特种电机的介绍讲解

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1、第13章 特种电机* 电机及拖动基础 13.1 13.1 旋转变压器旋转变压器 13.2 13.2 测速发电机测速发电机 13.3 13.3 自整角机自整角机 13.4 13.4 伺服电动机伺服电动机 13.5 13.5 磁阻电动机磁阻电动机 13.6 13.6 磁滞电动机磁滞电动机 13.7 13.7 步进电动机步进电动机 13.8 13.8 直线电动机直线电动机 13.9 13.9 超导电动机超导电动机 13.10 13.10 超声波电动机超声波电动机 1 引 言 前面介绍的直流电机、异步电机和同步电机统称为普通电 机。在日常生活和生产实际中还广泛使用着各种特殊结构和特 殊用途的电机，特别

2、是随着新技术的不断发展和新材料的不断 涌现，新型特种电机的研究和应用还处在继续发展之中。由于 特种电机大都用于控制系统，且功率较小，所以又称为控制电 机或微特电机。从本质上讲，特种电机的基本理论和分析方法 与普通电机是一致的，但又有其特殊性。本章主要介绍目前基 本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。 第13章 特种电机 2 13.1 旋转变压器 旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。 按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正

3、余弦旋转变压器的输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传输等。 第13章 特种电机 3 13.1.1 基本结构 第13章 特种电机 余弦 输出 绕组 补偿绕组 励磁绕组 正弦 输出 绕组 4 13.1.2 工作原理 首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组D1D2施 加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。 显然，励磁绕组将 在气隙中产生一个脉振磁场， 这个脉振磁场将在正、余弦输出 绕组中分别感应出电动势，即 第13章

4、特种电机 （13-1） 5 13.1.3 畸变补偿 当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正 、余弦函数。 第13章 特种电机 直轴 分量 交轴 分量 6 直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要 原因应该是交轴分量。 第13章 特种电机 7 为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的 方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。 1）一次侧补偿： 在图13-2中，如果将定子上的补偿绕组D3 D4短路，则绕组D3D4能消除输出电压的畸变。因为交轴磁 通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流所 产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制作 用，可以起

5、到畸变补偿的作用。 第13章 特种电机 8 2）二次侧补偿：如图13-4所示。 第13章 特种电机 9 13.2 测速发电机 测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压 信号， 例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测， 构成转速负反馈闭环调速系统， 达到改善系统调速性能的目 的。 对测速发电机的基本要求是： 1）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度 的要求； 2）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大， 以达到高灵敏度的要求。 测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下 面分别加以介绍。 第13章 特种电机 10 13.2.1 直流测速发电机 直流测

6、速发电机有两种： 一种是电励磁式直流测速发电机 ，另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与 普通直流发电机相同。 第13章 特种电机 （13-2） 为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比 较大的负载电阻R， 并保证转速范围不要太大。 对于电励磁式 直流测速发电机， 可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁通 的影响，减小误差。 11 13.2.1 交流测速发电机 交流测速发电机的定 子上嵌有两相绕组，一相 是励磁绕组，另一相是输 出绕组，它们在空间互差 90电角度， 如图13-5所 示。交流测速发电机的转 子有两种结构，一种是笼 型转子， 一种是杯型转 子。 第13章 特

7、种电机 输出绕组 励磁绕组 笼型 转子 12 13.3 自整角机 自整角机是用于同步传动系统中的一种特种电机，它通过 电的方式在两个或两个以上无机械联系的转轴之间传递角位移 或使之同步旋转。自整角机有三相和单相之分，三相自整角机 常常用于大功率传动系统中，也称为“电轴”；单相自整角机则 主要用于控制系统中。这里主要介绍三相自整角机的基本结构 和工作原理。 第13章 特种电机 13 13.3.1 基本结构 第13章 特种电机 整步绕组 励磁绕组 14 13.3.2 工作原理 第13章 特种电机 （13-3） 根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转

