機

6.2

伺服電動機6.2.3應用舉例1.在輪式機器人驅動系統(tǒng)中的應用圖6-13輪式機器人驅動系統(tǒng)的原理圖

6.2

伺服電動機6.2.3應用舉例

圖6-14簡單的位置控制系統(tǒng)6.2

伺服電動機6.2.3應用舉例

圖6-15鋼板厚度測量裝置示意圖6.3

同步電動機

6.3

同步電動機6.3.1磁阻式同步電動機1.基本結構定子：定子和普通的同步電動機或異步電動機相同，在定子槽中嵌有三相或兩相繞組，或是罩極式的單相繞組；轉子：形式多種多樣，但轉子直軸和交軸方向的磁阻必須不同；圖6-16磁阻同步電動機的轉子結構6.3

同步電動機6.3.1磁阻式同步電動機

圖6-17磁阻同步電動機的工作原理6.3

同步電動機6.3.2永磁同步電動機1.基本結構定子：定子和普通的同步電動機的定子相同，定子槽中嵌有三相對稱交流繞組，通入三相對稱交流電時，產生圓形旋轉磁場;轉子：轉子鐵心、永久磁鐵、鼠籠繞組等，有多種結構形式；1—永磁體；2—鼠籠導條；3—轉軸；4—轉子鐵心圖6-18幾種典型的轉子結構圖6.3

同步電動機6.3.2永磁同步電動機

圖6-19永磁同步電動機的工作原理圖6.3

同步電動機6.3.3磁滯同步電動機1.基本結構定子：定子和普通的異步電動機的定子相似，槽中可嵌三相或單相繞組；轉子：一般采用環(huán)形硬磁材料，里面有套筒；圖6-20磁滯同步電動機的轉子結構6.3

同步電動機

圖6-21磁滯同步電動機的工作原理圖6.3.3磁滯同步電動機6.3

同步電動機1.在電梯驅動系統(tǒng)中的應用位置控制器根據位置指令輸出滿足速度和轉向要求的速度指令，在反饋作用下，永磁同步電動機按照指令帶動轎廂運行；圖6-22直驅式電梯主驅動系統(tǒng)總體結構框圖6.3.4應用舉例6.3

同步電動機2.在化纖紡絲機中的應用圖6-23紡絲卷繞機電氣傳動結構圖6.3.4應用舉例6.4測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種檢測機械轉速的電磁裝置，其轉軸和被測對象的轉軸連接在一起，可把機械轉速信號轉換成電壓信號輸出，測量旋轉體轉速。一般作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件等。6.4測速發(fā)電機6.4.1直流測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機的輸出特性直流測速發(fā)電機實際上是一種微型直流發(fā)電機。

6.4測速發(fā)電機6.4.1直流測速發(fā)電機圖6-24直流測速發(fā)電機的輸出特性

6.4測速發(fā)電機6.4.1直流測速發(fā)電機2.直流測速發(fā)電機的誤差及其減少的方法溫度影響：勵磁繞組電阻隨溫度變化，引起勵磁電流及勵磁磁通的變化；電樞反應影響：電樞反應有去磁效應；延遲換向去磁：換向過程中會產生換向電動勢，生成的磁通對主磁通有去磁作用，稱為延遲換向去磁；紋波影響：電樞槽數及電樞元件數有限，輸出的電動勢有脈動；電樞接觸壓降影響：電刷與換向器的接觸電阻不是一個常數6.4測速發(fā)電機6.4.2交流測速發(fā)電機

6.4測速發(fā)電機6.4.2交流測速發(fā)電機

圖6-27異步測速發(fā)電機的工作原理6.4測速發(fā)電機6.4.2交流測速發(fā)電機

圖6-27異步測速發(fā)電機的工作原理6.4測速發(fā)電機6.4.2交流測速發(fā)電機

圖6-28電壓幅值特性圖6-29電壓相位特性6.4測速發(fā)電機6.4.3應用舉例1.位置伺服控制系統(tǒng)的速度阻尼及校正圖6-30模擬式隨動系統(tǒng)原理圖6.4測速發(fā)電機6.4.3應用舉例

