特種電機的介紹

1、-1-第第1313章章 特種電機特種電機* *電機及拖動基礎(chǔ)電機及拖動基礎(chǔ) -2-引引 言言 前面介紹的前面介紹的直流電機直流電機、異步電機異步電機和和同步電機同步電機統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為普通電普通電機機。在日常生活和生產(chǎn)實際中還廣泛使用著各種特殊結(jié)構(gòu)和特。在日常生活和生產(chǎn)實際中還廣泛使用著各種特殊結(jié)構(gòu)和特殊用途的電機，特別是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的不斷殊用途的電機，特別是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的不斷涌現(xiàn)，新型特種電機的研究和應(yīng)用還處在繼續(xù)發(fā)展之中。由于涌現(xiàn)，新型特種電機的研究和應(yīng)用還處在繼續(xù)發(fā)展之中。由于特種電機大都用于控制系統(tǒng)，且功率較小，所以又稱為特種電機大都用于控制系統(tǒng)，且功率較小

2、，所以又稱為控制電控制電機機或或微特電機微特電機。從本質(zhì)上講，特種電機的基本理論和分析方法。從本質(zhì)上講，特種電機的基本理論和分析方法與普通電機是一致的，但又有其特殊性。本章主要介紹目前基與普通電機是一致的，但又有其特殊性。本章主要介紹目前基本理論業(yè)已成熟，同時又應(yīng)用比較廣泛的本理論業(yè)已成熟，同時又應(yīng)用比較廣泛的特種電機特種電機。第第13 13章章 特種電機特種電機-3-13.1 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的特種旋轉(zhuǎn)變壓器是輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的特種電機，其一、二次側(cè)繞組分別放在定、轉(zhuǎn)子上，一次側(cè)繞組與電機，其一、二次側(cè)繞組分別放在定、轉(zhuǎn)子上，

3、一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。二次側(cè)繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。 按照輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系，可以分為按照輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系，可以分為正余弦正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器和和線性旋轉(zhuǎn)變壓器線性旋轉(zhuǎn)變壓器等。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電等。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，而線性旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，而線性旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比?？梢?，壓在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比。可見，旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)變壓器是將角度信號轉(zhuǎn)換成與其成某種函數(shù)關(guān)系的電壓信號，其主要用將角度信

4、號轉(zhuǎn)換成與其成某種函數(shù)關(guān)系的電壓信號，其主要用途就是進行坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。途就是進行坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?第第13 13章章 特種電機特種電機-4-13.1.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 第第13 13章章 特種電機特種電機余弦余弦輸出輸出繞組繞組補償繞組補償繞組勵磁繞組勵磁繞組正弦正弦輸出輸出繞組繞組-5-13.1.2 工作原理工作原理 首先分析首先分析空載空載時的情況，此時只有定子勵磁繞組時的情況，此時只有定子勵磁繞組D1D2施施加交流勵磁電壓，其余三個繞組全部開路。加交流勵磁電壓，其余三個繞組全部開路。 顯然，勵磁繞組將顯然，勵磁繞組將在氣隙中產(chǎn)生一個脈振磁場，

5、在氣隙中產(chǎn)生一個脈振磁場， 這個脈振磁場將在正、余弦輸出這個脈振磁場將在正、余弦輸出繞組中分別感應(yīng)出電動勢，即繞組中分別感應(yīng)出電動勢，即 第第13 13章章 特種電機特種電機sincosRR2RR1EEEE（13-1） -6-13.1.3 畸變補償畸變補償 當輸出繞組有了當輸出繞組有了負載負載以后，其輸出電壓便不再是轉(zhuǎn)角的正、以后，其輸出電壓便不再是轉(zhuǎn)角的正、余弦函數(shù)。余弦函數(shù)。 第第13 13章章 特種電機特種電機直軸直軸分量分量交軸交軸分量分量-7- 直軸分量直軸分量對輸出特性畸變的影響是很小的，引起畸變的主要對輸出特性畸變的影響是很小的，引起畸變的主要原因應(yīng)該是原因應(yīng)該是交軸分量交軸分量

6、。 第第13 13章章 特種電機特種電機-8- 為了消除畸變，就必須設(shè)法消除為了消除畸變，就必須設(shè)法消除交軸磁通交軸磁通的影響。消除的的影響。消除的方法有兩種，即方法有兩種，即一次側(cè)補償一次側(cè)補償和和二次側(cè)補償二次側(cè)補償。 1）一次側(cè)補償：）一次側(cè)補償： 在圖在圖13-2中，如果將定子上的補償繞組中，如果將定子上的補償繞組D3D4短路，則繞組短路，則繞組D3D4能消除輸出電壓的畸變。因為交軸能消除輸出電壓的畸變。因為交軸磁通在補償繞組中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個電流磁通在補償繞組中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個電流所產(chǎn)生的磁通是阻礙交軸磁通變化的，因此對交軸磁通起抑制所產(chǎn)生的磁通是

