特種電機的應用

1、項目四項目四 特種電機的應用特種電機的應用任務一任務一 伺服電動機伺服電動機 任務二任務二 測速發(fā)電機測速發(fā)電機任務三任務三 步進電動機步進電動機任務四任務四 直線電動機直線電動機34 12目錄任務一任務一 伺服電動機伺服電動機 學習目標學習目標1了解伺服電動機的特點、用途和分類。2認識伺服電動機的外形、內部結構，了解各部件的作用。3了解伺服電動機的基本工作原理和主要運行性能。4學會合理選用伺服電動機。5了解典型伺服控制系統(tǒng)的組成。任務分析任務分析伺服電動機也稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將輸入的控制電壓信號轉換為轉軸的角速度或角位移輸出。伺服電動機與一般的旋轉電機不一樣

2、，旋轉電機側重于機、電能量的變換，而伺服電動機則側重于控制特性的高精度和快響應。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求有以下幾方面:1盡可能高的快速響應性能。即轉子的轉動慣量小，轉矩/慣量比大。2良好的低速平穩(wěn)性，無“自轉現象”。即控制電壓為零時，電動機迅速自動停轉。3盡可能大的調速范圍。4具有線性的機械特性和調節(jié)特性。5過載能力強。自動化設備中的伺服系統(tǒng)可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。20世紀70年代以來，相繼研制出了力矩電機、印制繞組電機、無槽電機、大慣量寬調速電機等性能良好的現代直流伺服電機，及現代三相交流永磁伺服電機、交流異步伺服電機等。直流伺服電機和交流伺服電動機的外形如圖4-1

3、所示。(a)直流伺服電動機 (b) 交流伺服電動機圖4-1伺服電動機 從現在伺服電動機的應用情況看，因為直流伺服電動機能在大范圍內實現精密的速度和位置控制，所以要求系統(tǒng)性能高的場合仍然使用直流伺服系統(tǒng)。與直流伺服電動機相比，現代交流伺服電動機具有無刷、高可靠性、散熱好、轉動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)等優(yōu)點。近年來，交流伺服系統(tǒng)逐漸受到重視并得到廣泛使用，有逐步取代直流伺服系統(tǒng)的趨勢。熟悉伺服電動機及其驅動技術，對每個從事電氣自動化尤其是精密數控技術的電氣技術人員在實際工作中具有非常重要的意義。 相關知識相關知識一、交流伺服電動機一、交流伺服電動機 交流伺服電動機實質上就是一種微型交流異步電動機。

4、其定子結構與電容運轉單相異步電動機相似。如圖4-2所示，交流伺服電動機的定子圓周上裝有兩個互差900電角 圖4-2交流伺服電動機原理圖度的繞組，一個叫勵磁繞組f，另一個叫控制繞組C，勵磁繞組與交流電源Uf相連，控制繞組接輸入信號電壓UC，所以交流伺服電動機又稱兩相伺服電動機。 交流伺服電動機的轉子通常做成鼠籠式，但轉子的電阻比一般異步電動機大的多。為了使伺服電動機輸入信號能有快速的反應，必須盡量減小轉子的轉動慣量，所以轉子一般做得細而長。近年來，為了進一步提高伺服電動機的快速反應性，采用了如圖4-3所示的空心杯形轉子。這種結構的伺服電動機其定子有內，外兩個鐵心，均用硅鋼片疊成。在外定子鐵心上裝

5、有在空間上相差900電角度的兩相繞組，而內定子鐵心則用以構成閉合磁路，減小磁組。在內，外定子之間有一個杯形的薄壁轉子，由鋁或鋁合金的非磁性金屬制成，壁厚約0.20.8毫米，用轉子支架裝在轉軸上。杯形轉子的特點是轉子非常輕，轉動慣量很小，能極迅速和靈敏地轉動和停止。缺點是氣隙稍大，因此空載電流大，功率因數和效率低。 圖4-3空心杯形轉子異步電動機1-外定子鐵心2-內定子鐵心3-定子繞組4-杯形轉子5-轉子支架交流伺服電動機的工作原理和電容運轉單相異步電動機相似。在沒有控制信號時，定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場，轉子上沒有電磁轉矩作用而靜止不動。當有控制電壓時定子就在氣隙中產生一個旋轉磁場，并產

6、生電磁轉矩使轉子沿旋轉磁場的方向旋轉。由于電磁轉矩的大小決定于氣隙磁場的每極磁通量和轉子電流的大小和相位，也即決定于控制電壓UC的大小和相位，所以可采用下列三種方法來控制電動機，使之啟動、旋轉、調速和停止。1 1幅值控制幅值控制即保持控制電壓UC的相位角不變，僅僅改變其幅值大?。?相位控制即保持控制電壓UC的幅值不變，僅僅改變其相位；3幅相控制即同時改變控制電壓UC的幅值和相位。交流伺服電動機與單相異步電動機相比，有三個顯著特點。（1）啟動轉矩大 由于轉子電阻很大，定子加控制電壓，轉子可立即啟動運轉。（2）運行范圍寬 在轉差率從0到1的范圍內伺服電動機都能穩(wěn)定運轉。（3）無自轉現象 正常運轉的

