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海南风光第七章第七章直流电动机直流电动机单相异步电动机单相异步电动机步进电机步进电机 清华大学电机系电工学教研室清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编唐庆玉编第七章第七章 电动机电动机 §7.2 直流电动机直流电动机7.2.1 概述概述7.2.2 工作原理工作原理7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系7.2.4 电磁转矩电磁转矩7.2.5 机械特性机械特性7.2.6 直流电动机的调速直流电动机的调速7.2.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值§7.3单相异步电动机单相异步电动机§7.4步进电机步进电机7.2.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，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：直流电机的优点：（（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节调速范围广，易于平滑调节2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车起动、制动转矩大，易于快速起动、停车3）易于控制易于控制应用：应用：（（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）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备。

速范围大的大型设备2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等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）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.2.2 工作原理工作原理 一、一、 工作原理工作原理 U+–NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转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电刷压在换向片上由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转使线圈逆时针旋转FFU+–NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+–NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反方向相反直流发电机用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势Ea的方向的方向U+–NSEEIa电枢绕组电枢绕组电阻电阻Ra感应电动势感应电动势输出电压输出电压二、二、 直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。

直流电机由定子、转子和机座等部分构成机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构1. 转子转子（又称电枢）（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成2. 定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成永磁式：由永久磁铁做成励磁式：磁极上绕线圈，然后圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后圈中 通过直流电，形成电磁铁通过直流电，形成电磁铁励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁产生磁通，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：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开励磁线圈与转子电枢的电源分开并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。

同一电源上M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U7.2.3 7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系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，又会场中转动起来通电线圈在磁场中转动，又会圈中产生感应电动势（用圈中产生感应电动势（用E表示）一、一、 电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷电刷换向片换向片IIEE根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，和原通入的电流方向相反，其大小为：其大小为：KE：：与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n：：电动机转速电动机转速   ：磁通：磁通单位：单位：   （韦伯），（韦伯），n（（转转/每分），每分），E（（伏）伏）FFU+–NS电刷电刷换向片换向片IIEE二、二、 电枢绕组中电压的平衡关系电枢绕组中电压的平衡关系因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势与通入的电流方向相反，所以叫反电势U：：外加电压外加电压Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+–+–U以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，，只能改变只能改变  或或 n。

2)若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，，则则 ，， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变比，通过改变  可调速7.2.4 电磁转矩电磁转矩KT：：与线圈的结构有关的常数与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关）  ：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：：电枢绕组中的电流电枢绕组中的电流一、电磁转矩一、电磁转矩单位：单位：   （韦伯），（韦伯），Ia（（安培），安培），T（（牛顿牛顿 米）米）由转矩公式可知：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产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向改变磁通的方向二、二、 转矩平衡关系转矩平衡关系电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，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，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL：： 负载转矩负载转矩T0 ：：空载转矩空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL））发生变化时，发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、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。

转矩自动调整，以实现新的平衡例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=TL+ T0(平衡平衡)，这时，，这时，若若TL突然增加，则调整过程为：突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia  、、 P入入 TL  n E Ia  T  最后达到新的平衡点最后达到新的平衡点 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，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他励电动机和并励电动机的特性一样7.2.5 机械特性机械特性一、一、 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性即：即：其中其中，，M他励他励UfIfIaUn0：： 理想空载转速理想空载转速, ,即即T=0时的转速实际工作时的转速实际工作时时, ,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T不会为不会为0 0当当 T 时时n  ，，但由于他励电动机的电枢电阻但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，所以在负载变化时， 转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械特性。

特性根据根据 n-T 公式公式画出特性曲线画出特性曲线n0nNTNTn  n其中其中，，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同二、二、 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即设磁通和电流成正比，即   =K  Ia ,则则据此公式做出据此公式做出 T-n 曲线曲线nTM串励串励UIa(1) (1) T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n但但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会工作在 T=0 的状态，的状态， 但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高串励不允许空载很高串励不允许空载 运行，以防转速过高运行，以防转速过高串励特性：串励特性：(2) (2) 随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性软机械特性nT(2) (2) 恒功率负载（恒功率负载（P 一定时，一定时，T 和和 n 成反比），成反比）， 要选软特性电机拖动。

