8電、伺服電、步進電、開關磁阻電、直線電的工作原理、基本結構【問題引出】單相異步電是如何解決其起動問題的單相異步電是指由單相電源供電的異步電雖然單相異步電的功率因數、效率和過載能力都比同容量的三相異步電低，體積也比同容量的三相異步電大，但由于容量一般不大（1kW以下，這些缺點就不突出；而它具有最大優點就是不需要三相電源。因此，小容量單相異步電在日常生活、家用電器、醫療器械和某些工業裝置單相異步電的分【展開講解】單相異步電的分類8-1臺拆開的步電和三相籠型異步單相異步電根據

8-1拆開的單相異步電機定子鐵心與三相籠型異步電定子鐵心基本一樣，只是在定子槽中嵌入兩相繞組，一90電角度（不一定是兩相對稱繞組。分相式單相異步電又分為電阻分相式、電容分相式和電容8-2罩極式單相異步電定子做成凸極式與直流電定子磁極相似，主繞組套在磁極8-3（a）電阻分相式（b）電容分相式（c）電容運行式8-2分相式單相異步電

8-3罩極式單相異步電單相異步電的工作原【展開講解】單相異步電的工作原理單相異步電定子有兩相繞組，一相是主繞組，一相是起動繞組。電起動后進入穩定運行狀態時起動繞組可以斷電，也可以不斷電。下面分析只有主繞組通電和兩相繞組均通電情況下電的工作原理。1、一相繞組通電時的單相異步單相交流電流是一個隨時間按正弦規律變化的電流，它所產生的磁場是脈振磁場。由第3章對繞組磁動幅值等于脈振磁動勢幅值的一般。因此，可以把一相通電的單相異步電等效地看成兩臺同軸運行的三相異步電。這兩臺電參數完全相同，旋轉磁動n1，但旋轉方向相反。當單相異步電穩定運行在電動狀態時，轉速n，這時旋轉磁場旋轉方向與轉子旋轉方向相同的一臺三相異步電定義為正序電；相反的另一臺稱為反序電。畫出正序和反序三相異步電機機械特性曲線1和反序電機械特性曲線2

圖8-4單相異步電一相繞組機械特性曲線3即為單相異步電一相繞組（工作繞組）通電時的機械特性。可見 不轉時，它的電磁轉矩為0，即當n0時T0，它沒有起動轉矩，不當 由于某種原因轉動起來后（n0，它將產生電磁轉矩T。當n0則T0為拖動轉矩 工作在電動狀態位于圖8-4中第I象限當n0則T0仍為拖動轉矩，電工作在電動狀態，位于圖8-4中第III象限。因此，電既能正轉也能反轉，關鍵取決于電起動時的旋轉方向。從圖8-4中可見，單相異步電 的理想空載轉速n0比同步轉速n1要稍微小些。由上述分析可見，如果單相電定子只有工作繞組通電，電不能自行起動，要想解決單相電的起動問題需要加起動繞組2、兩相繞組通電時的單相異步通入兩相對稱（90）電流也將產生圓形旋似相差90電角度）的兩相電流將產生橢圓形旋轉磁場，基于橢圓形旋轉磁場運行的單相異步電的機械一圓形（或橢圓形）旋轉磁場，電不僅能夠在第1象限內電動運行，而且具有起動能力，即n0時T0。綜上所述，對于單相異步電，工作繞組和起90（90，只要想辦法使圓形旋轉磁場，從而使單相異步電具有起動能力單相異步電的起【展開講解】單相異步電的起動

8-5兩相繞組通電時單相異步電的機械特性1、電阻分相式單相異步8-2（a）所示，在主繞組電路中外串一個電阻，或不串電阻而在設計起動繞組時電起動后，起動繞組可以斷電，也可以不斷電。如果不斷電，起動繞組必須按長時工作制設計，否則容易燒毀；如果斷電，可以在起動支路接一離心開關，當電起動2、電容分相式單相異步8（90的起動轉矩。起動結束后，通過離心開關自動切斷起動繞組的電源。3、電容運行式單相異步如果電容分相式單相異步電起動后不把起動繞組支路斷電，就成為電容運行式單相異步電也稱為單相電容式異步電由于起動時和運行時需要的電容量不一樣，8-2（c）所示。4、罩極式單相異步罩極式單相異步電的結構示意圖，如圖8-3所示。當主繞組中通過單相電流時，產生脈振磁通AA可分為穿過未被罩主磁極部分的磁通A1和穿過被罩主磁極部分的磁通A2A2KEk和電流，罩極部分的電磁情況和短路的變壓器一樣，電流也將產生磁通k