7、伺服電動機只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。交流伺服電動機的輸出功率一般在100瓦以下，電源頻率為50赫茲時，其電壓有36伏、110伏、220伏、380伏數種，當頻率為400赫茲時，電壓有20伏、36伏、115伏等多種。交流伺服電動機運行平穩(wěn)、噪音小，但控制特性非線性，并且由于轉子電阻大使損耗大、效率低。因此與同容量的直流伺服電動機相比體積大、質量大，所以只適用于0.5100瓦的小功率控制系統(tǒng)中。 二、直流伺服電動機二、直流伺服電動機 直流伺服電動機實質上就是一臺他勵式直流電動機，其結構、原理與一般直流電動機基本相同。但直流伺服電動機也有其本身的特點：與普通直流電動機相比，直流伺服電動機氣隙

8、比較小，磁路不飽和，磁通和勵磁電流與勵磁電壓成正比； 電樞電阻較大，機械特性為軟特性；電樞比較細長，轉動慣量?。粨Q向性能好，不需換向極。直流伺服電動機有他勵式和永磁式兩種，其轉速由信號電壓控制。信號電壓若加在電樞繞組兩端，稱為電樞控制；若加在勵磁繞組兩端則稱為磁極控制。由于電樞控制的直流伺服電動機的機械特性線性度較好、不需換向極。且由于電樞回路電感較小，因而電磁慣性較小，故其響應速度比磁極控制式快，所以在工程上多采用電樞控制。直流伺服電動機的機械特性方程與他勵直流電動機一樣，可用下式表示： TCCRCUnmeae2圖44為電樞控制式直流伺服電動機的接線原理圖，其中Uf保持恒值。當電樞電壓改變時

9、，就得到一組平行的機械特性；如圖44（b）所示。圖44電樞控制式直流伺服電動機的接線原理圖及機械特性（a）接線原理圖 （b）機械特性直流伺服電動機的優(yōu)點是具有線性的機械特性，啟動轉矩大，調速范圍寬廣而平滑，無自轉現象，且與同容量的交流伺服電動機比較，體積小，質量輕。其缺點是轉動慣量大，靈敏度差；轉速波動大，低速運轉不平穩(wěn)；換向火花大，壽命短，對無線電干擾大。為了適應自動控制系統(tǒng)對伺服電動機快速響應性越來越高的要求，近年來，國內外已在傳統(tǒng)直流伺服電動機的基礎上，發(fā)展了低慣量的無槽電樞、空心杯電樞、印制繞組電樞和無刷直流伺服電動機。 無槽電樞直流伺服電動機的電樞鐵心上沒有開槽，鐵心為一個光滑的圓柱

10、體，電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹脂把它們與電樞鐵心固化成一個整體，如圖45所示?？招谋姌兄绷魉欧妱訖C的結構如圖46所示。它有一個外定子和內定子，外定子通常是由兩個半圓形的永久磁鋼組成。 圖45無槽電樞直流伺服電動機的結構圖4646空心杯電樞直流伺服電動機的結構1-換向器2-電刷3-空心杯電樞4-外定子5-內定子而內定子則為圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁路磁阻。空心杯電樞上的繞組可以先繞成單個成型線圈，然后將它們沿圓周的軸向排列成空心杯形，再用環(huán)氧數脂固化成型?？招谋姌兄g裝在電機軸上，在內外定子間的氣隙中旋轉，電樞繞組則接到換向器上，由電刷引出。印制繞組直流

11、伺服電動機的結構如圖47所示，其轉子成薄片圓盤狀，厚度一般為1.52毫米。轉子基片由環(huán)氧玻璃布膠板制成，基片兩側的銅箔用印刷電路的方法制成雙面電樞繞組。這種伺服電機的定子磁極為永久磁鐵，由于轉子沒有鐵心，故轉動慣量很小，對控制電壓反應快，可用于啟動頻繁的系統(tǒng)中。 圖47印制繞組直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機多用于高精度的自動控制系統(tǒng)及測量裝置等設備中，如電視攝象機、錄音機、XY函數記錄儀及機床控制系統(tǒng)等方面。這類電機是直流伺服電動機的發(fā)展方向，應用也日趨廣泛，因此在國內外已引起許多使用和制造單位的重視。直流伺服電動機一般用在功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出的功率約為1600瓦。目前國內生產的直流伺

12、服電動機主要有SY和SZ兩個系列，SY系列為永磁式結構，SZ為點磁式結構。技能訓練技能訓練訓練項目訓練項目 交流伺服電動機的操作使用交流伺服電動機的操作使用 一、任務目標一、任務目標1學會交流伺服電動機的接線。 2測試交流伺服電動機的性能。二、工具、儀器和設備二、工具、儀器和設備1三相交流調壓電源一套。2交流伺服電動機一臺。3變壓器 (127/220V)一臺。4調壓器 （220/0250V)一臺。5交流電壓表兩塊。6轉速表一塊。三、實訓過程三、實訓過程1繪制交流伺服電動機的工作電路參考電路如圖4-8所示，電路的接線如圖4-9所示。交流電壓表選用300V量程，交流電源輸出電壓調至最小，控制繞組調