如：电气机车等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直流电动机特性类型的选择: :(1) (1) 恒转矩的生产机械恒转矩的生产机械( (TL一定，和转速无关）一定，和转速无关）要要 选硬特性的电动机，如：选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机金属加工、起重机 械等7.2.6 直流电动机的调速直流电动机的调速 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下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法1 1）调速均匀平滑，可以无级调速调速均匀平滑，可以无级调速2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 200 （他励式）以上（他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）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：直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，由该式可知，n 和和   有关，在有关，在 U 一定的情一定的情况下，改变况下，改变   可改变可改变 n 。

在励磁回路中串在励磁回路中串上电阻上电阻Rf，，改变改变Rf大小调节励磁电流，从而大小调节励磁电流，从而改变改变  的大小一、改变磁通（调磁）一、改变磁通（调磁）1.原理原理其中其中，，M他励他励UfIfIaU其中：其中：  =K  If• Rf If    n  ，，但在额定情况下，但在额定情况下，   已接已接 近饱和，近饱和，If 再加大，对再加大，对  影响不大，所以这种增加影响不大，所以这种增加 磁通的办法一般不用磁通的办法一般不用• Rf If      n  ，，减弱磁通是常用的调速方减弱磁通是常用的调速方 法If的调节有两种情况：的调节有两种情况：概念：概念：改变磁通调速的方法改变磁通调速的方法—— 减小磁通，减小磁通，n只能上调只能上调其中其中，，2.2.特性的变化特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加因为：因为：（（ 减减小小））TLRf增增加加Tn 其中其中，，调速过程调速过程: : U一定一定, ,则则Rf     E E  Ia T  n Ia  E 暂时暂时T > TL其中其中，，最后达到新的平衡最后达到新的平衡T =TL（（1 1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，）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，受机械本身强度所限，n不能太高。

不能太高2 2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制方便调节控制方便3.减小减小  调速的特点：调速的特点：二、改变电枢电压调速二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：由转速特性方程知：调电枢电压调电枢电压U，，n0变化，斜率不变，变化，斜率不变，所以调速特性是一所以调速特性是一组平行曲线组平行曲线1.特性曲线特性曲线nn0"n0'n0电电压压降降低低T其中其中，，2.2.改变电枢电压调速的特点改变电枢电压调速的特点（（1 1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过过UN，，，，而而 n  U，，所以调速只能向下调所以调速只能向下调2 2））可得到平滑、无级调速可得到平滑、无级调速3 3）调速幅度较大调速幅度较大MUfIfIaU变变压压整整流流220V~整整流流调调压压220V~Uf=110V固定固定U=0~110V可调可调改变电枢电压调速方案举例：改变电枢电压调速方案举例：例：例：已知他励电动机的已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5  , nN=1500r/min。

求：求：（（1））TL=0.5TN 时时, n=? （（2））  =0.8   N 时时, n=? 解：（解：（1）） TL=0.5TN 时时（（2））  =0.8   N 时时这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机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串励电机也可用类似的方法调速三、改变转子电阻调速三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，在电枢中串入电阻，使使  n  、、 n0不变，即不变，即电机的特性曲线变陡电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相（斜率变大），在相同力矩下，同力矩下，n nn0RaRa + RT其中其中，，7.2.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值限制限制Iast的措施：的措施：（（1）启动时在电枢回路串电阻启动时在电枢回路串电阻2）启动时降低电枢电压启动时降低电枢电压一、使用一、使用1.启动启动启动时启动时,n= 0  Ea=0，，若加入额定电压，则若加入额定电压，则Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器一般向器一般Iast限制在限制在 (2-2.5)IaN 内。