8-6罩極式單相異步電的磁通相量圖K的總磁通B可認為是由穿過罩極部分的磁通A2（主繞組中電生）與產生的磁通k所的，即BA2kEk和電流也是由B在短路銅環K中感應產生。畫出罩極式單相異步電 由圖8-6可見，主繞組的脈振磁場A與短路銅環K K（起動繞組）中的電流存在相位差，同時兩個由于罩極式單相異步電兩相繞組空間相角差比較小，所以罩極式單相異步電【問題引出】交流伺服電的控制方式有哪些伺服電在自動控制系統中作為執行元件，故又稱為執行電，它具有一種服從控制信號的要求而動作的職能，在控制信號來到前，轉子不動；信號到來之后，轉子伺服電具有很好的可控性、穩定性和速應性。可控性好指控制信號能自行停伺服電按電流種類的不同，可分為直流伺服電和交流伺服電直流伺服電【展開講解】直流伺服電的結構和基本工作原理1、結一般的直流伺服電的基本結構與普通直流電并無本質的區別。也是由裝有種。電磁式直流伺服電的磁場由勵磁電流通過勵磁繞組產生，按勵磁繞組與電樞繞3服電的磁場由永磁鐵產生，無需勵磁繞組和勵磁電流。2、工作原直流伺服電的工作原理與普通直流電相同，其電路如圖8-7所示（a）電磁 （b）永磁圖8-7直流伺服電的電路與普通直流電的機械特性方程式相同，直流伺服電的機械特性方程式 UaC

CC

eCUC為由電機結構決定的勵磁常數。1，可得

n Ua

CC CCC2Ue eT 有兩種控制轉速的方式：電樞控制（改變電樞電壓Ua）和磁場控制（改變勵磁電壓Uf但由于磁場控制的調節特性是非線性的，很少應用。對于永磁式直流伺服電，則只有電樞控制式。信號電壓Ua，電磁式 圖8-8直流伺服電 伺服 的勵磁繞組加上額定勵磁電壓UfN。當控制信號電壓Ua0時，

0T0，電 不會旋轉，即轉速n0；當Ua0時，Ia0，T0，電 轉矩T的作用下運轉。改變Ua的大小或極性， 的轉速或轉向將隨之改變。直流服電電樞控制時的機械特性n

fT和調節特性n

fUa如圖8-8交流伺服電【展開講解】交流伺服電的結構、基本工作原理和控制方式1、結交流伺服電實質上是一個兩相異步電定子上裝有兩個在空間相差90繞組：勵磁繞組和控制繞組。運行時，勵磁繞組始終加上一定的交流勵磁電壓Uf，控制繞組則加上控制信號電壓Uc交流伺服電轉子的結構型式主要轉子交流伺服電的結構與普通籠型異步電相同；空心杯型轉子交流伺服電8-9

圖8-9空心杯型轉子交流伺服電結構外定子之間，底部固定在轉軸上，杯壁薄而輕，厚度一般不超過0.5mm，因而轉動慣2、工作原交流伺服電的電路，如圖8-10所示。f是勵磁繞組，c是控制繞組，f繞組和 繞組在空間上相差90，分別施加交流電壓U和U。 分析伺服電的工作狀態勵磁電壓UfUfN、控制電壓UcUcNUc和Uf的相位差為90這時，交流伺服電處于對稱運行

圖8-10交流伺服電的原理態，磁動勢為圓形旋轉磁動勢。與普通三相異步電在對稱狀態下運行時的情況一樣，交流伺服電轉子沿著圓形旋轉磁場旋轉方向轉動。如果改變控制電壓Uc與勵磁電壓Uf的相位，即改變兩相繞組中兩相電流的相序，轉c f 如果保持控制電壓U與勵磁電壓U的相位差為90U與U的幅值，電仍處于對稱運行狀態c f 轉矩相等，電便在比原來低的轉速下穩定運行勵磁電壓UfUfNUc0（或Uc0但其與勵磁電壓Uf相位相同電處于單相運行狀態，磁動勢為服電等同于單相異步電。對于普通異步電來說，其機械特性，如圖n0T0且為拖動轉矩，電仍

