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1、第 9 章新 电 机 介 绍,中 国 矿 大 信 电 学 院,控制电机,第一节 直线电动机,一、概述,利用电能直接产生直线运动的电动机。其原理与相应的旋转式电动机相似，在结构上可看作是由相应旋转电机沿径向切开,拉直演变而成。直线电动机包括定子和动子两个主要部分,旋转电机,定子,动子,直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线异步电动机、直线步进电动机和交流直线同步电动机,直线电动机较多地应用于各种定位系统和自动控制系统。大功率的直线电动机还常用于电气铁路高速列车的牵引、鱼雷的发射等装备中。,二、直线直流电动机,直流供电的直线电动机。由一套磁极和一组绕组构成。分为动极式和动圈式两种。,直流动圈
2、式直线电动机，由于其结构与扬声器的音圈相似，故又称为音圈式直线电动机，简称音圈电动机。,（一）直线直流电动机工作原理,电枢导体中的电流与主磁极磁场作用，产生电磁力。动子在该电磁力作用下沿直线运动。,总电磁力：Fem=NBlia,N：总匝数；B：气隙磁密；l:导体有效长度；ia：导体电流,直线直流电动机工作原理,圈式直线电动机有长动圈和短动圈结构,长动圈电枢线圈轴向长度比行程长，铜耗大，但永磁利用率高，体积小。短动圈电枢线圈轴向长度比行程短，永磁利用率低，但比推力均匀，性能好。,（二）直线直流电动机方程,电压方程：U=RaIa+E,电势：,N：每极总匝数；L：行程；v:速度,电压方程：U=RaI
3、a+E,电势：,转速特性：,总电磁力：Fem=NBlia,结论：直流直线电动机由于推力与电枢电流成正比，速度与电枢电压成正比，有良好的线性控制特性。,它与闭环控制系统配合，可以进行精密的调节和控制，适用于自动控制系统，例如计算机磁盘驱动器的磁头定位系统、机器人系统等。,总电磁力：Fem=NBlia,三、直线异步电动机,（一）结构与工作原理,由旋转式异步电动机演变而来。其工作原理和旋转式异步电动机相同。主要由定子和动子两部分组成，嵌有线圈的部分为定子。,当定子多相绕组中通入对称交流电流后，电机气隙中就产生一个磁场行波，切割动子的导体而感应电流。此电流与磁场作用产生电磁力使动子发生直线运动。,直线
4、异步电动机的速度与极距、频率成正比，改变极距或频率可以调速。,改变直线异步电动机定子通电相序，可以改变运动方向。,直线异步电动机常在工业自动化系统中作为操作杆的动力，用它操作自动门窗、自动开关和阀门以及各种机械手，也可用于电气铁路高速列车的牵引和鱼雷发射等。,（二）调速及应用,四、直线同步电动机,由旋转式同步电动机演变而来。其工作原理和旋转式同步电动机相同。主要由定子和动子两部分组成，嵌有交流线圈的部分为定子。,当定子多相绕组中通入对称交流电流后，电机气隙中就产生一个磁场行波，与动子的磁场作用产生电磁力使动子发生直线运动。,五、直线步进电动机,由旋转式步进电动机演变而来。它是利用定子和动子间气
5、隙磁阻的变化所产生的电磁力而工作的。它分为感应子式和磁阻式。,（一）永磁式的结构,直线同步电动机的比推力较直线异步电动机的比推力大，功率因数和效率也比异步好。因此，直线同步电动机的性能优越。,定子由带齿槽的铁磁材料制成；槽中填满非铁磁材料，使表面光滑；齿间距为t。,动子由永磁体（A、B）、导磁极和励磁绕组组成；永磁体A和B的N极和S极相反，间距等于（k1/4）t；当A的齿与定子齿槽对齐时，B的齿与定子齿槽错开t/4,齿 槽,t,A相励磁绕组,B相励磁绕组,（二）感应子式的原理,(1)A相加正电压，B相不加电压,齿a 和a中的永磁体磁场与A相电流产生的磁场相加；齿c 和c中的磁场相减，全部被去磁
6、。因此，仅齿a 和a中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐。而 B相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,而 B相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(2)B相加正电压，A相不加电压,齿b 和b中的永磁体磁场与B相电流产生的磁场相加；齿d 和d中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿b 和b中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动子移动t/4。,而 A相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(3)A相加负电压，B相不加电压,齿c 和c中的永磁体磁场与A相电流产生的磁场相加；齿a 和a中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿c 和c中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动子移动t/4。
7、,而 B相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(4)B相加负电压，A相不加电压,齿d 和d中的永磁体磁场与B相电流产生的磁场相加；齿b 和b中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿d 和d中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动子移动t/4。,而 A相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,重复以上4步通电顺序，动子将按1/t的步长继续前进；如果需要动子反向运行，只需将通电顺序反序；控制通电脉冲的数量和频率，可以方便地控制动子的位置和速度。,（三）直线步进电动机的应用,1、数控绘图仪、记录仪；2、数控刻图机；2、数控剪裁机；4、精密定位机构。,（四）平面式直线步进电动机,平面式直线步进电动