内(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT  Ia，， 而而    0 ，，电机将不能启动，因此，反电动势电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，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：路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：注意：（（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则则 E     ，，Ia     ，，T 和和      ，，可能不满可能不满 足足TL的要求，电动机必将减速或停转，使的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险更大，也很危险3）如果电机空载运行，可能造成飞车如果电机空载运行，可能造成飞车     E   Ia  T  >> T0  n 飞车飞车措施：措施：他励直流电动机一定要有他励直流电动机一定要有失磁保护失磁保护。

一般在励磁绕组加失压继电器或欠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，自动流继电器当失压或欠流时，自动切断电枢电源切断电枢电源U UM他励他励UfIfIaU2.2.反转反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定1 1）改变励磁电流的方向改变励磁电流的方向2 2）或改变电枢电流的方向或改变电枢电流的方向改变直流电机转向的方法：改变直流电机转向的方法：（（1 1）反接制动）反接制动3.3.制动制动制动的所采用的方法：制动的所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+–R运行运行制动制动电阻电阻 R 的作用的作用是限制电源反是限制电源反接制动时电枢接制动时电枢的电流过大的电流过大（（2 2）能耗制动）能耗制动 — 电枢断电后立即接入一个电阻电枢断电后立即接入一个电阻MUUfIf+–R运行运行制动制动K停车时，电枢从停车时，电枢从电源断开电源断开,接到电接到电阻上，这时：由阻上，这时：由于惯性电枢仍保于惯性电枢仍保持原方向运动，持原方向运动，感应电动势方向感应电动势方向也不变，电动机也不变，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。

同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下在重力的作用下 n n0（（ n0理想空载转速），这理想空载转速），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而限制电机转速过分升高3) (3) 发电回馈制动发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组直流电机有四个出线端，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各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别4.4.连接连接（（1）绕组的阻值范围）绕组的阻值范围• 电枢绕组电枢绕组的阻值在的阻值在零点几欧姆到零点几欧姆到1~2欧姆欧姆• 他励他励/并励电机的励磁绕组并励电机的励磁绕组的阻值有的阻值有几百欧姆几百欧姆• 串励电机的励磁绕组串励电机的励磁绕组的阻值的阻值与电枢绕组的相当与电枢绕组的相当自学自学（（2）绕组的符号）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组电枢绕组他励绕组他励绕组并励绕组并励绕组串励绕组串励绕组换向极绕组换向极绕组补偿绕组补偿绕组启动绕组启动绕组始端始端绕组名称绕组名称末端末端二、额定值二、额定值1. 额定功率额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。

电机轴上输出的机械功率2. 额定电压额定电压UN ：：额定工作情况下的电枢上加的额定工作情况下的电枢上加的直流电压例：直流电压例：110V，，220V，，440V）） 3. 额定电流额定电流IN ：： 额定电压下，轴上输出额定功率额定电压下，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）时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：三者关系：PN=UNIN  （（  ：：效率）效率）注意：注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过 1.2nN 4.4.额定转速额定转速nN ：：在在PN，，UN，，IN 时的转速直流电时的转速直流电 机的转速等级一般在机的转速等级一般在 500500r/min 以上特殊的直以上特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟很高（每分钟30003000转以上）转以上）7.3 单相异步电动机单相异步电动机一、一、 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理结构：结构：定子放单相绕组（其中通定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）单相交流电） 转子一般用鼠笼式。

