會計學1直流電動機單相交流電機步進電機及伺服電機本課作業7-137-147-1810第2頁/共88頁第1頁/共88頁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。直流電機的優點：（1）調速性能好:調速范圍廣，易于平滑調節。（2）起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具第3頁/共88頁第2頁/共88頁7.2.2工作原理

一、工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II第4頁/共88頁第3頁/共88頁注意：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。FFU+–NS電刷換向片II第5頁/共88頁第4頁/共88頁FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場中旋轉，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。第6頁/共88頁第5頁/共88頁直流發電機用右手定則判感應電動勢Ea的方向U+–NSEEIa電樞繞組電阻Ra感應電動勢輸出電壓第7頁/共88頁第6頁/共88頁二、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第8頁/共88頁第7頁/共88頁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：永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。第9頁/共88頁第8頁/共88頁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。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U第10頁/共88頁第9頁/共88頁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FFU+–NS電刷換向片IIEE第11頁/共88頁第10頁/共88頁根據右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機結構有關的常數n：電動機轉速：磁通單位：（韋伯），n（轉/每分），E（伏）FFU+–NS電刷換向片IIEE第12頁/共88頁第11頁/共88頁二、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MRaIaE+–+–U以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動勢的大小和磁通、轉速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當外加電壓一定時，電機轉速和磁通成反比，通過改變

可調速。第13頁/共88頁第12頁/共88頁7.2.4電磁轉矩KT：與線圈的結構有關的常數（與線圈大小，磁極的對數等有關）：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流一、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。(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。第14頁/共88頁第13頁/共88頁二、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TL：負載轉矩T0

：空載轉矩轉矩平衡過程：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。第15頁/共88頁第14頁/共88頁例：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TL

nEIaT

最后達到新的平衡點。第16頁/共88頁第15頁/共88頁

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即：其中，M他勵UfIfIaU第17頁/共88頁第16頁/共88頁n0：

理想空載轉速,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n0nNTNTnn其中，第18頁/共88頁第17頁/共88頁串勵的特點：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=KIa,則據此公式做出T-n曲線nTM串勵UIa第19頁/共88頁第18頁/共88頁(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。nT第20頁/共88頁第19頁/共88頁(2)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。第21頁/共88頁第20頁/共88頁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：第22頁/共88頁第21頁/共88頁由該式可知，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，M他勵UfIfIaU其中：=KIf第23頁/共88頁第22頁/共88頁

Rf

Ifn

，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

Ifn，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。其中，第24頁/共88頁第23頁/共88頁2.特性的變化所以：磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。，因為：（

減小）TLRf增加Tn其中，第25頁/共88頁第24頁/共88頁調速過程:

U一定,則RfEIaTnIaE暫時T

>TL其中，最后達到新的平衡T

=TL第26頁/共88頁第25頁/共88頁（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：第27頁/共88頁第26頁/共88頁二、改變電樞電壓調速由轉速特性方程知：調電樞電壓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nn0"n0'n0電壓降低T其中，第28頁/共88頁第27頁/共88頁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nU，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。MUfIfIaU變壓整流220V~整流調壓220V~Uf=110V固定U=0~110V可調改變電樞電壓調速方案舉例：第29頁/共88頁第28頁/共88頁例：已知他勵電動機的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時,

n=?（2）=0.8

N時,

n=?解：（1）TL=0.5TN時第30頁/共88頁第29頁/共88頁（2）=0.8

N時第31頁/共88頁第30頁/共88頁這種調速方法耗能較大，只用于小型直流機。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，nnn0RaRa+

RT其中，第32頁/共88頁第31頁/共88頁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。第33頁/共88頁第32頁/共88頁(1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉矩T=KTIa，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。直流機在啟動和工作時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生以下事故：注意：第34頁/共88頁第33頁/共88頁（2）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。（3）如果電機空載運行，可能造成飛車。EIaT>>

T0

n飛車第35頁/共88頁第34頁/共88頁措施：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。M他勵UfIfIaU第36頁/共88頁第35頁/共88頁2.反轉電動機的轉動方向由電磁力矩的方向確定。（1）改變勵磁電流的方向。（2）或改變電樞電流的方向。改變直流電機轉向的方法：第37頁/共88頁第36頁/共88頁（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MUUfIf+–R運行制動電阻R的作用是限制電源反接制動時電樞的電流過大。第38頁/共88頁第37頁/共88頁（2）能耗制動—

