直流电动机单相异步电动机 步进电机_机械/仪表_工程科技_专业资料。1讲 第七章 直流电动机 单相异步电动机 步进电机 海南风光 第七章 电动机 §7.2 直流电动机 7.2.1 概述 7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4

　　1讲 第七章 直流电动机 单相异步电动机 步进电机 海南风光 第七章 电动机 §7.2 直流电动机 7.2.1 概述 7.2.2 工作原理 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系 7.2.4 电磁转矩 7.2.5 机械特性 7.2.6 直流电动机的调速 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 §7.3单相异步电动机 §7.4步进电机 7.2.1 概述 与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使 用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。 直流电机的优点： （1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。 应用： （1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 （3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具 7.2.2 工作原理 一、 工作原理 电刷 + U N I I – S 换向片 直流电源 电刷 换向器 线圈 电刷 + U F N I F I – S 换向片 注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。 电刷 FE + N IE U F I – S 换向片 由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。(让磁感线穿过右手掌心，拇指指向 为切割方向，四指指向就是电流方向，然后根 据电流在外电路中由正极到负极，在电源内由 负极到正极判断电动势方向 ) 7.2.5 机械特性 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系， 下边以他励和串励电机为例说明。 If Ia 一、 他励电动机的机械特性 Uf M U 他励电动机和并励电动机的特性一样。 U E IaRa E K Φn E T K T ΦI a 他励 nKUEΦKTK RaEΦ2T 即：nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T n0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作 时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。） n 根据 n-T 公式 画出特性曲线 n TN T 当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械 特性。 二、 串励电动机的机械特性 串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。 设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则 E KEΦn KE KΦIan T KTΦIa KT KΦIa2 n U E IaRa U Ia M 串励 n KTU Ra T KE KΦT KEKΦ 据此公式做出 T-n 曲线时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态， 但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。 (2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。 n T 三、 复励电动机的机械特性 并励直流电动机的机械特性较硬，串励直流电 动机的机械特性较软，复励直流电动机的机械 特性则可折中二者的特性（１并，２复，３串） 直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。 (2) 恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比）， 要选软特性电机拖动。如：电气机车等。 7.2.6 直流电动机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价 格高，维护不方便，但它的优点是调速性能好。 直流电动机调速的主要优点是： （1）调速均匀平滑，可以无级调速。 （2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上 （调速比等于转速和小转速之比）。 下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。 一、改变磁通（调磁） 1.原理 If Ia Uf M U 他励 nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T 其中： =K If 由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情 况下，改变 可改变 n 。在励磁回路中串 上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而 改变 的大小。 nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T If的调节有两种情况： ? Rf If n ，但在额定情况下， 已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用。 ? Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方 法。 概念：改变磁通调速的方法— 减小磁通，n只能上调。 2.特性的变化 nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T n nn0n0 0 （ Rf 增减 加小 ） TL T 因为： n0 1 Φ ， n 1 Φ2 所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。 nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T 调速过程: U一定,则 Rf E Ia Ia E n 后达到新的平衡 T =TL T 暂时 T TL 3.减小 调速的特点： （1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调， 受机械本身强度所限，n不能太高。 （2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制方便。 二、改变电枢电压调速 1.