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电机的种类


第7章 驱动和控制微电机
本章主要介绍单相异步电机、微型同步电动机、伺服电动机、 测速电动机、自整角机、旋转变压器和步进电动机,除此之外, 还将介绍两种新型电机:直线电动机和开关磁阻电动机。 7.1 单相异步电动机

7.2 直线电动机
7.3 微型同步电动机 7.4 伺服电动机 7.5 测速电动机 7.6 自整角机 7.7 旋转变压器 7.8 步进电动机 7.9 开关磁阻电动机

第7章 驱动和控制微电机
7.1 单相异步电动机
内容要点: ⒈ 了解单相感应电动机的结构特点、优缺点及应用情况; ⒉掌握单相感应电动机的工作原理,弄清单相感应电动 机为什么没有起动转矩? ⒊重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。 一、概述 1、 应用情况

广泛应用于家用电器(电风扇、电冰箱、洗衣机等)、 空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。

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2、 优缺点 优点:结构简单,成本低廉,噪音小。 缺点:与同容量三相感应电动机相比较,体积较 大,功率因数及过载能力都较低。 故单相感应电动机只能作成小容量:

微型:几瓦~750瓦;
小型:550瓦~3700瓦。

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2、 结构 与三相感应电动机相似,包括定子和转子两大部分。转子 结构都是笼型的,定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌 有定子绕组。 单相感应电动机正常工作时,一般只需要单相绕组即可, 但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场,单相运 行的电动机没有起动转矩。 为使电动机能自行起动和改善运行性能,除工作绕组(又 称主绕组)外,在定子上还安装一个辅助的起动绕组(又称副 绕组)。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。
继续

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二、基本工作原理 1 、单相绕组通入单相交流电时的情况

单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势,一个脉 动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形 旋转磁势。分别用F+、F-表示,建立起正转和反转磁场ф+、ф-, 这两个磁场切割转子导体,产生感应电动势和感应电流,从而 形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-,叠加后即为推动转子转动的 合成转矩Tem。

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设电动机转速为 n ,则对正转磁场而言, 转差率s+为
S? ? n1 ? n ?S n1

对反转磁场而言,转差率s-为
? n1 ? n S ? ? 2?S ? n1
?

即当S ? 0时,S ? 2,当S ? 0时,S ? 2

?

?

?

?

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单相异步电动机的T=f(s)曲线

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分析: 1)转子静止时,n=0,S=1,合成转矩为0。单相感应电动机无 起动转矩,故单相异步电动机不能自行起动。 三相异步电动机电源断一相,相当于一台单相异步电动 机,故不能起动。 2)当s≠1时,T≠0,且T无固定方向,取决于s的正负。一旦 旋转,转向依外力方向而定,即在外力矩作用下,电机可朝外 力方向旋转。 三相感应电动机运行中断一相,电机仍能继续运转。 3)由于存在负序转矩,使合成转矩减小,过载能力低,TF不 变,n下降→S上升→I2`上升→I1上升→温升增加。

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7.1.2 单相异步电动机的主要类型 根据获得旋转磁场方式的不同,主要分为分相电动机和罩 极电动机 一、分相起动电动机

分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻 起动电动机
1、电容起动电动机 特点: ⅰ)起动绕组和电容按短时工作设计; ⅱ)电容起分相和提高功率因数的作用。 由 于 起 动 绕 组 和 电 容 按 短 时 工 作 设 计 , 因 此 , 当 n 达 75 ~ 80%n1时,离心开关自动打开。

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2、电容电动机
电容电动机实质是一台两相异步电动机,起动绕组和电容 应按长期工作设计。

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特点: ⅰ)起动绕组和电容器按长期工作设计; ⅱ)过载能力、功率因数和效率均较高; ⅲ)容量能做到五十瓦至几千瓦; ⅳ)应用比较广泛,如应用于压气机、空 调等。

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3 电阻起动电动机
在起动绕组中串联电阻来分相,即工作绕组电阻小,电抗大; 起动绕组电阻大,电抗小。
二、罩极电动机

1、结构特点:

定子作成凸极式,由硅钢片叠压而成,工作绕组为 集中绕组,套在定子磁极上,每个极靴表面1/3~1/4 处开有一个小槽,放入罩极绕组(短路环),如下 图:

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2、工作原理

? 3 在时间上滞后 ? 1 一个角度Ψ ,而两个绕组在空间也
相隔一个角度,产生旋转磁场,转向由未罩极部分转向罩 极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。

.

? 3 ? ?1 ? ? k
.

.

.

.

