電機及拖動(化工出版社)PPT-08 第八章

1、第八章第八章2014.05本章主要教學內容本章主要教學內容 1.單相異步電動機單相異步電動機 2.伺服電動機伺服電動機 3.測速發(fā)電機測速發(fā)電機 4.步進電動機步進電動機 5.開關磁阻電動機開關磁阻電動機 6.力矩電動機力矩電動機 7.直線電動機直線電動機 8.無刷直流電動機無刷直流電動機 9.超聲波電機超聲波電機第八章第八章2014.058.1 單相異步電動機單相異步電動機 由單相電源供電的異步電動機即為單相異步電動機。由單相電源供電的異步電動機即為單相異步電動機。8.1.1 基本結構基本結構 單相異步電動機的接線如單相異步電動機的接線如右圖右圖。結構特點結構特點：1）通常定子有主、輔兩繞組

2、，主）通常定子有主、輔兩繞組，主繞組占繞組占2/32/3槽，輔繞組占槽，輔繞組占1/31/3槽；槽；2）轉子制成籠型）轉子制成籠型 。主要類型主要類型：1)分相式：電阻分相或電容分相；分相式：電阻分相或電容分相；2)罩極式。罩極式。單相異步電動機的接單相異步電動機的接線示意圖線示意圖第八章第八章2014.05ffxtFxtFtxFtxf)sin(21)sin(21sincos),(11118.1.2 單相異步電動機的工作原理單相異步電動機的工作原理 單相繞組通單相交流電建立的磁動勢為脈振磁動勢，僅考單相繞組通單相交流電建立的磁動勢為脈振磁動勢，僅考慮基波分量時，其表達式為慮基波分量時，其表達式

3、為snnn211脈振磁動勢的分解脈振磁動勢的分解轉子轉速為轉子轉速為 ，轉子對正向，轉子對正向旋轉磁場的轉差率為旋轉磁場的轉差率為 ，則轉，則轉子對反向旋轉磁場的轉差率為子對反向旋轉磁場的轉差率為ns第八章第八章2014.05正向旋轉磁場與其所感應的轉子電流作用，產生正向電磁轉正向旋轉磁場與其所感應的轉子電流作用，產生正向電磁轉矩；反向旋轉磁場與其所感應的轉子電流作用，產生反向電矩；反向旋轉磁場與其所感應的轉子電流作用，產生反向電磁轉矩；兩者之和構成電動機的磁轉矩；兩者之和構成電動機的合成電磁轉矩合成電磁轉矩，如，如下圖下圖。特點特點：(1) 時，合成電磁轉矩時，合成電磁轉矩為零，說明它無起動

4、轉矩；為零，說明它無起動轉矩；(2) 左右兩邊，合成轉矩左右兩邊，合成轉矩對稱，說明它無固定的轉向對稱，說明它無固定的轉向 ；(3)工作時的轉向由起動時的轉工作時的轉向由起動時的轉動方向決定動方向決定 。1s1s單相異步電動機單相異步電動機T-s曲線曲線第八章第八章2014.058.1.3 單相異步電動機的等效電路單相異步電動機的等效電路特點特點：1）當轉子不動時，轉差）當轉子不動時，轉差率率 ， 和和 大大小相等小相等 ；2）當轉子旋轉時）當轉子旋轉時 ， 故故 -EE1sE-E1s單相異步電動機的等效電路單相異步電動機的等效電路第八章第八章2014.058.1.4 單相異步電動機的起動和調

5、速單相異步電動機的起動和調速 一一. 起動方法起動方法1. 分相式起動分相式起動 接線如接線如右圖右圖起動原理：起動原理：(1) 兩個空間互差兩個空間互差900電角度的不對稱繞組通以不對稱電流，電角度的不對稱繞組通以不對稱電流，在氣隙中形成橢圓形旋轉磁場，產生一定的起動轉矩；在氣隙中形成橢圓形旋轉磁場，產生一定的起動轉矩； (2)適當選擇電容分相的電容，可在氣隙中建立接近于圓形的適當選擇電容分相的電容，可在氣隙中建立接近于圓形的旋轉磁場，產生較大起動轉矩，同時使起動電流減小旋轉磁場，產生較大起動轉矩，同時使起動電流減小 ；注意注意： 工作繞組或起動繞組接電源的兩出線端對調可改變電工作繞組或起動

6、繞組接電源的兩出線端對調可改變電動機的轉向。動機的轉向。 分相啟動接線圖分相啟動接線圖第八章第八章2014.052. 罩極式起動罩極式起動罩極式單相異步電動機的定子鐵心多數(shù)做成凸極式，主要結罩極式單相異步電動機的定子鐵心多數(shù)做成凸極式，主要結構如構如右圖右圖結構特點結構特點：(1)在每個定子磁極上裝有工作在每個定子磁極上裝有工作繞組。在磁極極靴的繞組。在磁極極靴的1/31/3處處開有小槽，槽內嵌有短路銅開有小槽，槽內嵌有短路銅環(huán)，把部分磁極環(huán)，把部分磁極“罩罩”起來，起來，此銅環(huán)也稱為罩極線圈；此銅環(huán)也稱為罩極線圈；(2) 轉子仍為普通鼠籠式轉子轉子仍為普通鼠籠式轉子第八章第八章2014.05

7、起動原理起動原理：(1)工作繞組通入單相交流電時，產生脈振磁通，其中一部工作繞組通入單相交流電時，產生脈振磁通，其中一部分磁通分磁通 不通過銅環(huán)，另一部分磁通不通過銅環(huán)，另一部分磁通 則通過銅環(huán)。由于則通過銅環(huán)。由于 和和 在空間上有一定的相位差，在時間上也有一定的在空間上有一定的相位差，在時間上也有一定的相位差，故在罩極式單相異步電動機中就會產生橢圓形旋轉相位差，故在罩極式單相異步電動機中就會產生橢圓形旋轉磁場。磁場。(2)在橢圓形旋轉磁場的作用下，電動機將產生一定的起動在橢圓形旋轉磁場的作用下，電動機將產生一定的起動轉矩，使轉子順著磁場旋轉的方向轉動起來。轉矩，使轉子順著磁場旋轉的方向轉動