特性曲线 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T 由转速特性方程知： 调电枢电压U，n0 变化，斜率不变， 所以调速特性是一 组平行曲线 电 压 降 低 T 2.改变电枢电压调速的特点 （1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过UN，，而 n U，所以调速只能向下调。 （2）可得到平滑、无级调速。 （3）调速幅度较大。 改变电枢电压调速方案举例： If Ia 变整 整 220V~ 压 流 Uf M U 流 调 压 220V~ Uf=110V U=0~110V 固定 可调 三、改变转子电阻调速 nn0n 其中 n0 U K Φ E ，n KT Ra KEΦ2 T 在电枢中串入电阻， 使 n 、 n0不变，即 电机的特性曲线 （斜率变大），在相 同力矩下，n Ra Ra + R T 这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。 7.2.7 直流电动机的使用和额定值 一、使用 1.启动 启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则 Iast UN Ra IaN Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。 限制Iast的措施： （1）启动时在电枢回路串电阻。 （2）启动时降低电枢电压。 注意： 直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通， 不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故： (1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。 （2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。 （3）如果电机空载运行，可能造成飞车。 E Ia T T0 n飞车 If Ia Uf M U 他励 措施： 他励直流电动机一定要有失磁保护。 一般在励磁绕组加失压继电器或欠 流继电器。当失压或欠流时，自动 切断电枢电源U。 2.反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。 改变直流电机转向的方法： （1）改变励磁电流的方向。 （2）或改变电枢电流的方向。 3.制动 制动的所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动 （1）反接制动 +U – 运行 电阻 R 的作用 是限制电源反 R If 接制动时电枢 的电流过大。 M Uf 制动 （2）能耗制动 — 电枢断电后立即接入一个电阻。 –U+ 停车时，电枢从 If Uf K M 运行 制动 电源断开,接到电 阻上，这时：由 于惯性电枢仍保 持原方向运动， R 感应电动势方向 也不变，电动机 变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相 同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。 (3) 发电回馈制动 特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下 nn0（ n0理想空载转速），这 时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从 而限制电机转速过分升高。 二、额定值 1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。 2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的 直流电压。（例：110V，220V，440V） 3. 额定电流IN ： 额定电压下，轴上输出额定功率 时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流） 三者关系：PN=UNIN （ ：效率） 4.额定转速nN ：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直 流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转） 或很高（每分钟3000转以上）。 注意：调速时对于没有调速要求的电机，转速 不能超过 1.2nN 。 §7.２ 三相异步电动机的结构 转轴 机座 接线盒 定子铁芯及绕组 端盖 机壳 转子 风扇 罩壳 1、定子 ●定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。 ●三相绕组： A ----X、B ----Y 、C---- Z 2、转子 ●转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 ●转子绕组：鼠笼式、绕线) 鼠笼式转子 转子铁芯槽内放铜条， 端部用短路环形成一体。 或铸铝形成转子绕组。 鼠笼转子 (2) 绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。 鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠； 不能人为改变电动机的机械特性。 绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大； 可人为改变电动机的机械特性。 一、三相异步电动机的转动原理 二、旋转磁场 (1)旋转磁场的产生 三相定子绕组通入三 相交流电(星形联接) iA Im s int iB Im sint 120 iC Im sint 120 A iA A ZX i Im iA iB iC C iC C B iB Y o B t i Im iA iB iC o ()电流入 Y t A Z A A iA C iC ZX CY B iB B C B X (?)电流出 t 0 iB 0 i 0 尾端流入，首端流出。 iC 0 i 0 首端流入，尾端流出。 三相电流合成磁 i iA iB iC 场 的分布情况 o t 600 n0 60 A YN Z C SB X A Y NZ CS B X A Y Z S N C B X t 0 合成磁场方向向下 t 60 t 90 合成磁场旋转60° 合成磁场旋转90° 结论：三相电流产生的合成磁场是一个旋转的磁场。 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360° (2)旋转磁场的旋转方向 任意调换两根电源进线 (如图) i iA iB iC iA A o t YX iB B iC Z C AA SY AA Y S 结论：任意调换两 Z Z C NC 根电源进线，则旋 转磁场反转。 B t 0 N X B t 60 X (3)旋转磁场的极对数P A i iA iB iC iA ZX iC C Y o t iB B 当三相定子绕组按图 A YN Z 示排列时，产生一对磁 极的旋转磁场，即： p 1 C SB X t 0 (3)旋转磁场的极对数P 若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。 