7、阻礙交軸磁通變化的，因此對交軸磁通起抑制作用，可以起到畸變補償?shù)淖饔?。作用，可以起到畸變補償?shù)淖饔谩?第第13 13章章 特種電機特種電機-9- 2）二次側(cè)補償：）二次側(cè)補償：如圖如圖13-4所示。所示。 第第13 13章章 特種電機特種電機-10-13.2 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 測速發(fā)電機的作用是把輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成輸出的電壓測速發(fā)電機的作用是把輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號信號， 例如在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，通過對轉(zhuǎn)速的檢測，例如在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，通過對轉(zhuǎn)速的檢測，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 達到改善系統(tǒng)調(diào)速性能的目達到改善系統(tǒng)調(diào)速性能的目的。

8、的。 對測速發(fā)電機的基本要求是：對測速發(fā)電機的基本要求是： 1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴格的正比關(guān)系，以達到高精度）輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有嚴格的正比關(guān)系，以達到高精度的要求；的要求； 2）在一定的轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應(yīng)盡可能的大，）在一定的轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的電動勢及電壓應(yīng)盡可能的大，以達到高靈敏度的要求。以達到高靈敏度的要求。 測速發(fā)電機可分為測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機和和交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機，下，下面分別加以介紹。面分別加以介紹。第第13 13章章 特種電機特種電機-11-13.2.1 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機有兩種：直流測速發(fā)電機有兩種： 一種是

9、一種是電勵磁式直流測速發(fā)電機電勵磁式直流測速發(fā)電機，另一種是另一種是永磁式直流測速發(fā)電機永磁式直流測速發(fā)電機，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流發(fā)電機相同。通直流發(fā)電機相同。 第第13 13章章 特種電機特種電機CnnRRCRREUaeaa11（13-2） 為了減小電樞電流及電樞反應(yīng)的去磁作用，應(yīng)盡可能采用比為了減小電樞電流及電樞反應(yīng)的去磁作用，應(yīng)盡可能采用比較大的較大的負載電阻負載電阻R， 并保證轉(zhuǎn)速范圍不要太大。并保證轉(zhuǎn)速范圍不要太大。 對于電勵磁式對于電勵磁式直流測速發(fā)電機，直流測速發(fā)電機， 可以安裝補償繞組來抑制電樞電流對主磁通可以安裝補償繞組來抑制電樞電流對主磁

10、通的影響，減小誤差。的影響，減小誤差。 -12-13.2.1 交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機 交流測速發(fā)電機的定交流測速發(fā)電機的定子上嵌有兩相繞組，一相子上嵌有兩相繞組，一相是是勵磁繞組勵磁繞組，另一相是，另一相是輸輸出繞組出繞組，它們在空間互差，它們在空間互差90電角度，電角度， 如圖如圖13-5所所示。交流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)示。交流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是籠籠型轉(zhuǎn)子型轉(zhuǎn)子， 一種是一種是杯型轉(zhuǎn)杯型轉(zhuǎn)子子。 第第13 13章章 特種電機特種電機輸出繞組輸出繞組勵磁繞組勵磁繞組籠型籠型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子-13-13.3 自整角機自整角機 自整角機是用于自整角機是用于同步傳動系統(tǒng)同

11、步傳動系統(tǒng)中的一種特種電機，它通過中的一種特種電機，它通過電的方式在兩個或兩個以上無機械聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸之間傳遞角位移電的方式在兩個或兩個以上無機械聯(lián)系的轉(zhuǎn)軸之間傳遞角位移或使之同步旋轉(zhuǎn)。自整角機有三相和單相之分，三相自整角機或使之同步旋轉(zhuǎn)。自整角機有三相和單相之分，三相自整角機常常用于大功率傳動系統(tǒng)中，也稱為常常用于大功率傳動系統(tǒng)中，也稱為“電軸電軸”；單相自整角機；單相自整角機則主要用于控制系統(tǒng)中。這里主要介紹則主要用于控制系統(tǒng)中。這里主要介紹三相自整角機三相自整角機的基本結(jié)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。構(gòu)和工作原理。 第第13 13章章 特種電機特種電機-14-13.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 第第13

12、 13章章 特種電機特種電機整步繞組整步繞組勵磁繞組勵磁繞組-15-13.3.2 工作原理工作原理 第第13 13章章 特種電機特種電機1JJJJ1FFFFcos3cos3IETIET（13-3） 根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的基本概念，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的基本概念， 當電磁轉(zhuǎn)矩為正當電磁轉(zhuǎn)矩為正時，其方向是使轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動；而當電磁轉(zhuǎn)矩為時，其方向是使轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動；而當電磁轉(zhuǎn)矩為負時，其方向是使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動。因此，負時，其方向是使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動。因此，TF和和TJ都是傾向于使都是傾向于使=0。如果只有接收機的轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動，它將如果只有接收機的轉(zhuǎn)子