8、起來。注意注意： 罩極式起動的單相異步電動機，電機的轉向總是從磁罩極式起動的單相異步電動機，電機的轉向總是從磁極未罩部分向被罩部分的方向旋轉。極未罩部分向被罩部分的方向旋轉。 1122第八章第八章2014.05二二. 調速方法調速方法 調壓調速調壓調速 調速原理調速原理如圖如圖： 實現(xiàn)辦法實現(xiàn)辦法：用電子開關做調壓器，或采用電子開關做調壓器，或采用串聯(lián)電抗器，以控制電機用串聯(lián)電抗器，以控制電機端電壓。端電壓。調壓調速原理圖調壓調速原理圖第八章第八章2014.05電容分相的單相異步電動機也常用工作繞組或起動繞組抽頭電容分相的單相異步電動機也常用工作繞組或起動繞組抽頭的接法實現(xiàn)調速的接法實現(xiàn)調速

9、，典型接法有典型接法有L形接法和形接法和T形接法。形接法。(a)(b)(a)(b)(a)(a) 高速高速接法接法(b) (b) 低速低速接法接法第八章第八章2014.058.2 伺服電動機伺服電動機 伺服電動機的功能是將輸入的電信號轉換為電動機轉軸伺服電動機的功能是將輸入的電信號轉換為電動機轉軸上的角位移或角速度。分為直流和交流伺服電動機。上的角位移或角速度。分為直流和交流伺服電動機。 8.2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 1. 基本基本結構結構和和工作原理工作原理 直流伺服電動機實際上就是微型他勵直流電動機，由裝直流伺服電動機實際上就是微型他勵直流電動機，由裝有磁極的定子、可以轉動的電樞

10、和換向器組成。按勵磁方式有磁極的定子、可以轉動的電樞和換向器組成。按勵磁方式的不同，可分為電磁式和永磁式兩種。的不同，可分為電磁式和永磁式兩種。 直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機的工作原直流伺服電動機的工作原理與普通直流電動機的工作原理相同，電磁轉矩公式為理相同，電磁轉矩公式為 ，當，當 或或 時，時，電動機能自動停止轉動。電動機能自動停止轉動。 aTICT0aI0第八章第八章2014.052. 直流伺服電動機的直流伺服電動機的控制控制電樞控制電樞控制：改變電樞繞組電壓的方向與大小的控制方式。：改變電樞繞組電壓的方向與大小的控制方式。磁場控制磁場控制：改變勵磁繞組電壓的方向與大小的控制

11、方式：改變勵磁繞組電壓的方向與大小的控制方式(永磁永磁直流伺服電動機無，電磁式直流伺服電動機也較少用）。直流伺服電動機無，電磁式直流伺服電動機也較少用）。 電樞控制的直流伺服電動機電樞控制的直流伺服電動機機械特性機械特性表達式為表達式為 TnTCCRCUnTeaea02機械特性機械特性曲線：如曲線：如右圖。右圖。第八章第八章2014.05調節(jié)特性調節(jié)特性：指電動機在一定的負載轉矩下，穩(wěn)態(tài)轉速隨控制：指電動機在一定的負載轉矩下，穩(wěn)態(tài)轉速隨控制電樞電壓的變化關系。它反應了電機在帶負載情況下轉速隨電樞電壓的變化關系。它反應了電機在帶負載情況下轉速隨控制信號的變化情況?？刂菩盘柕淖兓闆r。 (1) 負

12、載恒定的情況負載恒定的情況調節(jié)特性方程式：調節(jié)特性方程式：調節(jié)特性曲線：如調節(jié)特性曲線：如右圖。右圖。起始電壓：起始電壓：aeaTeakUnCUTCCRn2aaTaaRICTRU1第八章第八章2014.05(2)(2) 負載變化的情況負載變化的情況 負載變化時，直流伺服電動機負載變化時，直流伺服電動機的調節(jié)特性的調節(jié)特性不再是一條直線不再是一條直線了。由了。由于在不同的轉速條件下轉矩會有所于在不同的轉速條件下轉矩會有所不同，因此電樞電流也會發(fā)生相應不同，因此電樞電流也會發(fā)生相應的變化，隨著轉速的增大，電阻上的變化，隨著轉速的增大，電阻上的壓降也增大，電樞電動勢的壓降也增大，電樞電動勢 的增的增

13、量逐漸減小，此時直流伺服電動機量逐漸減小，此時直流伺服電動機的調節(jié)特性接近于一種近似飽和的的調節(jié)特性接近于一種近似飽和的特性，如特性，如右圖右圖。 aE調節(jié)特性調節(jié)特性第八章第八章2014.05總結總結：電樞控制的直流伺服電動機的機械特性和負載恒定時電樞控制的直流伺服電動機的機械特性和負載恒定時的調節(jié)特性都是線性的，而且不存在的調節(jié)特性都是線性的，而且不存在“自轉自轉”現(xiàn)象現(xiàn)象(控制信控制信號消失后，電機仍不停止轉動的現(xiàn)象稱為號消失后，電機仍不停止轉動的現(xiàn)象稱為“自轉自轉”現(xiàn)象現(xiàn)象)，在自動控制系統(tǒng)中是一種很好的執(zhí)行元件。在自動控制系統(tǒng)中是一種很好的執(zhí)行元件。 但電樞控制的直流伺服電動機并不是

