電工電子第十章

第十章電機

10.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理10.2三相異步電動機的運行特性10.3三相異步電動機的起動10.4三相異步電動機的調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動10.5三相異步電動機的選擇、使用和維修10.6單相異步電動機10.7直流電動機10.8控制電機10.9本章小結(jié)按照電機功能分類可分為發(fā)電機和電動機兩大類。發(fā)電機是利用電磁感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。分交流發(fā)電機和直流發(fā)電機。電動機是用來將電能轉(zhuǎn)換或機械能的裝置。分為交流電動機和直流電動機。交流電動機又有三相和單相之分，同步和異步之分。第一節(jié)三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

組成：固定部分——定子；轉(zhuǎn)動部分——轉(zhuǎn)子。a）b）圖10-1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)a）外形b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)a）

b）

圖10-2繞線式轉(zhuǎn)子

a）外形b）外接變阻器的等效電路

異步電動機只有定子繞組與交流電源聯(lián)接，轉(zhuǎn)子則是自行閉合的。雖然定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在電路上是相互分開的，但兩者卻在同一磁路上。二、旋轉(zhuǎn)磁場

圖10-3異步轉(zhuǎn)動示意圖

1．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生把三相定子繞組接成星形接到對稱三相電源，定子繞組中便有對稱三相電流流過。iU=ImsinωtiV=Imsin（ωt-120°）iW=Imsin（ωt+120°）圖10-4三相異步電動機定子繞組連接示意圖a）內(nèi)部繞組示意圖b）接線原理圖繞組中電流的實際方向，可由對應(yīng)瞬時電流的正負來確定。為此，我們規(guī)定：當電流為正時，其實際方向從首端流入，從末端流出；當電流為負時，其實際方向從末端流入，從首端流出。凡電流進入端標以，流出端標以⊙。2．旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向（10-1）

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1決定于電流的頻率f1和電動機磁極對數(shù)P。又我國的電源頻率為f1=50HZ旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1也稱為“同步轉(zhuǎn)速”。三、轉(zhuǎn)動原理圖10-8異步電動機轉(zhuǎn)動原理

旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，此電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同向轉(zhuǎn)動，其原理與圖10-3所示的情況相同。四、運行過程與轉(zhuǎn)差率（10-2）

電動機在額定情況運行時，一般轉(zhuǎn)差率S=0.02~0.06，用百分數(shù)表示則為S=2%~6%。如前所述，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n永遠小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（既同步轉(zhuǎn)速）n1，轉(zhuǎn)子總是緊跟著旋轉(zhuǎn)磁場以n＜n1的轉(zhuǎn)速同方向旋轉(zhuǎn)。若旋轉(zhuǎn)磁場的方向反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也將反向轉(zhuǎn)動。習題1-31-41-5第二節(jié)三相異步電動機的運行特性

三相異步電動機的運行特性主要是指三相異步電動機在運行時電動機的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速相互之間的關(guān)系。一、電磁轉(zhuǎn)矩

異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由于具有轉(zhuǎn)子電流I2的轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受力而產(chǎn)生的，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子電流I2和反映磁場強度的每極磁通成正比。因此電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比。異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式（10-3）

KT稱為異步電機的“轉(zhuǎn)矩常數(shù)”，它與電機本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。T=U12

T=KT

I2cos2

（10-4）

若定子電路的外加電壓U1及其頻率f1為定值，則R2和X20均為常數(shù)，因此，電磁轉(zhuǎn)矩僅隨轉(zhuǎn)差率S而改變。把不同的S值（0~1之間）代入式（10-4）中，便可繪出轉(zhuǎn)矩曲線，如圖10-9所示，轉(zhuǎn)矩曲線又稱T—S曲線。圖10-9轉(zhuǎn)矩特性曲線

異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩以及最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率Sm，可用數(shù)學(xué)求最大值的方法（略）求得Sm=

（10-5）

把式（10-5）的最大轉(zhuǎn)差率代入式（10-4）Tmax

（10-6）

結(jié)論:異步電動機產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩Tmax和轉(zhuǎn)子電阻R2的大小無關(guān)，但Sm與R2增大，Sm也增大，轉(zhuǎn)矩曲線向右偏移；反之則向左偏移。如圖10-10所示。最大轉(zhuǎn)矩圖10-10不同R2時的轉(zhuǎn)矩特性曲線

