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1、电机及拖动基础,第四章 微特电机,微特电机,微特电机,微特电机指的是控制微电机和一些特殊微电机，它们多被用于自动化系统和计算机装置中以实现信号（或能量）的执行、检测、解算、转换或放大功能。微电机的输出功率一般从数百毫瓦到数百瓦，通常不大于600W。微特电机的外形尺寸较小，机座外径不足130mm。质量从数十克到数千克。 普通的旋转电机较注重起动和运行时的力能指标。而微特电机则注重可靠性、高精度和快速响应，以满足系统的要求。,微特电机的特点,1可靠性高。在自动控制系统中，每个元件都要按系统对它的要求而工作，可靠性高是确保系统正常工作的基础，因此要求使用中的微特电机能在恶劣环境下可靠地工作。 2精度
2、高。测速和测位用的微电机常用高精度作为考察指标；执行和放大用的微特电机主要用线性度和不灵敏区等指标来作为精度的标准。微特电机的精度直接影响自动控制系统的精度，所以高精度的微特电机是自动控制系统高精度的必备条件。 3快速响应。执行用微电机，要具备快速响应的能力。常用最大理论加速度、机电时间常数和功率变化率等作为衡量快速响应的指标。因为微特电机对信号的响应能力远低于同一系统中的其他元器件，所以其主要指标是影响系统响应速度的决定因素。,微特电机,返回,4.1 伺服电动机,伺服电动机也叫执行电动机，它的工作状态受控于信号，按信号的指令而动作：信号为零时，转子处于静止状态；有信号输入，转子立即旋转；除去
3、信号，转子能迅速制动，很快停转。 为了达到自动控制系统的要求，伺服电动机应具有以下特点：好的可控性；高的稳定性；灵敏性。 伺服电动机按照供电电源是直流还是交流可分为两大类，直流伺服电动机和交流伺服电动机。,微特电机的应用,4.1.1 直流伺服电动机,直流伺服电动机是指使用直流电源的伺服电动机。 直流伺服电动机的特点：气隙小，磁路不饱和；电枢电阻大，机械特性为软特性；电枢细长，转动惯量小。,1直流伺服电动机的结构,直流伺服电动机的结构和普通小功率直流电动机相同。,直流伺服电动机的分类,直流伺服电动机按励磁方式可分为两种基本类型：永磁式和电磁式。永磁式的定子由永久磁铁作成，可看作是它励直流伺服电动
4、机的一种。电磁式直流伺服电动机定子由硅钢片叠成，外套励磁绕组。 按结构可分为：普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机等种类。,2直流伺服电动机的工作原理,直流伺服电动机的工作原理和普通直流电动机相同，当励磁绕组和电枢绕组中都通过电流并产生磁通时，它们相互作用而产生电磁转矩，使直流伺服电动机带动负载工作。如果两个绕组中任何一个电流消失，电动机马上静止下来。 作为自动控制系统中的执行元件，直流伺服电动机把输入的控制电压信号转换为转轴上的角位移或角速度输出。电动机的转速及转向随控制电压的改变而改变。,问题与思考：,1.直流伺服电动机如何分类？请
5、叙述直流伺服电动机的工作原理。,3直流伺服电动机的控制方式,直流伺服电动机的励磁绕组和电枢绕组分别装在定子和转子上，改变电枢绕组的端电压或改变励磁电流都可以实现调速控制。,1）改变电枢绕组端电压的控制,电枢绕组作为接受信号的控制绕组，接电压为UK的直流电源。励磁绕组接到电压为Uf的直流电源上，以产生磁通。当控制电源有电压输出时，电动机立即旋转，无控制电压输出时，电动机立即停止转动。,2）改变励磁电流的控制,改变励磁电流的控制方式中，电枢绕组起励磁绕组的作用，接在励磁电源Uf上，而励磁绕组则作为控制绕组，受控于电压UK。 由于励磁绕组进行励磁时，所消耗的功率较小，并且电枢电路的电感小，响应迅速，