13、壓器輸出調至最小。 圖4-8 交流伺電動機的工作電路 圖4-9 交流伺服電動機的實訓接線2接通勵磁電源開關S2，升高交流電源輸出電壓使勵磁電壓 220FUV。 再接通控制電源開關Sl，慢慢升高控制電壓 CU，注意觀察并記錄交流 伺服電動機的始動電壓。 stU= V 3繼續(xù)升高交流伺服電動機的控制電壓和轉速，直至 CU=220V。 4逐漸減小控制電壓使電動機減速，用手持式轉速表測量交流伺服電動機對應于不同控制電壓時的轉速，記錄對應的電壓和轉速，測取78組數據，記錄于表4-1中。 表4-1 交流伺服電動機的調速特性記錄表（V）n（r/min）5測試結果經指導教師確認后，依次斷開開關S2和S1。 四

14、、注意事項四、注意事項1控制繞組的調壓器接到 U、 V相 ， 引入線電壓 UVU，勵磁繞組的 變壓器接到 W相，引入相電壓 WUWU，這樣才能使 FU與 CU相位差90。 2測試過程中注意變壓器和電動機的電壓不能調得過高，以防發(fā)生事故。 五、技能訓練考核評分記錄表五、技能訓練考核評分記錄表 ( (見表見表4-2)4-2)表4-2 技能訓練考核評分記錄表 測取調速特性)(Ufn 序號考核內容考核要求配分得分1技能訓練的準備預習技能訓練的內容102儀器、儀表的使用正確使用萬用表、轉速表、實驗臺等設備103交流伺服電動機的接線電路繪制正確、接線速度快304交流伺服電動機的操作通電運行一次成功，操作規(guī)

15、范305操作規(guī)范，數據測量正確206合計得分7否定項發(fā)生重大責任事故、嚴重違反教學紀律者得0分8指導教師簽名日期六、技能訓練報告六、技能訓練報告1技能訓練項目名稱。2技能訓練的任務目標。3技能訓練所用的工具、儀器和設備。4繪制交流伺服電動機的實訓電路。5記錄實訓的過程、現象和數據結果。6畫出交流伺服電動機的調速特性曲線 )(Ufn 7小結、體會和建議。思考與練習思考與練習1伺服電動機的作用是什么?自動控制系統(tǒng)對伺服電動機有什么要求?2直流伺服電動機有哪幾種控制方式?一般采用哪種控制方式?3交流伺服電動機有哪幾種控制方式?如何使其反轉?4什么叫“自轉”現象?交流伺服電動機是如何消除“自轉”現象的

16、?5技能訓練中，交流伺服電動機是如何獲得相位差90電角度的兩相對稱交流電的?其原理是什么?任務二任務二 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 學習目標學習目標1了解測速發(fā)電機的功能和應用。2熟悉直流測速發(fā)電機的基本結構和工作原理。3熟悉交流測速發(fā)電機的基本結構和性能特點。4了解測速發(fā)電機的性能參數。任務分析任務分析測速發(fā)電機是一種反映轉速信號的電器元件，它的作用是將輸入的機械轉速變換成電壓信號輸出。測速發(fā)電機的外形結構如圖4-10所示。在自動控制系統(tǒng)中測速發(fā)電機主要用作測速元件、阻尼元件（或校正元件)、解算元件和角加速度信號元件。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的要求是:1輸出電壓要與轉速呈線性關系。2正、反轉的特性

17、一致。3輸出特性的靈敏度高。4電機的轉動慣量小。測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩類。近年來還出現了采用新原理、新結構研制成的霍爾效應測速發(fā)電機等。了解測速發(fā)電機的工作原理、性能特點、主要參數，對我們正確使用自動控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。圖4-10測速發(fā)電機相關知識相關知識一、直流測速發(fā)電機一、直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的結構和直流伺服電動機基本相同，從原理上看又與普通直流發(fā)電機相似。若按定子磁極的勵磁方式來分，直流測速發(fā)電機可分為永磁式和電磁式兩大類。如以電樞不同結構形式來分，又有有槽電樞、無槽電樞、空心杯電樞和印制繞組電樞等。近年來，為滿足自動控制系統(tǒng)的要求，又出現了永磁

18、式直線測速發(fā)電機。永磁式測速發(fā)電機由于不需要另加勵磁電源，也不存在因勵磁繞組溫度變化而引起的特性變化，因此在生產實際中應用較為廣泛。 永磁式測速發(fā)電機的定子用永久磁鐵制成，一般為凸極式。轉子上有電樞繞組和換向器，用電刷與外電路相連。由于定子采用永久磁鐵勵磁，故永磁式測速發(fā)電機的氣隙磁通總是保持恒定的。直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速成正比，因此，只要測出直流測速發(fā)電機的輸出電壓就可測得被測機械的轉速。事實上，測速發(fā)電機帶上負載后，由于客觀存在的電樞電流的去磁作用和電機溫度的變化，都會使得輸出電壓下降，從而破壞了輸出電壓與轉速的線性關系，特別是當負載電阻較小，轉速較高，電流較大時，輸出電壓與轉速將