6.4測速發(fā)電機6.4.3應用舉例

6.4測速發(fā)電機6.4.3應用舉例2.轉速自動調節(jié)系統(tǒng)圖6-31轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的原理圖6.4測速發(fā)電機6.4.3應用舉例2.轉速自動調節(jié)系統(tǒng)在轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為測速元件構成轉速負反饋閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng);測速發(fā)電機耦合在電動機軸上，其輸出電壓與轉速成正比，使轉速給定電壓和測速反饋電壓的差值減小，直到電動機轉速達到要求轉速；只要系統(tǒng)轉速給定電壓不變，由測速發(fā)電機輸出電壓的反饋作用，都能自動調節(jié)電動機轉速到所要求的轉速；6.5步進電動機步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，是一種將離散的電脈沖信號變換成階躍的角位移或者直線位移的控制電機；步進電動機驅動系統(tǒng)由脈沖信號源、脈沖分配器、功率放大器三個基本環(huán)節(jié)構成；6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構1.反應式步進電動機的結構圖6-32反應式步進電動機的典型結構圖6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構1.反應式步進電動機的結構定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成;定子磁極為凸極式，極面開有齒距相等的小齒并裝有控制繞組;徑向相對的兩個磁極的控制繞組串聯(lián)成一相控制繞組，磁極A和A’為A相繞組通電時的兩個極性相反的磁極；轉子沒有繞組，沿圓周有均勻小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距相等；6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構2.永磁式步進電動機的結構圖6-33永磁式步進電動機的典型結構6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構2.永磁式步進電動機的結構定子上有兩相或多相繞組；轉子為一對或幾對極的星形磁鋼，轉子極數與定子每相極數相同圖6-33畫的是定子為兩相集中繞組（AO，BO），每相為兩對極，轉子磁鋼也是兩對極；6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構3.混合式步進電動機的結構圖6-34兩相混合式步進電動機的結構原理圖6.5步進電動機6.5.1步進電動機的基本結構3.混合式步進電動機的結構定子鐵芯與反應式步進電動機相同；定子磁極為凸極式，磁極上有小齒和控制繞組；定子控制繞組與永磁式步進電動機相同，兩相集中繞組，每相兩對；轉子鐵芯分為兩段，分別裝在磁鋼的兩端；轉子鐵芯上有小齒，其齒距和齒形與定子小齒相同；裝配時，定子兩段鐵芯的小齒沿軸向對齊，轉子兩段鐵芯相互錯開半個齒距；6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理反應式步進電動機是利用凸極轉子上橫軸磁阻與直軸磁阻的不同所引起的磁阻轉矩而轉動。BF反應式步進電動機三相反應式步進電機6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理圖6-35三相單三拍通電方式對應的轉子平衡位置和磁場1.三相單三拍通電方式定子繞組依次按U→V→W→U→…或U→W→V→U→…的順序通電，任意時刻只有一相繞組通電，每三拍完成一次通電循環(huán)。6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理1.三相單三拍通電方式U相繞組通電時，轉子在磁阻轉矩的作用下轉動，直到轉子大齒位于U相繞組軸線上,如圖6-35a所示；若U相繞組不斷電，轉子將一直停留在這個位置，稱為“自鎖”；V相繞組通電，轉子轉過30o,如圖6-35b所示；W相繞組通電，轉子再轉過30o，如圖6-35c所示；一次通電循環(huán)轉子轉過一個齒距角的角度，也即90o。繞組每一次通電切換，轉子轉過30o；6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理2.三相雙三拍通電方式

定子繞組依次按UV→VW→WU→UV→…或UW→WV→VU→UW→…的順序通電，任意時刻有兩相繞組通電，每三拍完成一次通電循環(huán)。圖6-36三相雙三拍對應的轉子平衡位置和磁場6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理2.三相雙三拍通電方式

U相和V相繞組通電，轉子磁阻轉矩的作用下轉動，直到轉子各個齒上受到磁阻轉矩的和為零，如圖6-36a所示;V相和W相繞組通電，轉子轉過30o,如圖6-36b所示；W相和U相繞組通電，轉子再轉過30o,如圖6-36c所示；一次通電循環(huán)轉子轉過一個齒距角的角度也即90o。繞組每一次通電切換，轉子轉過30o；6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理3.三相單雙六拍通電方式