13、可以自由轉(zhuǎn)動，它將沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動，直至沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動，直至=0 。如果發(fā)送機的轉(zhuǎn)子不停如果發(fā)送機的轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)，則接收機的轉(zhuǎn)子也將以同樣的速度不停地旋轉(zhuǎn)。地旋轉(zhuǎn)，則接收機的轉(zhuǎn)子也將以同樣的速度不停地旋轉(zhuǎn)。 -16-13.3.3 單相自整角機單相自整角機 第第13 13章章 特種電機特種電機脈振磁動勢脈振磁動勢分解分解-17-13.4 伺服電動機伺服電動機 伺服電動機的作用是把輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換成輸出的伺服電動機的作用是把輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換成輸出的角位移或角速度。角位移或角速度。在運動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是以執(zhí)行機在運動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是以執(zhí)行機構(gòu)的身份出現(xiàn)的，

14、所以又稱為構(gòu)的身份出現(xiàn)的，所以又稱為執(zhí)行電動機執(zhí)行電動機。 對伺服電動機的基本要求是：對伺服電動機的基本要求是： 1）可控性好，即無電壓控制信號時轉(zhuǎn)子不自轉(zhuǎn)，控制信號）可控性好，即無電壓控制信號時轉(zhuǎn)子不自轉(zhuǎn)，控制信號一旦出現(xiàn)，電動機馬上轉(zhuǎn)動，而控制信號一旦消失，電動機立一旦出現(xiàn)，電動機馬上轉(zhuǎn)動，而控制信號一旦消失，電動機立刻停轉(zhuǎn)；刻停轉(zhuǎn)； 2）運行穩(wěn)定，即電動機具有線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。）運行穩(wěn)定，即電動機具有線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。 伺服電動機可分為伺服電動機可分為直流伺服電動機直流伺服電動機和和交流伺服電動機交流伺服電動機，下，下面分別加以介紹。面分別加以介紹。第第13 13章章 特

15、種電機特種電機-18-13.4.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 直流伺服電動機有兩種：直流伺服電動機有兩種： 一種是一種是電勵磁式直流伺服電動電勵磁式直流伺服電動機機，另一種是，另一種是永磁式直流伺服電動機永磁式直流伺服電動機，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流電動機相同。與普通直流電動機相同。 直流伺服電動機主要有兩種控制方式，直流伺服電動機主要有兩種控制方式， 一種是一種是電樞控制電樞控制，即通過改變電樞電壓來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制；另一種是即通過改變電樞電壓來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制；另一種是磁場磁場控制控制，即通過改變勵磁電壓來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制（對電磁，即通過改變勵磁

16、電壓來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制（對電磁式直流伺服電動機而言）。式直流伺服電動機而言）。 電樞控制電樞控制的優(yōu)點是電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度的優(yōu)點是電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，系統(tǒng)響應(yīng)迅速好，調(diào)速范圍廣，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，所以下面以電樞控制電磁式，所以下面以電樞控制電磁式直流伺服電動機為例，介紹相應(yīng)的機械特性和調(diào)節(jié)特性。直流伺服電動機為例，介紹相應(yīng)的機械特性和調(diào)節(jié)特性。第第13 13章章 特種電機特種電機-19- 1. 機械特性機械特性 同他勵直流電動機一樣，直流伺服電動機的機械特性是指同他勵直流電動機一樣，直流伺服電動機的機械特性是指在一定控制電壓在一定控制電壓Uc下，下

17、， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系曲之間的關(guān)系曲線，即線，即 n = f(Te) 。 第第13 13章章 特種電機特種電機ece2TeaecTUTCCRCUn（13-4） -20- 2. 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是指在一定負載轉(zhuǎn)矩直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是指在一定負載轉(zhuǎn)矩TL下，轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速子轉(zhuǎn)速n與控制電壓與控制電壓Uc之間的關(guān)系曲線，即之間的關(guān)系曲線，即 n = f(Uc) 。第第13 13章章 特種電機特種電機 電樞控制時直流伺服電樞控制時直流伺服電動機的兩個主要運行特電動機的兩個主要運行特性性機械特性和調(diào)節(jié)特機械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，這是一