19、不再保持線性關系，如圖411所示。在測速發(fā)電機的技術數據中，提供了最小負載電阻和最高轉速，使用時應加以注意。圖411直流測速發(fā)電機的輸出特性 直流測速發(fā)電機由于存在電刷和換向器的接觸結構，所以存在對無線電有干擾、壽命短等缺點，使得其應用和發(fā)展受到限制。近年來，無刷測速發(fā)電機的發(fā)展，改善了它的性能，提高了可靠性，使直流測速發(fā)電機又獲得了廣泛的應用。目前，我國生產的直流測速發(fā)電機主要有CY和ZCF兩個系列。其中CY系列為永磁式直流測速發(fā)電機，ZCF系列為電磁式直流測速發(fā)電機。除此之外，為了提高直流測速發(fā)電機的靈敏度，我國還研制生產了一種CYD系列的高靈敏度直流測速發(fā)電機，其主要特點是電機直徑大，軸

20、向尺寸小，靈敏度高。其靈敏度比普通測速發(fā)電機高1000倍，特別適用作為低速伺服系統(tǒng)中的速度檢測元件。 二、交流異步測速發(fā)電機二、交流異步測速發(fā)電機圖412交流測速發(fā)電機原理圖 目前，在自動控制系統(tǒng)中應用較多的是空心杯形轉子的異步測速發(fā)電機，其結構形式與空心杯形轉子的交流伺服電動機相似。定子上裝有兩個在空間相差900電角度的繞組，其中一個為勵磁繞組f，接到頻率和大小都不變的交流勵磁電壓Uf上。另一個是輸出繞組O，與高內阻的測量儀器或儀器儀表相聯，如圖412所示。 不同的是測速發(fā)電機的杯形轉子是用高電阻材料做成的，故其轉子電阻更大，壁厚為0.20.3毫米。 勵磁繞組f接到交流電源上，其電壓為Uf，

21、且其幅值和頻率均恒定不變。在勵磁電壓Uf的幅值和頻率恒定，且輸出繞組負載很小（接高電阻）時，交流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速成正比，而其頻率與轉速無關，就等于電源的頻率。因此，只要測出其輸出電壓的大小就可測出轉速的大小。若被測機械的轉向改變，則交流測速發(fā)電機的輸出電壓在相位上發(fā)生1800的變化?？招谋D子測速發(fā)電機與直流測速發(fā)電機相比，具有結構簡單，工作可靠等優(yōu)點，是目前較為理想的測速元件。目前，我國生產的空心杯轉子測速發(fā)電機為CK系列，頻率為50赫茲和400赫茲兩種，電壓等級有36伏、110伏等。技能訓練技能訓練訓練項目訓練項目 測試永磁式直流測速發(fā)電機的輸出特性測試永磁式直流測速發(fā)電機的輸出

22、特性 一、任務目標一、任務目標1了解直流測速發(fā)電機的性能參數。2測試直流測速發(fā)電機的輸出特性。二、工具、儀器和設備二、工具、儀器和設備1直流勵磁電源和電樞電源各一套。2校正直流電機一臺。3永磁式直流測速發(fā)電機一臺。4直流電壓表、轉速表各一塊。5可調電阻器三只。三、實訓過程三、實訓過程1繪制測試直流測速發(fā)電機輸出特性的實訓電路 參考電路如圖4-13所示，電路的接線如圖4-14所示。校正直流電機MG按照他勵直流電動機方式工作， fRP選用1800阻值， LR選用5400阻值， 接線。把 fRP調至最小， aRP和 LR調至最大，直流電壓表選用l00V擋，電樞電源輸出電壓調至最小，開關S3斷開。圖4

23、-13 直流測速發(fā)電機參考電路圖4-14 直流測速發(fā)電機實訓接線 2先接通勵磁電源開關Sl，再接通電樞電源開關S2，直流電動機MG啟動后，將 aRP調至最小，升高電樞電源輸出電壓并適當減小勵磁電阻 fRP使轉速達到2000r/min。然后減小電樞電源輸出電壓并調節(jié) aRP使電動機 逐漸減速。記錄對應的轉速和輸出電壓，測取78組數據，記錄于表4-3中。3閉合開關S3，重復上面步驟，記錄78組數據于表4-4中。4測試結果經指導教師確認后，依次斷開開關S3、S2和S1。表4-3 直流測速發(fā)電機空載輸出特性u（V）n（r/min）表4-4 直流測速發(fā)電機負載輸出特性u（V）n（r/min）四、注意事項

24、四、注意事項1直流電動機工作前必須先加勵磁，否則電動機會 “飛車”，所以接通開關的順序是S1S2S3；斷開開關的順序是S3S2S1。2啟動直流電動機前，必須串入足夠的電樞回路電阻，否則系統(tǒng)會自動保護。五、技能訓練考核評分記錄表五、技能訓練考核評分記錄表 ( (見表見表4-5)4-5)表4-5 技能訓練考核評分記錄表序號考核內容考核要求配分得分1技能訓練的準備預習技能訓練的內容102儀器、儀表的使用正確使用萬用表、轉速表、實驗臺等設備103直流測速發(fā)電機的接線電路繪制正確、接線速度快304直流測速發(fā)電機的操作通電運行一次成功，操作規(guī)范305操作規(guī)范，數據測量正確，206合計得分7否定項發(fā)生重大責

