電機拖動與電氣控制 第2版 教案 4.3 步進電機 4.4直線電機 課程教案

電機拖動與電氣控制課程教案章節(jié)名稱第4章常用低壓電器4.3步進電動機4.4直線電動機授課時數(shù)2授課形式教學目標①了解步進電動機和直線電動機工作原理和結(jié)構(gòu)，步進電動機和直線電動機在工業(yè)控制中的應用。②能按照國家標準選用步進電動機和直線電動機，按照規(guī)范標準正確進行控制調(diào)試電機。③尊重標準，自覺學習，樹立民族自信教學重點難點步進電動機和直線電動機工作原理教學內(nèi)容4.3步進電動機通過步進電動機驅(qū)動在絲杠運動視頻，引入步進電動機。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，在智能汽車傳輸，5G通信設備，智能機器人，智能家居，醫(yī)療保健和電子產(chǎn)品等行業(yè)都有應用。步進電動機是一種把電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移的電動機。用專用的驅(qū)動電源向步進電動機供給一系列的且有一定規(guī)律的電脈沖信號，每輸入一個電脈沖，步進電機就前進一步，其角位移與脈沖數(shù)成正比，電機轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，而且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與各相繞組的通電方式有關(guān)。一、步進電動機的分類永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永久磁鋼制成的，也有通過滑環(huán)由直流電源供電的勵磁繞組制成的轉(zhuǎn)子，這類步進電機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生勵磁。與永磁式步進電機不同，在反應式步進電機中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子的齒也稱顯極，這種步進電機的轉(zhuǎn)子中沒有勵磁繞組。二、步進電動機的原理下面僅以反應式步進電動機為例，學習步進電動機的基本運行原理。這是反應式步進電動機結(jié)構(gòu)模型，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子有四個分布均勻的齒，齒上沒有繞組。第一步將A相控制繞組通電，而B相和C相不通電，步進電動機的氣隙磁場與A相繞組軸線重合，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，因此電機轉(zhuǎn)子受到一個反應轉(zhuǎn)矩，就是靜轉(zhuǎn)矩。在這個轉(zhuǎn)矩的作用下，使轉(zhuǎn)子的齒1和齒3旋轉(zhuǎn)到與A相繞組軸線相同的位置上，此時整個磁路的磁阻最小，轉(zhuǎn)子只受到徑向力的作用而反應轉(zhuǎn)矩為零。同理如果B相通電，A相和C相斷電，那轉(zhuǎn)子受反應轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒2齒4與定子極B、對齊，此時，轉(zhuǎn)子在空間上逆時針轉(zhuǎn)過的空間角q為30°，也就是前進了一步，轉(zhuǎn)過的這個角叫做步距角。如果C相通電，A相B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)動一個步距角，使轉(zhuǎn)子的齒1和齒3與定子極C，對齊，所以我們按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞組，電機便按逆時針的方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率。如果要改變步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向，可以按A-C-B-A順序通電，則電機反向一步一步轉(zhuǎn)動。幾個概念：1）一拍，在步進電機中，控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。2）步距角，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度我們就稱為步距角。Zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的拍數(shù)為N3）三相步進電動機的控制方式，有三相單三拍、三相雙三拍、三相單、雙六拍控制方式。步進電動機的運行方式每次只有一個繞組單獨通電，控制繞組每換接三次構(gòu)成一個循環(huán)，這種方式稱為三相單三拍。三相單三拍控制方式切換瞬間，轉(zhuǎn)子失去自鎖能力，容易失步（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動步數(shù)與拍數(shù)不相等），在平衡位置也容易產(chǎn)生振蕩。運行不穩(wěn)定，很少采用。若按AB-BC-CA-AB順序通電，每次均有兩個控制繞組通電，稱為三相雙三拍，按三相雙三拍方式運行時，其步矩角與三相單三拍一樣，都是30°。按A-AB-B-BC-C-CA-A順序通電，每次循環(huán)需換接6次，故稱為三相六拍，因單相通電和兩相通電輪流進行，故又稱為三相單、雙六拍。