（a）普通異步電（b）交流伺服電8-11單相供電時的機械特相“自轉”現象在伺服電中是絕不允許的。為此，交流伺服電的轉子電阻都設計8-11(b)所示的下垂機械特性。由圖8-11(b)可見交流伺服電處于單相運行狀態時如果轉子原來

n0T0，電n0，則T0，但TT使轉子迅速停止運轉，從而保證了交流伺服電在單相供電時不會產生自轉現象，而具有勵磁電壓Uf ，控制電壓U ，且保持U和U的相位差為90（ 者Uf 、U ，但U和U的相位差小于90 這時交流伺服電處于不對稱運行狀態，磁動勢為橢圓形磁動勢，如圖8-反的反向圓形磁動勢幅值小。電的工作狀態越不對稱，反向圓磁動勢的幅值就越接近正向圓形磁動勢的幅值。當電處于單相狀態時，正、反向圓形磁動勢幅值相等。反電的工作狀態越接近于對稱反向圓形磁動勢的幅值就越小于正向圓形磁動勢的幅值。當電處于對稱運0，只有正交流伺服電時的總電磁轉矩T電磁轉矩TF和TR之差。電的工作狀態越不對稱，TTFTR越小，負載一定時，電子電流增加，直到T轉矩相等，電便

（a）Uc（b）相位差小于908-12可見，改變控制電壓的數值或相位也可以控制電的轉速。普通的兩相和三相異步電正常情況下都是在對稱狀態下運行的，不對稱狀態導致電流增加很大，屬于故障運行。而交流伺服電的轉子繞組電阻很大，則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制的目的。這是交流伺服電在運行上與普通異步電的根本區別。3、轉速控綜上所述，交流伺服電可以有以下幾種轉速控制方式雙相控制：控制電壓與勵磁電壓的相位差保持90不變，同時按相同比例改變它們的大小來改變電的轉速。幅值控制：控制電壓與勵磁電壓的相位差保持90不變，通過改變控制電壓的大小來改變電的轉速。來改變電的轉速。幅相控制：同時改變控制電壓的大小和相位來改變電的轉速【問題引出】反應式步進電動的靜態穩定區和動態穩定區一個步距角，因此也稱為脈沖電。步進電可分為螺管線圈棘輪式、反應式、永磁式、混合式、機電式和電液式6種。步進電基本可以作為無刷直流電、同步電動機、數字驅動電、開環伺服電和增量運動電來應用。本節以反應式步進電為例來介紹步進電的基本工作原理步進電的工作原理及結（a）U（（a）U（b）V（c）W進電，它6

圖8-13三相反應式步進電的原理反應式步進電的運行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著磁阻最小的路由于磁通力圖走磁阻最小的磁路，當只給U相繞組通電時，轉子齒13與定子u相8-13（a）U，V4V8-13（b）位置，轉子前進一步，逆時針轉過30轉子又轉過308-13（c）UVWU…順序不斷地切換通電順序，電就會隨之一步步地旋轉，這就是反應式步進電的基本工作原理。UWVU…時，電反轉。這種每次僅一相通電方式稱為“單三拍”工作方式。如果每次有兩相通電，切換順序為UVVWWUUV…，則為“雙三拍”工作方式，這種工作方式的步距角也是30，改變通電順序也可以反轉。如果UUVVVWWWUU，稱為“三相單、六拍”方式，步距角為152、典型的反應式步進電結為了提高步進精度，實用的步進電步距角都較小圖8-14示出了一種典型的反應式步進電它8-14典型的三相反應式tt為齒距，3)，W

上述 有以下數據：轉子齒數Zr40，相數m3，每齒對應空間角3609，定子每個磁極對應空間角為360604062 t3

3

8-15

控制時，步距角b

360

采用單、雙六拍通電控制時，步距角b

率f成正比，且有N

n60Zr

步進電的運行特1、靜態矩機處 狀態，這時的轉矩T與轉角的關系稱為矩角特性T應轉矩，所以角以轉子轉過一個齒矩t360下 來分析步進 時轉矩T與轉角的關系

f。因為轉矩T是，當定子U相通電，U相兩個磁極下的齒剛好與轉子齒完全對齊 規定這時0， 無切向磁拉力，轉矩T0，如圖8-16（a）所示；， 轉子錯開的，故為負值。當90時，越大，T也越大，如圖8-16（b）所示；當90時，由于磁力線減少，T也減小；當180T08-16（c）當繼續加大，下一個定子齒對轉子齒的磁拉力變大，使轉矩T8-16（d）反應式步進電的矩角特性90附近，轉矩有最大值Tmax，稱為最大靜態轉矩，它表示反應式步進電能承受的最大負載能力，是步進電的主要性能指標之