18、個性都是線性的，這是一個很可貴的優(yōu)點。很可貴的優(yōu)點。 -21-13.4.2 交流伺服電動機交流伺服電動機 交流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)與交流測速發(fā)電機相類似。交流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)與交流測速發(fā)電機相類似。 第第13 13章章 特種電機特種電機輸出繞組輸出繞組勵磁繞組勵磁繞組-22- 轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是是籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子，與普通異步電，與普通異步電動機籠型轉(zhuǎn)子相比較，主要動機籠型轉(zhuǎn)子相比較，主要是轉(zhuǎn)子導條采用了高電阻系是轉(zhuǎn)子導條采用了高電阻系數(shù)的材料，目的是消除自轉(zhuǎn)數(shù)的材料，目的是消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象；另一種是現(xiàn)象；另一種是杯型轉(zhuǎn)子杯型轉(zhuǎn)子，是靠空心杯中所感應(yīng)的渦流是靠空心杯中所感

19、應(yīng)的渦流與主磁場相互作用而產(chǎn)生電與主磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，磁轉(zhuǎn)矩， 優(yōu)點是轉(zhuǎn)動慣量優(yōu)點是轉(zhuǎn)動慣量小，但由于氣隙較大，需要小，但由于氣隙較大，需要提供的勵磁電流較大，體積提供的勵磁電流較大，體積也較大。也較大。 第第13 13章章 特種電機特種電機-23- 1. 工作原理與自轉(zhuǎn)問題工作原理與自轉(zhuǎn)問題 交流伺服電動機實際上是兩相電機的不對稱運行，勵磁繞交流伺服電動機實際上是兩相電機的不對稱運行，勵磁繞組和控制繞組分別在氣隙中產(chǎn)生組和控制繞組分別在氣隙中產(chǎn)生單相脈振磁場單相脈振磁場，兩者合成的結(jié)，兩者合成的結(jié)果一般是一果一般是一橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，該橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場又可以分解，該橢

20、圓形旋轉(zhuǎn)磁場又可以分解為正、反向的為正、反向的圓形旋轉(zhuǎn)磁場圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一般情況下勵磁繞組電壓保持不。一般情況下勵磁繞組電壓保持不變，通過改變控制繞組電壓的幅值或相位，就可以改變正向旋變，通過改變控制繞組電壓的幅值或相位，就可以改變正向旋轉(zhuǎn)磁場與反向旋轉(zhuǎn)磁場之間的大小關(guān)系，以及正向電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)磁場與反向旋轉(zhuǎn)磁場之間的大小關(guān)系，以及正向電磁轉(zhuǎn)矩和反向電磁轉(zhuǎn)矩之間的比值，從而達到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速反向電磁轉(zhuǎn)矩之間的比值，從而達到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的目的。的目的。第第13 13章章 特種電機特種電機-24- 交流伺服電動機的交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻往往較大，這是為了保證當控往往較大，

21、這是為了保證當控制繞組電壓為零時，電動機能立刻停轉(zhuǎn)，如下圖所示。制繞組電壓為零時，電動機能立刻停轉(zhuǎn)，如下圖所示。 第第13 13章章 特種電機特種電機增大轉(zhuǎn)子增大轉(zhuǎn)子電阻電阻-25- 2. 控制方式與運行特性控制方式與運行特性 交流伺服電動機可以有三種具體的控制方式：交流伺服電動機可以有三種具體的控制方式： 1）幅值控制幅值控制，即僅改變控制電壓的幅值；，即僅改變控制電壓的幅值； 2）相位控制相位控制，即僅改變控制電壓的相位；，即僅改變控制電壓的相位； 3）幅幅-相控制相控制，同時改變控制電壓的幅值和相位。，同時改變控制電壓的幅值和相位。 下面以下面以幅值控制幅值控制的交流伺服電動機為例，簡要

22、介紹相應(yīng)的的交流伺服電動機為例，簡要介紹相應(yīng)的機械特性和調(diào)節(jié)特性機械特性和調(diào)節(jié)特性。 第第13 13章章 特種電機特種電機-26-機械特性和調(diào)節(jié)特性：機械特性和調(diào)節(jié)特性：第第13 13章章 特種電機特種電機cNcUU 有效信號因數(shù)有效信號因數(shù) -27-13.5 磁阻電動機磁阻電動機 磁阻電動機又稱為磁阻電動機又稱為反應(yīng)式電動機反應(yīng)式電動機，這種電機的轉(zhuǎn)子本身沒，這種電機的轉(zhuǎn)子本身沒有磁性，只是利用磁場中可移動部件試圖使磁路磁阻最小的原有磁性，只是利用磁場中可移動部件試圖使磁路磁阻最小的原理，依靠轉(zhuǎn)子兩個正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這種理，依靠轉(zhuǎn)子兩個正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這種