14、在任何情況下都但電樞控制的直流伺服電動機并不是在任何情況下都能迅速準確反應控制電壓的變化。由于摩擦及電機結構等原能迅速準確反應控制電壓的變化。由于摩擦及電機結構等原因，在電壓降到一定程度時，直流伺服電動機的轉速會時快因，在電壓降到一定程度時，直流伺服電動機的轉速會時快時慢，很不均勻，出現(xiàn)低速爬行狀態(tài)。時慢，很不均勻，出現(xiàn)低速爬行狀態(tài)。 在使用中要設法排除低速爬行狀態(tài)的出現(xiàn)。在使用中要設法排除低速爬行狀態(tài)的出現(xiàn)。 第八章第八章2014.058.2.2 交流伺服電動機交流伺服電動機 1. 基本結構和工作原理基本結構和工作原理 交流伺服電動機實際上就交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，其原理電是

15、兩相異步電動機，其原理電路如路如右圖右圖。 交流伺服電動機的工作原交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之理與單相異步電動機有相似之處處 。但要注意避免但要注意避免“自轉自轉”現(xiàn)現(xiàn)象，方法：加大交流伺服電動象，方法：加大交流伺服電動機轉子的電阻機轉子的電阻 。 交流伺服電動機原理交流伺服電動機原理電路電路第八章第八章2014.052. 交流伺服電動機的控制交流伺服電動機的控制 交流伺服電動機的控制信號為控制電壓交流伺服電動機的控制信號為控制電壓 ，具體的控制方式，具體的控制方式有幅值控制、相位控制和幅相控制三種有幅值控制、相位控制和幅相控制三種 。 (1)(1)幅值控制幅值控制 指控制

16、電壓指控制電壓 與勵磁電與勵磁電壓壓 的相位差保持的相位差保持90o不變，不變，而以而以 的幅值大小作為控制的幅值大小作為控制量來控制電機的轉速量來控制電機的轉速 ，接線如，接線如右圖右圖。kUfUkU第八章第八章2014.05幅值控制的交流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性：如幅值控制的交流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性：如下圖下圖 kNkUU-有效信號系數(shù)有效信號系數(shù) 機械特性機械特性 調節(jié)特性調節(jié)特性第八章第八章2014.05(2)(2) 相位控制相位控制 指保持控制電壓指保持控制電壓 的幅值不變，的幅值不變，調節(jié)控制電壓調節(jié)控制電壓 與勵磁電壓與勵磁電壓 之之間的相位差來控制電機的轉速和轉

17、間的相位差來控制電機的轉速和轉向的控制方式向的控制方式 ，接線如接線如右圖右圖。 改變改變 與與 之間的相位差還之間的相位差還可以改變電動機的轉向，若控制電可以改變電動機的轉向，若控制電壓壓 的相位改變的相位改變180o電角度，即電角度，即可改變交流伺服電動機的轉向?？筛淖兘涣魉欧妱訖C的轉向。 kUkUfUkUkUfU 機械特性和調節(jié)特性與幅值控制機械特性和調節(jié)特性與幅值控制相似相似 。第八章第八章2014.05(3) (3) 幅幅- -相控制相控制 指指同時調節(jié)控制電壓的幅值和同時調節(jié)控制電壓的幅值和相位的控制方式，接線如相位的控制方式，接線如右圖右圖。 幅相控制的交流伺服電動機幅相控制的

18、交流伺服電動機的控制信號變化時，電機內合成氣的控制信號變化時，電機內合成氣隙磁場的大小與橢圓度隨著發(fā)生變隙磁場的大小與橢圓度隨著發(fā)生變化，從而使其轉矩、轉速變化，使化，從而使其轉矩、轉速變化，使電動機隨控制信號而具有伺服性。電動機隨控制信號而具有伺服性。 機械特性和調節(jié)特性與幅值控機械特性和調節(jié)特性與幅值控制制相似相似 。 總結總結：交流伺服電動機的結構簡單，抗干擾性好，在自動控交流伺服電動機的結構簡單，抗干擾性好，在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件使用制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件使用。 第八章第八章2014.058.3 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，功能是將轉測速發(fā)電機是

19、一種測量轉速的微型發(fā)電機，功能是將轉速信號變換成電壓信號，且輸出的電壓信號與轉速成正比。速信號變換成電壓信號，且輸出的電壓信號與轉速成正比。8.3.1 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 1. 基本結構和工作原理基本結構和工作原理 直流測速發(fā)電機就是一種微型直流發(fā)電機，由裝有磁極直流測速發(fā)電機就是一種微型直流發(fā)電機，由裝有磁極的定子，可以轉動的電樞和換向器等組成。原理電路如的定子，可以轉動的電樞和換向器等組成。原理電路如下圖下圖 (a)(b)(a)(a)他勵式他勵式(b)(b)永磁式永磁式第八章第八章2014.05工作原理工作原理：與一般直流發(fā)電機基本相同：與一般直流發(fā)電機基本相同 ?？蛰d空載時，直

20、流測速發(fā)電機的輸出電壓就是電樞電動勢時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓就是電樞電動勢 ，為，為 一定時，一定時， 與與 成正比；成正比；負載負載時，若電樞電阻為時，若電樞電阻為 ，負載電阻為，負載電阻為 ，不計電刷和換向，不計電刷和換向器間的接觸電阻，則直流測速發(fā)電機的輸出電壓為器間的接觸電阻，則直流測速發(fā)電機的輸出電壓為只要只要 和和 都保持不變，負載時直流測速發(fā)電機的輸都保持不變，負載時直流測速發(fā)電機的輸出電壓出電壓 仍與轉速仍與轉速 成正比。改變轉子的轉向，輸出電壓成正比。改變轉子的轉向，輸出電壓的極性隨之改變。的極性隨之改變。 nCEUeOCnnRRCULaeO/1aR,aRLRLROUnO