转子一般用鼠笼式定子定子转子转子定子定子绕组绕组220V~   NS 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则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，和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩所以没有起动转矩在电流正半周在电流正半周在电流负半周在电流负半周？？转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动向继续转动其原理分析如下：其原理分析如下： 定子绕组产生的脉动磁场（定子绕组产生的脉动磁场（ ），可用），可用正、反两个正、反两个旋转磁场合成而等效即：旋转磁场合成而等效即：  +  -t m =  +  -=  m/2脉动磁场的分解脉动磁场的分解④④④④⑥⑥⑥⑥⑧⑧⑧⑧ ②②②② -  +③③③③⑦⑦⑦⑦⑨⑨⑨⑨⑤⑤⑤⑤①①①①  +  -  正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩合成转矩起动转矩起动转矩为零正向）（正向）（反向）（反向）正正转转转转反反电容分相式起动电容分相式起动二、单相异步电动机的起动二、单相异步电动机的起动~KDCWSTW: 主绕组（工作绕组）主绕组（工作绕组）ST：：启动绕组启动绕组K：：离心开关离心开关AXA'X'WSTAXA'X'~KDCWST接近接近90°电容分相式单相异步电容分相式单相异步 电动机起动原理电动机起动原理~KDCWSTAXA'X' WSTAXA'X't=t0 NSt=t0WSTAXA'X' NSWSTAXA'X'NSt=t1 磁场逆时针磁场逆时针方向旋转方向旋转t=t0t=t1启动时开关启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约闭合，使两绕组电流相位差约为为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转，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。

断，而电机仍按原方向继续转动工作原理工作原理~KDCWSTAXA'X'罩极式单相电机罩极式单相电机定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环 定子通入电流以后，部分磁定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生通穿过短路环，并在其中产生感应电流短路环中的电流阻感应电流短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环碍磁通的变化，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，从而形成旋磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来转磁场，使转子转起来 图中电机的转动方向：顺时针图中电机的转动方向：顺时针旋转因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的旋转因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先磁通领先 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、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，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，时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障必须赶快排除故障第7章 控制电机 概述概述§7 .4 步进电动机步进电动机 7.4.1 结构结构 7.4.2 工作方式工作方式 7.4.3 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机§7.5 伺服电动机 7.5.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.5.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 前前面面介介绍绍的的异异步步电电动动机机、、直直流流电电动动机机等等都都是是作作为为动动力力使使用用的的，，其其主主要要任任务务是是能能量量转转换换，，例例如如将将电电能能转换为机械能。

本章介绍控制电机转换为机械能本章介绍控制电机 概述概述如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速；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步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移 控制电机的主要功能是转换和传递信号控制电机的主要功能是转换和传递信号控制电机的种类很多，本章主要介绍控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机步进机、伺服机 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等§7.4 步进电动机步进电动机机理机理：：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离动一小段距离特点特点：：(1)来一个脉冲，转一个步距角来一个脉冲，转一个步距角 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变方向改变脉冲顺序，改变方向种类种类：： 有励磁式和反应式两种两种的区别在于励磁式步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上没有励磁线圈应用：应用： 步进机的应用非常广泛如：在数控机床、自动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绘图仪等设备中都得到应用 下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机机的的结结构构和和工作原理工作原理7.4.1 结构结构 步步进进机机主主要要由由两两部部分分构构成成：：定定子子和和转转子子它它们们均均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 定子定子转子转子定子绕组定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相组成一相 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的““相相””的概念的概念不同步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。

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的联接和组数的区别ABC定子定子转子转子IAIBIC7.4.2 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等双六拍、三相双三拍等一、三相单三拍一、三相单三拍（（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相  B 相相  C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相  C 相相 B 相相 （（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路通经转子形成闭合回路若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、、3 3齿和齿和 AA' 对齐。

对齐CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、、4齿和齿和B相轴线对齐，相相轴线对齐，相对对A相通电位置转相通电位置转30 ；；C相通电再转相通电再转30 1C'342CA'BB'A 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，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：三相单三拍的特点：（（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 此角称为此角称为步距角，用步距角，用 S表示2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）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改变通电顺序即可改变转向二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、、3 3齿和齿和A相对齐CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。

相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上相对AA' 通电，转子转了通电，转子转了15°1））BB' 磁场对磁场对 2、、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动转子顺时针方向转动A、、B相同时通电相同时通电（（2））AA' 磁场继续对磁场继续对1、、3齿有拉力齿有拉力CA'BB'C'A3412总总之之，，每每个个循循环环周周期期，，有有六六种种通通电电状状态态，，所所以以称称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 CA'BB'C'A3412B相通电，相通电，转子转子2、、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB  BC  CA  AB 共三拍AB通电通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用拍较三相单三拍稳定，因此较常采用工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，，转转子子也也是是转转30 ，即，即  S = 30 。

