第8章 直流電動機(jī)

第8章直流電動機(jī)及其他8.1

直流電機(jī)的構(gòu)造8.2

直流電機(jī)的基本工作原理8.4步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造8.3

直流電動機(jī)的實(shí)際構(gòu)造模型8.5步進(jìn)電機(jī)的工作原理8.5其他電機(jī)簡介8.6自動控制8.1

直流電機(jī)的構(gòu)造直流電動機(jī)雖然比三相交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

(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:軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。

NS············NS8.1.1

直流電動機(jī)的構(gòu)造極掌極心勵磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子直流電動機(jī)的磁極和磁路直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。2.轉(zhuǎn)子(電樞)

由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式:

由永久磁鐵做成。勵磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：由結(jié)構(gòu)、形狀相同的線圈組成用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場。1.他勵電動機(jī)勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。8.1.2直流電機(jī)的分類直流電機(jī)按照勵磁方式可分為他勵電動機(jī)、并勵電動機(jī)、串勵電動機(jī)和復(fù)勵電動機(jī)2.并勵電動機(jī)勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵4.復(fù)勵電動機(jī)勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。3.串勵電動機(jī)勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復(fù)勵U+_IMIa這是一個方形導(dǎo)線框，在線端頭焊接兩片半圓周的銅片。

8.2

直流電機(jī)的基本工作原理兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器，兩個彈性銅片靠在換向器兩側(cè)是電刷。

電源通過電刷向?qū)Ь€框供電，線框中就有電流通過。

在線框兩側(cè)放一對磁極，形成磁場，線框處在磁場中。

當(dāng)線框通有電流時，兩側(cè)導(dǎo)線就會受到磁場的作用力，這個力稱為洛倫茲力，方向依左手定則判斷，圖中紫紅色箭頭表示電流方向、綠色半透明箭頭是受力方向。

受到磁場作用力的線框會旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)90度后，換向器改變了線框電流的方向，于是導(dǎo)線框會連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，這就是直流電動機(jī)的工作原理。

8.3直流電動機(jī)的實(shí)際構(gòu)造模型直流電動機(jī)的定子有一對主磁極，安裝在機(jī)座上，機(jī)座也叫磁軛，是主磁極磁力線的通路。磁極與磁軛都是用導(dǎo)磁良好的鋼鐵制成。

在主磁極上安裝有勵磁繞組，繞組通電后就會在兩個主磁極間產(chǎn)生主磁場。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)子也稱為電樞，電樞鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片疊成，鐵芯圓周均勻分布18個槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵芯直徑比主磁極間距離略小點(diǎn)。

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路圖，淺藍(lán)色箭頭線表示磁力線把繞制好的電樞繞組嵌入電樞槽內(nèi)，每個繞組都有一對引出線。

換向器有18個銅制換向片，排成圓筒形，固定在一個絕緣套筒上，換向片間留有縫隙，相互絕緣。此圖用兩個角度展示換向器的外觀。

把換向器安裝在電樞轉(zhuǎn)軸上，把電樞繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。

為散去電機(jī)發(fā)出的熱量，還要在電樞轉(zhuǎn)軸上安裝風(fēng)扇。

電樞繞組通過電刷供電，電刷的主要成份是石墨，導(dǎo)電良好又潤滑。電刷固定在刷握內(nèi)，由彈簧片壓向換向器。

有兩個主磁極，故有兩個電刷組，每個電刷組由兩個電刷構(gòu)成。電刷組固定在電刷座上，構(gòu)成電刷裝置。

電刷裝置與換向器的位置關(guān)系如圖所示，根據(jù)電樞繞組的常用繞法的線端頭與換向器焊接位置，當(dāng)磁極在上下方時兩個電刷組分布在換向器上下兩側(cè)。

把電樞插入定子主磁極之間，見圖

在電機(jī)前后兩側(cè)裝上端蓋（剖面），端蓋上有軸承，支持電樞的旋轉(zhuǎn)。電刷裝置也固定在端蓋上。

在電機(jī)端蓋上有散熱通風(fēng)孔，在機(jī)座上有出線盒。

8.4

步進(jìn)電動機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn):

(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。

步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來一個電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機(jī)械移動一小段距離。由于步進(jìn)電動機(jī)的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機(jī)床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用

區(qū)別在于勵磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。種類：勵磁式和反應(yīng)式兩種。

步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床、自動繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用：數(shù)控裝置步進(jìn)電動機(jī)電位器放大器液壓缸機(jī)械手電液伺服閥步進(jìn)電動機(jī)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動電位器的動觸電轉(zhuǎn)動，使其偏離中點(diǎn)產(chǎn)生電位差，經(jīng)放大后控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進(jìn)入油缸，使機(jī)械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與普通電動機(jī)不同，它隨供給電源的脈沖一步一步的轉(zhuǎn)動，是一種數(shù)字電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)能隨供給的電源脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動相應(yīng)步數(shù)，而每一步的角度是固定的，所以步進(jìn)電動機(jī)能按控制轉(zhuǎn)動所需的圈數(shù)、角度，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、自動化設(shè)備、儀器儀表等行業(yè)。本節(jié)介紹應(yīng)用最廣的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。

反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是根據(jù)磁阻性質(zhì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩工作的，遵循磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合的原理，由磁拉力形成轉(zhuǎn)矩。前面介紹的開關(guān)磁阻電動機(jī)也可視為步進(jìn)運(yùn)行，因每切換一組線圈電源時轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一定角度，只要停止切換轉(zhuǎn)子就停止不動了，只不過每一步的角度是30度，應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備顯然過于粗糙。實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)角度較小，下面介紹的步進(jìn)電動機(jī)模型每步為3度。

