清华大学电机学课件.ppt

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1、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。,7.2.2 工作原理,一、工作原理,电刷,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。,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线

2、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。,直流发电机,用右手定则判感应电动势Ea的方向,电枢绕组电阻Ra,感应电动势,输出电压,二、直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2.定子,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,

3、复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,一、电枢中的感应电动势,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：,单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）,二、电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压Ra:绕组电阻,7.2.4 电磁转矩,一、电磁转矩,单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电

4、机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,二、转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Ia、P入,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。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,7.2.5 机械特性,一、他励电动机的机械特性,n0：理想空载转速,即T=0时的转

5、速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）,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。,根据 n-T 公式画出特性曲线,串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比，即=K Ia,则,据此公式做出 T-n 曲线,(1)T=0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。,串励特性：,(2)随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。,(2)恒功率负载（P 一定时，T

6、 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。,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。,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，但它的最大优点是调速性能好。,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,（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（调速比等于最大转速和最小转速之比）。,直流电动机调速的主要优点是：,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R

7、f大小调节励磁电流，从而改变 的大小。,一、改变磁通（调磁）,1.原理,其中：=K If,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。,If的调节有两种情况：,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,调速过程:U一定,则,暂时T TL,（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。,3.减小 调速的特点：,二、改变电枢电压调速,由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，

8、斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,1.特性曲线,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。,Uf=110V固定,U=0110V可调,改变电枢电压调速方案举例：,例：已知他励电动机的 PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4A Ra=0.5,nN=1500r/min。求：,（1）TL=0.5TN 时,n=?（2）=0.8 N 时,n=?,解：（1）TL=0.5TN 时,（2）=0.8 N 时,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

9、。,三、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻，使 n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，n,7.2.7 直流电动机的使用和额定值,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。,一、使用,1.启动,启动时,n=0 Ea=0，若加入额定电压，则,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。,(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，

10、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。,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。,（1）反接制动,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,电阻 R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。,（2）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。,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。,(3)发电回馈制动,直流

11、电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,4.连接,（1）绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,（2）绕组的符号,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）,注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过 1.2nN。

12、,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）。,7.3 单相异步电动机,一、单相异步电动机的工作原理,结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。,N,S,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,在电流正半周,转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动。其原理分析如下：,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,脉动磁场的

13、分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,（正向）,（反向）,电容分相式起动,二、单相异步电动机的起动,接近90,电容分相式单相异步 电动机起动原理,t=t0,磁场逆时针方向旋转,t=t0,t=t1,启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。,工作原理,罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路

14、环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。,三、单相电机的使用,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，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。,第7章 控制电机,概述7.4 步进电动机

15、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,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。,概述,控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。,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。,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)

16、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 绘图仪等设备中都得到应用。,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,转子,定子绕组,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。,I

17、A,IB,IC,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,（3）工作过程,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,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：A

18、ABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,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。,（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。,A、B相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,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。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。,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。,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

19、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=齿 A 相和 C 相差240，含240/9=个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，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

20、（6）。,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。,同理，C 相通电再转3,（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。,步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。,7.5 伺服电动机,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。,伺服电动机的作用,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。,励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。,励磁绕组中串联电容C的目

21、的是为了产生两相旋转磁场。,接线：,励磁绕组的接线,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。,工作时两个绕组中产生的电流 和 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。,控制电压 与电源电压 两者频率相同，相位相同或反相。,（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，单相电压时设备不能转。,交流伺服电动机的特点：,

22、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：,当U2=0V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。,（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。,（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。,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz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。,应用,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：,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。,直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：,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1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。,应用：,