圖8-17反應式步進電的矩角特 的靜態穩定區為：其中，0為穩定平衡點，也是平衡點，2、步進運機為步進運行狀態。這種狀態下步進電能否正常運行，取決于電是否一直在動態步進電從一種通電狀態換接到另一種通電狀態，不會引起失步的區域，稱為動態 圖8-18三相反應式步進電的動態穩定區8-18UVUVOVb、b)，在換接瞬間只要轉子位置在這一區域內，轉子就能轉到新的穩定平衡點OV，所以把這個區域稱為步進電的動態穩定區。顯然，以上分析都是在電處于理想空載情況下進行的3、高頻運行時的矩頻特當步進電高頻恒頻運行時，電處于連續旋轉狀態，這時的電轉矩稱動態轉矩。動態轉矩與脈沖頻率的關系稱為矩頻特性Tff。步進電的動態轉矩隨脈沖頻率的升高而減小，8-19

圖8-19步進電的矩頻特所以轉矩也下降，而且頻率越高，轉矩下降越大。因此，步進電的負載能力隨頻率的步進電的另一個重要指標是起動頻率，也稱突跳頻率。它是指電空載時使轉子從不失步地拉入同步的最大脈沖頻率當要電高頻運行頻率高于起動頻率時，就不能直接加這一頻率的電源把步進電從狀態起動起來。這時就要對步進電的電源進行升、降頻控制，使電能夠正常起動與停車。【問題引出】開關磁阻電與大步距反應式步進電的區別是什么開關磁阻電（SwitchedReluctanceMotor，簡稱SRM或SR電機，與反應式同步電和反應式步進電一樣，也是依靠磁阻效應工作的一種電。SR電機的結構及工作原【展開講解】SR圖8-為8/6極SR電機的實物圖，圖8-21SR電機為雙凸極式結

8-208/6SR普通硅鋼片疊壓而成。定子極繞有集中繞組，轉子上既沒有繞組，也沒有磁鐵，更沒SR電機定子上徑向相對的兩個磁極繞組串聯構成一個兩極磁極，稱為（SR電機的）SRpNspNs

SRSR電機多為單相或兩相徑向—軸向式結構，工業用驅動電多采用從結構上看，SR電機與大步距的步進電

8-218/6SR似，實際上，二者有根本的區別。首先，SR電機相電流導通角可控，且與轉子位置有關，SR電機能在較寬的范圍內調速，并能高效地進行能量轉換；步進電無此功能。2、工作原8-218/6SR8-22給出了AA（其它相斷電）AAAA8-22A—D—C—BSRNrRR

從圖8-22可知，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源Us吸收電能；而當S1、S2關斷時，繞組電流經續流二極管VD1、VD2續流，并回饋給電源Us。因此，SRn（r/minn60fpN

SR電機的電磁關1、每SR電機每相電感系數LL與在圖8-23中，5與1是同系數變化的一個周期8/6SR機械角度，60機械角度對應在1～2區間內，定轉子磁極不相，電感保持最小LminSR

8-231—定子極靴前極尖與轉子極靴后極尖相對準時的角度2—定子極靴后極尖與轉子極靴前極尖相對準時的角度線性地上升直到3為止；基于電綜合性能的考慮，轉子極弧r通常要求大于定子極s，故在3～4區域（4－3=r－s）內，定、轉子磁極保持，相應地定、轉子凸極Lmax4之后，相電感便開始線性降直到5為止，至此為一個周期。8-23SR