電樞斷電后立即接入一個電阻。MUUfIf+–R運行制動K停車時，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時：由于慣性電樞仍保持原方向運動，感應電動勢方向也不變，電動機變成發電機，電樞電流的方向與感應電動勢相同，從而電磁轉矩與轉向相反，起制動作用。第39頁/共88頁第38頁/共88頁特殊情況下，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)發電回饋制動第40頁/共88頁第39頁/共88頁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1~2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。自學第41頁/共88頁第40頁/共88頁（2）繞組的符號S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2電樞繞組他勵繞組并勵繞組串勵繞組換向極繞組補償繞組啟動繞組始端繞組名稱末端第42頁/共88頁第41頁/共88頁二、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）第43頁/共88頁第42頁/共88頁注意：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）。第44頁/共88頁第43頁/共88頁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。定子轉子定子繞組第45頁/共88頁第44頁/共88頁220V~NS

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。在電流正半周在電流負半周？第46頁/共88頁第45頁/共88頁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：

定子繞組產生的脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即：

+

-tm=

+

-=

m/2第47頁/共88頁第46頁/共88頁脈動磁場的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①

+

-

第48頁/共88頁第47頁/共88頁正反向旋轉磁場的合成轉矩特性合成轉矩起動轉矩為零。（正向）（反向）正轉轉反第49頁/共88頁第48頁/共88頁電容分相式起動二、單相異步電動機的起動~KDCWSTW:主繞組（工作繞組）ST：啟動繞組K：離心開關AXA'X'WSTAXA'X'第50頁/共88頁第49頁/共88頁~KDCWST接近90°電容分相式單相異步電動機起動原理第51頁/共88頁第50頁/共88頁~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0NS第52頁/共88頁第51頁/共88頁t=t0WSTAXA'X'NSWSTAXA'X'NSt=t1磁場逆時針方向旋轉t=t0t=t1第53頁/共88頁第52頁/共88頁啟動時開關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~KDCWSTAXA'X'第54頁/共88頁第53頁/共88頁罩極式單相電機定子磁極轉子短路環

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。第55頁/共88頁第54頁/共88頁

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，必須趕快排除故障。第56頁/共88頁第55頁/共88頁第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直流伺服電動機第57頁/共88頁第56頁/共88頁

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。概述如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速；步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。

控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號。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。第58頁/共88頁第57頁/共88頁§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。第59頁/共88頁第58頁/共88頁種類：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。第60頁/共88頁第59頁/共88頁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。定子轉子定子繞組第61頁/共88頁第60頁/共88頁

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。ABC定子轉子IAIBIC第62頁/共88頁第61頁/共88頁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（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

第63頁/共88頁第62頁/共88頁（3）工作過程化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A相通電，A方向的磁通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁A相通電使轉子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A3412第64頁/共88頁第63頁/共88頁CA'BB'C'A3412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。1C'342CA'BB'A第65頁/共88頁第64頁/共88頁

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。第66頁/共88頁第65頁/共88頁二、三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。CA'BB'C'A3412第67頁/共88頁第66頁/共88頁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。CA'BB'C'A3412第68頁/共88頁第67頁/共88頁總之，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。CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15。第69頁/共88頁第68頁/共88頁三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電第70頁/共88頁第69頁/共88頁以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。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。CA通電CA'BB'C'A3412第71頁/共88頁第70頁/共88頁7.4.3小步距角的步進電動機實際采用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。第72頁/共88頁第71頁/共88頁轉子的齒距等于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。第73頁/共88頁第72頁/共88頁工作原理：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相的轉子、定子相差2/3個齒（6）。第74頁/共88頁第73頁/共88頁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。第75頁/共88頁第74頁/共88頁f：電脈沖的頻率

轉速

步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為步距角。m:一個周期的運行拍數Zr：轉子齒數如：Zr=40,m=3時步距角第76頁/共88頁第75頁/共88頁§7.5伺服電動機

交流伺服電動機和直流伺服電動機。伺服電動機分類：

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。伺服電動機的作用第77頁/共88頁第76頁/共88頁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。控制繞組勵磁繞組轉子第78頁/共88頁第77頁/共88頁勵磁繞組中串聯電容C的目的是為了產生兩相旋轉磁場。接線：勵磁繞組的接線放大器控制繞組的接線檢測元件控制信號第79頁/共88頁第78頁/共88頁

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。1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。勵磁繞組的接線第80頁/共88頁第79頁/共88頁放大器控制繞組的接線檢測元