步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為15o。三相單、雙六拍控制方式在切換過程中始終保證有一相持續(xù)通電，力圖使轉(zhuǎn)子保持原有位置，工作比較平穩(wěn)。例Zr=40的步進電動機的計算：這是一種步距角較小的反應式步進電機的典型結(jié)構(gòu)。其轉(zhuǎn)子上均勻分布著40個齒，定子上有三對磁極，每對磁極上繞有一組繞組，A、B、C三相繞組接成星形。采用三相單三拍通電時各量的計算：θ采用三相六拍通電時：θ4.4直線電動機視頻磁懸浮列車采用磁力懸浮車體，應用直線電動機驅(qū)動技術(shù)，使列車在軌道上浮起滑行。引入直線電動機直線電動機的類型很多，從原理上講，每一種旋轉(zhuǎn)電動機都有與之相對應的直線電動機。因此直線電動機有直線感應電動機、直線直流電動機和直線同步電動機。一、直線感應電動機直線感應電動機主要有扁平型、圓筒型和圈盤型3種類型其中，扁平型應用最為廣泛。1.扁平型直線電動機可以看作是由旋轉(zhuǎn)式感應電動機演變而來的。設想把旋轉(zhuǎn)感應電動機沿徑向剖開，并將圓周展開成直線，即可得到扁平型直線感應電動機，由定子演變而來的一側(cè)稱為一次側(cè)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為二次側(cè)。由于運行時一次側(cè)和二次側(cè)之間要作相對運動，為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，一次側(cè)和二次側(cè)之間的電磁耦合始終不變，實際應用時，必須把一次側(cè)和二次側(cè)制造成不同長度，既可以是一次側(cè)長、二次側(cè)短，也可以是一次側(cè)短，二次側(cè)長。由于短一次側(cè)結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本和運行費用均比較低，故除特殊場合外，一般均采用短一次側(cè)。這樣的扁平型直線感應電動機只有在二次側(cè)的一邊具有一次側(cè)，這種結(jié)構(gòu)形式稱為單邊型。它的最大特點是在—次側(cè)和二次側(cè)之間存在較大的法向吸力，這在大多數(shù)場合下是不希望發(fā)生的。若在二次側(cè)的兩邊都裝上一次側(cè),則法向吸力可以互相抵消，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙邊型。扁平型直線感應電動機的—次側(cè)鐵心由硅鋼片疊成，與二次側(cè)相對的一面開有槽，槽中放置繞組。繞組可以是單相、兩相、三相或多相的。二次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是柵型結(jié)構(gòu)，鐵心上開槽，槽中放置導條；并用端部導條連接所有槽中導條；另一種是實心結(jié)構(gòu)，采用整塊均勻的金屬材料，可分為非磁性二次側(cè)和鋼二次側(cè)。非磁性二次側(cè)的導電性能好，一般為銅或鋁。2.圓筒型（又稱管型）將扁平型直線感應電動機沿著和直線運動相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圓筒型直線感應電動機，在特殊場合，這種電動機還可以制成既有旋轉(zhuǎn)運動又有直線運動的旋轉(zhuǎn)直線電動機。旋轉(zhuǎn)直線的運動體可以是一次側(cè)，也可以是二次側(cè)。3.圓盤型二次側(cè)做成扁平的圓盤形狀，可以繞通過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動。將一次側(cè)放在二次側(cè)圓盤靠外邊緣的平面上，使圓盤受切向力作旋轉(zhuǎn)運動。二、直線感應電動機的基本工作原理直線感應電動機是由旋轉(zhuǎn)電動機演變而來。當一次側(cè)的三相繞組通入對稱正弦交流電流時，會產(chǎn)生氣隙磁場，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電動機相似，沿著直線方向按正弦規(guī)律分布。但它不是旋轉(zhuǎn)而是沿著直線平行移動，稱為行波磁場，沿著直線平行移動的行波磁場切割二次側(cè)導條，將在導條中產(chǎn)生感應電動勢和電流，導條的電流和氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。一次側(cè)固定不動，二次側(cè)便在這個電磁力的作用下，順著行波磁場的移動方向作直線運動。與異步電動機一樣，改變一次繞組中通電相序，可改變二次側(cè)移動的方向。三、直線直流電動機直線直流電動機按勵磁方式可分為永磁式和電磁式兩大類。永磁式多用于驅(qū)動功率較小的場合，如自動控制儀器、儀表；電磁式多用于驅(qū)動功率較大的場合。1．永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機的磁極由永久磁鐵做成，按其結(jié)構(gòu)特征可分為動圈型和動鐵型兩種。動圈型在實際中用得較多。在鐵架兩端裝有極性同向的兩塊永久磁鐵，當移動繞組中通直流電流時，便產(chǎn)生電磁力。只要電磁力大于滑軌上的靜摩擦阻力，繞組就沿著滑軌作直線運動，運動的方向由左手定則確定。改變繞組中直流電流的大小和方向，即可改變