21、Un第八章第八章2014.052. 誤差分析誤差分析 直流測速發(fā)電機實際的輸出特性直流測速發(fā)電機實際的輸出特性為非線性的，如為非線性的，如右圖右圖。 造成誤差的主要原因有：造成誤差的主要原因有： (1)(1)電樞反應電樞反應 (2)(2)電機溫升電機溫升 (3)(3)接觸電阻接觸電阻 結論結論：直流測速發(fā)電機的轉速：直流測速發(fā)電機的轉速 越高，越高， 越小，誤差越大。越小，誤差越大。因此，在直流測速發(fā)電機的技術數(shù)據(jù)中給出了最大線性工作因此，在直流測速發(fā)電機的技術數(shù)據(jù)中給出了最大線性工作轉速和最小負載電阻值。轉速和最小負載電阻值。 nLR第八章第八章2014.058.3.2 交流測速發(fā)電機交流測

22、速發(fā)電機 交流測速發(fā)電機分為同步、異步測速發(fā)電機兩種。下面僅交流測速發(fā)電機分為同步、異步測速發(fā)電機兩種。下面僅介紹異步測速發(fā)電機的基本結構、工作原理及誤差分析。介紹異步測速發(fā)電機的基本結構、工作原理及誤差分析。 1. 基本結構和工作原理基本結構和工作原理 交流測速發(fā)電機與交流伺服交流測速發(fā)電機與交流伺服電動機的結構相似。定子上有兩電動機的結構相似。定子上有兩個互差的繞組，工作時，一個加個互差的繞組，工作時，一個加勵磁電壓，另一個用來輸出電壓。勵磁電壓，另一個用來輸出電壓。轉子有籠型和空心杯型兩種。結轉子有籠型和空心杯型兩種。結構原理圖如構原理圖如右圖。右圖。第八章第八章2014.05工作原理工

23、作原理： 轉子轉子靜止靜止時，交流測速發(fā)電機類似于一臺變壓器，由于時，交流測速發(fā)電機類似于一臺變壓器，由于直軸脈振磁通直軸脈振磁通 軸線與輸出繞組軸線垂直，理論上無電壓軸線與輸出繞組軸線垂直，理論上無電壓輸出。輸出。 轉子轉子旋轉旋轉時，會因轉子繞組切割直軸脈振磁通時，會因轉子繞組切割直軸脈振磁通 建立建立交軸脈振磁通交軸脈振磁通 ，這時位于交軸的輸出繞組將匝鏈，這時位于交軸的輸出繞組將匝鏈 而而產生感應電動勢產生感應電動勢 ddqqKnkfWEqmwkkk44. 4當測量用的負載阻抗當測量用的負載阻抗 很大時，測速發(fā)電機的輸出電壓近很大時，測速發(fā)電機的輸出電壓近似為似為LZKnEUk0第八章

24、第八章2014.052. 誤差分析誤差分析 交流測速發(fā)電機的誤差主要有：交流測速發(fā)電機的誤差主要有：(1)(1)線性線性誤差：誤差： 與與 成正比的前提：成正比的前提： 嚴格不變，但在實嚴格不變，但在實際中直軸磁通際中直軸磁通 是變化的，原因主要有兩方面；是變化的，原因主要有兩方面； (2)(2)剩余剩余電壓：轉子靜止時，交流測速發(fā)電機的輸出電壓應為電壓：轉子靜止時，交流測速發(fā)電機的輸出電壓應為零，但實際上還會有一個很小的電壓輸出，即剩余電壓零，但實際上還會有一個很小的電壓輸出，即剩余電壓 ；(3)(3)相位相位誤差：輸出電壓與勵磁電壓的相位誤差是由勵磁繞組誤差：輸出電壓與勵磁電壓的相位誤差是

25、由勵磁繞組的漏抗、杯型轉子的漏抗產生的漏抗、杯型轉子的漏抗產生。 線性誤差、剩余電壓和相位誤差是交流測速發(fā)電機的主線性誤差、剩余電壓和相位誤差是交流測速發(fā)電機的主要技術數(shù)據(jù)。實際選用時應使負載阻抗遠大于測速發(fā)電機的輸要技術數(shù)據(jù)。實際選用時應使負載阻抗遠大于測速發(fā)電機的輸出阻抗，使其工作在接近空載狀態(tài)，以減少誤差。出阻抗，使其工作在接近空載狀態(tài)，以減少誤差。 0Undd第八章第八章2014.058.4 8.4 步進電動機步進電動機 步進電動機是由脈沖控制運行的特殊同步電動機，它將脈步進電動機是由脈沖控制運行的特殊同步電動機，它將脈沖電信號轉換為角位移或線位移。沖電信號轉換為角位移或線位移。8.4

26、.1 基本結構基本結構 從勵磁的方式來看，步進電動從勵磁的方式來看，步進電動機分為反應式、永磁式和感應式三機分為反應式、永磁式和感應式三種種 。反應式步進電動機的結構如反應式步進電動機的結構如右右圖。圖。永磁式、感應式步進電動機的定子永磁式、感應式步進電動機的定子結構與反應式步進電動機的定子結結構與反應式步進電動機的定子結構大致相同構大致相同，但轉子結構不同。但轉子結構不同。第八章第八章2014.058.4.2 工作原理工作原理 步進電動機的工作原理類似于同步電動機的工作原理。步進電動機的工作原理類似于同步電動機的工作原理。 三相反三相反應式步應式步進電動進電動機工作機工作原理圖原理圖 A相通