在電動機起動時，n=0、S=1，由式（10-4）起動轉(zhuǎn)矩（10-7）

隨著轉(zhuǎn)子電路中電阻R2的增加，起動轉(zhuǎn)矩Tst也逐漸增加。由式（10-6）和式（10-7）影響最大轉(zhuǎn)矩Tmax和起動轉(zhuǎn)矩Tst的最突出因素是電源電壓U1，它們都與U1的平方成正比。二、轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系

電動機穩(wěn)定運行時:T=TC

T=TL+T0≈TL

T=TL=

T=9550（10-8）

[例10-1]一臺三相異步電動機，定子繞組接到頻率

f1=50HZ的三相對稱電源上，已知它在額定轉(zhuǎn)速

nN=960r/min下運行，求:（1）該電動機的磁極對數(shù)P為多少？（2）額定轉(zhuǎn)差率是多少？解：（1）求磁極對數(shù)（2）額定轉(zhuǎn)差率根據(jù)額定轉(zhuǎn)速（960r/min）來估算旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1=1000r/min[例10-2]有一Y225M-4型三相異步電動機，由銘牌上知UN=380V，PN=45Kw，nN=1480r/min，起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比Tst/TN=1.9，試求：（1）額定轉(zhuǎn)差率；（2）起動轉(zhuǎn)矩；（3）如果負載轉(zhuǎn)矩為510N·m，問在U1=UN和U’1=0.9UN兩種情況下電動機能否起動？由額定轉(zhuǎn)速1480r/min可推算出同步轉(zhuǎn)速n0=1500r/min解：（1）（2）Tst=1.9TN=1.9×290.4N·m=551.8N·m

（3）Tst=551.8N·m＞510N·m可以起動。

當U1=UN時:當U1=0.9UN時：

Tst=(.09)2×551.8=447N·m＜510N·m

所以不能起動。

三、三相異步電動機機械特性

它反映了電動機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電動機的“機械特性”:圖10-11三相異步電動機的機械特性

AB區(qū)段：電動機的轉(zhuǎn)速n較高，S值較小。BC區(qū)段：電動機的轉(zhuǎn)速較低，S值較大。機械特性曲線除包含上述兩個區(qū)段外，還有三個特殊點，既Tst、Tmax、TN三點。過載能力，就是最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值m

（10-9）

過載能力一般取m=1.8~1.6為了反映電動機起動性能，把它的起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為“起動能力”S

（10-10）

起動能力一般為S=1.1~1.8電動機從空載到滿載轉(zhuǎn)速下降很少，這樣的特性稱為“硬特性”結(jié)論：1）異步電動機具有硬的機械特性，負載的變化在工作區(qū)引起的轉(zhuǎn)速變化很小；2）異步電動機具有較大的過載能力；3）異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電路中的電阻R2無關(guān)，而達到最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率Sm則與R2成正比；4）異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與加在定子繞組上電源電壓的平方成正比。因此，電源電壓的變動對異步電動機轉(zhuǎn)矩的影響較大。[例10-3]已知一臺三相50HZ線繞式異步電動機，額定功率為PN=100kW，額定轉(zhuǎn)速nN=950r/min，過載能力m=2.4，求該電機的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。解：m習題2-32-42-5第三節(jié)三相異步電動機的起動

一、起動性能

異步電動機的起動性能，包括起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、起動時間和起動設(shè)備的經(jīng)濟性、可靠性等，其中最主要的是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。電動機在起動時既要把起動電流限制在一定數(shù)值內(nèi)，同時又要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，以便縮短起動過程，提高生產(chǎn)率。二、籠形電動機的起動

1．直接起動圖10-12籠形電動機直接起動電路

直接起動是在定子繞組上直接加上額定電壓來起動的，又叫全壓起動。起動簡單，起動電流較大，將使線路電壓下降，影響負載正常工作。適用于電動機容量在10kW以下，并且小于供電變壓器容量的20％。2．降壓起動降壓起動是在起動時利用起動設(shè)備，使加在電動機定子繞組上的電壓U1降低此時磁通隨U1成正比地減小，其轉(zhuǎn)子電動勢E2、轉(zhuǎn)子起動電流I2st和定子電路的起動電流I1st也隨之減小。常用的降壓起動方法有下列幾種：降壓起動時，減小了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也減小了。1）定子電路串接電阻起動需要串接較大的電阻才能得到一定的電壓降，消耗了大量電能。圖10-13籠形電動機定子串電阻起動電路圖10-14籠形電動機Y–△起動電路2）Y-△起動起動設(shè)備的費用小，在起動過程中沒有電能損失。3）用自耦變壓器起動圖10-15自耦變壓器起動電路容量較大的（尤其是大容量而且在正常工作時作Y連接的）籠形電動機采用自耦變壓器起動。三、線繞式電動機的起動線繞式電動機是在轉(zhuǎn)子電路中接入電阻來進行起動的.圖10-16線繞式電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動電路