23、轉(zhuǎn)矩稱為轉(zhuǎn)矩稱為磁阻轉(zhuǎn)矩磁阻轉(zhuǎn)矩或或反應(yīng)轉(zhuǎn)矩反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。磁阻電動機由于結(jié)構(gòu)簡單，成。磁阻電動機由于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，獲得了較為廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外磁阻電動機有單本低廉，獲得了較為廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外磁阻電動機有單相和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦。相和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦。 第第13 13章章 特種電機特種電機-28-13.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 磁阻電動機屬于磁阻電動機屬于交流同步電機交流同步電機，其定子與一般交流電機相同，其定子與一般交流電機相同，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式卻是多種多樣的，只要轉(zhuǎn)子直軸方向與交軸方向而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式卻是多種多樣的，只要轉(zhuǎn)子直軸方向與交軸方向的磁阻不相等，根據(jù)的磁阻

24、不相等，根據(jù)磁阻最小原理磁阻最小原理即可產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。圖即可產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。圖13-15所所示是最常用的兩種結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)子與一般異步電動機籠型轉(zhuǎn)子的示是最常用的兩種結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)子與一般異步電動機籠型轉(zhuǎn)子的差別僅在于具有與定子極數(shù)相等的凸極，屬于差別僅在于具有與定子極數(shù)相等的凸極，屬于單邊凸極的結(jié)構(gòu)單邊凸極的結(jié)構(gòu)。 第第13 13章章 特種電機特種電機-29-13.5.2 工作原理與起動問題工作原理與起動問題 第第13 13章章 特種電機特種電機磁磁阻阻最最小小磁磁阻阻最最大大產(chǎn)生磁阻產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩-30- 與永磁同步電動機一樣，磁阻同步電動機的起動也比較困難，與永磁同步電動機一樣，磁阻同步電動

25、機的起動也比較困難，如圖如圖13-17所示。所示。也需要在轉(zhuǎn)子上另外裝設(shè)籠型起動繞組，以達到也需要在轉(zhuǎn)子上另外裝設(shè)籠型起動繞組，以達到異步起動，同步運行異步起動，同步運行。 第第13 13章章 特種電機特種電機-31-13.6 磁滯電動機磁滯電動機 磁滯電動機的轉(zhuǎn)子是用磁滯電動機的轉(zhuǎn)子是用硬硬磁材料磁材料做成的，這種硬磁材料做成的，這種硬磁材料具有比較寬的磁滯回環(huán)，其具有比較寬的磁滯回環(huán)，其剩剩磁密度磁密度和和矯頑力矯頑力要比要比軟磁材料軟磁材料大，如圖大，如圖13-18所示。磁滯電動所示。磁滯電動機的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運機的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)可靠，起動轉(zhuǎn)矩大，不需要轉(zhuǎn)可靠，起動轉(zhuǎn)矩大

26、，不需要裝任何起動裝置就能平穩(wěn)地牽裝任何起動裝置就能平穩(wěn)地牽入同步。入同步。第第13 13章章 特種電機特種電機-32-13.6.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 磁滯電動機也屬于磁滯電動機也屬于交流同步交流同步電機電機，其定子與一般交流電機相，其定子與一般交流電機相同，而轉(zhuǎn)子也沒有勵磁源，其結(jié)同，而轉(zhuǎn)子也沒有勵磁源，其結(jié)構(gòu)如圖構(gòu)如圖13-19所示。所示。 由硬磁材料由硬磁材料沖片疊壓而成的轉(zhuǎn)子，其渦流轉(zhuǎn)沖片疊壓而成的轉(zhuǎn)子，其渦流轉(zhuǎn)矩小，電動機起動及運行主要依矩小，電動機起動及運行主要依靠磁滯轉(zhuǎn)矩；由整塊硬磁材料做靠磁滯轉(zhuǎn)矩；由整塊硬磁材料做成的轉(zhuǎn)子，除了成的轉(zhuǎn)子，除了磁滯轉(zhuǎn)矩磁滯轉(zhuǎn)矩外，還外，還有有渦流

27、轉(zhuǎn)矩渦流轉(zhuǎn)矩， 可以增大起動轉(zhuǎn)可以增大起動轉(zhuǎn)矩。矩。 第第13 13章章 特種電機特種電機-33-13.6.2 工作原理工作原理 轉(zhuǎn)子磁分子軸線落后于定子旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個角度是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁分子軸線落后于定子旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個角度是產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩的根本原因，這個角度通常稱為磁滯轉(zhuǎn)矩的根本原因，這個角度通常稱為磁滯角磁滯角。 磁滯電動機磁滯電動機最可貴的特性是具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，最可貴的特性是具有很大的起動轉(zhuǎn)矩， 因而它不要附設(shè)任何起因而它不要附設(shè)任何起動繞組就能很快自行起動。動繞組就能很快自行起動。第第13 13章章 特種電機特種電機-34-13.7 步進電動機步進電動機 步進電動機是一種把電脈沖信號