27、電，相通電，B、C斷電，轉子旋轉到與斷電，轉子旋轉到與A相的齒對齊；隨相的齒對齊；隨后后B相通電，相通電，A、C斷電，轉子會旋轉到與斷電，轉子會旋轉到與B相的齒對齊；隨相的齒對齊；隨后后C相通電，相通電，A、B斷電，則轉子會旋轉到與斷電，則轉子會旋轉到與C相的齒對齊。相的齒對齊。如此循環(huán)，電機就可旋轉起來。如此循環(huán)，電機就可旋轉起來。第八章第八章2014.05 步進電動機每改變一次通電方式，電動機就旋轉過一個步進電動機每改變一次通電方式，電動機就旋轉過一個角度，稱為一拍。經(jīng)過一拍轉子旋轉的角度稱為步距角，用角度，稱為一拍。經(jīng)過一拍轉子旋轉的角度稱為步距角，用 表示表示 brotbZNN3601

28、1zmkN -轉子齒數(shù)轉子齒數(shù) -運行拍數(shù)運行拍數(shù) -通電方式系數(shù)通電方式系數(shù)NrZzk當步進電動機定子中脈沖的頻率為當步進電動機定子中脈沖的頻率為 時，電機的轉速為時，電機的轉速為frNZfn60第八章第八章2014.058.4.3 步進電動機的控制步進電動機的控制 通電通電方式：單拍通電方式指每次通電時僅一相繞組得電；方式：單拍通電方式指每次通電時僅一相繞組得電；雙拍通電方式指每次通電時有兩相繞組得電。雙拍通電方式指每次通電時有兩相繞組得電。 運行運行方式：以三相反應式步進電動機為例，有三相單三拍、方式：以三相反應式步進電動機為例，有三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍三種。三相雙三拍、三相六

29、拍三種。 要要改變改變步進電動機的步進電動機的轉向轉向，只需改變步進電動機的通電相，只需改變步進電動機的通電相序。序。 步進電動機定子中輸入的是脈沖電信號，因此使用計算機步進電動機定子中輸入的是脈沖電信號，因此使用計算機來進行控制非常合適，如步進電動機的斬波式細分驅動控制、來進行控制非常合適，如步進電動機的斬波式細分驅動控制、脈寬調制式細分驅動控制等。脈寬調制式細分驅動控制等。第八章第八章2014.058.5 開關磁阻電動機開關磁阻電動機8.5.1 基本結構基本結構 開關磁阻電動機由定子、轉開關磁阻電動機由定子、轉子構成，且定、轉子均由硅鋼片子構成，且定、轉子均由硅鋼片疊壓制成凸極式結構。為避

30、免存疊壓制成凸極式結構。為避免存在零轉矩點在零轉矩點( (或稱死點或稱死點) )，定、轉，定、轉子的極數(shù)子的極數(shù)( (或齒數(shù)或齒數(shù)) )之比一般不為之比一般不為整數(shù)。整數(shù)。 8/6極開關磁阻電動機結極開關磁阻電動機結構圖如構圖如右圖右圖。 第八章第八章2014.058.5.3 工作原理工作原理 開關磁阻電動機的轉矩是磁阻性質的。以前頁的圖為例，開關磁阻電動機的轉矩是磁阻性質的。以前頁的圖為例，當當A相繞組通電時，相繞組通電時，A相勵磁，所產生的磁場力圖使轉子旋轉相勵磁，所產生的磁場力圖使轉子旋轉到轉子極軸線到轉子極軸線 與定子極軸線與定子極軸線 重合的位置，從而產生磁阻重合的位置，從而產生磁阻

31、性質的電磁轉矩。若順序給性質的電磁轉矩。若順序給A、B、C、D相繞組通電，則轉子相繞組通電，則轉子按逆時針方向連續(xù)轉動起來；若依次給按逆時針方向連續(xù)轉動起來；若依次給B、A、D、C相繞組通相繞組通電，則轉子會沿順時針方向旋轉。電，則轉子會沿順時針方向旋轉。 設每相繞組通電的開關頻率為設每相繞組通電的開關頻率為 ，每個周期，每個周期 相輪流導相輪流導通，轉子極數(shù)為通，轉子極數(shù)為 ，則開關磁阻電動機的同步轉速為，則開關磁阻電動機的同步轉速為 11AAfmrZrZfn/60第八章第八章2014.05設定子設定子 相為勵磁相，可得其相為勵磁相，可得其電壓電壓平衡方程式為平衡方程式為 AAddLIdtd

32、ILIrU當當 時，表示電動機吸收電功率，產生機械功率，電時，表示電動機吸收電功率，產生機械功率，電磁轉矩為驅動性轉矩；磁轉矩為驅動性轉矩；當當 時，表示電動機吸收機械功率，回饋電功率，電時，表示電動機吸收機械功率，回饋電功率，電磁轉矩為制動性轉矩。磁轉矩為制動性轉矩。開關磁阻電動機有兩個開關磁阻電動機有兩個重要特征重要特征：(1)(1)磁路嚴重非線性；磁路嚴重非線性；(2)(2)定子相繞組中電流的非正弦性。定子相繞組中電流的非正弦性。0ddL0ddL第八章第八章2014.05若忽略磁路的非線性，則開關磁阻電動機的若忽略磁路的非線性，則開關磁阻電動機的電磁轉矩電磁轉矩為為ddLItT2),(2

33、 由此可知，開關磁阻電動機電磁轉矩的方向與由此可知，開關磁阻電動機電磁轉矩的方向與 的的方向一致，與定子相繞組通入電流的方向無關。在一相繞組方向一致，與定子相繞組通入電流的方向無關。在一相繞組勵磁作用下，產生的對應轉矩為脈沖式轉矩勵磁作用下，產生的對應轉矩為脈沖式轉矩，如如下圖下圖。 ddL/定子相電感與與轉子位移角定子相電感與與轉子位移角的關系的關系 轉矩與轉子位移角的關系轉矩與轉子位移角的關系 第八章第八章2014.05 通過控制加到開關磁阻電動機定子繞組中電流脈沖的幅通過控制加到開關磁阻電動機定子繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉子的相對位置，就可控制開關磁阻電動機值、寬度及其與轉子的相

