第二章 电机电器及其控制技术讲义

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1、电机的作用与发展简史 电机的分类与结构 电机的应用领域 电动机的选用与运行控制 电机学的研究内容 电器的发展历史 电器的分类 高压电器 低压电器,第二章 电机电器及其控制技术,一、电机的作用与发展简史,什么是电机？,电机是以电磁感应现象为基础实 现机械能与电能之间的转换以及变换 电能的机械。,一般分为发电机、电动机和变压 器三大类,电机的作用,控制电机 阀门控制 火炮控制 计算机 ,一、电机的作用与发展简史（续）,一、电机的作用与发展简史（续）,一、电机的作用与发展简史（续）,经过100多年的发展，电机的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、材料科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进

2、入了新的阶段。,二、电机的分类与结构,1、电机的分类,特种电机 步进电机 无刷电机 开关磁阻电机 超声波电机 ,二、电机的分类与结构（续）,2、发电机,将机械能转变为电能的机械 水轮机 风力机 蒸汽轮机 燃气轮机 柴油机 ,直流电机的结构 1 定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括主磁极、换向极、机座和电刷装置。 2 转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。,二、电机的分类与结构（续）,2、发电机,将机械能转变为电能的机械 水轮机 风力机 蒸汽轮机 燃气轮机 柴油机 ,二、电机的分类与结构（续）,；,2、发电机

3、,隐极同步电机,隐极式转子特点：在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。 转子长度/直径=2.56.5，且容量愈大比值愈大。,凸极同步电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。,转子：水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。,凸极式转子,二、电机的分类与结构（续）,3

4、、电动机,（1）电机的可逆原理：直流电机可作为发电机运行，也可作为电动机运行。 （2）换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势、电流与电刷的直流电压、电流之间的转化。,直流电动机,直流电机的励磁 直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁（并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。,实现交流电能与机械能转换的装置被称为交流电动机。 交流电机有两大类：异步电动机和同步电动机。 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系，异步电机则不然。 异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。,交流电动机,三相异步电动机的工作原理

5、,三相异步电机的转子结构 三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。 三相异步电机转子感应电动势和电流的产生 三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。 转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形成感应电流。 三相异步电机转子产生转矩并形成旋转 导条内产生的感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。,异步电动机的调速 1 交流调速系统发展方向 （1）一般性能的节能调速 （2）高性能交流调速系统 （3）特大容量和极高转速的交流调速 2

6、异步电动机的调速 （1）变极调速 （2）变频调速 （3）变转差率调速 1）改变定子端电压 2）改变转子电阻,二、电机的分类与结构（续）,3电动机,直线电动机,永磁直线同步电机工作原理,旋转电机展开为直线电机示意图,平面电动机,步进式平面电动机机构示意图,步进式平面电动机在x方向上的工作原理,二、电机的分类与结构（续）,4、变压器,变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成。,变压器原理图,三相组式变压器 三相芯式变压器,二、电机的分类与结构（续）,5、特种电机,1）永磁无刷电动机 应用： 航空、航天 家用电器 机器人 电动汽车 电

7、动车组 电动舰船 ,1934年，E.F.W. Alexanderson博士提出用开关器件替代有刷直流电动机的机械电刷的构想； 1955年，美国的D.Harrison首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械换向器的专利； 1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。,永磁无刷电动机分为两类： Brushless DC Motor（BLDCM）和 Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),小结:,使用位置传感器及功率电子

8、开关代替传统直流电动机中的电刷和换向器，是一种集永磁电动机、电力电子技术、微机技术和现代控制技术为一体的装置。,位置传感器是无刷电机的重要部件； 无刷直流电机可以通过改变电压调速；通过改变相序转向。,二、电机的分类与结构（续）,5、特种电机,2）直线电机 应用： 工业机械； 轨道交通； 电梯； 航空母舰飞机发射； 导弹发射架； 电磁推进潜艇； ,海浪直接驱动直线发电机,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,磁悬浮列车

9、中直线电机的应用 高速切削与精密加工 交通运输及传输机械,与旋转电机传动相比， 直线电机传动主要具有下列优点： (1) 直线电机由于不需要中间传动机械， 因而使整个机械得到简化， 提高了精度， 减少了振动和噪音； (2) 快速响应： 用直线电机驱动时， 由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响， 因而加速和减速时间短， 可实现快速启动和正反向运行； (3) 仪表用的直线电机， 可以省去电刷和换向器等易损零件， 提高可靠性， 延长使用寿命；,二、电机的分类与结构（续）,5、特种电机,3）步进电动机 应用： 自动控制装置中的执行元件,各种步进电动机,机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转

10、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 动一小段距离。,步进电动机的机理,步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。,定子,转子,定子绕组,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。,IA,IB,IC,工作方式1,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。,A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁

11、化，,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；,C相通电再转30,工作方式2,三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,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15。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。,A、B相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号

12、必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止。转动的速度和脉冲的频率成正比。 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。,二、电机的分类与结构（续）,5、特种电机,4）超导电机 应用： 超大型发电机或电动机,全电军舰吊舱式推进系统 超导直流电动机剖面图,二、电机的分类与结构（续）,5、特种电机,5）超声波压电电动机 应用： 生物生命科学； 光学仪器； 高精密机械； ,微型超声波压电电动机,超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称为USM)，是利用压电材料的逆压电效应为激

13、励，使定子弹性体在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上)，并通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机需由电磁效应获得转矩和转速的概念。 电能振动能量机械能量,1948年，Williams和Brown申请了历史上第一个“压电 马达“的专利，其结构如图1所示。这一发明点燃了研究超声 电机的火花。,超声电机技术及其起源,1961年，日本Bulova公司利用音叉的往复位移驱动如 图2所示的钟表齿轮，这种钟表的工作频率为360Hz，其月 误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，也是人类尝试 利用弹性振动获得

14、动力的开始。,超声电机技术及其起源,1965年，前苏联Lavrinenco提出了如图3所示的超声电 机，该电机利用压电板的振动来驱动转子。Lavrinenco申 请了国家专利，并归纳出了超声电机具有结构简单、成本 低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量 转换效率高等特性。,超声电机技术及其起源,1973年, IBM公司的Barth提出了如图4所示的具有现代 超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角 尖形的压电振子产生振动，通过压电振子的牛角尖端与转子 表面接触、摩擦来驱使转子转动。,超声电机技术及其起源,日本Sashida于1982年提出并制造了如图7所示的驻波型压电超

15、声电机，该电机使用Langevin振子，驱动频率为27. 8 kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0. 25 Nm，输出转速为2000 r/min，效率55%。可以说，Sashida研制的这个压电超声电机，在性能上是第一次能够满足实际使用的要求。由于该电机的振动片与转子的接触是固定在一个位置上，接触表面上存在着严重的磨损问题。,超声电机技术及其起源,为了解决接触表面上存在着严重的磨损问题，Sashida 又于1983年提出并制造了另一台超声电机行波型超声电 机，并于1985年在美国申请了行波型超声电机的专利，其原 理如图8所示。该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变 换

16、成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子 接触面上的摩擦磨损。这种电机的研究成功，为压电超声电 机走向实用阶段开辟了道路。,超声电机技术及其起源,超声波电机结构图,逆压电效应简介 压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一 般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而 发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下 发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电 荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而 使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶 体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重 心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种 由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效 应，也称为电致伸缩效应。,超声电机工作原理,超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动, 把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦 传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声