CA通电通电CA'BB'C'A34127.4.3 小步距角的步进电动机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实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高度，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，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极上也有五个齿上也有五个齿转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9   ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5   为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，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齿宽和齿槽和转子相同工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式假设是单三拍通电工作方式1））A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐此时，齐此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9  = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9  = = 个齿。

所以，个齿所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5  异步机的转动方向仍由相序决定异步机的转动方向仍由相序决定同理，同理，C 相通电再转相通电再转3   ……（（2））A 相相断断电电、、B 相相通通电电后后，，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿齿（（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐相转子、定子对齐f：：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：：转子齿数转子齿数如：如：Zr=40 , m=3 时时步距角步距角§7.5 伺服电动机伺服电动机 交流伺服电动机和直流伺服电动机交流伺服电动机和直流伺服电动机。

伺服电动机分类伺服电动机分类：： 伺服电动机的作用是驱动控制对象被控对象的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极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化化伺服电动机的作用伺服电动机的作用7.5.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组绕组 — 励磁绕组和控制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励磁绕组和控制绕组在空间相隔90 控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转的目的是为了产生两相旋转磁场接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流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相位差接近9090 ，因此便产生旋转磁场，在旋转磁，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。

场的作用下，转子便转动起来 1例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电例：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流的相量关系如图所示励磁绕组的接线励磁绕组的接线放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差近位差近90°，，因此便产生旋转磁场在旋转磁场因此便产生旋转磁场在旋转磁场的作用下，转子转动起来的作用下，转子转动起来控制电压控制电压 与与电源电压电源电压 两两者频率相同，相者频率相同，相位相同或反相位相同或反相（（1））U2= 0 = 0 时，转子停止时，转子停止这时，虽然这时，虽然U2 = =0V，，U1仍存在，似乎成单仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同相运行状态，但和单相异步机不同若单若单相电机启动运行后，出现单相后仍转伺相电机启动运行后，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：交流伺服电动机的特点：原因：原因：交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大。

所以设计得较大所以在在U2=0时，交流伺服电机的时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下曲线如下页图：页图： 当当U2= =0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距的转距T 、、T  的合成转矩的合成转矩 T 与单相异步机不同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时，能立即停止，体现了控制信号的作用( (有控制电有控制电压时转动，无控制电压时不转压时转动，无控制电压时不转) )，以免失控以免失控交流伺服电动机的交流伺服电动机的T=f(s)T=f(s)曲线（曲线（U U2 2=0=0时）时）s'T210s"T"T'T021反转反转正转正转（（3 3）控制电压）控制电压 U2 大小变化时，转子转速相应变大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压化，转速与电压 U2 成正比U2 的极性改变的极性改变时，转子的转向改变时，转子的转向改变2））交流伺服电机交流伺服电机 R2设计得较大，使设计得较大，使Sm>1，，Tst大，大，启动迅速，稳定运行范围大。

启动迅速，稳定运行范围大交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，，电电源频率分源频率分50Hz、、400Hz等多种它的应用很广泛，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如用在自动控制、温度自动记录等系统中应用应用7.5.2 直流伺服电动机直流伺服电动机结构：结构：与直流电动机基本相同为减小转动惯量做与直流电动机基本相同为减小转动惯量做得细长一些得细长一些工作原理：工作原理：与直流电动机相同与直流电动机相同供电方式：供电方式：他励励磁绕组和电枢由两个独立电他励励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压为电枢电压由机械特性可知：由机械特性可知：(1)U1（（即磁通即磁通 ）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2 ,n 2)U2=0时，电机立即停转时，电机立即停转反转：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。

电枢电压的极性改变，电机反转直流伺服电机的机械特直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机性公式与他励直流电机一样：一样：机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4U2nT 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬经常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它的用途很多，如随动系统中的位置控制等应用：应用：。