34、對位置，就可控制開關磁阻電動機電磁轉矩的大小和方向。電磁轉矩的大小和方向。8.5.4 開關磁阻電動機的控制方式開關磁阻電動機的控制方式 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)主要由開關磁阻電動機、功開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)主要由開關磁阻電動機、功率變換器、位置監(jiān)測裝置、控制器四大部分組成，見率變換器、位置監(jiān)測裝置、控制器四大部分組成，見下圖。下圖。 第八章第八章2014.05 開關磁阻電動機類似于大步距角步進電動機，其控制方式開關磁阻電動機類似于大步距角步進電動機，其控制方式與步進電動機與步進電動機類似類似。 但開關磁阻電動機的控制與步進電動機的控制又有但開關磁阻電動機的控制與步進電動機的控制又有不同不同，

35、表現(xiàn)在：表現(xiàn)在： (1)(1) 開關磁阻電動機中繞組的導通角和關斷角是可控的，開關磁阻電動機中繞組的導通角和關斷角是可控的，而步進電動機中繞組的導通角和關斷角是固定不變的；而步進電動機中繞組的導通角和關斷角是固定不變的； (2)(2) 開關磁阻電動機是連續(xù)運行的，而步進電動機是斷續(xù)開關磁阻電動機是連續(xù)運行的，而步進電動機是斷續(xù)運行的。運行的。開關磁阻電動機的開關磁阻電動機的優(yōu)缺優(yōu)缺點：點： 優(yōu)點：結構簡單、效率高、調速范圍寬等優(yōu)點：結構簡單、效率高、調速范圍寬等 缺點：轉矩波動問題、噪聲高的問題缺點：轉矩波動問題、噪聲高的問題等 第八章第八章2014.058.6 力矩電動機力矩電動機8.6.1

36、 概述概述 力矩電動機的力矩電動機的特點特點：一種特殊的伺服電動機，不加減速機：一種特殊的伺服電動機，不加減速機構直接驅動負載，控制輸入電壓信號可直接調節(jié)負載的轉速。構直接驅動負載，控制輸入電壓信號可直接調節(jié)負載的轉速。在位置控制的伺服系統(tǒng)中，可長期工作在堵轉狀態(tài)；在速度控在位置控制的伺服系統(tǒng)中，可長期工作在堵轉狀態(tài)；在速度控制的伺服系統(tǒng)中，可工作在低速狀態(tài)，且輸出較大的轉矩。制的伺服系統(tǒng)中，可工作在低速狀態(tài)，且輸出較大的轉矩。 采用力矩電動機拖動負載的采用力矩電動機拖動負載的優(yōu)點優(yōu)點（與采用高速的伺服電動（與采用高速的伺服電動機相比）：響應快、精度高、機械及調節(jié)特性的線性度好，結機相比）：響

37、應快、精度高、機械及調節(jié)特性的線性度好，結構緊湊、運行可靠、維護方便、振動小等，低速運行時轉速可構緊湊、運行可靠、維護方便、振動小等，低速運行時轉速可低到低到4天才轉一圈，調速范圍可高達幾萬、幾十萬。天才轉一圈，調速范圍可高達幾萬、幾十萬。 力矩電動機力矩電動機分類分類：直流力矩電動機、交流力矩電動機及無：直流力矩電動機、交流力矩電動機及無刷直流力矩電動機等，刷直流力矩電動機等，第八章第八章2014.058.6.2 直流力矩電動機直流力矩電動機 特點特點：它是一種永磁式低速直流伺服電動機，工作原理與：它是一種永磁式低速直流伺服電動機，工作原理與普通直流伺服電動機基本相同。外形和普通直流伺服電動

38、機完普通直流伺服電動機基本相同。外形和普通直流伺服電動機完全兩樣，通常做成扁平式結構，電樞長度與直徑之比一般僅為全兩樣，通常做成扁平式結構，電樞長度與直徑之比一般僅為0.20.2左右，選取較多的極對數(shù)，以便使直流力矩電動機在一定左右，選取較多的極對數(shù)，以便使直流力矩電動機在一定的電樞體積和電樞電壓下能產生較大的轉矩和較低的轉速。的電樞體積和電樞電壓下能產生較大的轉矩和較低的轉速。 直流力矩電動機直流力矩電動機分類分類：分裝式和內裝式兩種：分裝式和內裝式兩種，見見下圖下圖。分裝式分裝式內裝式內裝式第八章第八章2014.058.6.3 交流力矩電動機交流力矩電動機 主要指主要指三相異步力矩電動機，

39、可用于傳動需要恒定張力三相異步力矩電動機，可用于傳動需要恒定張力和恒定線速度的卷線機械上，如數(shù)控機床以及電影、造紙、和恒定線速度的卷線機械上，如數(shù)控機床以及電影、造紙、橡膠、電纜設備等機械上。橡膠、電纜設備等機械上。 特點特點：具有寬廣的調速范圍和較軟的機械特性，其轉速：具有寬廣的調速范圍和較軟的機械特性，其轉速隨負載轉矩的變化而變化，并允許長期堵轉。隨負載轉矩的變化而變化，并允許長期堵轉。 工作原理工作原理與普通籠型異步電動機基本相同，但結構和一與普通籠型異步電動機基本相同，但結構和一般鼠籠式異步電動機不同，它采用電阻率較高的導電材料般鼠籠式異步電動機不同，它采用電阻率較高的導電材料(如如黃