28、轉(zhuǎn)換成機械角位移的控制步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的控制電機，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。電機，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。由于其輸入信號是由于其輸入信號是脈沖電壓，脈沖電壓， 輸出角位移是斷續(xù)的，輸出角位移是斷續(xù)的， 即每輸入一個電脈沖信號，即每輸入一個電脈沖信號，轉(zhuǎn)子就前進一步，因此叫做步進電動機，也稱為轉(zhuǎn)子就前進一步，因此叫做步進電動機，也稱為脈沖電動機脈沖電動機。 第第13 13章章 特種電機特種電機-35-13.7.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 1）反應(yīng)式步進電動機反應(yīng)式步進電動機依靠變化的磁阻產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，又稱依靠變化的磁阻產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，又稱為磁阻式步進電動機，如圖

29、為磁阻式步進電動機，如圖13-21a所示；所示； 2）永磁式步進電動機永磁式步進電動機依靠永磁體和定子繞組之間所產(chǎn)生的依靠永磁體和定子繞組之間所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩工作，如圖電磁轉(zhuǎn)矩工作，如圖13-21b所示；所示； 3）復合式步進電動機復合式步進電動機則是反應(yīng)式和永磁式的結(jié)合。則是反應(yīng)式和永磁式的結(jié)合。第第13 13章章 特種電機特種電機-36-13.7.2 工作原理工作原理 以三相反應(yīng)式步進電動機為例說明其工作原理。如圖以三相反應(yīng)式步進電動機為例說明其工作原理。如圖13-23所示，一般說來，若相數(shù)為所示，一般說來，若相數(shù)為m，則定子極數(shù)為，則定子極數(shù)為2m，所以定子有，所以定子有六個齒極。定子相

30、對的兩個齒極組成一組，每個齒極上都裝有六個齒極。定子相對的兩個齒極組成一組，每個齒極上都裝有集中控制繞組。反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子類似于凸極同步電動集中控制繞組。反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子類似于凸極同步電動機，這里討論有四個齒極的情況。機，這里討論有四個齒極的情況。 第第13 13章章 特種電機特種電機-37- 三相步進電動機采用單三拍運行方式時，在繞組斷、通電三相步進電動機采用單三拍運行方式時，在繞組斷、通電的間隙，轉(zhuǎn)子有可能失去自鎖能力，出現(xiàn)的間隙，轉(zhuǎn)子有可能失去自鎖能力，出現(xiàn)失步現(xiàn)象失步現(xiàn)象。另外，在。另外，在轉(zhuǎn)子頻繁起動、轉(zhuǎn)子頻繁起動、 加速、加速、 減速的步進過程中，減速的步進過程中， 由

31、于受慣性的影由于受慣性的影響，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近有可能出現(xiàn)響，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近有可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象振蕩現(xiàn)象。所以，三相步。所以，三相步進電動機單三拍運行方式容易出現(xiàn)失步和振蕩，常采用進電動機單三拍運行方式容易出現(xiàn)失步和振蕩，常采用三相雙三相雙三拍運行方式三拍運行方式。 第第13 13章章 特種電機特種電機-38- 對于圖對于圖11-23和圖和圖11-24所示的所示的步進電動機，其步距角都太大，不步進電動機，其步距角都太大，不能滿足控制精度的要求。為了減小能滿足控制精度的要求。為了減小步距角，可以將定、轉(zhuǎn)子加工成多步距角，可以將定、轉(zhuǎn)子加工成多齒結(jié)構(gòu)，齒結(jié)構(gòu)， 如圖如圖11-25所示。所示。 設(shè)

32、脈沖設(shè)脈沖電源的頻率為電源的頻率為 f， 轉(zhuǎn)子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的脈沖數(shù)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的脈沖數(shù)為N，則每次轉(zhuǎn)過的步距角為，則每次轉(zhuǎn)過的步距角為 因為步進電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)為因為步進電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)為ZrN，所以，所以步進電動機每分鐘的轉(zhuǎn)速為步進電動機每分鐘的轉(zhuǎn)速為 顯然步進電動機的轉(zhuǎn)速正比于脈沖電源的頻率。顯然步進電動機的轉(zhuǎn)速正比于脈沖電源的頻率。 NZbr360NZfnr60（13-6）（13-5）第第13 13章章 特種電機特種電機-39- 步進電動機步進電動機與前面介紹的與前面介紹的磁阻電動機磁阻電動機均屬于均屬于變磁阻電動