8、机由两台电机组合而成，一台产生X方向的运动，另一台产生Y方向的运动。其可以在XY平面上任意运动和定位。主要用在刻图和绘图机中。,磁极,定子,永磁体,定子齿,第二节 开关磁阻电机,(一)SRM结构与工作原理,开关磁阻电动机（Switched reluctance motor）SRM与反应式步进电机相似。为双凸极可变磁阻电动机，其工作原理是遵循“磁阻最小原理”。,定子极上有集中绕组，转子无绕组。,定子、转子的极数需要配合，电机才产生恒定的电磁转矩。,定子、转子的极数需要配合方案,定子m相绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。,转子转速：,每相绕组开关频率,SRM工作原理,A、B、C相依次通电，转
9、子就按逆时针旋转,B、A、C相依次通电，转子就按顺时针旋转,（二）SRM与反应步进电机的主要差别,（三）开关磁阻电机驱动系统（SRMD）的组成,控制器是SRMD的指挥中枢，它由单片机和外围接口电路组成。其控制功能有：电流斩波控制；角度位置控制；启动、调速和制动控制；故障保护等。,（四）开关磁阻电机的优点及应用,1、转子结构简单，电机制造成本低。,2、效率高,3、故障容错能力强。,应用：,1、在电动车中的应用。,2、在航空燃气涡轮发动机的启动和发电机系统中的应用。,3、食品加工机械中的、洗衣机等方面的应用。,超声波电动机是非电磁型电动机，它不是依据电磁力定律来工作的。它是利用压电振动产生的强力超
10、声波的振动能转换为机械能。,超声波电动机是利用定子变形产生振动和转子接触，通过摩擦来传递转矩和功率。,（一）超声波电动机的结构和工作原理,定子组成：压电晶体、弹性体和电极,动子组成：支持轴、耐磨的摩擦衬垫和压紧装置，将动子紧压在定子弹性体上。,第三节 超声波电动机,压电效应（居里效应）,1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。,压电效应分为正压电效应（顺压电效应）和逆压电效应（电致伸缩效应）。,压电晶体在交流电压作用下产生周期性机械运动，它带动弹性体产生波动，动子与弹性体产生摩擦力，动子在摩擦
11、力的作用运动。,为了产生单一方向的行波，交流电压AB应正交。动子的移动方向与行波方向相反。改变AB相序可以改变方向。,（二）超声波电动机的机械特性,特点：,1、适合大转矩、低转速的机械负载；2、效率低；3、需要采用闭环反馈来控制电机的位置、速度，才能满足运行的要求。,（三）超声波电动机的应用,（1）照相机的自动变焦镜头。用超声波电动机直接驱动调焦镜片，其定位精度高、时间短、噪音低；,（2）电子束发生器、机器人,超声波电机是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置，它利用压电材料 的逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动，并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动。该种电机具有转
12、速低、转矩大、结构紧凑、体积小、噪声小等优点，它与传统电磁式电机最显著的差别是无磁且不受磁场的影响。该产品已成功地在石油井下精密测试仪器、小卫星、电视摄像和调焦控制等方面配套使用，取得了较好的应用效果。主要技术性能指标：工作电压：+12V DC(正转)或-12V DC(反转)；消耗功率；6W；额定转速：4r/min；额定转矩：0.10Nm；电机外形尺寸(内孔外圆厚度)：57mm75mm18mm；使用环境温度：-4060(电机本体)。,直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里介绍中间定子盘式发电机。下图是一个盘式定子。由于盘式发电机通过定子绕组的的磁力线是
13、轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在两侧有绕组的嵌线槽。,直驱永磁中间定子盘式风力发电机结构,第四节 风力发电机,定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接,定子铁芯固定在机座的支架上,盘式转子由磁軛与永久磁铁组成，下图为左面转子,下图为磁极的分布图,左右面转子结构相同，图为左右转子间的磁力线走向,为看清磁力线走向，下图为稍侧面的磁力线走向图,转子与定子装在一起,组装好的永磁中间定子盘式发电机,永磁中间定子盘式发电机的剖面图,下图为隐藏了右转子侧视的剖面图,直驱永磁中间转子盘式风力发电机结构,盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列
14、，这里介绍中间转子盘式发电机。下图是一个盘式定子，由于盘式发电机通过定子绕组的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在一侧有绕组的嵌线槽。,盘 式 定 子,在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个绕组呈扇形状,定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。,转子由永久磁铁组成，磁铁固定在转子支架上，下图是转子的结构图。,每块磁铁的磁极在转子的两面,下图表示了磁力线在转子与定子间的走向,转子与定子的布置图,先把左定子固定在左端盖中，再装上转子,把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定，发电机就组装好了，下图为发电机外观图。,下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图,下图为侧视的剖面图,风力机的塔架是20-30个工人用了8个月建成的,先安装完毕1250吨重的吊车,机舱高17米，不带叶片重约250吨,工人对机舱内部进行安装,吊装机舱,吊装机舱,吊装电机,吊装直驱发电机,准备吊装叶片,吊装叶片,运行中的E-112风力发电机的照片,