3、改变转向的方法: 1) 定子上绕制两套起动绕组; 2) 将定、转子反向安装。 4、优缺点:起动转矩小,结构简单,不需要电容器。 5、应用: 用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电 动模型和电唱机中。

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小结: 1 、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应 用情况,单相异步电动机广泛应用于家电、医 疗器械、轻工设备中; 2、单相感应电动机的工作原理,为什么 没有起动转矩?

3、单相感应电动机的的起动方法与类型 1)分相起动电动机;2) 罩极电动机。

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7.4 伺服电动机

分类:
7.4.1 直流电动机 一、直流伺服电机的结构

1、直流伺服电动机; 2、交流电动机

分类:
? 普通型直流伺服电机; ? 盘型电枢直流伺服电动机; ? 空心杯直流伺服电动机; ? 无槽直流伺服电动机。

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二、直流伺服电动机的运行特性

Ra U n? ? Tem ke ke kT
1、机械特性

定义:指在控制电压保持不变的情况下,直流伺服电 动机的转速n随转矩变化的关系。

n ? n0 ? kTem
式中:
n0 ? R U ,k ? a ke ke kT

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当转矩为零时,电机转速仅与电枢电压有关,此时的转 速称为理想空载转速

U n ? n0 ? ke
当转速为零时,电机转矩仅与电枢电压有关,此时 的转矩称为堵转转矩

U TD ? kT Ra

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直流伺服电动机的机械特性如下:

2、调节特性
定义:指负载转矩恒定时,电机转速与电枢电压的关系。
直流伺服电动机的调节特性如上图所示。

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7.4.2

交流伺服电动机

一、交流伺服电机的工作原理
交流伺服电动机一般为两相交流电机,由定子和转子两部分组成。 转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组,并在空间相差90°电角度,一个
为励磁绕组,另一个为控制绕组。如下图所示:

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“自转”现象及避免“自转”现象方法:

“自转”现象:当励磁电压不为零,控制电压为零时,伺 服电动机相当于一台单相异步电动机,若转子电阻较小, 则电机仍然旋转。
避免“自转”现象方法:增大转子电阻值。

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二、交流伺服电机的控制方式
交流伺服电机的控制方式有三种:幅值控制、相位控制和幅值—相位控制
1、幅值控制 控制电压和励磁电压保持相位差90°,只改变控制电压幅值,这种控制 方法称为幅值控制。

2、相位控制
控制电压和励磁电压幅值均为额定值,通过改变控制电压和励磁电压 相位差,实现对伺服电动机的控制,这种控制方法称为相位控制。

3、幅值—相位控制
通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电 机的转速,这种控制方法称为幅值—相位控制。

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7.5 测速发电机 分类:直流测速发电机和交流伺服电动机
7.5 直流测速发电机
分永磁式和电磁式两种。

一、直流测速发电机的输出特性
输出电压与转速之间的关系,称为输出特性,如图所示。

Ea U2 ? ? Cn Ra 1? RL

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二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法

电枢反应

产生误差的 原因

电刷接触电
阻的影响

纹波的影响

减少误差的方法:

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7.5.2

交流异步测速发电机

分为同步测速发电机和异步测速发电机 一、空心杯转子异步测速 发电机的工作原理

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1、n=0电机不转

输出电压
2、n

U2=0

?0

电机旋转

切割电动势大小:

Er ? Cr ? d n
?q ? Frq ? Fr ? Er ? n E2 ? ?q ? n

切割电动势 计算公式

即:输出绕组的感应电动势 的幅值正比于电机的转速。

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二、异步测速发电机的误差

主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差 1、幅值及相位误差

产生原因:励磁绕组存在漏电感。
减小该误差的方法:增大转子电阻。

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2、剩余电压误差
产生原因:由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性,使得测 速发电机转速为零时,实际输出电压并不为零,此 时的电压称为剩余电压,剩余电压引起的误差称为 剩余电压误差。 减小剩余电压误差的方法:选择高质量的各方 向特性一致的磁性材料,在机加工和装配过程中提 高机械精度以及装配补偿绕组。

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7.6 自整角机
自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感 应式控制电机。一般成对或多台组合使用。

分类:控制式自整角机和力矩式自整角机
7.6.1 自整角机的结构与工作原理
一、力矩式自整角机的结构与工作原理 通常采用两极结构,绝大部分采用凸极式结构,频率 高、尺寸大的力矩式自整角机采用隐极式结构

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力矩式自整角机的三种结构:

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图7.6.2 为自整角机的工作原理图

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1.力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流 发送机的转子位置为θ1,接收机的转子位置为θ2,失调角θ为

θ= θ1- θ2
每相整步绕组中的感应电动势:
发送机: 接收机:

E1a ? E cos?1 E1b ? E cos(?1 ? 120?) E1c ? E cos(?1 ? 120?)