圖10-17線繞式電動機轉(zhuǎn)子串電阻的機械特性

[例10-4]一臺籠形三相異步電動機，已知：PN=60kW，UN=380V，IN=136A，nN=1450r/min，起動電流倍數(shù)KI=6.5，S=1.1，求直接起動時的起動電流Ist和起動轉(zhuǎn)矩Tst。解：直接起動時的起動電流Ist=KIIN=6.5×136A=884A起動轉(zhuǎn)矩Tst=STN=1.1×9550×N·m=434.69N·m

習題3-23-3第四節(jié)三相異步電動機的調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動

一、異步電動機的調(diào)速

S=（n1-n）/n1

轉(zhuǎn)差率:可以通過改變:1．改變電源頻率f1

2．改變轉(zhuǎn)差率3．改變定子繞組的磁極對數(shù)P

二、異步電動機的反轉(zhuǎn)

把接到電動機上的三根電源線中的任意兩根對調(diào)一下，電動機便會反向旋轉(zhuǎn)。三、異步電動機的制動

1.反接制動反接制動設(shè)備簡單，制動迅速，但制動時有沖擊，制動過程中能量消耗較大。圖10-18三相異步電動機反接制動

a）反接制動電路b）反接制動原理

需要直流電源設(shè)備，制動準確、平穩(wěn)，能量消耗小。2．能耗制動圖10-19三相異步電動機能耗制動

a）能耗制動電路b）能耗制動原理

兩種制動方法相比，各有其優(yōu)缺點。反接制動:優(yōu)點是:制動力強，制動迅速，無需直流電源。缺點是:制動過程中沖擊強烈，易損壞傳動零件，頻繁地反接制動，會使電動機過熱而損壞。能耗制動:優(yōu)點是：制動力較強且平穩(wěn)，無沖擊。缺點是：需要直流電源，在電動機功率較大時直流制動設(shè)備價格較貴，低速時制動轉(zhuǎn)矩較小。四、三相異步電動機銘牌

圖10-20三相異步電動機的銘牌

1）型號2）額定頻率指加在電動機定子繞組上的允許頻率，國產(chǎn)異步電動機的額定頻率為50HZ。3）額定電壓：指定子三相繞組規(guī)定應(yīng)加的線電壓值。一般應(yīng)為380V。4）額定功率：電動機在額定轉(zhuǎn)速下長期持續(xù)工作時，電動機不過熱，軸上所能輸出的機械功率。N·m

（10-11）

額定轉(zhuǎn)矩5）額定電流：當電動機軸上輸出額定功率時，定子電路取用的線電流。6）額定轉(zhuǎn)速：指電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。7）絕緣等級：指電動機定子繞組所用的絕緣材料的等級。表10-1絕緣材料耐熱性能等級

習題4-14-2第五節(jié)三相異步電動機的選擇、使用和維修

一、異步電動機的選擇

1．類型的選擇異步電動機有籠形和線繞式兩種?；\形電動機結(jié)構(gòu)簡單、維修容易、價格低廉，但起動性能較差，一般空載或輕載起動的生產(chǎn)機械方可選用。線繞式電動機起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，起動和維護較麻煩，只用于需要大起動轉(zhuǎn)矩的場合，如起重設(shè)備等；此外還可以用于需要適當調(diào)速的機械設(shè)備。2．轉(zhuǎn)速的選擇異步電動機的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，而同步轉(zhuǎn)速（磁場轉(zhuǎn)速）是以磁極對數(shù)P來分檔的，在兩檔之間的轉(zhuǎn)速是沒有的。電動機轉(zhuǎn)速選擇的原則是使其盡可能接近生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速，以簡化傳動裝置。3．容量的選擇電動機容量（功率）大小的選擇，是由生產(chǎn)機械決定的，也就是說，由負載所需的功率決定的。二、異步電動機的運行與維修