25、任事故、嚴重違反教學紀律者得0分8指導教師簽名日期六、技能訓練報告六、技能訓練報告1技能訓練項目名稱。2技能訓練的任務目標。3技能訓練所用的工具、儀器和設備。4繪制直流測速發(fā)電機的實訓電路。5記錄實訓的過程、現象和數據結果。6畫出直流測速發(fā)電機的輸出特性曲線 )(nfU 。 7小結、體會和建議。思考與練習思考與練習1測速發(fā)電機的作用是什么？2直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速有什么關系?若轉向改變，對輸出電壓有什么影響?3直流測速發(fā)電機使用時，為什么轉速不能過高，負載電阻不能過小?4直流測速發(fā)電機的主要性能參數有哪些?5交流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速有什么關系?若轉向改變，其輸出電壓有何變化? 任

26、務三任務三 步進電動機步進電動機學習目標學習目標1了解步進電動機的作用和用途。2熟悉步進電動機的結構和工作原理。3了解步進電動機的特性參數和驅動電路。4學會步進電動機的操作使用方法。任務分析任務分析步進電動機是一種由電脈沖控制的特殊同步電動機，其作用是將電脈沖信號變換為相應的角位移或線位移。步進電動機與一般電動機不同。一般電動機通電后連續(xù)轉動，而步進電動機則是通以電脈沖信號后一步一步轉動，每通入一個電脈沖信號只轉動一個角度。因此，步進電動機又稱為脈沖電動機。步進電動機可以實現信號變換，是自動控制系統(tǒng)和數字控制系統(tǒng)中廣泛應用的執(zhí)行元件。如在數控機床、打印機、繪圖儀、機器人控制、石英鐘表等場合都有

27、應用。部分步進電動機的外形如圖4-15所示。 圖4-15 步進電動機步進電動機的角位移或線位移與脈沖數成正比，其轉速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。在負載能力范圍內，這些關系不因電源電壓、負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化。步進電動機可以在很寬的范圍內通過改變脈沖頻率來調速；能夠快速啟動、反轉和制動。它能直接將數字脈沖信號轉換為角位移，很適合采用微型計算機控制。相關知識相關知識一、步進電動機的分類一、步進電動機的分類步進電動機的結構形式和分類方法很多。按工作原理不同分成反應式、永磁式和永磁感應式三種。按運動狀態(tài)不同又分為旋轉式、直線運動式和平面運動式三種。其中反應式步進電動機具有步距小、響應速度

28、快、結構簡單等優(yōu)點，廣泛應用于數控機床、自動記錄儀、計算機外圍設備等數控設備。本任務僅介紹目前應用廣泛的反應式旋轉運動步進電動機的基本結構、工作原理及應用。圖416反應式旋轉運動步進電動機的結構示意圖 二、反應式旋轉運動步進電動機基本結構二、反應式旋轉運動步進電動機基本結構反應式旋轉運動步進電動機有單段式和多段式兩類。目前使用最多的是單段式，其結構示意圖如416所示。它的定子和轉子均用硅鋼片或其他軟磁性材料制成，定子磁極數為相數的兩倍，每對定子磁極上繞有一對控制繞組，被稱為一相。在定子磁極極面和轉子外緣開有分布均勻的小齒，兩者齒型和齒距相同。如果使兩者齒數恰當配合，可實現使U相磁極的小齒與轉子

29、小齒一一對正，而V相磁極的小齒與轉子小齒錯開 31齒距，W相則錯開 32齒距。這種結構的優(yōu)點在于：電動機制造簡便、精確度高，每轉一步所對 應的轉子轉 角（步距角）小，容易獲得較高的起動轉矩和運行頻率。不足之處是當電動機直徑較小而相數又較多時，徑向分相困難。 三、工作原理三、工作原理圖417所示為反應式步進電動機原理圖。當U相繞組通入直流電（或電脈沖）時，轉子被定子磁場磁化，磁場力將轉子軸線拉至與U相繞組軸線重合位置。此時若切換為V相繞組通電（或電脈沖），則轉子在定、轉子間磁場力的作用下沿順時針方向旋轉600。每轉動一步，轉子可以準確自鎖，不會因慣性而發(fā)生錯位。上述所講的步進電動機的“三相”不同

30、于交流電的“三相”，它只表明定子圓周上有三套獨立的控制繞組，但不能同時通電。在工程技術上，從一相通電切換到另一相通電稱為一拍，而三相依次通電的運行方式稱為三相單三拍運行方式。在使用中，為了減小步距角，還可UV兩相同時通電，使轉子軸線轉至UV兩相之間的軸線上。這類按UVVWWU的順序，兩相同時依次通電的運行方式稱為三相雙三拍運行方式。此外還可按UUVVVWWWU的組合方式依次通電，稱為三相六拍運行方式，其步距角更小。圖417反應式步進電動機原理圖為了進一步減小步距角，多采用圖417所示的槽齒結構。在U相通電時，U相磁極小齒與轉子小齒一一對正，V相磁極小齒與轉子小齒錯開 31齒距，而W相定、轉子軸

