第10讲直流电动机,单相交流电机,步进电机及伺服电机.ppt

海南风光第七章直流电动机 单相异步电动机 步进电机 清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编第七章 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步进电机本课作业7-137-147-18107.2.1 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 直流电机的优点：（1）调速性能好: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 （3）易于控制 应用：（1）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 （2）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7.2.2 工作原理一、 工作原理 U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II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FFU+–NS电刷换向片IIFFU+–NS电刷换向片IIEE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 方向相反直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+–NSEE Ia 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：永磁式：由永久磁铁做成励磁式：磁极上绕线圈，然后圈中通过直流电，形成电磁铁励磁的定义：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M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U7.2.3 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 圈中产生感应电动势（用E表示）。

一、 电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为： KE：与电机结构有关的常数n：电动机转速  ：磁通单位：  （韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+–NS电刷换向片IIEE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MRa Ia E+–+–U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，若想改变E，只能改变 或 n (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 ，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变 可调速7.2.4 电磁转矩KT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关） ：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、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TL： 负载转矩T0 ：空载转矩 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TL nEIa T 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， 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即：其中，M他励UfIfIaUn0： 理想空载转速,即T=0时的转速实际工作 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n0 nNTNTn n其中，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nTM串励UIa(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。

nT(2) 恒功率负载（P 一定时，T 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Rf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，M他励UfIfIaU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。

其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加因为：（ 减小）TLRf 增 加Tn其中，调速过程: U一定,则Rf  E IaT nIa E暂时 T > TL其中，最后达到新的平衡 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，斜率不变， 所以调速特性是一 组平行曲线1.特性曲线nn0“n0'n0电 压 降 低T其中，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MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf=110V固定U=0~110V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=12.4ARa=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n n0RaRa + RT其中，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 路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则 E   ，Ia   ，T 和   ，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3）如果电机空载运行，可能造成飞车   E  Ia T >> T0  n飞车措施：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UM他励UfIfIaU2.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定1）改变励磁电流的方向 （2）或改变电枢电流的方向改变直流电机转向的方法：（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MUUfIf+–R运行制动电阻 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MUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从 电源断开,接到电 阻上，这时：由 于惯性电枢仍保 持原方向运动， 感应电动势方向 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， 在重力的作用下 nn0（ 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1~2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自学（2）绕组的符号S1 T1 B1 C1 H1 BC1 Q1S2 T2 B2 C2 H2 BC2 Q2电枢绕组 他励绕组 并励绕组 串励绕组 换向极绕组 补偿绕组 启动绕组始端绕组名称末端二、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 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）转子一般用鼠笼式定子 转子定子 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 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。