12 2 2

2

式中，K=(Lmax－Lmin)/(3－2)=(Lmax－Lmin)/s2、每相磁鏈i與角的關系8-22易得，每相電壓方程為

4SUir 式中，S為+1或1S導通期間，S=＋1S關斷期間，S1。r，則式（8-11）為SU

d

dt ddS

SS斷開（對應off角）后又持的變化呈等腰三角形，在off角8-24所示。

8-24每相磁鏈i隨U( U

on

(2

on

(2

on在磁路為線性的條件下，磁鏈Li，因此，式（8-13）SUd(Li)Ldii

158-24所示。3、電SRTeWcWc(i,Te

iWc0(i,i

16T1i2dL(

SR電機的電磁轉矩。SR電機的控制方SR電機的可控變量一般有施加于相繞組兩端的電壓±U、相電流i、開通角θon和關斷角θoff等。根據控制參量的不同，SR電機常用的控制模式有角度位置控制（AngularControl簡稱CCC控制，又叫電流控制）和電壓斬波控制。1、APC控APCon，而它通常處于低電感區，則可以改變電流的波形寬度、在APC控制中，改變off一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲具體實現過程中，一般情況下采用固定off、改變on的控制模式。與此同時，固定off2、CCC控SR電機起動、低、中速運行時，電壓不變，旋轉電動勢引起的壓降小，電感上升CCC控制來限制電流。采用CCC控制時，一般使SR電機的on與off保持不變，而主要靠控制斬波電流限的限制電流上、下幅

8-25CCC電流上限和關斷時3、電壓斬電壓斬波控制是某相繞組導通階段，在主開關的控制信號中加入信號，通過調D角的情況下，用號來調制主開關器件相控信號，通過調節此信號的占比，出轉矩。電壓斬波控制是通過的方式調節相繞組的平均電壓值，間接調節和限制過控制相電流。【問題引出】直線異步電與普通異步電的區別是什么直線電是近年來國內外積極研究發展的新型電機之一在需采用直線驅動的場合，決前者存在體積大、效率低、精度問題。目前，在交通、機械工業、儀器儀表工直線電的分【展開講解】直線電的分類直線電機可以看成是從旋轉電演化而來的如圖8-26所示設想把旋轉電沿徑向剖開并拉直，就得到了直線電。旋轉電的徑向、和軸向，在直線電從原理上講，每種旋轉電機都有與之相對應的直線電機。直線電按工作原理可分為直線異步電、直線同步電、直線直流電和其他直線電（如直線步進、直線無刷直流電等（a）旋轉電——沿徑向剖開（b）把圓周展成直線——直線電動圖8-26旋轉電到直線電的26機的運動部分既可以是初級，也可以是次級。按初級運動還是次級運動可以把直線電直線電僅在一邊安放初級，這種結構的直線電稱為單邊型直線電。單邊型直線電最大的特點是在初級和次級之間存在很大的法向吸力。在大多數情況下，8-26直線電的結構及工作原在此，僅以直線異步電為例說明直線電的結構特點和工作原理1、直線異步電的結初如圖8-26所示。初級鐵心也是由硅鋼片疊成的，一面開有槽，三相(或單相)繞組嵌置于槽配時四周用螺栓拉緊，如圖8-27所示。整個餅式線圈都是有效邊，因此，管型電機不存在 8-271—厚壁2—銅管或鋁管3—滑動軸4—端 6—餅式繞組7—螺次如圖8-28所示般是在鋼板上開

8-28NS力，可以在外圓覆蓋一層

8-29圖8-308-30氣由于直線電的氣隙大，因此其功率因數較低。這是直線異步電的主要缺點圖8-31直線電的工作原B8-電源頻率為f（單位：Hz；則磁場移動速度（單位：m/s）為vs2

方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，則滑差率為

svs

v(1s)vs2f(1

直線電的特 但由于容量一般不大（1kW以下，這些缺點就不突出；而它具有最大優點就是不需要三伺服電按電流種類的不同，可分為直流伺服電和交流伺服電徑向式和徑向—軸向混合式結構。通常，小容量家用電器上用的SR電機多為單相或兩相SR電機的可控變量一般有施加于相繞組兩端的電壓±Ui、開通角θon和關 單相異步電正常運行時轉速為n轉差率為s證明這時對負序電而（同步轉速為n1s2s。交流伺電的理想空載轉速為何總是低于同步轉速？當控制電壓變化時電?步進電負載轉矩TL小于最大靜轉矩時，步進電能否正常步進運行，為么開關磁阻電的功率變換器與變頻異步電調速系統的功率變換器有何雙拍運行時1.5，求轉子齒數

3繞組，假設步進電的轉速為n＝100r／min，已知轉子有24個齒極，求（1）步進電動（2）有一臺BF系列四相反應式步進電步距角為

0.9試問

（4）在A相繞組中測得電源頻率為400Hz時，步進電轉速是多少?第8 單相異步電........................................................................................................單相異步電的分 單相異步電的工作原 HYPERLIN