电机与拖动技术 刘爱民 第十章.ppt

电机与拖动技术 主讲人 刘爱民,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,,10.2伺服电动机,,10.3力矩电动机,,10.4测速发电机,,10.5步进电动机,,第10章 微特电机,10.6旋转变压器,,10.7自整角机,,10.8直线电动机,,10.9开关磁阻电机,,10.10无刷直流电动机,,第10章 微特电机,10.11盘式电动机,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,微特电机是自动控制系统、遥控和解算装置中重要的元件，在系统中具有执行、检测和解算的功能从基本理论上讲，微特电机与普通电机没有本质上的区别，但其主要作用是完成控制信号的传递和转换，注重高精度和快速响应各类微型驱动电机和控制电机主要包括：单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、步进电动机、旋转变压器、自整角机、直线电动机、力矩电动机、开关磁阻电机、无刷直流电机以及盘式电动机 微特电机从总体上分为两大类：一类是驱动微电机：在电力拖动系统中作为执行机构使用，如单相异 步电机、伺服电机、力矩电机、直线电机以及超声波电机等；另一类是控制电机：在电力拖动系统中以完成信号的转换和传递为目的，如测速发电机、自整角机以及旋转变压器等。

第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,单相异步电动机是单相电源供电异步电动机的总称它一般是由定子两相绕组和转子鼠笼绕组组成 10.1.1单相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性 单相异步电动机的结构如图10-1所示定子包括两相绕组：一相为主绕组（又称为工作绕组）；另一相为起动绕组（又称为辅绕组），两相定子绕组空间互差 90°，转子为鼠笼式结构 (a)结构 (b)脉振磁势的分解 图10-1 单相异步电动机的结构图与磁场情况,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,对主绕组单独通电、起动绕组开路时异步电动机所产生电磁转矩进行分析：单相绕组通以单相正弦交流电流将产生脉振磁势该脉振磁势可分解为两个幅值相等（大小为脉振磁势幅值的一半）、转速相同（均为同步速）且转向相反的旋转磁势 其解析表达式为 两个旋转磁势 、 将分别产生两个转向相反的旋转磁场定子旋转磁场与转子感应电流相互作用分别在转子上产生正、反转的电磁转矩 和 其中，对正向旋转磁场而言，转子的转差率为： 对于反向旋转磁场而言，转子的转差率为,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,借助于三相异步电机的等效电路便可得到单相异步电动机的等效电路为 图10-2 单相异步电动机的等效电路 根据图10-2的等效电路，同时忽略激磁电流，单相异步电动机的电磁转矩表达式为： 转子电流为：,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,图10-3 单相异步电动机的 曲线与机械特性 对于单相绕组，当转速为零时，合成电磁转矩为零。

亦即单相绕组通电不会产生起动转矩 一旦在外力作用下转子沿某一方向开始旋转，则合成电磁转矩将不再为零即使外力去掉，转子仍将沿该方向继续旋转因此，转子的转向取决于刚开始施加外力的方向 理想空载转速低于同步速，表明单相异步电动机的额定转差率高于普通三相异步电动机第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,10.1.2两相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性 理想空载转速低于同步速，表明单相异步电动机的额定转差率高于普通三相异步电动机 1.两相绕组通电时异步电动机的旋转磁场 设单相异步电动机主、辅绕组空间互成90°，其有效匝数分别为 、 ，主、辅绕组分别通入如下电流： 主、副绕组所产生的定子基波磁势可分别表示为：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,主、辅绕组脉振磁势的基波幅值分别为： 定子基波合成磁势为： 正向旋转磁势的幅值为 ；反向旋转磁势的幅值为 由于两种旋转磁势的幅值不相等，且转向相反，其合成磁势为一幅值变化的椭圆形旋转磁势，如图10-4所示 图10-4 定子电流产生的椭圆形旋转磁势,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,定子基波合成磁势的轨迹为： 由此可知两相定子绕组通以两相对称电流所产生的定子基波合成磁势为椭圆形旋转磁势。

2.两相绕组异步电动机的机械特性 图10-5为两相绕组异步电动机当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流，且 时的机械特性 图10-5 两相绕组异步电动机的机械特性 当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流时，两相绕组异步电动机则产生起动转矩第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,3.单相异步电动机的类型 （1）电阻分相式单相电动机 电阻分相式单相电动机的结构如图10-6所示，其具有如下特点： 1）主、辅绕组（或起动绕组）空间互差90° 2）辅绕组的电阻与电抗的比值比主绕组高，以确保同一电压作用下两绕组所流过的电流相位不同 图10-6 电阻分相式单相异步电动机 图10-7 电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,（2）电容起动式单相电动机 电容单相起动式异步电动机的主、辅绕组的匝数一般相等（也可以不同）；副绕组是通过与电容C以及离心开关K串联后与电源并联 如下图所示 图10-8 电容单相起动式异步电动机 图10-9 电容起动式单相异步电动机的典型机械特性曲线 电容起动与运转式异步电动机的辅绕组中采用了两个电容器，一个是运行电容；一个为起动电容，且仅起动电容与离心开关串联。