33、機變磁阻電動機VRM（variable reluctance motor），都是利用磁路磁阻最小原，都是利用磁路磁阻最小原理來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，理來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩， 所不同的是前者采用轉(zhuǎn)子單邊凸極結(jié)構(gòu)，所不同的是前者采用轉(zhuǎn)子單邊凸極結(jié)構(gòu)，而步進電動機采用的是定、轉(zhuǎn)子雙邊凸極的結(jié)構(gòu)。而步進電動機采用的是定、轉(zhuǎn)子雙邊凸極的結(jié)構(gòu)。 事實上，還有一種事實上，還有一種變磁阻電動機變磁阻電動機開關(guān)磁阻電動機開關(guān)磁阻電動機SRM（switched reluctance motor）在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中得到了重在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中得到了重要的應(yīng)用，要的應(yīng)用， 它與步進電動機的主要區(qū)別在于增加了對轉(zhuǎn)子位置它與步進電動

34、機的主要區(qū)別在于增加了對轉(zhuǎn)子位置信號的檢測，信號的檢測， 并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定定子各相勵磁繞組的通電時并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定定子各相勵磁繞組的通電時刻，因而屬于刻，因而屬于自控式同步電動機自控式同步電動機，可以實現(xiàn)較大功率的驅(qū)動。，可以實現(xiàn)較大功率的驅(qū)動。第第13 13章章 特種電機特種電機-40-13.8 直線電動機直線電動機 直線電動機是一種做直線運動的特種電機，直線電動機是一種做直線運動的特種電機，與旋轉(zhuǎn)電機相與旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機主要有以下優(yōu)點：比，直線電機主要有以下優(yōu)點： 1）由于不需要中間傳動機構(gòu)，整個系統(tǒng)得到簡化，精度）由于不需要中間傳動機構(gòu)，整個系統(tǒng)得到簡化，精度提高，振動和噪音減

35、??；提高，振動和噪音減??； 2）由于不存在中間傳動機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，電）由于不存在中間傳動機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，電機加速和減速的時間短，可實現(xiàn)快速起動和正反向運行；機加速和減速的時間短，可實現(xiàn)快速起動和正反向運行； 3）普通旋轉(zhuǎn)電機由于受到離心力的作用，其圓周速度有）普通旋轉(zhuǎn)電機由于受到離心力的作用，其圓周速度有所限制，而直線電機運行時，其部件不受離心力的影響，因而所限制，而直線電機運行時，其部件不受離心力的影響，因而它的直線速度可以不受限制；它的直線速度可以不受限制； 4）由于散熱面積大，容易冷卻，直線電機可以承受較高）由于散熱面積大，容易冷卻，直線電機可以承受較高的電磁負荷，容

36、量定額較高；的電磁負荷，容量定額較高； 5）由于直線電機結(jié)構(gòu)簡單，且它的初級鐵心在嵌線后可）由于直線電機結(jié)構(gòu)簡單，且它的初級鐵心在嵌線后可以用環(huán)氧樹脂密封成一個整體，所以可以在一些特殊場合中應(yīng)以用環(huán)氧樹脂密封成一個整體，所以可以在一些特殊場合中應(yīng)用，例如可在潮濕環(huán)境甚至水中使用。用，例如可在潮濕環(huán)境甚至水中使用。 第第13 13章章 特種電機特種電機-41- 直線電機是由旋轉(zhuǎn)電機演化而來直線電機是由旋轉(zhuǎn)電機演化而來，如圖，如圖13-26所示。原則上所示。原則上各種型式的旋轉(zhuǎn)電機，各種型式的旋轉(zhuǎn)電機， 如如直流電動機直流電動機、異步電動機異步電動機、同步電動同步電動機機等均可演化成直線電動機。等

37、均可演化成直線電動機。 這里主要以國內(nèi)外應(yīng)用較多的這里主要以國內(nèi)外應(yīng)用較多的直直線感應(yīng)電動機線感應(yīng)電動機為例介紹直線電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。為例介紹直線電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 第第13 13章章 特種電機特種電機-42-第第13 13章章 特種電機特種電機13.8.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)-43-第第13 13章章 特種電機特種電機-44-13.8.2 工作原理工作原理 當初級的多相繞組中通入多相電流后，會產(chǎn)生一個氣隙磁當初級的多相繞組中通入多相電流后，會產(chǎn)生一個氣隙磁場，這個磁場的磁通密度波是直線移動的，稱為場，這個磁場的磁通密度波是直線移動的，稱為行波磁場行波磁場，如，如圖圖13-30所

38、示。顯然，行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表所示。顯然，行波的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是相同的，稱為同步速度面上的線速度是相同的，稱為同步速度式中，式中，f 為電源頻率，為電源頻率， 為極距。為極距。 fv2s（13-7）第第13 13章章 特種電機特種電機-45- 在行波磁場切割下，次級中的導條將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電在行波磁場切割下，次級中的導條將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，流， 所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，所有導條的電流和氣隙磁場相互作用， 產(chǎn)生切向電磁產(chǎn)生切向電磁力。如果初級是固定不動的，那末次級就沿著行波磁場行進的力。如果初級是固定不動的，那末次級就沿著行波磁場行進的