定子繞組依次按U→UV→V→VW→W→WU→U→…或U→UW→W→WV→V→VU→U→…的順序通電，一相繞組和兩相繞組間隔輪流通電,每六拍完成一次通電循環(huán)。每個通電狀態(tài)對應的轉子平衡位置和磁場如圖6-37所示繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉子按逆時針方向旋轉15o；每完成一次通電循環(huán)，轉子轉過了一個齒距角的角度，即90o；6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理圖6-37三相單雙六拍對應的轉子平衡位置和磁場6.5步進電動機6.5.2步進電動機的工作原理圖6-38A相繞組通電時定、轉子齒的相對位置4.小步距角的步進電動機四相單四拍運行，即通電方式為U→V→W→X→U→…；每改變一次繞組的通電狀態(tài)，轉子轉過1/4齒距角，即1.8O。一次通電循環(huán)，轉子轉過一個齒距角，即7.2O；6.5步進電動機6.5.3

應用舉例圖6-39步進電動機驅動數控機床工作臺1.步進電動機在數控機床中的應用數控裝置輸出的指令進給脈沖經驅動電路進行功率放大，轉化為控制步進電動機各定子繞組依次通電/斷電的電流脈沖信號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構帶動工作臺移動。6.5步進電動機6.5.3

應用舉例圖6-40黃金電腦燈示意圖2.在舞臺黃金電腦燈中的應用圖形的變換可以由步進電動機經齒輪箱帶動花盤旋轉來完成，光線的動態(tài)效果可有另外兩臺在空間上呈垂直正交的步進電動機帶動反光鏡變換位置實現(xiàn)。6.6直線電動機直線電動機是一種不需要中間轉換裝置，直接作直線運動的電動機械。目前在交通運輸、機械工業(yè)以及儀器儀表工業(yè)中，直線電機已得到推廣應用。按工作原理可分為直線直流電動機、直線異步電動機和直線同步電動機(包括直線步進電動機)三種。平板型直線電機圓柱型直線電機6.6直線電動機直線電動機優(yōu)點：簡化了機械結構，提高了精度，減少了振動和噪音；不存在傳動機構的慣量和阻力矩的影響，加速和減速時間短，可快速起動和正反向運行；儀表用直線電動機，可省去電刷和換向器等易損零件，提高了儀表的可靠性，延長了儀表的使用壽命；散熱面積大，易冷卻，所以允許較高的電磁負荷，可提高電動機的容量定額；裝配靈活性大，往往可將電動機和其它機件合成一體；6.6直線電動機6.6.1

直流直線電動機圖6-41雙極電磁式直線直流電動機的結構圖直線直流電動機主要有兩種類型：永磁式和電磁式。永磁式直線直流電動機多用在功率較小的自動記錄儀表中；電磁式直線直流電動機用在驅動功率較大的機構中；6.6直線電動機6.6.2

直線異步電動機1.

主要類型和結構直線異步電動機主要有三種型式：扁平型、管型和圓盤型。扁平型直線異步電動機可以看作是由普通的旋轉異步電動機演變而來。圖6-42

直線異步電動機的形成6.6直線電動機6.6.2

直線異步電動機實際應用中必須把初、次級做得長短不等，以擴大其運動范圍，根據初、次級間相對長度，扁平型直線異步電動機分成短初級和短次級兩類。圖6-43

單邊直線感應電機原理圖6.6直線電動機6.6.2

直線異步電動機單邊型電機除了產生切向力外，還會在初、次級間產生較大的法向力，這在某些應用中是不希望的。為了更好地利用次級和消除法向力，在次級的兩側都裝上初級，這種結構形式稱為雙邊型。圖6-44雙邊形直線異步電動機6.6直線電動機6.6.2

直線異步電動機2.