上述方案可确保起动与运行时均获得接近圆形的气隙合成旋转磁势，从而既可以获得较大的起动转矩又可以提高运行时的最大电磁转矩第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,图10-10 电容起动与运转式异步电动机的接线图 图10-11 电容起动与运转式异步电动机的典型机械特性曲线 （3）罩极式单相电动机 由图10-12可见，单相罩极式异步电动机的定子采用凸极式结构，主磁极上装有工作绕组，而且在每个磁极的约1/3处开有小槽，其上套有铜短路环（相当于起动绕组）第10章 微特电机,10.1单相异步电动机,图10-12 罩极式单相异步电动机 罩极式电动机转子的转向是固定不变的单相罩极式电动机典型的机械特性曲线如上图所示第10章 微特电机,10.2伺服电动机,伺服电动机是一种把输入控制信号转变为角位移或角速度输出的电动机总体上可以分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，交流伺服电动机又包括永磁直流无刷伺服电动机、交流异步伺服电动机以及交流永磁同步伺服电动机 10.2.1直流伺服电动机 直流伺服电动机主要采用两种控制方式，即电枢控制方式和磁场控制电枢控制是将定子绕组作为激磁绕组、电枢绕组作为控制绕组的一种控制方式。

设控制电压为 ，主磁通 保持不变，忽略电枢反应，则直流伺服电动机的机械特性为 由上式，便可以分别获得直流伺服电动机的机械特性和调节特性，如下图所示第10章 微特电机,10.2伺服电动机,图10-13 直流伺服电动机的机械特性 图10-14 直流伺服电动机的调节特性 10.2.2交流伺服电动机 从结构上来看，交流伺服电动机的定子两相绕组空间互成90°一相绕组作为激磁绕组，直接接至单相交流电源上；另一相作为控制绕组，其输入为控制电压 1.对交流伺服电动机的特殊要求 1）机械特性为线性； 2）控制信号消失后转子无“自转”现象第10章 微特电机,10.2伺服电动机,对于普通异步电动机，其机械特性如下图中的曲线1所示为了满足交流伺服电动机线性机械特性的要求，通常的做法是：加大转子电阻，以使得产生最大电磁转矩时的转差率相应的交流伺服电动机的机械特性如图10-15中的曲线2所示 图10-15 异步电动机的机械特性 控制信号消失后转子无“自转”现象是指：伺服电动机在控制信号为零时，能够自行停车 图10-16为普通驱动异步电动机一相绕组通电时的机械特性和两相绕组交流伺服电动机一相通电（即控制电压为零）且转子电阻较大时的机械特性。

第10章 微特电机,10.2伺服电动机,图10-16 两相交流异步电动机一相供电时的机械特性 与一般异步电动机相比，两相交流伺服电动机的转子电阻较大，因而其机械特性在整个调速范围内接近线性，且一相绕组通电（即控制电压为零）时转子无“自转”现象发生 2.控制方式与运行特性 在保持励磁电压不变的条件下，交流伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制及幅-相控制第10章 微特电机,10.2伺服电动机,（1）幅值控制时的运行特性 图10-17 交流伺服电动机幅值控制时的接线图 设控制绕组的外加电压为 ，其额定电压为 ，则有效信号系数 可定义为： 1）当 时，相应的气隙合成磁势为圆形旋转磁势； 2）当 时，由于定子绕组仅励磁绕组一相供电，相应的气隙合成磁势为脉振磁势； 3）当 时，相应的气隙合成磁势为椭圆形旋转磁势第10章 微特电机,10.2伺服电动机,为不同值时的机械特性曲线和采用幅值控制时交流伺服电动机的调节特性曲线如图10-18所示 图10-18 交流伺服电动机幅值控制时的机械特性与调节特性 （2）相位控制时的运行特性 图10-19 交流伺服电动机相位控制时的接线图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.2伺服电动机,设控制电压滞后与励磁电压的相位为 ，则 定义为相位控制时的信号系数。

1）当 时，相应的气隙合成磁势为圆形旋转磁势； 2）当 时，相应的气隙合成磁势为脉振磁势； 3）当 时，气隙合成磁势为椭圆形旋转磁势，合成电磁转矩取决于椭圆度 交流伺服电动机采用相位控制时的机械特性曲线和调节特性曲线如图10-20所示 图10-20 交流伺服电动机相位控制时的机械特性与调节特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.2伺服电动机,（3）幅-相控制时的运行特性 交流伺服电动机采用幅-相控制时的接线图、机械特性和调节特性如下图所示 图10-21 交流伺服电动机幅-相控制时的接线图 图10-22 交流伺服电动机幅-相控制时的机械特性与调节特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第10章 微特电机,10.3力矩电动机,在控制要求高的系统中，需要一种力矩较大的伺服电机来直接拖动负载，这种电机就叫力矩电动机力矩电动机是一种特殊的伺服电机，其转速低，转矩较大，勿需齿轮等减速机构减速，可以直接驱动负载低速运行，负载转速受控于控制电压信号力矩电动机响应快，精度高，调节性能好，调速范围很大，它的机械特性和调节特性的线性度好，可以低速长期稳定可靠运行。

力矩电动机分为直流力矩电动机和交流力矩电动机两大类 直流力矩电动机按总体结构形式不同可分为分装式和内装式两种力矩电动机为能产生较大的转矩，通常把电机做成扁平式结构，外形轴向长度短，径向长度大，极数较多直流力矩电动机一般做成多极永磁式，在设计直流力矩电动机时，尽量增加电枢槽数、串联导体数及换向片数图10-23为典。