31、線間則錯開 32齒距。若切換為V相繞組通電時，轉子將轉過 31齒距，而W相定、轉子軸線間則錯開 32齒距。若切換為V相繞組通電時，轉子將轉過 31齒距的角度，使V相磁極小齒與轉子小齒一一對正。此時W相定、轉子軸線間只錯開 31齒距。當V相斷電，W相通電時，轉子又轉過 31齒距，使W相磁極小齒與轉子小齒一一對正。由此可得出如下結論，設轉子齒數為Z，步進電動機拍數為N，則轉子每轉過一個齒距， 相當于在空間轉過了 Z0360，而每一拍所轉角度又為齒距的 N1，所以步距角為 ZNs0360可以看出，步距角與步進電動機的轉子齒數成反比，與拍數成反比。例如，對于Z=40的三相三拍步進電動機，其步距角為30

32、。工程技術上，步進電機廣泛用于數字控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。四、性能指標四、性能指標1步距角:指輸入一個電脈沖信號,步進電動機轉子相應的角位移,用度數表示,又稱脈沖當量。2精度:指靜態(tài)步距角誤差和靜態(tài)步距角的積累誤差。3起動轉距:指步進電動機從靜止狀態(tài)突然起動而不失步的最大輸出轉距。4最高起動頻率:指步進電動機空載起動和停止時不失步的最高頻率。5運行頻率:指步進電動機在額定條件下無失步運行的最高頻率。五、驅動電源五、驅動電源步進電動機是由專用的驅動電源來供電的，驅動電源和步進電動機是一個有機的整體。步進電動機的運行性能是由步進電動機和驅動電源兩者配合所反應出來的綜合效果。步進電動機的驅動電源，基

33、本上包括高頻信號源，脈沖分配器和脈沖放大器三個部分，如圖418所示。圖418步進電動機的驅動電源 變頻信號是一個頻率從十赫茲到幾十千赫可連續(xù)變化的信號發(fā)生器，變頻信號源可以采用多種線路，最常見的有多諧振蕩器和單結晶體管構成的馳張振蕩器兩種。它們都是通過調節(jié)電阻R和電容C的大小來改變電容充放電的時間常數，以達到選取脈沖信號頻率的目的。脈沖分配器是由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加到放大器上，使步進電動機按一定的運行方式運轉。從脈沖分配器輸出的電流只有幾個毫安，不能直接驅動步進電動機，因為步進電動機需要幾安到幾十安培電流，因此在脈沖分配器后面都裝有功率放大

34、電路，用放大后的信號去推動步進電動機。 技能訓練技能訓練訓練項目訓練項目 步進電動機的運行與基本特性的測定步進電動機的運行與基本特性的測定一、任務目標一、任務目標1了解步進電動機的驅動電源和接線操作。2學會步進電動機基本特性的測定方法。二、工具、儀器和設備二、工具、儀器和設備1步進電動機控制箱一臺，如圖4-19所示。圖4-19 步進電機控制箱 圖4-20 三相反應式步進電機 2三相反應式步進電動機一臺，如圖4-20所示。步進電動機控制箱面板控制鍵盤功能說明:設置鍵 手動單步運行方式和連續(xù)運行各方式的選擇。拍數鍵 單三拍、雙三拍、三相六拍等運行方式的選擇。相數鍵 電機相數 (三相、四相、五相)的

35、選擇。轉向鍵 電機正、反轉選擇。數位鍵 預置步數的數據位設置。數據鍵 預置步數位的數據設置。執(zhí)行鍵 執(zhí)行當前運行狀態(tài)。復位鍵 由于意外原因導致系統(tǒng)死機時按此鍵復位。三、實訓過程三、實訓過程1 1開啟電源開關，面板上的三位數字頻率計將顯示000。由六位LED數碼管組成的步進電動機運行狀態(tài)顯示器自動進入：9999888877776666555544443333222211110000動態(tài)自檢過程，而后顯示停止在系統(tǒng)的初態(tài)。2 2控制系統(tǒng)試運行暫不接步進電動機繞組，開啟電源進入系統(tǒng)初態(tài)后，即可進入試運行操作。先用設置鍵設置成手動單步運行方式，按執(zhí)行鍵后觀察顯示情況；再設置成連續(xù)運行方式，觀察按下執(zhí)行

36、鍵后的顯示情況；最后轉動速度調節(jié)旋鈕，觀察脈沖和運行狀態(tài)的顯示情況。3 3單步操作運行將步進電動機繞組與控制箱面板的輸出端相連接，設置成手動單步運行方式，按執(zhí)行鍵。4 4觀察步進電動機電脈沖頻率與轉速關系控制系統(tǒng)置連續(xù)運行狀態(tài)，按執(zhí)行鍵，步進電動機連續(xù)運轉后，轉動速度調節(jié)旋鈕使頻率升高，觀察步進電動機轉速的變化情況。5 5空載突跳頻率的測定步進電動機連續(xù)運轉后，調節(jié)速度調節(jié)旋鈕使頻率提高至某頻率 (自動指示當前頻率)。按設置鍵讓步進電動機停轉，再重新啟動電機 (按執(zhí)行鍵)，觀察電動機能否運行正常；如正常，則繼續(xù)提高頻率，直至電動機不失步啟動的最高頻率，則該頻率為步進電動機的空載突跳頻率。 st