圖1是步進(jìn)電動機(jī)的定子鐵心，在內(nèi)周有六個磁極，每個磁極上有5個小齒，齒中心距為9度，齒寬與齒間隔大小一樣，徑向的兩個磁極組成一對磁極，定子鐵心由沖制的硅鋼片疊制而成。

圖2是步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子上沒有線圈，但在外圓周有40個小齒，齒中心距為9度，齒寬與齒間隔大小一樣，轉(zhuǎn)子鐵心也由沖制的硅鋼片疊制而成。

由于定子磁極上的小齒的齒寬與齒間隔與轉(zhuǎn)子上的小齒一樣，所以當(dāng)定子的一對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊時，另兩對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒角度相差3度或-3度。圖4是繞有線圈的定子與裝有轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子組裝圖。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)多為三相線圈，本模型的三對磁極可繞三組線圈組成三相繞組。由脈沖信號發(fā)生器按照給定的設(shè)置不斷向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送控制脈沖信號，驅(qū)動器又根據(jù)轉(zhuǎn)動方向與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)向三相線圈供電（每輸入一個脈沖信號切換一次供電狀態(tài)），每一個控制脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步，每步轉(zhuǎn)的角度稱為步距角。

三相線圈分為A、B、C三個線圈，圖5是用三個開關(guān)晶體管向三個線圈供電的連接圖：三個線圈的一端與電源正極相連，另一端分別與驅(qū)動器內(nèi)三個開關(guān)晶體管連接，構(gòu)成星形連接。每個時期僅有一個開關(guān)晶體管導(dǎo)通一個線圈通電，這是一種基本的也是常用的工作方式。

如圖是步進(jìn)電機(jī)的模型正視圖，其展示了三相線圈的組合與連接，黃色線圈是A相線圈、綠色線圈是B相線圈、紅色線圈是C相線圈。

8.5步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖7是BG1導(dǎo)通A相線圈通電，此時轉(zhuǎn)子被磁力吸引靜止不動。

第一個控制脈沖來時，BG1截止BG2導(dǎo)通，B相線圈通電，磁通按最近的路徑閉合，在磁力拉動下，轉(zhuǎn)子開始向逆時針方向轉(zhuǎn)動開關(guān)晶體管BG1連接A相線圈，開關(guān)晶體管BG2連接B相線圈，開關(guān)晶體管BG3連接C相線圈。下面的幾個圖片顯示在控制脈沖作用下驅(qū)動器對三相線圈輪流接通電源拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

在磁力拉動下，轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動，圖9是轉(zhuǎn)到1.5度時的位置。

在磁力拉動下，轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動到3度，見圖10，如果不來控制脈沖，轉(zhuǎn)子將停止在這個角度不動，這樣一個控制脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一步，一個步距角為3度。

如果再來一個控制脈沖，開關(guān)晶體管BG2截止BG3導(dǎo)通，C線圈通電，轉(zhuǎn)子在磁拉力作用下開始繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

在磁力拉動下，轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動到6度，見圖12，如果不來控制脈沖，轉(zhuǎn)子將停止在這個角度不動，這樣第二個控制脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)了一步，總共轉(zhuǎn)了6度，兩個步距角。

如果再來一個控制脈沖，開關(guān)晶體管BG3截止BG1導(dǎo)通，A線圈通電，轉(zhuǎn)子在磁拉力作用下開始繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

在磁力拉動下，轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動到9度，見圖14，此時狀態(tài)與初始位置圖7相同，轉(zhuǎn)子一共轉(zhuǎn)了3個步距角共9度，也就是轉(zhuǎn)子的一個齒距的角度—9度。

如果需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動就繼續(xù)發(fā)控制脈沖，就重復(fù)圖8開始的過程。不停的發(fā)控制脈沖電機(jī)就會不停的旋轉(zhuǎn)，脈沖一停電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動。需要反轉(zhuǎn)就改變?nèi)嗲袚Q順序，例如前面的過程是按A-B-C順序?qū)ㄞD(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，改為C-B-A順序?qū)ㄞD(zhuǎn)子則按順時針轉(zhuǎn)動。

控制脈沖頻率高則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高、頻率低則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，可以非常低或靜止固定在指定位置。但轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動與停止轉(zhuǎn)動時驅(qū)動器都要適當(dāng)降低切換頻率，以防因負(fù)荷與轉(zhuǎn)子慣量引起的失步。

前面介紹的交流電動機(jī)、直流電動機(jī)等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)：如:伺服電動機(jī)將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象；測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。步進(jìn)電動機(jī)將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機(jī)的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

對控制電機(jī)的主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。8.5其他電機(jī)伺服電動機(jī)可分為兩類：伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動控制對象。交流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)8.5.1

伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)就是一臺兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。交流伺服電動機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組交流伺服電動機(jī)的工作原理與單相異步電動機(jī)有相似之處。勵磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時，電機(jī)無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。交流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，而且要求在電動機(jī)運(yùn)行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)。但如果交流伺服電動機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機(jī)相似，電動機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動，即使控制等于零，電動機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:8.5.2

測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號電壓。測速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類型。

交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機(jī)的工作原理。異步式交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。????1轉(zhuǎn)子定子勵磁繞組輸出繞組輸出繞組+–勵磁繞組+–值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。因此，在使用中應(yīng)使RL和n的大小符合直流測速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