1）電源條件電源電壓、頻率和相數(shù)應(yīng)與電動機銘牌數(shù)據(jù)相等。電源電壓為對稱系統(tǒng)、電壓額定值的偏差不超過±5%（頻率為額定值時）；頻率的偏差不得超過±1%（電壓為額定值時）。2）環(huán)境條件電動機運行地點的環(huán)境溫度不得超過40℃，適用于室內(nèi)通風干燥等。運行條件：3）負載條件電動機的性能應(yīng)與起動、制動、不同定額的負載以及變速或調(diào)速等負載條件相適應(yīng)，使用時應(yīng)保持負載不得超過電動機額定功率。正常運行中的維護應(yīng)注意以下幾點：1）電動機在正常運行時的溫度不應(yīng)超過允許的限度。2）監(jiān)視電動機負載電流。3）監(jiān)視電源電壓、頻率的變化和電壓的不平衡度。4）注意電動機的氣味、振動和噪聲。5）經(jīng)常檢查軸承發(fā)熱、漏油情況，定期更換潤滑油，滾動軸承滑脂不宜超過軸承室容積的70%。6）對繞線型轉(zhuǎn)子電動機，應(yīng)檢查電刷與集電環(huán)間的接觸、電刷磨損以及火花情況，如火花嚴重必須及時清理集電環(huán)表面，并校正電刷彈簧壓力。7）注意保持電動機內(nèi)部清潔，不允許有水滴、油污以及雜物等落入電動機內(nèi)部。電動機的進風口必須保持暢通無阻。習題10.6單相異步電動機

單相異步電動機的容量一般在750W以下，與同容量的三相異步電動機相比，它的體積較大，運行性能較差，但是它結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠、維修方便，通常廣泛應(yīng)用在小容量的場合，如電扇、洗衣機、油泵、砂輪機、空調(diào)等。電容分相單相異步電動機、電阻分相單相異步電動機單相罩極式電動機。單相異步電動機根據(jù)運行原理的不同分為:一、電容分相單相異步電動機

轉(zhuǎn)子多為籠形，定子繞組有所不同，它是由兩套繞組組成。由定子、轉(zhuǎn)子、機座和端蓋幾大部分組成。一套是工作繞組U1U2（或稱主繞組），一套是起動繞組Z1Z2（或稱輔助繞組），這兩套繞組在空間位置上相差90°。起動繞組與一電容串聯(lián)后與工作繞組并聯(lián)接單相交流電源，如圖10-22所示。圖10-22電容分相單相異步電動機a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路原理圖

接通電源后，由于起動繞組Z1Z2串有電容，將使起動繞組中電流i2被移相，如果電容C選擇適當可使i2在相位上超前工作繞組電流i1相位90°，這就叫“分相”。兩個電流可分別表示為:i1=I1msinωti2=I2msin（ωt+90°）

電容運行單相異步電動機和電容起動單相異步電動機根據(jù)起動繞組是否參與正常運行:對掉電源兩根接線是不可以改變電動機旋轉(zhuǎn)方向的。注意:它們的波形如圖10-23a所示。圖10-23兩相旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生a）分相電流波形b）兩相旋轉(zhuǎn)磁場

二、電阻分相單相異步電動機將電容起動單相異步電動機中的電容換成電阻，就構(gòu)成了電阻起動單相異步電動機，如圖10-24所示。圖10-24電阻分相單相異步電動機原理圖

電阻分相單相異步電動機起動轉(zhuǎn)矩不大，宜于空載起動。三、單相罩極電動機

單相罩極電動機是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的電動機，按照磁極形式的不同分為凸極式和隱極式兩種，其中凸極式應(yīng)用較多,旋轉(zhuǎn)方向不易改變。圖10-25凸極式單相罩極電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

圖10-26罩極電動機磁極中的磁通

習題6-1第七節(jié)直流電動機

與異步電動機相比，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)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(yōu)點：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。應(yīng)用：（1）軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。一、直流電動機的結(jié)構(gòu)

圖10-28直流電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

它是由固定和轉(zhuǎn)動兩大部分組成，固定部分稱為定子，轉(zhuǎn)動部分稱為電樞。定子主要包括機座、主磁極、換向磁極和電刷裝置等。

機座一般是由鑄鋼或鋼板焊接而成，起著支承其它部件的作用，同時其中一部分傳導(dǎo)磁通，叫做磁軛，它是電動機磁路的一部分。

主磁極是由固定在機座上的鐵心及套在鐵心上的勵磁繞組組成，當勵磁繞組中通入直流電流時，在鐵心中就產(chǎn)生磁場，若改變勵磁電流的方向，就改變了磁場的方向，即改變了主磁極的極性。在直流電動機中主磁極是成對的，可以是一對、兩對或更多。對于小型直流電動機主磁極也可采用永久磁鐵。

換向磁極簡稱換向極，它的體積比主磁極小，它也是由鐵心和套在鐵心上的繞組組成，換向極安裝在兩個主磁極之間，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極的作用是改善換向性能，使電動機在運行中，電刷與換向器之間的火花盡量小，減少換向器與電刷的燒燭。