工作原理初級三相繞組中通對稱三相交流電后產生行波磁場；行波磁場切割拉直的轉子(次級)，在次級中產生感應電動勢，進而產生電磁力；6.6直線電動機6.6.3

直線步進電動機直線步進電動機是旋轉式步進電動機的演變，它利用定子和動子間氣隙磁通的變化所產生的電磁力工作。通常分為反應式和永磁式兩種。圖6-45直線步進電動機結構及原理6.6直線電動機6.6.4

應用舉例1.磁懸浮列車磁懸浮列車是利用直線電動機驅動的一種高速列車。將短一次側裝在車輛上，鐵磁材料的軌道為長二次側；調節(jié)電壓和頻率來控制車速，控制磁場作用力來控制推力方向；圖6-46常導吸浮型直線電動機的結構6.6直線電動機6.6.4

應用舉例2.自動繪圖機

平面步進電動機組成繪圖臺，電動機的動子直接做平面運動，帶動繪圖筆（或刻刀、光源）做平面運動，實現(xiàn)高精度、高速度、高可靠性及耐久性的平面運動及定位。圖6-47自動繪圖機繪圖臺結構圖6.7無刷直流電動機無刷直流電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使其既有直流電動機的優(yōu)良特性，又有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。在機器人、航空航天技術、數控裝置、醫(yī)療化工等高新技術領域得到了廣泛應用。6.7無刷直流電動機6.7.1

基本結構無刷直流電動機是一種通過電子開關線路實現(xiàn)換相的新型電子運行電機，由電動機本體、電子開關線路（功率電子逆變電路）、轉子位置傳感器和控制器組成。圖6-48無刷直流電機的原理框圖6.7無刷直流電動機6.7.1

基本結構無刷直流電動機在結構上是一臺反裝式的普通直流電動機；轉子上裝有永磁體，產生氣隙磁通；定子鐵心嵌有多相對稱繞組，各相繞組與電子開關中相應功率管連接；電刷和換向器被電子開關線路和轉子位置傳感器代替；圖6-49無刷直流電機基本結構圖6.7無刷直流電動機6.7.2

工作原理

圖6-51無刷直流電動機工作原理示意圖圖6-50繞組與電子換向電路連接圖6.7無刷直流電動機6.7.3

控制與應用無刷直流電動機是直流電動機的一個分支，除了不能采用變勵磁調速方法（因轉子采用永磁磁鋼）外，其他一切直流電動機的轉速控制方法均可用來控制無刷直流電動機。6.8開關磁阻電機開關磁阻電機驅動系統(tǒng)集開關磁阻電機本體、微控制器技術、功率電子技術、檢測技術和控制技術于一體，是一種具有典型機電一體化結構的交流無級調速系統(tǒng)。6.8開關磁阻電機6.8.1

開關磁阻電動機的基本結構圖6-528/6極開關磁阻電動機與驅動電路定子和轉子都為凸極式并沖有齒槽，由硅鋼片疊壓而成;定子齒上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組構成一相繞組轉子上沒有繞組、換向器、集電環(huán)等定、轉子極數（齒槽數）必須為偶數;某一相定子齒極和轉子齒極軸線重合時，相鄰相的定、轉子齒極軸線應相互錯開1/m個轉子極距;6.8開關磁阻電機6.8.2

開關磁阻電動機的工作原理圖6-53開關磁阻電動機的工作原理開關磁阻電動機的工作原理與反應式步進電動機相似，遵循磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合的原理產生磁阻性質的電磁轉矩。6.8開關磁阻電機6.8.2

開關磁阻電動機的工作原理U相繞組通電，因磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，扭曲磁力線的切向力帶動轉子旋轉，最終使轉子1-1’極軸線與定子U1-U2極軸線對齊;V相繞組通電，轉子在切向磁拉力的作用下，逆時針旋轉直到轉子2-2’極軸線與定子V1-V2極軸線對齊；W相繞組通電，轉子在切向磁拉力的作用下，逆時針旋轉直到轉子3-3’極軸線與定子W1-W2極軸線對齊；X相繞組通電，轉子在切向磁拉力的作用下，逆時針旋轉直到轉子1-1’極軸線與定子U1-U2極軸線對齊；6.8開關磁阻電機6.8.3

應用舉例1.在煤礦中的應用開關磁阻電動機驅動控制系統(tǒng)具有起動轉矩大、起動電流小、可頻繁重載起動、維護簡單以及節(jié)能等優(yōu)勢，應用于采煤機、掘進機等煤礦機械。2.在油田抽油機中的應用開關磁阻電動機作為抽油機的動力源，適應頻繁起、停的工況，同時能穩(wěn)定保持較高的效率，即使工作于輕載的工況仍能保證約90%的效率。3.在洗衣機中的應用開關磁