1、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系 7.2.4 電磁轉矩 7.2.5 機械特性 7.2.6 直流電動機的調速 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，直流電動機的結構復雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源,7.2.2 工作原理,一、 工作原理,電刷,換向片,注意：換向片和電源固定聯接，線圈無論怎樣轉動，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,由右手定則，線圈在磁

2、場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反,直流發電機,用右手定則判 感應電動勢Ea的方向,電樞繞組 電阻Ra,感應電動勢,輸出電壓,二、 直流電機的構成,直流電機由定子、轉子和機座等部分構成,機座,磁極,勵磁 繞組,轉子,勵磁式直流電動機結構,1. 轉子（又稱電樞） 由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成,2. 定子,定子的分類,勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電 產生磁通，稱為勵磁,根據勵磁線圈和轉子繞組的聯接關系，勵磁式的 直流電機又可細分為,他勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的電源分開,并勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞并聯到同一電源上,串勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞串聯接

3、到同一電源上,復勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在 同一電源上,7.2.3 電樞電動勢及電壓平衡關系,電樞通入電流后，產生電磁轉矩，使電機在磁場中轉動起來。通電線圈在磁場中轉動，又會在線圈中產生感應電動勢（用E表示,一、 電樞中的感應電動勢,根據右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為,單位： （韋伯），n（轉/每分），E（伏,二、 電樞繞組中電壓的平衡關系,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,7.2.4 電磁轉矩,一、電磁轉矩,單位： （韋伯），Ia（安培），T（牛頓米,由轉矩公式可知： (1)產生轉矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。

4、 (2)改變電機旋轉的方向：改變電樞電流的方向或者 改變磁通的方向,二、 轉矩平衡關系,電磁轉矩T為驅動轉矩，在電機運行時，必須和外 加負載和空載損耗的阻轉矩相平衡，即,轉矩平衡過程：當負載轉矩（TL）發生變化時， 通過電機轉速、電動勢、電樞電流的變化，電磁 轉矩自動調整，以實現新的平衡,例,設外加電樞電壓 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，這時， 若TL突然增加，則調整過程為,與原平衡點相比，新的平衡點：Ia 、 P入,機械特性指的是電機的電磁轉矩和轉速間的關系，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,n0： 理想空

5、載轉速,即T=0時的轉速。（實際工作時,由于有空載損耗，電機的T不會為0。,當 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， 轉速 n 的變化不大，屬硬機械 特性,根據 n-T 公式 畫出特性曲線,串勵的特點：勵磁線圈的電流和電樞線圈的電流相同,二、 串勵電動機的機械特性,設磁通和電流成正比，即 =K Ia ,則,據此公式做出 T-n 曲線,1) T=0時，在理想情況下，n。但實際上負 載轉矩不會為 0，不會工作在 T=0 的狀態， 但空載時 T 很小，n 很高。串勵不允許空載 運行，以防轉速過高,串勵特性,2) 隨轉矩的增大，n 下降得很快，這種特性屬 軟機械特性,2)

6、 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) 恒轉矩的生產機械(TL一定，和轉速無關）要 選硬特性的電動機，如： 金屬加工、起重機 械等,7.2.6 直流電動機的調速,與異步電動機相比，直流電動機結構復雜，價 格高，維護不方便，但它的最大優點是調速性能好,下面以他勵電動機為例說明直流電動機的調速方法,1）調速均勻平滑，可以無級調速。 （2）調速范圍大，調速比可達200 （他勵式）以上 （調速比等于最大轉速和最小轉速之比,直流電動機調速的主要優點是,由該式可知，n 和 有關，在 U 一定的情 況下，改變 可改變 n 。在勵磁

7、回路中串 上電阻Rf，改變Rf大小調節勵磁電流，從而 改變 的大小,一、改變磁通（調磁,1.原理,其中： =K If,Rf If n ，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 If n ，減弱磁通是常用的調速方 法,If的調節有兩種情況,概念：改變磁通調速的方法 減小磁通，n只能上調,調速過程: U一定,則,暫時 T TL,1）調速平滑，可做到無級調速，但只能向上調， 受機械本身強度所限，n不能太高。 （2）調的是勵磁電流（該電流比電樞電流小得多）， 調節控制方便,3.減小 調速的特點,二、改變電樞電壓調速,由轉速特性方程知： 調電

8、樞電壓U，n0 變化，斜率不變， 所以調速特性是一 組平行曲線,1.特性曲線,2.改變電樞電壓調速的特點,1）工作時電樞電壓一定，電壓調節時，不允許超 過UN，而 n U，所以調速只能向下調。 （2）可得到平滑、無級調速。 （3）調速幅度較大,Uf=110V 固定,U=0110V 可調,改變電樞電壓調速方案舉例,例：已知他勵電動機的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=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,這種調速方法耗能較大，只用于

9、小型直流機。 串勵電機也可用類似的方法調速,三、改變轉子電阻調速,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，n,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太大會使換向器產生嚴重的火花，燒壞換 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 內,1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉矩 T = KT Ia， 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,2