40、銅黃銅)作為轉子導條及端環(huán)，且采用開啟式結構，轉子具有軸作為轉子導條及端環(huán)，且采用開啟式結構，轉子具有軸向通風孔，并外加鼓風機強迫通風。向通風孔，并外加鼓風機強迫通風。 但小容量交流力矩電動機也有采用封閉式結構的。但小容量交流力矩電動機也有采用封閉式結構的。 第八章第八章2014.058.6.4 力矩電動機使用注意事項力矩電動機使用注意事項 (1(1）在伺服系統(tǒng)中使用的力矩電動機要保持其機械特性和）在伺服系統(tǒng)中使用的力矩電動機要保持其機械特性和調節(jié)特性有很好的線性度，故使用中它在調節(jié)特性有很好的線性度，故使用中它在一定使用條件一定使用條件(如電如電壓及散熱面大小壓及散熱面大小)時的空載轉速和堵

41、轉轉矩時的空載轉速和堵轉轉矩 。 (2(2）當運行轉速大于零時，輸出轉矩小于堵轉轉矩，力矩）當運行轉速大于零時，輸出轉矩小于堵轉轉矩，力矩電動機機械特性為直線（線性的），故使用中應考慮它電動機機械特性為直線（線性的），故使用中應考慮它不帶不帶散熱面或帶有規(guī)定散熱面時的連續(xù)堵轉轉矩。散熱面或帶有規(guī)定散熱面時的連續(xù)堵轉轉矩。 (3)(3)對對永磁式直流力矩電動機，電樞電流太大會使永久磁鐵永磁式直流力矩電動機，電樞電流太大會使永久磁鐵去磁，故使用中應考慮它的峰值轉矩、峰值電流。去磁，故使用中應考慮它的峰值轉矩、峰值電流。注意：注意：永磁式直流力矩電動機磁鋼一旦失磁，必須重新充磁永磁式直流力矩電動機磁

42、鋼一旦失磁，必須重新充磁才能恢復正常工作才能恢復正常工作 第八章第八章2014.058.7 直線電動機直線電動機8.7.1 概述概述 直線電動機是一種不需要中間轉換裝置而直接作直線運動直線電動機是一種不需要中間轉換裝置而直接作直線運動的電動機械。的電動機械。 與旋轉電動機傳動相比，直線電動機傳動具有如下與旋轉電動機傳動相比，直線電動機傳動具有如下優(yōu)點優(yōu)點：(1)(1)簡化結構，提高精度，減少振動和噪音。簡化結構，提高精度，減少振動和噪音。(2)(2)響應快速。響應快速。 (3)(3)提高可靠性，延長使用壽命。提高可靠性，延長使用壽命。(4)(4)可提高電動機的容量定額?？商岣唠妱訖C的容量定額。

43、 (5)(5)裝配靈活性大，可將電動機和其它機件合成一體。裝配靈活性大，可將電動機和其它機件合成一體。 分類分類：直線直流電動機、直線異步電動機和直線同步電動：直線直流電動機、直線異步電動機和直線同步電動機機(包括直線步進電動機包括直線步進電動機)三種。三種。 第八章第八章2014.058.7.2 直線異步電動機直線異步電動機 1. 主要類型和結構主要類型和結構 主要有三種型式：扁平型、管型和圓盤型。扁平型直線異主要有三種型式：扁平型、管型和圓盤型。扁平型直線異步電動機可以看作是由普通的旋轉異步電動機直接演變而來的。步電動機可以看作是由普通的旋轉異步電動機直接演變而來的。下圖下圖可說明其形成過

44、程?？烧f明其形成過程。 第八章第八章2014.05 直線電動機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，即直線電動機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，即動次級；也可以固定次級而讓初級運動，即動初級。動次級；也可以固定次級而讓初級運動，即動初級。 通常直線電動機都做成短初級形式，見通常直線電動機都做成短初級形式，見下圖下圖。扁平形直線電動機扁平形直線電動機雙邊形直線電動機雙邊形直線電動機第八章第八章2014.052. 工作原理工作原理 以單邊型直線異步電動機為例。當直線異步電動機的初級三以單邊型直線異步電動機為例。當直線異步電動機的初級三相繞組中通以對稱三相交流電流以后，建立按相繞組中通以對稱三

45、相交流電流以后，建立按A、B、C相序沿相序沿直線移動的行波磁場。直線移動的行波磁場。行波磁場直線行波磁場直線移動速度移動速度為為111026060226022fPfDnDv 行波磁場切割拉直的轉子行波磁場切割拉直的轉子(次級次級)，便會在次極產生電，便會在次極產生電磁力。若初級是固定不動的，則次級在電磁力作用下會跟磁力。若初級是固定不動的，則次級在電磁力作用下會跟隨行波磁場的移動而移動。設次級移動的線速度為隨行波磁場的移動而移動。設次級移動的線速度為 ，則，則轉差率轉差率為為v00vvvs第八章第八章2014.05次級移動速度為次級移動速度為 )1 (2)1 (10sfvsv 與旋轉異步電動機

46、一樣，改變直線異步電動機初級繞組與旋轉異步電動機一樣，改變直線異步電動機初級繞組的通電相序，可改變直線異步電動機的運動方向。的通電相序，可改變直線異步電動機的運動方向。 直線異步電動機的其他特性，如機械特性、調節(jié)特性等直線異步電動機的其他特性，如機械特性、調節(jié)特性等都與旋轉異步電動機相似，通常也是靠改變電源電壓或頻率都與旋轉異步電動機相似，通常也是靠改變電源電壓或頻率來實現(xiàn)對速度的連續(xù)調節(jié)。來實現(xiàn)對速度的連續(xù)調節(jié)。3. 主要用途主要用途 大容量直線異步電動機已應用于公共運輸車輛、高速列車、大容量直線異步電動機已應用于公共運輸車輛、高速列車、材料加工、擠壓加工及液體金屬泵等；小容量直線異步電動材