E2 a ? E cos? 2 E2b ? E cos(? 2 ? 120?) E2c ? E cos(? 2 ? 120?)

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各相绕组中的总电动势:

Ea ? E2 a ? E1a ? 2 E sin Eb ? 2 E sin(

?1 ? ? 2
2

sin

?
2

?1 ? ? 2

2 2 ?1 ? ? 2 ? Ec ? 2 E sin( ? 120?) sin 2 2

? 120?) sin

?

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各相绕组中的电流:

Ea ?1 ? ? 2 ? Ia ? ? I sin sin 2Z a 2 2 I b ? I sin(

?1 ? ? 2

2 2 ?1 ? ? 2 ? I c ? I sin( ? 120?) sin 2 2

? 120?) sin

?

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2.力矩式自整角机整步绕组的磁动势:

2 INkw1 ?1 ? ? 2 ? ?1 ? ? 2 ? F1a ? sin sin ? F sin sin ? 2 p 2 2 2 2 ?1 ? ? 2 ? F1b ? F sin( ? 120?) sin 2 2 ?1 ? ? 2 ? F1c ? F sin( ? 120?) sin 2 2 4

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发送机的交轴磁动势分量:
3 Fq ? Fqa ? Fqb ? Fqc ? ? F sin ? 4

发送机的直轴磁动势分量:
3 Fd ? Fda ? Fdb ? Fdc ? ? F (1 ? cos ? ) 4

合成磁动势的幅值:
3 F1 ? Fq2 ? Fd2 ? ? F sin ? 2

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同理可求得接收机的整步磁动势为:
F2 ? 3 F sin ? 2

3.力矩式自整角机的转矩:

T ? k1Fq?d cos?
式中:k1为转矩系数,φ为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。

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二、控制式自整角机的结构与工作原理 控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。

图7.6.3为控制式 自整角机的工作 原理图

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7.6.2 自整角机的误差分析与选用时应注意的问题

力矩式自整角机的误差: 主要有零位误差和静态误差。

控制式自整角机的误差:
主要有电气误差和零位电压误差。

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7.7
分类:

旋转变压器

旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。

按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分:接触式旋转 变压器和非接触式旋转变压器。
按电机的极对数多少来分:单极对旋转变压器和多极 对式旋转变压器。 按使用要求来分:用于解算装置的旋转变压器和用于 随动系统的旋转变压器。 7.7.1 旋转变压器的结构与工作原理 一、正余弦旋转变压器的工作原理

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1.正弦绕组

? 3? 2Z ? N ? ? N ci ? 2 N cm[cos ? cos ? ? ? cos( ? 1) ] Z Z 4 Z i ?1

z 4

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2.正余弦旋转变压器的工作原理 定子上放置两套互差90?空间角度的匝数、型式完全相 同的正弦绕组,一个作为励磁绕组,另一个作为交轴绕组。 励磁绕组上施加交流励磁电压,定义励磁绕组的轴线方向 为d轴,在气隙中产生d轴磁通Фd,励磁绕组中的感应电动 势为:

E f ? 4.44 fNs kws ?d

转子上也有两套完全相同的的正弦绕组,两套绕组 的空间位置也互差90?,d轴磁通与转子交链,产生变压器 电动势,转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组 的相对位置有关。 (1)正余弦旋转变压器的空载运行

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将Фd分解为两个分量: 与正弦绕组轴线方向一致的磁通Фr1和与正弦绕组轴线相 垂直的磁通Фr2。

? r1 ? ? d sin ? ? r 2 ? ? d cos?

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正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为:

U r10 ? Er1 ? 4.44 fN r kwr ? r1 ? 4.44 fN r kwr ? d sin ? U r 20 ? Er 2 ? 4.44 fN r kwr ? r 2 ? 4.44 fN r kwr ? d cos?
U r10 U r 20 4.44 fN r k wr ? Er 1 ? E f sin ? ? kuU f sin ? 4.44 fN s k ws 4.44 fN r k wr ? Er 2 ? E f cos? ? kuU f cos? 4.44 fN s k ws

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(2)正余弦旋转变压器的负载运行

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Er1 I r1 ? Z ? Z L1 ?r
式中:Z?r为转子绕组的漏阻抗; Z L1为负载阻抗。
.

.

.

U r1 ?

? ku U f sin ? Z?r ? Z L1 Z?s ku2 Z?s jX m 2 (1 ? )? ? ku cos2 ? Z L1 jX m Z L1 Z L1

.