6、所以直流伺服电动机多采用改变电枢端电压的控制方式。,4直流伺服电动机的运行特性,直流伺服电动机负载运行时三个主要运行变量为：电枢电压、转速n及电磁转矩T，它们之间的关系特性，称作运行特性。 1）机械特性 机械特性是指在控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速n随电磁转矩T变化的关系。,2）调节特性,调节特性是指在一定的转矩下，转速n与控制电枢电压U之间的关系。 当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的起动电压。 当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机不能起动。,5常用的直流伺服电动机,常用的直流伺服电动机有：普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、空心杯直流伺服电动机和无槽直
7、流伺服电动机等。 1）普通型直流伺服电动机 普通型直流伺服电动机的结构与他励直流电动机的结构基本相同，也由定子、转子两大部分所组成。根据励磁方式它又可分为永磁式和电磁式两种。,2）盘形电枢直流伺服电动机,盘形电枢直流伺服电动机的外形呈圆盘状，其定子是由永久磁钢和铁轭组成，产生轴向磁通。电机电枢的长度远远小于电枢的直径，绕组的有效部分沿转轴的径向周围排列，且用环氧树脂浇注成圆盘形。绕组中流过的电流是径向的，它和轴向磁通相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转。,印制绕组直流伺服电动机的结构,盘形电枢的印制绕组，其制造工艺和印制电路板类似。它可以采用两面印制的结构，也可以是若干片重叠在一起的结构。它用电
8、枢的端部（近轴部分）兼做换向器，不用另外设置换向器。 盘形电枢直流伺服电动机多用于低转速、经常起动和反转的机械中，其输出功率一般在几瓦到几千瓦的范围内，大功率的主要用于雷达天线的驱动、机器人的驱动和数控机床等。另外，由于它呈扁圆形，轴向占的位置小，安装方便。,3）空心杯直流伺服电动机,空心杯电枢直流伺服电动机的内定子由软磁材料制成；外定子由永磁材料制成。磁场是由外定子产生的，内定子起导磁作用。空心杯电枢直接安装在电机的轴上，在内外定子的气隙中旋转。电枢是由沿电机轴向排列成空心杯形状的成型绕组，用环氧树脂浇注成型。 空心杯直流伺服电动机多用于高精度的仪器设备中。如监控摄象机和精密机床等。,4)无
9、槽直流伺服电动机,无槽直流伺服电动机的电枢铁心表面是不开槽的，绕组排列在光滑的圆柱铁心的表面，用环氧树脂浇注成型，和电枢铁心成为一体。定子上嵌放永久磁钢，产生气隙磁场。,问题与思考：,2.直流伺服电动机有几种控制方式？它们如何实现？,4.1.2 交流伺服电动机,交流伺服电动机常作为执行元件用于自动控制系统中，将起控制作用的电信号转换为转轴的转动。 1.交流伺服电动机的结构和工作原理 1)交流伺服电动机的结构 交流伺服电动机定子铁心中安放着空间垂直的两相绕组，其中一相为控制绕组，另一相为励磁绕组。,非磁性杯形转子交流伺服电动机,非磁性杯形转子交流伺服电动机的定子分内外两部分，外定子和鼠笼形转子交
10、流伺服电动机的定子是一样的，内定子由环形钢片叠压而成，不产生磁场，只起导磁的作用。 空心杯形转子通常由铝或铜制成，它的壁很薄，多为0.3mm左右。杯形转子置于内外定子的空隙中，可自由旋转。由于杯形转子没有齿和槽，电机转矩不随角位移的变化而变化，运转平稳。但是，内外定子之间的气隙较大，所需励磁电流大，降低了电机的效率。 另外，由于非磁性杯形转子伺服电动机的成本高，所以只用在一些对转动的稳定性要求高的场合。它不如鼠笼形转子交流伺服电动机应用广泛。,2)交流伺服电动机工作原理,交流伺服电动机的UK为控制电压，Uf为励磁电压，它们是时间相位互差90电角度的交流电，可在空间形成圆形或椭圆形的旋转磁场，转
11、子在磁场的作用下产生电磁转矩而旋转。交流伺服电动机比普通电机的调速范围宽，当不加控制电压时，电机的转速应为零，即使此时有励磁电压。交流伺服电动机的转子电阻也应比普通电机大，而转动惯量要小，为的是拥有好的机械特性。,2.交流伺服电动机的控制方法,交流伺服电动机的控制方法有幅值控制、相位控制、和幅相控制三种。 1)幅值控制 只使控制电压的幅值变化，而控制电压和励磁电压的相位差保持90不变，这种控制方法叫做幅值控制。 当控制电压为零时，伺服电动机静止不动；当控制电压和励磁电压都为额定值时，伺服电动机的转速达到最大值，转矩也最大；当控制电压在零到最大值之间变化时，且励磁电压取额定值时，伺服电动机的转速