電刷裝置是由電刷和安裝電刷的機構(gòu)組成。直流電源是通過固定的電刷與旋轉(zhuǎn)的換向器的滑動接觸進入電動機的電樞繞組，電刷裝置必須使電刷對換向器保持合適的壓力和接觸面積。電刷的個數(shù)與主磁極個數(shù)相同。電樞主要包括電樞鐵心、電樞繞組和換向器等。

電樞鐵心是用來放置電樞繞組的，并且構(gòu)成電機磁路的一部分。電樞鐵心是由硅鋼片疊成的圓柱體，它的外表有均勻分布的平行槽，槽內(nèi)安放電樞繞組，裝在軸上的電樞鐵心如圖10-29所示。圖10-29直流電動機的電樞鐵心

電樞繞組是由許多結(jié)構(gòu)完全相同的線圈組成。這些線圈都嵌放在電樞鐵心的槽里，每個線圈的兩端分別按照一定的規(guī)律接在換向器上的兩個換向片上，通過換向片把這些獨立的線圈互相連接在一起。電樞是處在主磁極的磁場中，若電樞繞組通過電流，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)換為機械能?？梢婋姌性陔妱訖C中是起著能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，所以稱之為電樞。

換向器是由許多楔形銅片（換向片）疊成，構(gòu)成一個圓桶形，相鄰兩換向片之間都墊有云母絕緣，每個換向片尾端有一個凸起部分，上面有一個小槽，電樞繞組每個線圈的端部就焊接在這個小槽里，換向器的外形如圖10-30所示。換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上，通過電刷使轉(zhuǎn)動的電樞繞組與外部的直流電源連接，產(chǎn)生電樞繞組電流。圖10-30直流電動機的換向器二、直流電動機工作原理

圖10-31直流電動機工作原理圖

直流電流I通過電刷A、換向片1、線圈ab邊和cd邊，最后經(jīng)換向片2及電刷B回到電源負極。載流導(dǎo)線ab和cd在磁場中要受到電磁力F的作用，其方向可用左手定則確定.電流的方向:有效邊在N極下時電流總是一個方向，在S極下時又總是另一個方向。三、直流電動機的勵磁方式

直流電動機的勵磁方式有:他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。1．他勵電動機他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個單獨電源供電，它們在電路上沒有聯(lián)系.圖10-32他勵電動機a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路圖

2．并勵電動機并勵電動機的勵磁繞組同電樞并聯(lián)。勵磁電流不僅與勵磁電路的電阻有關(guān)，而且還受電樞電壓的影響。并勵繞組承受著電樞兩端的全部電壓，其值較高，相應(yīng)的并勵繞組中的電阻值也較高。圖10-33并勵電動機a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路圖3．串勵電動機串勵電動機的勵磁繞組與電樞串聯(lián)。為了減少串勵繞組的電壓損失及功率損耗，串勵繞組應(yīng)有較小的電阻。串勵繞組的電阻在1以下。圖10-34串勵電動機a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路圖

4．復(fù)勵電動機磁極上有兩個勵磁繞組，一個同電樞繞組并聯(lián)，另一個則同電樞繞組串聯(lián)。圖10-35復(fù)勵電動機a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路圖并勵電動機、串勵電動機、復(fù)勵電動機若用原動機拖動即可用作發(fā)電機運行，其勵磁電流都是由它們自己供給，又統(tǒng)稱為自勵發(fā)電機。四、他勵電動機的機械特性

直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，稱為電動機的機械特性。圖10-36他勵直流電動機電路

F=BLI

T=CTIa

（10-12）

CT為電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)電樞旋轉(zhuǎn)后，繞組的線圈邊又因切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。用右手定則判斷，它的方向與繞組中的電流方向是相反的。起著阻礙電樞電流的作用，故稱反電動勢，用符號Ea表示Ea=Cen

（10-13）

Ce為電勢系數(shù)電樞繞組中的電流Ia為（10-14）

（10-15）這是直流電動機電樞回路的電壓平衡方程式，該式表示，電樞電壓除了克服反電動勢Ea的反抗外，還需克服電樞電流Ia在電樞電阻Ra上的壓降。因此U＞E。上式等號兩邊乘以電流Ia，即得功率平衡方程式：（10-16）