A iA A X Z X Y A C Z B X iC Z Y B C Y B X iB C B Z A C Y iA iC iB i iA o A A X Z X Z C Y Y B C B Y A C N Z X S B S B X Z N A Y C iB iC t 0 极对数 p 2 动画 t 旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关 (4)旋转磁场的转速 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数 p=1时 i iA iB iC n0 60f1 (转/分） 工频：f150 Hz o t n0 300(转 0/分 ） A NZ Y B C S X A SZ Y B C N X A NZ Y B C S X p=2时 i iA iB iC n0 60f1 2 15 0(转 0 /分o） t C Y A N ?Z ? X B S B ? S X Z ? N C A Y t 0 30 Y A C S N Z ?B n0 X ? ? B ?N Z X S C A Y t60 旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系 n0 60f1 p (转/分) 极对数 每个电流周期 同步转速 磁场转过的空间角度 (f150 H)z p 1 360 3000(转/分） p2 180 1500(转/分） p 3 120 1000(转/分） p4 90 750(转/分） 可见: 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。 三、电动机的转动原理 1、转动原理 定子三相绕组通入三相交流电 v A n0 Y N FZ 旋转磁场 n0 60f1 p (转/分 ）C F S B 方向:电流相序 X 切割转子导体 Blv 右手定则 感应电动势 E20 感应电流 I2 旋转磁场 Bli 左手定则 电磁力F 电磁转矩T n 三、电动机的转动原理 2、转差率 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转 磁场的转速相等，即 如果: n n0 n n0 异步电动机 转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条 无转子电动势和转子电流 无转矩 因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。 转差率S S n0n0 n 转子转速亦可由转差率求得 n(1s)n0 异步电动机运行中: s(1~9)% 例1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min， 电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负 载下的转差率。 解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即 p=3 额定转差率为 sn 0n10 % 0109 07 0 150 02% .5 n 0 1000 §7.３ 三相异步电动机的机械特性 一、电磁转矩 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电 磁力所形成的转矩之总和。 FBli TΦ,I2,co2s TK T Φ I2co 2s 常数，与电 机结构有关 旋转磁场 每极磁通 转子电流 转子电路的 功率因数 一、电磁转矩 1.旋转磁场的磁通 三相异步电动机的电磁关系类似变压器。 i1 i2 + － e1 u1 － e－+1 + f1 + －e2 + －e 2 f2 异步电动机每相电路 变压器： 变化 e U1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f N2 E1 、E2 频率相同，都等 于电源频率。 U1 4.44f N1 一、电磁转矩 1.旋转磁场的磁通 旋转磁场切割导体 e e的大小与导体切割磁场 的速度有关。 E1= 4.44 f 1 N1 每极 磁通 E1= 4.44 f 2 N1 U1 4.44f1N1 i1 + － e1 u1 e－+1 －+ f1 i2 + －e2 + －e 2 f2 ΦU1 一、电磁转矩 2.感应电势的频率 f1 、 f2 感应电势的频率与导体切割磁场的速度有关。 定子导体切割磁场的相对速度为 n0 ,e1频率为： f1 pn0 60 f 1= 电源频率 f 转子导体切割磁场的速度为△n0 ,e2频率为： f2n 0 6 n 0pn 0 n 0nn 6 0p0 sf1 一、电磁转矩 3.转子感应电动势E2 E2= 4.44 f2N2 =4.44s f1N2 =s4.44f1N2 当转速 n = 0(s=1)时， f 2，且 E2 ，有 转子静止时 的感应电势 E20= 4.44 f1 N2 即：E2= s E20 转子转动时 的感应电势 4.转子感抗X 2 X 2 2f2 L σ 2 2sf1 L σ 2= s X20 一、电磁转矩 5. 转子电流 I2 I2 E2 R22 X22 sE20 R22 (sX20)2 0 I20(nn0) S= 1I2max E20 R22X 2 20 一、电磁转矩 6. 转子电路的功率因数 cos2 cos 2 R2 R22 X22 R2 R22 (sX20)2 s很小 R2时 S 2 X0 s较 大 R 2时 s X20 cos2 1 cos2 1 s 一、电磁转矩 U1 4.4 4 f1 N1 I2 E2 R22 X22 sE20 R22 (sX20)2 c o2s R2 R22X22 R2 R22(sX20)2 TKR22 sR2 (sX20)2 U12 2、机械特性曲线 机械特性是n=f (T) 的函数关系 I2 sE20 R22 (sX20)2 cos2 R2 R22 (sX2 0)2 TI2,cos2 O T=f (s) 的函数关系 T I2 cos2 1s 2、机械特性曲线S T f(s)曲线 O T n f(T)曲线、机械特性曲线 n ⑴额定转矩TN nN 电动机在额定负载时的转矩。 T P 2πn 9550P n 60 TN 955n0PNN((转 千/分 瓦 )) (N ? O m) TN T 如某机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为 7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩是: T N95n P 5 N N 0951 7 5.5 4 0 440 .7 9N .m 2、机械特性曲线 ⑵转矩 Tmax 电机带动负载的能力。 n n0 sm TKR22s(sR2X20)2 U12 O T 令： d T 0 求得 Tmax dS s sm R2 X20 临界转差率 将sm代入得 Tmax K U12 2 X 20 转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则 将造成堵转(停车)。 