47、料加工、擠壓加工及液體金屬泵等；小容量直線異步電動機可應用于各種行業(yè)。機可應用于各種行業(yè)。 第八章第八章2014.058.7.3 直線直流電動機直線直流電動機 直線直流電動機主要有兩種直線直流電動機主要有兩種類型類型：永磁式和電磁式。永磁：永磁式和電磁式。永磁式直線直流電動機多用在功率較小的自動記錄儀表中式直線直流電動機多用在功率較小的自動記錄儀表中，電磁式電磁式直線直流電動機用在驅動功率較大的機構中，見直線直流電動機用在驅動功率較大的機構中，見下圖下圖。 雙極電磁式直線直流電動機的結構示意圖雙極電磁式直線直流電動機的結構示意圖 第八章第八章2014.05工作原理工作原理： 在勵磁繞組中通上勵

48、磁電流時，在電機中就產生了磁通，在勵磁繞組中通上勵磁電流時，在電機中就產生了磁通，經(jīng)定子、動子和氣隙構成閉合回路。動子繞組分為兩部分，經(jīng)定子、動子和氣隙構成閉合回路。動子繞組分為兩部分，繞向相反。當動子繞組中通電時就會產生電磁力，使動子進繞向相反。當動子繞組中通電時就會產生電磁力，使動子進行往復直線運動。若行程較短，則可以將電刷省去；若行程行往復直線運動。若行程較短，則可以將電刷省去；若行程較長，則可以加裝電刷，以控制電流流過工作區(qū)段。較長，則可以加裝電刷，以控制電流流過工作區(qū)段。8.7.4 直線步進電動機直線步進電動機 直線步進電動機是旋轉式步進電動機的演變，它利用定子直線步進電動機是旋轉式

49、步進電動機的演變，它利用定子和動子間氣隙磁通的變化所產生的電磁力而工作。和動子間氣隙磁通的變化所產生的電磁力而工作。 分類：分類：反應式和永磁式兩種。反應式和永磁式兩種。 第八章第八章2014.05工作原理工作原理： 反應式直線步進電動機的工作原理與普通旋轉步進電動反應式直線步進電動機的工作原理與普通旋轉步進電動機基本相同，也是用脈沖對其進行控制。機基本相同，也是用脈沖對其進行控制。下圖下圖為五相反應式直為五相反應式直線步進電動機的結構示意圖。線步進電動機的結構示意圖。 第八章第八章2014.05控制方法控制方法： 直線步進電動機的定子上有均勻分布的齒槽，動子有磁極，直線步進電動機的定子上有均

50、勻分布的齒槽，動子有磁極，在每個極上繞有控制繞組。當控制繞組按一定的相序通以脈沖在每個極上繞有控制繞組。當控制繞組按一定的相序通以脈沖電壓或電流時，動子將以一定的齒距移動。電壓或電流時，動子將以一定的齒距移動。 與普通的步進電動機相同，可通過與普通的步進電動機相同，可通過相序的控制相序的控制來進行齒距來進行齒距控制，滿足各種不同的工作要求?？刂疲瑵M足各種不同的工作要求。永磁式永磁式直線步進電動機：直線步進電動機： 定子用鐵磁材料制成，動子上也有永久磁鋼，控制方法與定子用鐵磁材料制成，動子上也有永久磁鋼，控制方法與反應式直線步進電動機的控制方法基本相同。反應式直線步進電動機的控制方法基本相同。平

51、面平面步進電動機：步進電動機： 結構與工作原理同永磁式步進電動機基本相同，只是它將結構與工作原理同永磁式步進電動機基本相同，只是它將直線運動變成了平面運動。直線運動變成了平面運動。第八章第八章2014.058.8 無刷直流電動機無刷直流電動機8.8.1 基本結構基本結構 無刷直流電動機在結構上是一臺反裝式的普通直流電動無刷直流電動機在結構上是一臺反裝式的普通直流電動機，它的電樞繞組安放在定子上，永磁磁極安放在轉子上，采機，它的電樞繞組安放在定子上，永磁磁極安放在轉子上，采用電子換向。用電子換向。右圖右圖為無刷直為無刷直流電動機的基流電動機的基本構成本構成第八章第八章2014.058.8.2 工

52、作原理工作原理 電樞繞組通過電樞繞組通過電子開關電子開關的控制與直流電源相連，當電樞的控制與直流電源相連，當電樞繞組內通入直流電流時，與轉子作用產生電磁轉矩，使轉子繞組內通入直流電流時，與轉子作用產生電磁轉矩，使轉子轉動。轉動。 控制電路對位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換，產生控制電路對位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換，產生控制信號，控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電動機控制信號，控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電動機氣隙中產生跳躍式的旋轉磁場，拖動轉子旋轉。氣隙中產生跳躍式的旋轉磁場，拖動轉子旋轉。 隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出

53、信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，實現(xiàn)始終保持不變，實現(xiàn)電子換向電子換向。 第八章第八章2014.05二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機工作原理，見二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機工作原理，見下圖下圖。 開始開始A、B相通電，相通電， VT1,VT6導通，拖動轉子順時針導通，拖動轉子順時針轉動，轉子沿順時針方向每轉過轉動，轉子沿順時針方向每轉過60o電角度，功率開關元電角度，功率開關元件的導通邏輯就發(fā)生變化，變化順序為：件的導通邏輯就發(fā)生變化，變化順序為： VT1,VT6 VT3,VT4VT5,VT4VT5,VT6VT1,VT6,則轉子則轉子磁場始終受到定子合成磁場磁場始終受到定子合成磁場(跳躍式旋轉磁場跳躍式旋轉磁場)的作用