UIa項為直流電源供電的電功率；為電樞繞組的銅損耗；EaIa項稱為電磁功率，它轉(zhuǎn)化為電動機的機械功率，如果不計摩擦損耗，它就是電動機輸出的機械功率。將式（10-13）代入式（10-15），得電動機的轉(zhuǎn)速為（10-17）

再把式（10-12）代入上式，（10-18）

必須注意，他勵電動機在運轉(zhuǎn)時切不可斷開勵磁電路，否則勵磁電流等于零，磁極上僅有很小的剩磁，在空載時導(dǎo)致轉(zhuǎn)速急劇增加，在負載時電機停轉(zhuǎn)，電樞電流急劇增加，將引起嚴重后果。圖10-37他勵電動機機械特性

五、直流電動機的起動、調(diào)速和反轉(zhuǎn)

1．起動Ist

直流電動機在直接起動時的電樞電流比其額定值大十幾倍。這樣大的電流會使換向器上產(chǎn)生強烈的火花，可能把換向器燒壞。起動時的具體方法：1）在電樞電路中串接起動變阻器，隨著轉(zhuǎn)速的上升再逐步將變阻器切除，起動結(jié)束時將電阻全部切除。這種方法適用于容量不大和不經(jīng)常起動的直流電動機。2）降壓起動，即先降低電樞電壓來起動直流電動機，隨著轉(zhuǎn)速的上升將電樞電壓逐漸提高到額定值。這種方法適用于容量較大的直流電動機。2．調(diào)速對于他勵（或者并勵）直流電動機的速度調(diào)節(jié)1）改變磁極的磁通磁通大小的改變，可調(diào)節(jié)勵磁電路中串聯(lián)的可變電阻器Rf的電阻值，如圖10-38所示。圖10-38并勵電動機改變勵磁調(diào)速由于電動機在設(shè)計時額定磁通N已接近飽和，所以磁通只能在N以下的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，此時轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速nN以上作勻速調(diào)節(jié)，故這種調(diào)速方法稱為弱磁調(diào)速。2）改變電樞電路中的電阻壓降在電樞電路中串聯(lián)一個調(diào)速變阻器RS，如圖10-39所示。圖10-39電樞串聯(lián)電阻調(diào)速

這種調(diào)速方法只能使電動機的轉(zhuǎn)速在額定值以下作比較平滑的調(diào)節(jié)。3）改變電源電壓電動機的電樞電壓一般由直流電源直接供給，在保持勵磁電流不變的情況，改變電源電壓，電動機轉(zhuǎn)速將得到改變。他勵直流電動機的機械特性較硬，電壓降低后其硬度不變，穩(wěn)定性較好，調(diào)速的幅度也較大。如果電壓能均勻調(diào)節(jié)，可得到平滑的無級調(diào)速。這些都是變壓調(diào)速的優(yōu)點。但這需要調(diào)節(jié)電壓的專用設(shè)備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓或調(diào)磁來進行調(diào)速。3．反轉(zhuǎn)1）保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流If的方向改變。2）保持勵磁電流方向不變，把電樞繞組反接，使電樞電流Ia反向。六、直流電動機銘牌

1．型號型號表示直流電動機的類型。例如Z2—41Z—直流電動機2—第二次設(shè)計4—機座號（是電動機底腳到轉(zhuǎn)軸中心的高度代號）1—鐵心長度序號（1號為短鐵心，2號為長鐵心）直流電動機的型號還有其他表示方法，具體可查閱電工手冊。其中2．額定電壓指電動機額定工作狀態(tài)下電動機的輸入電壓。3．額定電流指電動機長期連續(xù)運行時從電源輸入的允許電流。4．額定轉(zhuǎn)速指電動機工作在額定狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速。5．額定功率指電動機在額定電壓、額定電流和額定轉(zhuǎn)速下，電動機軸上輸出的機械功率。額定電壓與額定電流的乘積為電動機的輸入功率，額定功率與輸入功率之比，稱為電動機的額定效率，即6．額定勵磁電流電動機工作在額定狀態(tài)下，勵磁繞組的電流。此外直流電動機銘牌上還有額定轉(zhuǎn)矩、額定勵磁電壓、額定溫升、勵磁方式等。額定轉(zhuǎn)矩:習題7-87-97-107-11第八節(jié)控制電機

控制電機主要是作為信號的測量、轉(zhuǎn)換、傳遞及執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動，它是具有可靠性高、精度高和反映靈敏的特點，廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)和計算機裝置中。一、伺服電動機

伺服電動機的功能是將電信號轉(zhuǎn)換成與其大小相應(yīng)的機械轉(zhuǎn)速或角位移。常作為自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其外形如圖10-40所示。圖10-40伺服電動機的外形