2、机械特性曲线 ⑵转矩 Tmax 过载系数(能力) KM M Tmax TN 一般三相异步电动机 KM2~2.2 ⑶起动转矩 Tst n 起动转矩是n= 0 或s =1时的T n 0 Tst体现了电机带负载的起动能力。 若 Tst T2能起动，否则不能。 起动能力 K st T st TN 1.6~2.2 T TST ⑷电动机的运行分析 T2 T2 T n T →T =T2 达到新的平衡 n 常用特性段 n0 n 过程: n △nE2 I2 I1电源提供的P自动增加。 O T2 T?2 T 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。 自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由 操作者加大油门，才能带动新的负载） 。 2、机械特性曲线变化对机械特性的影响 ①U1 变化对机械特性的影响 n n 0 UUU N Tm U T O T2 Tst sm R2 X 20 Tm K U12 2 X 20 Tst K R2U12 R22 X202 2、机械特性曲线 变化对机械特性的影响 n n0 TTssmmt同削重电不的 ， 载 机KK同电 选 起 。XRR场2机 硬 动22RU22X0合2。 特 则U122X0应1如性选220选2金电软用属机特不切；性 n O T 2 Tst Tst R2 T Tmax 硬特性：负载变化时,转速变化不大,运行特性好。 软特性：负载增加时转速下降较快,但起动转矩大, 起动特性好。 §7.４三相异步电动机的起动 一、起动性能 起动时： n = 0，s =1, 接通电源。 问题：起动电流大，起动转矩小。 Ist (5~ 7)IN Tst (1~ 2.2)TN 原因： 起动时 ，n = 0，转子导体切割磁力线速度 快 转子感应电势 转子电流 定子电流。 后果：①频繁起动时造成热量积累,使电机过热。 ②大电流使电网电压降低,影响邻近负载工作。 §7.４ 三相异步电动机的起动 二、起动方法 ⑴直接起动 ①15KW以下的电机可采用直接启动 ②有内变压器且S≥4PN（电机功率）可直接启动。 ⑵降压起动 ①星形—三角形(Y-△)降压启动 ②自耦变压器降压启动。 适用鼠笼式电动机。 ⑶转子串电阻起动 适用线 三相异步电动机的起动 1、降压起动 ⑴Y－ 换接起动 起动 I lY + U1 Z Ul W2 U2 － W1 V2 正常运行 I l + Ul W2 － W1 V1 V2 U1 Z V1 U2 设：电机每相阻抗为 Z 三 角 形 联 结 Il 时3： UZl 星 形 联 接 时：IlY Ul 3Z I lY 1 I l 3 降压起动时的电流 为直接起动时的 1 3 §7.４ 电动机的起动 L3 L2 L1 ● Y－ 起动器接线简图 S 静触点 FU W1 L3 V2 UL22 V1 W2 L1 U1 U1 △ 动触点 动触Y 点 V1 W1 U2 V2 W2 §7.５ 电动机的起动 L3 L2 L1 ●Y－起动器Y启动接线图 S + Ul + U1 WU－2P Z U2 － W1 V2 V1 起动 W1 L3 V2 UL22 V1 W2 L1 U1 Y起动 FU U1 V1 W1 U2 V2 W2 §7.４电动机的起动 L3 L2 L1 ●Y－起动器运行接线 V2 UL22 V1 W2 L1 U1 工作 FU U1 V1 W1 U2 V2 W2 §7.４ 三相异步电动机的起动 ●Y-换接起动应注意的问题 ①仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 + Ul W2 U1 ＿ W1 U2 V2 V1 正常运行 + Ul + U1 WU－2P U2 － W1 V2 V1 起动 ② Y－ UP 起动 1 3 IstTst(TSt Ul TstY U2) 1 3 TStΔ Y－ 换接起动适合于空载或轻载起动的场合 §7.４三相异步电动机的起动 ⑵自耦降压起动 L3 L2 L1 合刀闸开关Q Q Q2上合： 切除自耦变 FU 压器，全压 工作。 Q2 Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。 自耦降压起动适合于容量较大或Y形接法异步电动机。 §7.４三相异步电动机的起动 2、绕线式电动机转子电路串电阻起动 起动电阻 定子 转子 R 转轴 R R 电刷 滑环 起动时将R串入电路，起动后将R 短路。 I2st R2 2E 2(X 020 )2 R2 I2 I1 §7.４三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动的特点 若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降 低起动电流，又可以增加起动转矩。 n n0 R2 →R2 →Tst Tst K R2U12 R22 X202 O Tst T Tmax R2→Tst 常用于要求起动转矩较大的生产机械上。 §7.5４三相异步电动机的起动 三、三相异步电动机的正、反转 方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。 电源 ~ U VW 电源 ~ U VW abc M 3~ 电动机正转 abc M 3~ 电动机反转 §7.6 三相异步电动机的调速 n1sn01s6p0 f1 1. 变频调速 (无级调速) 三种电气 调速方法 f=50Hz + ~ 整流器 – 逆变器 f1、U1可调 M 3~ 变频调速方法 恒转距调速（f1f1N） 恒功率调速（f1f1N） 频率调节范围：0.5~几百赫兹 变频调速可实现无级平滑调速,调速性能优异。 §7.6 三相异步电动机的调速 2. 变极调速 (有级调速) A1 A1 SN · X2 · X1 NS X2 · N S X1 A2 P=2 · P=1 A2 A1 X2 i X1 A2 i A1 X1 i A2 X2 i 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，转速跳跃变化。 §7.6 三相异步电动机的调速 3. 变转差率调速 (无级调速) ? n n0 n R 2 R 2 R2 R2 T R2 R 2 n ? TL ? ? o TL T o s s? s 变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调 速方法。其优点是调速平滑、设简单投资少， 缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种 提升、起重设中。 §7.7 三相异步电动机制动 1、制动方法概述 机械制动 制动方法 电气制动 能耗制动 反接制动 发电反馈制动 §7.7 三相异步电动机制动 2、能耗制动 在断开电源的同时，给电动机通直流电流， 形成固定磁场旋转的转子产生了与转子旋转方向 相反的转距，使转子迅速停动。 运转 制动 ~380V + ? RP U- M 3~ n0=0 F T n 转子 §7.7 三相异步电动机制动 2、反接制动 停车时，将接入电动机的三相电源线中的任 意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动 方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩 ，使转子迅速停止转动。 ~380V 运转 制动 M 3~ n0 F T n 转子 §7.7 三相异步电动机制动 3、发电反馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速 时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变 化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制 动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成 电能回送给电网。 n0 F T n n n0 转子 §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 1.型号 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。 例如： Y 132 M－4 磁极数( 极对数 p = 2 ) 机座长度代号 机座中心高（mm） 三相异步电动机 教材表P224中列出了各种电动机的系列代号。 §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 1.型号 表7.8.1异步电动机产品名称代号 产品名称 异步电动机 绕线式异步电动机 防爆型异步电动机 多速异步电动机 高起动转矩异步电动机 新 代号 Y YR YB YD YQ 汉字 意义 异 异绕 异爆 异多 异起 老 代号 J、JO JR、JRO JB、JBO JD、JDO JQ、JQO §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 2.接法 定子三相绕组的联接方法。通常 W2 U2 V2 电机 3 容 k W 量 Y 联结U1 V1 W1 电机 4 容 kW 量 联结 接线 V1 W1 W2 U1 W2 U2 V2 W1 V2 V1 U2 U1 V1 W1 联结 §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 3.电压 电机在额定运行时定子绕组上应加的线V、Y/ 是指线V 时 采用 Y联结；线V 时采用 联结。 说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低 于额定值的 5% 。因为在电动机满载或接近 满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使 电机的电流大于额定值, 从而使电动机过热。 三相异步电动机的额定电压: 有380V，3000V, 及6000V等多种。 §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 4. 电流 电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。 例如： Y / 6.73 / 11.64 A 表示星形联结 下电机的线A；三角形联结下线A。两种接法下相电流均为 6.73A 5. 功。率与效率 额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。 P1 3UNINcos P2 P1 鼠笼电机 =72~93％ §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 6. 功率因数 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负 载时约为 0.7 ~ 0.9。空载时功率因数很低，只 有 0.2 ~ 0.3。额定负载时，功率因数。 cos O PN 注意：实用中应选 择容量合适的电机， 防止出现 “大马拉 P2 小车” 的现象。 §7.8 三相异步电动机的铭牌数据 7. 额定转速 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。 额定转 sN差 n0n 率 0nN 如： n N =1440 转/分 sN = 0.04 8. 绝缘等级 指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级， 分为七级。 绝缘等级 Y A E B F H C 极限温度?C 90 105 120 130 155 180 180 §7.9 电动机的选择 一、功率的选择 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机 容易因过载而损坏。 1. 对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略 大于生产机械的功率。 2. 对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂 的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械 的功率。 §7.9 电动机的选择 二、种类和型式的选择 1. 种类的选择 一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。 只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场 合才选用绕线. 结构型式的选择 根据工作环境的条件选择不同的结构型式， 如开启式、防护式、封闭式电动机。 §7.9 电动机的选择 三、电压和转速的选择 根据电动机的类型、功率以及使用地点的电 源电压来决定。 Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个 等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。 §7.９ 单相异步电动机 0、三相异步电动机的单相运行 ●三相异步电动机在运行过程中，若其中一相与电 源断开，就成为单相电动机运行。此时电动机仍 将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超 过额定电流，时间一长，会使电动机烧坏。 ●如果三相异步电动机在起动前就断了一线，则不 能起动，此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大， 时间长了，也会使电动机烧坏。 ●为什么三相异步电动机单相不能起动，且有嗡 嗡声，时间长了，也会烧坏电动机。 §7.11 单相异步电动机 一、单相异步电动机的概述 ●单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、 电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。 ●定子是单相绕组,转子一般用鼠笼式。 ●定子绕组通单相交 转子 流电后, 形成脉动 磁场，若不采取措 A 施，将无法获得所 定子 需的起动转矩。 绕组 定子 N ?A S §7.11 单相异步电动机 一、单相异步电动机的概述 ●脉动磁场的等效 定子绕组产生的脉动磁场，分解为两个大小相 等，转向相反，转速相同的旋转磁场。 