39、方向作直線運動。若次級移動的速度用方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，則滑差率表示，則滑差率 次級移動速度次級移動速度 （13-8）ssvvvss)1 (vsv（13-9）即直線感應(yīng)電動機的速度與電源頻率以及電機極距成正比。即直線感應(yīng)電動機的速度與電源頻率以及電機極距成正比。 與旋轉(zhuǎn)電機一樣，改變直線電機初級繞組的通電次序，可與旋轉(zhuǎn)電機一樣，改變直線電機初級繞組的通電次序，可改變電機運動的方向，因而可使直線電機作往復直線運動。在改變電機運動的方向，因而可使直線電機作往復直線運動。在實際應(yīng)用中，我們也可將次級固定不動，而讓初級運動。實際應(yīng)用中，我們也可將次級固定不動，而讓初級運動。 第第1

40、3 13章章 特種電機特種電機-46-13.9 超導電動機超導電動機 超導電機是指其定子或轉(zhuǎn)子繞組由實用超導電線繞制而成超導電機是指其定子或轉(zhuǎn)子繞組由實用超導電線繞制而成的特種電機。的特種電機。超導材料在超導材料在臨界溫度臨界溫度T、臨界磁場強度臨界磁場強度H 及及臨界電臨界電流密度值流密度值J 以內(nèi)時具有超導性，其電阻為零，這使得超導電機以內(nèi)時具有超導性，其電阻為零，這使得超導電機繞組的電阻損耗為零，既解決了電樞繞組發(fā)熱、溫升等問題，繞組的電阻損耗為零，既解決了電樞繞組發(fā)熱、溫升等問題，又使電機效率大為提高。更重要的是超導線的臨界磁場強度又使電機效率大為提高。更重要的是超導線的臨界磁場強度H

41、和臨界電流密度和臨界電流密度J 都很高，使超導電機的氣隙磁通密度和繞組都很高，使超導電機的氣隙磁通密度和繞組的電流密度可比普通電機提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍，這就大大提高的電流密度可比普通電機提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍，這就大大提高了電機的功率密度，降低了電機的重量、體積和材料消耗。了電機的功率密度，降低了電機的重量、體積和材料消耗。 第第13 13章章 特種電機特種電機-47-13.9.1 組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)第第13 13章章 特種電機特種電機-48-13.9.2 主要設(shè)計參數(shù)主要設(shè)計參數(shù) 表表13-1是是1000hp高溫超導同步電動機的主要設(shè)計參數(shù)，其高溫超導同步電動機的主要設(shè)計參數(shù)，其中的效率已將制冷

42、系統(tǒng)考慮進去。中的效率已將制冷系統(tǒng)考慮進去。第第13 13章章 特種電機特種電機-49-13.10 超聲波電動機超聲波電動機 超聲波電動機（超聲波電動機（ultrasonic motor USM）是是20世紀末發(fā)展世紀末發(fā)展起來的一種新的微型驅(qū)動電機，它的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與傳起來的一種新的微型驅(qū)動電機，它的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電機完全不同，沒有繞組和磁路，不以電磁相互作用來傳遞統(tǒng)電機完全不同，沒有繞組和磁路，不以電磁相互作用來傳遞能量，而是能量，而是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，利用超聲波振動來實基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，利用超聲波振動來實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。超聲波電動機結(jié)構(gòu)簡單

43、，體積小，重量輕，超聲波電動機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，力矩大，響應(yīng)快，控制精度高，可以運用于照相機的自動調(diào)焦、力矩大，響應(yīng)快，控制精度高，可以運用于照相機的自動調(diào)焦、門式窗簾的直接驅(qū)動、機器人的關(guān)節(jié)控制等場合。超聲波電動門式窗簾的直接驅(qū)動、機器人的關(guān)節(jié)控制等場合。超聲波電動機是典型的機電一體化產(chǎn)品，它涉及機是典型的機電一體化產(chǎn)品，它涉及電機學電機學、振動學振動學、摩擦學摩擦學、功能材料、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和功能材料、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和檢測技術(shù)檢測技術(shù)等多學科，目等多學科，目前仍是國內(nèi)外研究的重點。前仍是國內(nèi)外研究的重點。第第13 13章章 特種電機特種電機-50- 超聲波電動機的分類還沒有統(tǒng)一的標準，按照驅(qū)動轉(zhuǎn)子運超聲波電動機的分類還沒有統(tǒng)一的標準，按照驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的機理可分為駐波型和行波型兩種。動的機理可分為駐波型和行波型兩種。 駐波型駐波型是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來推是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來推動轉(zhuǎn)子運動，屬間斷驅(qū)動方式；動轉(zhuǎn)子運動，屬間斷驅(qū)動方式； 行波型行波型則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波，利用行波表面質(zhì)則是在