10、）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，使 Ia更大，也很危險,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。當失壓或欠流時，自動切斷電樞電源U,2.反轉,電動機的轉動方向由電磁力矩的方向確定,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、發電回饋制動,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,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理想空載轉速），這時電動機變成發電機，電磁

11、轉矩成為阻轉矩，從而限制電機轉速過分升高,3) 發電回饋制動,直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組 各兩個，可通過標出的字符和繞組電阻的大小 區別,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12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,2）繞組的符號,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（并勵應包括勵磁電流和電樞電流）三者關系：PN=UNIN （ ：效率

12、,注意：調速時對于沒有調速要求的電機，最大轉速 不能超過 1.2nN,4.額定轉速nN ：在PN，UN，IN 時的轉速。直流電 機的轉速等級一般在 500r/min 以上。特殊的直流電機轉速可以做到很低（如：每分鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上,7.3 單相異步電動機,一、 單相異步電動機的工作原理,結構：定子放單相繞組（其中通220V單相交流電） 轉子一般用鼠籠式,N,S,當定子繞組產生的合成磁場增加時，根據右手螺旋定則和左手定則，可知轉子導條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉矩,在電流正半周,轉子借助其它力量轉動后，外力去除后仍按原方 向繼續轉動。其原理分析如下,定子繞組產生的

13、脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即,脈動磁場的分解,正反向旋轉磁場的合成轉矩特性,合成轉矩,正向,反向,電容分相式起動,二、單相異步電動機的起動,接近90,電容分相式單相異步 電動機起動原理,t=t0,磁場逆時針 方向旋轉,t=t0,t=t1,啟動時開關K閉合，使兩繞組電流相位差約為90，從而產生旋轉磁場，電機轉起來；轉動正常以后離心開關被甩開，啟動繞組被切斷，而電機仍按原方向繼續轉動,工作原理,罩極式單相電機,定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環，并在其中產生感應電流。短路環中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環部分和沒有短路環部分產生的磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，使轉子

14、轉起來,圖中電機的轉動方向：順時針 旋轉。因為沒有短路環部分的磁通比有短路環部分的 磁通領先,單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手電鉆）、醫用器械、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。但若負載不變，三相供 電變為單相供電，電流將變大，導致電機過熱。使 用中要特別注意這種現象；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

15、， 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 結構 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，其主要任務是能量轉換，例如將電能轉換為機械能。本章介紹控制電機,概述,控制電機的種類很多，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、準確、 重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等,7.4 步進電動機,機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機

16、械移 動一小段距離,特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3)改變脈沖順序，改變方向,種類： 有勵磁式和反應式兩種。兩種的區別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈,應用： 步進機的應用非常廣泛。如：在數控機床、自動 繪圖儀等設備中都得到應用,下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理,7.4.1 結構,步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極,定子,轉子,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

17、進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別,IA,IB,IC,7.4.2 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）三相繞組聯接方式：Y 型,3）工作過程,A 相通電使轉子1、3齒和 AA 對齊,同理，B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉30；C相通電再轉30,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，轉子轉過 30。此角稱為步距角，用S表示,2）轉子的旋轉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向,二、三

18、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，轉子1、3齒和A相對齊,所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉子轉了15,1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使 轉子順時針方向轉動,A、B相同時通電,2）AA 磁場繼續對1、3齒有拉力,總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為15,B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15,三、三相雙三拍,三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍,工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30，即 S = 30,7.4.3 小步距角的步進電動機,實際采用

19、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,為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子40個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁極上也有五個齒,轉子的齒距等于360/ 40=9 ，齒寬、齒槽各4.5,為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同,工作原理：假設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 相的轉子、定子的五個小齒對齊時，B 相、C 相不能對齊，B相的轉子、定子相差 1/3 個齒（3），C相的轉

20、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， 轉子只轉 1.5,異步機的轉動方向仍由相序決定,同理，C 相通電再轉3,2）A 相斷電、B 相通電后，轉子只需轉過1/3個 齒（3），使 B 相轉子、定子對齊,步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為 步距角,7.5 伺服電動機,伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，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,勵磁繞組中串聯電容

21、C的目的是為了產生兩相旋轉磁場,接線,勵磁繞組的接線,適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來,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系如圖所示,工作時兩個繞組中產生的電流 和 的相位差近90，因此便產生旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子轉動起來,控制電壓 與電源電壓 兩者頻率相同，相位相同或反相,1）U2= 0 時，轉子停止,這時，雖然U2 =0V，U1仍存在，似乎成單相運行狀態，但和單相異步機不同。若單相電機啟動運行后，出現單相后仍轉。伺服電機不同，單相電壓時設備不能轉,交流伺服電動機的特點,原因：交流伺服電機 R2設計得較大。所以在U2=0時，交流伺服電機的T=f(s)曲線如下頁圖,當