即： ΦΦ Φ- m - = + = 1 2 m t O - + §7.11 单相异步电动机 ●脉动磁场的分解 ⑥ ⑦⑧ ⑨ ① ②③④ ⑤ - + - + ① ③ ⑤⑦ ⑨ 结论-：定子 绕+ 组产生的脉动磁场，可用两个 大小相等，转向相反，转速相同的旋转 ②磁场的合④成来等⑥效代替。⑧ §7.11 单相异步电动机 一、单相异步电动机的概述 ●正反向旋转磁场的合成转矩特性 T 1 (正向) 正 sn11ns22 1 0 合成转矩 s1 0 s2 2 转 反 s1 2 s s2 0 T 2(反向) 转 起动转矩为零 §7.11 单相异步电动机 二、单相异步电动机的工作原理 单相异步电动机为了获得起动转矩，对定子进 行了特殊设计。常用的有电容裂相式异步电动机 和罩极式异步电动机。 1.电容裂相式异步电动机 ⑴电容裂相式的结构 ●电容裂相式的定子有有两个绕组 ●起动绕组串接起动电容。 ●电容的大小使两个绕组的 电流相位相差近 90? ~ 起动电 容 工作绕 组 iA A A iB B B 起动绕 组 §7.11 单相异步电动机 二、单相异步电动机的工作原理 1.电容裂相式异步电动机 设两相电流为 iAIAm si nt iBIBs min t (9)0 i Im iA iB B O t ●两个绕组在空间上相隔90?。 A B A §7.11 单相异步电动机 二、单相异步电动机的工作原理 ⑵电容裂相式的两相旋转磁场 i Im iA iB O 450 900 t t 0o A t 4 5 A t 9 0 A B B B B B B ? ? A ?A ?A §7.11 单相异步电动机 二、单相异步电动机的工作原理 1.电容裂相式异步电动机 ⑵电容裂相式的两相旋转磁场 §7.11 单相异步电动机 ~ 电动机转子转动起来后，利用 S 2 1 ?? 离心力将开关S断开(S是离心开 关)，使起动绕组B–B?断电。 改变电容C的串联位置，可使 单相异步电动机反转。 ?A iB iA B? ?B A ? M ~ 实现正反转的电路 将开关S合在位置1，电容C与 B绕组串联，电流 iB较iA超前近 90；当将S切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA 较iB 超 前近90。这样就改变了旋转磁 场的转向，从而实现电动机的 反转。 §7.11 单相异步电动机 二、单相异步电动机的工作原理 2.罩极式单相异步电机 定子绕组 鼠笼式转子 ~ ~ i 1 2 短路环 极掌(极靴) §7.11 单相异步电动机 当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场， 使转子获得所需的起动转矩。 罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。 第7章 控制电机 概述 §7 .4 步进电动机 7.4.1 结构 7.4.2 工作方式 7.4.3 小步距角的步进电动机 §7.5 伺服电动机 7.5.1 交流伺服电动机 7.5.2 直流伺服电动机 概述 前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为 动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能 转换为机械能。本章介绍控制电机。 控制电机的主要功能是转换和传递信号。 如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速； 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。 对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。 §7.4 步进电动机 机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步 进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子 上没有励磁线圈。 应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设中都得到应用。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和 工作原理。 7.4.1 结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子绕组 定子 转子 转子 IA A 定子 IC IB B C 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极 组成一相。 注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念 不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图 的联接和组数的区别。 7.4.2 工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单 双六拍、三相双三拍等。 一、三相单三拍 （1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为： A相B相C相 通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 （3）工作过程 A B 1 C 42 C 3B A A 相通电，A 方向的磁 通经转子形成闭合回路。 若转子和磁场轴线方向 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子被磁 化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁 路的磁阻小，使转、定子的齿对齐停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。 A B C C B A A B C C B A 同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐， 相对A相通电位置转30；C相通电再转30。 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电， 而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。 三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为 步距角，用S表示。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序， 改变通电顺序即可改变转向。 二、三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程： A B 1 C 42 C 3B A A相通电，转子1、3齿和A相对齐。 A、B相同时通电 A B C C B A （1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。 （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15°。 