37、f Hz。 6 6空載最高連續(xù)工作頻率的測定 步進電機空載連續(xù)運轉后緩慢調節(jié)速度調節(jié)旋鈕使頻率提高，仔細觀察電動機是否失步；如不失步，則再緩慢提高頻率，直至電動機能連續(xù)運轉的最高頻率，則該頻率為步進電動機空載最高連續(xù)工作頻率， 0f Hz。 五、技能訓練考核評分記錄表五、技能訓練考核評分記錄表 (見表見表4-6)表4-6 技能訓練考核評分記錄表序號考核內容考核要求配分得分1技能訓練的準備預習技能訓練的內容102儀器、儀表的使用正確使用萬用表、轉速表、實驗臺等設備103控制系統(tǒng)試運行電路繪制正確、操作規(guī)范304基本特性的測定操作規(guī)范，結果正確505合計得分6否定項發(fā)生重大責任事故、嚴重違反教學紀

38、律者得0分7指導教師簽名日期六、技能訓練報告六、技能訓練報告1技能訓練項目名稱。2技能訓練的任務目標。3技能訓練所用的工具、儀器和設備。4實訓的電氣原理框圖。5實訓的數據，結果分析。6小結、體會和建議。 思考與練習思考與練習1步進電動機的作用是什么?其轉速是由哪些因素決定的?2什么是步進電動機的步距角？一臺三相步進電動機可以有兩個步距角，這是什么意思?什么是單三拍、雙三拍和六拍工作方式？3一臺三相步進電動機，可采用三相單三拍或三相單雙六拍工作方式，轉子齒數Z=50，電源頻率 kHzf2，分別計算兩種工作方式的步距角和轉速。 4步進電動機的啟動頻率和運行頻率與負載大小有什么關系?5步進電動機的驅

39、動電路包括哪些部分？6 一臺五相十拍運行的步進電動機，z=48，f=600Hz，試求 s 和n各為多少？ 7步距角為1.50.75的反應式三相六拍步進電動機轉子有多少齒?若頻率為2000Hz，電動機轉速是多少？ 任務四任務四 直線電動機直線電動機 學習目標學習目標1了解直線感應電動機的用途、結構、分類和基本工作原理。2了解永磁式直線無刷直流電動機的原理、結構與優(yōu)點。3了解直線電動機的實際應用。任務分析任務分析直線電動機直接實現直線運動，從而消除了旋轉電機由旋轉運動到直線運動的中間機構，使精度提高、結構簡化。在鐵路運輸上，直線感應電動機可以用于400500 km/h的超高速列車。在生產線上，各種

40、傳送帶已開始采用直線電動機來驅動?，F代機床加工設備中，采用直線電動機直接驅動與定位。在儀器儀表系統(tǒng)中，直線電動機作為驅動、指示和測量的應用更加廣泛，如快速記錄儀、X-Y繪圖儀、磁頭定位系統(tǒng)、光驅中軌跡的聚集與跟蹤。直線電動機的應用已經進入運輸行業(yè)、工業(yè)自動化、辦公自動化、醫(yī)療設備和家庭自動化等許多領域。部分直線電動機及應用如圖4-21和4-22所示。直線電動機與旋轉電動機在原理上相同。本任務以直線感應電動機和直線直流電動機為例，介紹直線電動機的特點、原理、主要結構形式和實際應用。 圖4-21 直線電機圖4-22（a）直線電動機驅動的加工中心圖4-22（b）直線感應電動機超高速列車相關知識相關知

41、識一、直線感應電動機一、直線感應電動機1 1結構與分類結構與分類直線電動機是一種作直線運動的電動機。它可以看成是從旋轉電動機演化而來的，如圖4-23所示。從原理上講，每種旋轉電機都有與之相對應的直線電動機。直線電動機也分異步，同步、步進、有刷直流、無刷直流等各種類型。直線電動機按工作原理可分為直線感應電動機、直線直流電動機、直線無刷直流電動機、直線步進電動機等。 圖4-23 直線感應電動機a)旋轉感應電動機 b)直線感應電動機 旋轉電動機的定子和轉子分別對應直線電動機的初級和次級。直線電動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動機分為動初級和動次級兩種。為了

42、在運動過程中始終保持初級和次級耦合，初級側或次級側中的一側必須做得較長。直線感應電動機常見的形式有平板形和圓筒形兩種，如圖4-24所示。圖4-24 平板形和圓筒形直線感應電動機a)平板形 b)圓筒形在直線電動機的制造中，既可以是初級短、次級長，也可以是初級長、次級短。前者稱為短初級，后者稱為短次級。由于短初級的制造成本、運行費用均比短次級低得多，因此，除特殊場合外，一般均采用短初級結構。僅在一邊安放初級，這種結構形式的直線電動機稱為單邊型直線電動機。單邊平板形直線感應電動機工作時對次級存在著較大的電磁拉力，而雙邊平板形則可消除對次級的電磁拉力，有利于電動機的工作。短初級直線感應電動機的結構如圖