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一次补偿与二次补偿的概念

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二、线性旋转变压器的工作原理 输出电压的大小与转子转角 α成正比关系

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正弦绕组的开路输出电压:

U r10 ? Er1 ?
进行级数展开:

kuU f sin ? 1 ? ku cos?
?3
3! 2!

?????(1)

sin ? ? ? ? cos? ? 1 ?

? ?

?5
5!

? ?

?7
7!

?? ??

?2

?4
4!

?6
6!

第7章 驱动和控制微电机
设ku=0.5,将级数展开式代入(1)式中,得:

U r10

1 ?4 ?6 ? U f ? (1 ? ? ? ?) 3 180 1512

忽略转角的高次项时,上式可写为:

U r10

1 ? U f? 3

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二次补偿的线性旋转变压器:

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7.7.2 旋转变压器的误差及其改进方法

1、产生误差的原因 2、改进方法

7.7.3

旋转变压器的应用

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7.8 步进电动机 步进电动机用电脉冲信号进行控制,以实现对生产过 程或设备的数字控制。 7.8.1 步进电动机的结构与工作原理

根据作用原理和结构不同,分为两大类型: (1)电磁型步进电机,仅靠电磁作用不能使电机的转子作 步进运行,必须加上相应的机械部件,才能产生步进的效 果; (2)定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的 电机。

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在第2类步进电机中,根据转子结构形式,分为永磁式 转子电机和反应式转子电机。

二、反应式步进电机的工作原理
图7.8.1为一台三相反应式步进电机,它由定子和转子两大部分组成。 在定子上有三对磁极,磁极上装有励磁绕组。转子由软磁材料制成,在转 子上均匀分布四个凸极,极上步装绕组,转子的凸极也称为转子的齿。

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步进电机的控制方式分三种: (1)三相单三拍工作方式,A-B-C-A; (2) 三相单、双六拍工作方式, A-AB-B-BC-CA-A; (3)三相双三拍工作方式, AB-BC-CA-AB;

步距角:步进电机每改变一次通电状态(一拍)转子所转 过的角度称为步距角。
步距角的计算公式:

360 ? se ? m Zr C

式中:m为步进电机的相数;C为通电状态系数,单拍或双 拍工作时C=1,单双拍混合方式工作时C=2;Zr为步进电机 转子的齿数。

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步进电机的转速为:

60 f n? m Zr C

式中:f为步进电机每秒的拍数,称为步进电机通电脉 冲频率。 7.8.2 反应式步进电动机的特性

一、反应式步进电机的静特性
(1)矩角特性 步进电机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下,步 进电机的静转矩与失调角之间的关系。用T=f(θ)表示。

T ? ?kI sin ?
2

第7章 驱动和控制微电机
步进电动机的静态稳定区:

? ? ?? ? ??
? ? 0为稳定平衡点 ? ? ??为不稳定平衡点
2.最大静转矩

当? ? ? 时,T ? Tsm , 2 最大静转矩Tsm ? kI 2

?

第7章 驱动和控制微电机
二、反应式步进电机的动特性 步进电机的动特性是指步进电机从一种通电状态转换到 另一种通电状态所表现出的性质。

动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及频率特 性等。 1.动稳定区
步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切 换到另一稳定状态而不失步的区域。 空载稳定区:

? ? ? ?se ?? ?? ? ?se

第7章 驱动和控制微电机

稳定裕量角:稳定区的边界点a到初始稳定平衡点A的角度, 用θr表示。

? r ? ? ? ? se ?

?
mc

(mc ? 2)

第7章 驱动和控制微电机
稳定裕量角越大,步进电机运行越稳定,当稳定裕量角 趋于零时,电机不能稳定工作。

2.起动转矩

Tst ? Tsm cos

?

mc 式中:Tst 为最大起动转矩。

3.起动频率
4.频率特性 7.8.3 驱动电源

一、对驱动电源的基本要求
二、步进电动机控制电源的组成

第7章 驱动和控制微电机
7.9 开关磁阻电动机
开关磁阻电动机的系统组成 7.9.1

开关磁阻电动机系统主开关磁阻电动机、功率变换器、控制 器和检测器四部分组成。如图所示:

第7章 驱动和控制微电机
一、开关磁阻电动机 二、功率变换器 四、位置检测器 三、控制器 7.9.2 开关磁阻电动机的工作原理

第7章 驱动和控制微电机
7.9.3 开关磁阻电动机系统的特点及应用 一、开关磁阻电动机的特点 1.与反应式步进电动机的主要区别 2.开关磁阻电动机的优缺点 二、开关磁阻电动机的应用


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