工作特點:有控制信號就旋轉(zhuǎn)，無控制信號就停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向受控制信號的極性（相位）控制，轉(zhuǎn)速與控制信號的大小成正比。伺服電動機分交流與直流兩種，通常在自動控制系統(tǒng)中小功率的采用交流伺服電動機，稍大功率的采用直流伺服電動機。1．交流伺服電動機分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子繞組為兩相，一相為勵磁繞組Lf，運行時接到交流電源上，電壓記作Uf，另一相為控制繞組LC，接控制信號，控制信號電壓記作UC。UC也是交流量與Uf同頻率，一般為50HZ或400HZ。兩相繞組在空間位置相差90°.圖10-41交流伺服電動機原理圖

圖10-42杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：鼠籠式轉(zhuǎn)子與杯形轉(zhuǎn)子。2）工作原理與機械特性圖10-43交流伺服電動機機械特性勵磁繞組和控制繞組在空間相隔90°，當兩相繞組分別通過不同相位的電流時，就會在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當勵磁電壓不變，而改變控制電UC，則轉(zhuǎn)速將隨之變化。UC增大，轉(zhuǎn)速增大；UC減小，轉(zhuǎn)速減?。籙C反相，旋轉(zhuǎn)方向改變；UC為零，氣隙中的磁場為單相脈動磁場，電動機停轉(zhuǎn)。2．直流伺服電動機1）基本結(jié)構(gòu)分為傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。傳統(tǒng)型直流伺服電動機與普遍直流電動機在結(jié)構(gòu)上相似，區(qū)別是功率小、電樞的體積小、重量輕、慣性小，起動、停止靈活。按勵磁方式不同可分為電磁式和永磁式.低慣量型直流伺服電動機的特點是它通過電樞形式的改變使電樞體積更小、重量更輕、轉(zhuǎn)動慣量更小，所以，它的控制容易，性能更穩(wěn)定、靈敏度更高。低慣量直流伺服電動機的電樞形式可以分為盤型電樞式、空心杯電樞永磁式、無槽電樞式三類。2）工作原理屬于他勵直流電動機范疇，其工作原理與他勵直流電動機一樣。直流伺服電動機的控制方法有電樞控制和磁場控制。電樞控制就是電動機的勵磁電壓Uf固定即磁場恒定，電樞繞組接控制電壓UC；磁場控制則與之相反。一般直流伺服電動機多采用電樞控制.圖10-44直流伺服電動機的工作原理

圖10-45直流伺服電動機機械特性

電動機的轉(zhuǎn)速與控制電壓UC成正比,改變UC的極性就可以改變旋轉(zhuǎn)方向，UC為零時,電動機立即停止。

優(yōu)點:機械特性是線性的,調(diào)速范圍寬廣平滑,利用電樞控制方式可實現(xiàn)線性的調(diào)速特性,起動轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動小,因而特別適合于精確定位和調(diào)速的控制系統(tǒng).缺點:電動機存在換向器和電刷,有可能接觸不良,產(chǎn)生火花等,影響電動機的性能穩(wěn)定.二、步進電動機

步進電動機是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角度位移的執(zhí)行元件。按相數(shù)可分為單相、兩相、三相及多相步進電動機按其運方式可分為旋轉(zhuǎn)運動型、直線運動型和平面運動型旋轉(zhuǎn)型步進電動機又可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式。1．基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖10-46三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖a）A相繞組通電b）B相繞組通電c）C相繞組通電

當A相繞組通電時,由于磁力線力圖通過磁阻最小的途徑,轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用,而必然轉(zhuǎn)到其磁極軸線與A相繞組軸線重合.此時磁力線通過磁路的磁阻最小.因兩軸線間的夾角為零,磁阻轉(zhuǎn)矩為零,轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動,如圖10-46a所示.當A相斷電,B相通電,由于同樣原因,轉(zhuǎn)子將逆時針方向轉(zhuǎn)30°空間角,使其軸線與B相繞組軸線重合,如圖10-46b所示.同樣,B相斷電,C相通電,如圖10-46c所示.三相依次單相通電方式，稱為“三相單三拍運行”.“三相”指三相繞組.“單”是指每次通電僅只有一相.“三拍”指三次通電為一“循環(huán)”，第四次通電重復(fù)第一次情況.此外，還有“雙三拍”和“三相六拍”等?！半p三拍”：AB-BC-CA-AB順序通電，即每次有兩相通電。不難看出，通電后所建立的磁場軸線與未通電的一相繞組軸線重合，因而轉(zhuǎn)子磁極軸線與未通電一相的磁極軸線對齊，例如A、B相通電，與C-C極軸線對齊，按此方式運行“單三拍”相同，步距角不變。“三相單、雙六拍”：按A-AB-B-BC-C-CA-A的順序通電，相當于前述兩種通電方式的綜合，步距角為“三拍”方式的一半。圖10-47三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)