43、4-25所示。圖4-25 平板形直線感應電動機a)單邊短初級 b) 雙邊短初級平板形直線感應電動機的次級形式較多。最常用的是帶狀軟鋼板或直接用角鋼、丁字鋼、工字鋼等來做次級。平板形直線感應電動機的功率較大，多用在工業(yè)生產的傳送帶和鐵路運輸上。圓筒形結構的優(yōu)點是沒有繞組端部，不存在橫向邊緣效應，次級的支撐也比較方便。缺點是鐵心必須沿圓周疊片，才能減小由交變磁通在鐵心中感應的渦流，這在工藝上比較復雜；散熱條件也比較差。圓筒形直線感應電動機功率較小，它的行程也相對小些，一般只有0.52.0m左右。 2 2工作原理工作原理直線電動機的初級三相繞組通入三相交流電后，就會在氣隙中產生一個沿直線移動的正弦波

44、磁場，其移動方向由三相交流電的相序決定，如圖4-26所示。顯然該行波磁場的移動速度與普通電機旋轉磁場在定子內圓表面的線速度相等。 圖4-26 直線感應電動機的工作原理行波磁場切割次級上的導體后，在導體中感應出電動勢和電流，該電流與氣隙磁場作用，在次級中產生電磁力，驅動次級沿著行波磁場移動的方向作直線運行，或者利用反作用力驅動初級朝相反的方向運動。如果改變直線電動機初級繞組的通電相序，即可改變電動機的運行方向。因此直線電動機可實現往返直線運動。 3 3用途及特點用途及特點直線感應電動機主要應用于各種直線運動的動力驅動系統(tǒng)中，如精密數控機床、加工中心、電磁錘、高速沖壓設備、傳送帶自動搬運裝置、帶鋸

45、、直線打樁機以及高速列車、電動門等。直線感應電動機的特點是：結構簡單，維護方便；散熱條件好，額定值高；適宜于高速運行；能承擔特殊任務，如液態(tài)金屬的運輸、加工等。其缺點是氣隙大，功率因數低，力能指標差，低速運行時需采用低頻電源，使控制裝置復雜。二、直線直流電動機二、直線直流電動機直線直流電動機分為永磁式直線直流電動機和永磁式直線無刷直流電動機。1 1永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機永磁式直線直流電動機主要有：音圈電機、框架式永磁直線直流電動機。(1)(1)音圈電機音圈電機 圖4-27是可動線圈型直線電動機的一種，在磁鋼產生的氣隙磁場內放大線圈，磁場與流過線圈的電流相互作用產生電磁力，效率

46、較高。因為這種結構與電動式揚聲器的音頻線圈部分相似，所以叫音頻線圈電動機。音圈的一部分 (指長音圈外磁式)或全部 (指短音圈內磁式)處于永久磁鐵發(fā)出的恒定磁場中，音圈繞組通大電流，就會產生推動音圈移動的電磁力。電磁力的大小與方向取決于通入音圈的電流的大小和極性。圖4-27音圈電動機剖面圖 由于音圈式直線直流電動機的磁場均勻，僅線圈移動 (內鐵心不動)，所以重量輕、慣量小，因此這種電動機的響應頻率很高。磁盤存儲器中用轉臂式音圈電機控制磁頭，使速度和位置精度大為提高，從而提高了磁盤存儲器的容量和工作速度，如圖4-28所示。圖4-28 HDD硬盤中的音圈型電動機 圖4-29 （單極）動圈型結構(2)

47、(2)框架式永磁直線直流電動機框架式永磁直線直流電動機 框架式永磁直線直流電動機可以做成動鐵型，也可以做成動圈型。動圈型結構如圖4-29所示，在軟鐵架兩端裝有極性同向放置的兩塊永磁體，通電線圈可在滑道上做直線運動。這種結構具有體積小、成本低和效率高等優(yōu)點。動圈型結構因為只有線圈的動作，所以具有成本低、效率高、體積小、慣性小、響應快速的優(yōu)點。但必須要有給可動部分送電用的引線，這在耐用性方面多少有些不利。對此，可把永久磁鐵做成可動部分，線圈繞在一個軟鐵框架上，線圈的長度要包括整個行程。動鐵型結構如圖4-30所示，在這種情況下，不再是單極結構，而是多極，線圈也是兩組。 圖4-30 可動磁鐵型直線直流電動機a)鐵心磁路閉合型 b) 旋轉對稱型2 2永磁式直線無刷直流電動機永磁式直線無刷直流電動機(1)1)工作原理工作原理 永磁式直線無刷直流電動機是從旋轉無刷直流電動機演變而來的。圖4-31表示其工作原理。永磁式直線無刷直流電動機的推力是由定子中的電樞電流和動子的永磁磁場相互作用產生的。由于電子換向的作用，使電樞繞組的電流輪流變化，在動子中產生恒定方向的推力。圖4-31 永磁式直線無刷直流電動機的原理 a) 永磁式直線無刷直流電動機結構 b) 電子換向