B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。 A B C C B A 总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。 三、三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。 A B C C B A A B C C B A AB通电 BC通电 A B C C B A CA通电 工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转 30，即 S = 30。 以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。 7.4.3 小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。 为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。 转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 13 1 齿 3 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 2 个 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿3 对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。 （2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 …… 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。 异步机的转动方向仍由相序决定。 步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为 步距角。 步距角 S 360 Zrm m:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数 如：Zr=40 , m=3 时 S 360 3 403 转速 n 60 fs 360 f：电脉冲的频率 §7.5 伺服电动机 伺服电动机的作用 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象 的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小 和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着 变化。 伺服电动机分类： 交流伺服电动机和直流伺服电动机。 7.5.1 交流伺服电动机 原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个 绕组 — 励磁绕组和控制绕组。 励磁绕组 控制绕组 转子 励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。 接线 励磁绕组的接线 控制信号 检 放 I2 U 测 元 大 U2 件器 控制绕组的接线 励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋 转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流 相位差接近90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁 场的作用下，转子便转动起来。 例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电 流的相量关系如图所示。 I1 UC U1 U U1 I1 1 U 励磁绕组的接线 UC 控制信号 检 放 I2 U 测 元 大 U2 件器 控制绕组的接线 与 电源电压 U 两 者频率相同，相 位相同或反相。 工作时两个绕组中产生的电流 I1 和 I2 的相 位差近90°，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场 的作用下，转子转动起来。 交流伺服电动机的特点： （1）U2= 0 时，转子停止。 这时，虽然U2 =0V，U1仍存在，似乎成单 相运行状态，但和单相异步机不同。若单 相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺 服电机不同，单相电压时设不能转。 原因：交流伺服电机 R2设计得较大。所以 在U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下 页图： T 正转 反转 T 0 1 2 s 2 T1 0 s T 交流伺服电动机的 T=f(s)曲线V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生 的转距T、T 的合成转矩 T 与单相异步机不同。合 成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时， 能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时 转动，无控制电压时不转)，以免失控。 （2）交流伺服电机 R2设计得较大，使Sm1，Tst大， 启动迅速，稳定运行范围大。 （3）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变 化，转速与电压 U2 成正比。U2 的极性改变 时，转子的转向改变。 n n T T 交流伺服电动机的机械特性曲线=const ) 应用 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电 源频率分50Hz、Hz等多种。它的应用很广泛， 如用在自动控制、温度自动记录等系统中。 7.5.2 直流伺服电动机 结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做 得细长一些。 工作原理：与直流电动机相同。 供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电 源供电： 放 Ia If U 大 U2 M U1 器 U1为励磁电压，U2为电枢电压。 直流伺服电机的机械特 n 性公式与他励直流电机 一样： nKUE2KERKaT2T T 机械特性曲线 由机械特性可知： (1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。 (2)U2=0时，电机立即停转。 反转：电枢电压的极性改变，电机反转。 应用： 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常 用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控 制等。
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