定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒。采用適當?shù)凝X數(shù)配合，使當A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對正時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開2/3齒距，如圖10-48所示。圖10-48定子和轉(zhuǎn)子的齒配合

如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為40，則齒的間距角為360°/40=9°，1/3距角就是3°，也就是說此時步進電動機的步距角為3°。若采用三相單、雙六拍通電方式運行即按A-AB-B-BC-C-CA-A順序循環(huán)通電，同樣步距角也要減小一半，即每一拍轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動1.5°.一般情況下步距角b

ZR為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，N為步進電動機的運行拍數(shù)。對于圖10-47的步進電動機來說，ZR=40，三相單三拍時N=3，b

=3°；三相單、雙六拍時N=6，b

=1.5°。（r/min）

2．驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源主要包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分如圖10-49所示。圖10-49步進電動機的驅(qū)動電源

三、測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號的檢測元件。它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。一類是交流測速發(fā)電機，一類是直流測速發(fā)電機。測速發(fā)電機可分為兩大類:1．交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機又有異步測速發(fā)電機與同步測速發(fā)電機之分。圖10-50交流異步測速發(fā)電機的工作原理

圖中N1表示勵磁繞組,N2表示輸出繞組.當頻率為f1的電壓U1加在勵磁繞組以后,在發(fā)電機內(nèi)的氣隙中產(chǎn)生脈沖磁場d,脈動頻率為f1,其軸線就是勵磁繞組的軸線,與輸出繞組N2軸線互相垂直.所以輸出繞組N2不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,即測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速為零,輸出電壓信號為零.當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割氣隙磁通

d,在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中又感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢、電流和磁通q,其方向如圖10-50所示.由此在輸出繞組N2中感應(yīng)產(chǎn)生電動勢，由這個電動勢產(chǎn)生的電壓U2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反時，輸出電壓相位也相反，這就是交流異步測速發(fā)電機基本工作原理。2．直流測速發(fā)電機分為兩種，一種是他勵式，一種是永磁式。結(jié)構(gòu)與普通直流電動機相似，有定子和轉(zhuǎn)子兩部分。由于他勵式需要一個恒定電源，故在實際應(yīng)用中采用較少，采用較多的是永磁式。永磁式的定子用永久磁鋼制成。一般為凸極式。按電樞結(jié)構(gòu)，又可分為有槽式電樞和無槽式電樞，常用的為有槽式電樞結(jié)構(gòu)。圖10-51調(diào)速控制系統(tǒng)的原理圖直流測速發(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子上有電樞繞組和換向器，用電刷與外電路相連。習題８－３８－４８－６本章小結(jié)一、異步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性及銘牌數(shù)據(jù)

1．三相異步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可分為鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機。鼠籠式結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、價格便宜、應(yīng)用最為廣泛。繞線式可外接變阻器，起動、調(diào)速性能好。2．三相異步電動機的定子繞組通入三相交流電就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間的相對運行在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與電流，此電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到電磁力的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)起來。異步電動機的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間必須有相對運動，即轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速總是低于并接近旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1=60f1/p，與電源頻率f1成正比，與電動機的磁極對數(shù)p成反比。旋轉(zhuǎn)磁場的方向與三相定子電流的相序一致，將三根電源線中任意兩根對調(diào)可使電動機反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)差率s=（n1-n）/n1。3．三相異步電動機的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線n=f（T）稱為電動機的機械特性曲線。三相異步電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN=9550PN/nN；最大轉(zhuǎn)矩Tm=λmTN，λm為過載系數(shù)；起動轉(zhuǎn)矩Tst=λsTN，λs為起動系數(shù)。三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩T∝U12，U1降低，n、T都降低。T還與R2有關(guān)，R2增加，機械特性變軟。鼠籠式異步電動機具有硬機械特性，負載變化時轉(zhuǎn)速變化不大。4．三相異步電動機的起動可分為直接起動和降壓起動。直接起動時起動電流較大，對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備有一定影響。降壓起動的方法有：①電阻降壓或電抗器降壓；②星形—三角形起動；③自耦變壓器起動等。降壓起動時，減小了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也減小了。繞線式電動機