12、在零和最大值之间变化。,2)相位控制,在控制电压和励磁电压都是额定值的条件下，通过改变控制电压和励磁电压的相位差来对伺服电动机进行控制的方法叫做相位控制。 用表示控制电压和励磁电压的相位差。当控制电压和励磁电压同相位时，=0，气隙磁动势为脉振磁动势，电动机静止不动；当相位差=90时，气隙磁动势为圆形旋转磁动势，电动机的转速和转矩都达到最大值。 当090时, 气隙磁动势为椭圆形旋转磁动势,电动机的转速处于最小值和最大值之间。,3)幅相控制,幅相控制是上述两种控制方法的综合运用，电动机转速的控制是通过改变控制电压和励磁电压的相位差及它们的幅值大小。 当改变控制电压的幅值时，励磁电流随之改变，励磁电
13、流的改变引起电容两端的电压变化，此时控制电压和励磁电压的相位差发生变化。 幅相控制的电路图结构简单，不需要移相器，实际应用比其它两种方法广泛。,3.交流伺服电动机控制绕组和放大器的连接,在实际的伺服控制系统中，交流伺服电动机的控制绕组需要连接到伺服放大器的输出端，放大器起放大控制电信号的作用。 (a)图中,控制绕组和输出变压器相连，输出变压器有两个输出端子。(b)图中,控制绕组和一对推挽功率放大管相连.此时放大器输出三个端子。伺服电动机的控制绕组通常分成两部分,它们可以串联或并联后和放大器的输出端相连。,问题与思考：,3.交流伺服电动机的控制方法有几种？如何控制？,4.2 测速发电机,测速发电
14、机是转速的测量装置，它的输入量是转速，输出量是电压信号，输出量和输入量成正比。 根据输出电压的不同，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两种形式。,4.2.1 直流测速发电机,直流测速发电机是一种微型直流发电机，其作用是把机械转速信号变换成对应的电压信号，反馈到控制系统，实现对转速的调节和控制。 直流测速发电机定子、转子结构与普通小型直流发电机相同。其工作原理与一般直流发电机相同。,根据励磁方式的不同可分为两种形式：永磁式直流测速发电机和电磁式直流测速发电机。,1.直流测速发电机的分类,1.直流测速发电机的分类,1)永磁式直流测速发电机 永磁式直流测速发电机的定子的磁极是用永久磁钢制
15、成的，不需要励磁绕组。,永磁式直流测速发电机,永磁式直流测速发电机按其转速可分为普通速度测速电机和低速测速电机。 普通速度测速电机的转速通常大于每分钟几千转，而低速测速电机的转速小于每分钟几百转。低速测速电机可以和低力矩电动机直接耦合，省去了齿轮传动的麻烦，并提高了系统的精度，所以常用于高精度的自动化系统中。,电磁式直流测速发电机,2）电磁式直流测速发电机 电磁式直流测速发电机的定子铁心上装有励磁绕组，外接电源供电，产生磁场。因为永磁式直流测速发电机结构简单，不需要励磁电源，使用方便，所以比电磁式直流测速发电机应用面广。,2.直流测速发电机的误差及减小误差的方法,直流测速发电机的输出电压和输入
16、转速间实际上并不是绝对的正比关系，误差产生的原因有以下几点： 1)电枢反应产生的影响 2)电刷接触电阻产生的影响 3)纹波产生的影响 4)温度变化产生的影响,为减少温度变化对测量值影响采取的措施,(1)直流测速发电机的磁路的饱和程度通常被设计得大一些。 (2)给励磁绕组串联一个附加电阻来稳定励磁电流。因为绕组的阻值受温度的影响是很大的，例如铜绕组，温度增加25，其阻值就增大10%。 (3)给励磁绕组串联负温度系数的热敏电阻并联网络。对于测量精度要求高的系统，可采用此方法。,3.直流测速发电机的应用,在自动控制系统中用来测量或自动调节电动机的转速； 在随动系统中通过产生电压信号以提高系统的稳定性和精度； 在计算和解答装置中用做积分和微分元件； 在机械系统中用来测量摆动或非常缓慢的转速。,问题与思考：,4. 直流测速发电机产生误差的原因是什么？怎么减少？ 5.直流测速发电机在实践中有哪些应用？,4.2.2交流异步测速发电机,