8、动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，TF和TJ 都是倾向于使=0。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将 沿着旋转磁场的方向转动，直至=0 。如果发送机的转子不停地 旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。 15 13.3.3 单相自整角机 第13章 特种电机 脉振磁动势 分解 16 13.4 伺服电动机 伺服电动机的作用是把输入的电压控制信号转换成输出的 角位移或角速度。在运动控制系统中，伺服电动机是以执行机 构的身份出现的，所以又称为执行电动机。 对伺服电动机的基本要求是： 1）可控性好，即无电压控制信号时转子不自转，控制信号 一旦出现，电动机马上转

9、动，而控制信号一旦消失，电动机立 刻停转； 2）运行稳定，即电动机具有线性的机械特性和调节特性。 伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，下 面分别加以介绍。 第13章 特种电机 17 13.4.1 直流伺服电动机 直流伺服电动机有两种： 一种是电励磁式直流伺服电动 机，另一种是永磁式直流伺服电动机，其基本结构和工作原理 与普通直流电动机相同。 直流伺服电动机主要有两种控制方式， 一种是电枢控制， 即通过改变电枢电压来实现对转子转速的控制；另一种是磁场 控制，即通过改变励磁电压来实现对转子转速的控制（对电磁 式直流伺服电动机而言）。 电枢控制的优点是电动机的机械特性和调节特性的线性度

10、好，调速范围广，系统响应迅速，所以下面以电枢控制电磁式 直流伺服电动机为例，介绍相应的机械特性和调节特性。 第13章 特种电机 18 1. 机械特性 同他励直流电动机一样，直流伺服电动机的机械特性是指 在一定控制电压Uc下， 转子转速n与电磁转矩Te之间的关系曲 线，即 n = f(Te) 。 第13章 特种电机 （13-4） 19 2. 调节特性 直流伺服电动机的调节特性是指在一定负载转矩TL下，转 子转速n与控制电压Uc之间的关系曲线，即 n = f(Uc) 。 第13章 特种电机 电枢控制时直流伺服 电动机的两个主要运行特 性机械特性和调节特 性都是线性的，这是一个 很可贵的优点。 20

11、 13.4.2 交流伺服电动机 交流伺服电动机的基本结构与交流测速发电机相类似。 第13章 特种电机 输出绕组 励磁绕组 21 转子有两种结构，一种 是笼型转子，与普通异步电 动机笼型转子相比较，主要 是转子导条采用了高电阻系 数的材料，目的是消除自转 现象；另一种是杯型转子， 是靠空心杯中所感应的涡流 与主磁场相互作用而产生电 磁转矩， 优点是转动惯量 小，但由于气隙较大，需要 提供的励磁电流较大，体积 也较大。 第13章 特种电机 22 1. 工作原理与自转问题 交流伺服电动机实际上是两相电机的不对称运行，励磁绕 组和控制绕组分别在气隙中产生单相脉振磁场，两者合成的结 果一般是一椭圆形的旋

12、转磁场，该椭圆形旋转磁场又可以分解 为正、反向的圆形旋转磁场。一般情况下励磁绕组电压保持不 变，通过改变控制绕组电压的幅值或相位，就可以改变正向旋 转磁场与反向旋转磁场之间的大小关系，以及正向电磁转矩和 反向电磁转矩之间的比值，从而达到改变合成电磁转矩及转速 的目的。 第13章 特种电机 23 交流伺服电动机的转子电阻往往较大，这是为了保证当控 制绕组电压为零时，电动机能立刻停转，如下图所示。 第13章 特种电机 增大转子电 阻 24 2. 控制方式与运行特性 交流伺服电动机可以有三种具体的控制方式： 1）幅值控制，即仅改变控制电压的幅值； 2）相位控制，即仅改变控制电压的相位； 3）幅-相控

13、制，同时改变控制电压的幅值和相位。 下面以幅值控制的交流伺服电动机为例，简要介绍相应的 机械特性和调节特性。 第13章 特种电机 25 机械特性和调节特性： 第13章 特种电机 有效信号因数 26 13.5 磁阻电动机 磁阻电动机又称为反应式电动机，这种电机的转子本身没 有磁性，只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原 理，依靠转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩，这种 转矩称为磁阻转矩或反应转矩。磁阻电动机由于结构简单，成 本低廉，获得了较为广泛的应用，目前国内外磁阻电动机有单 相和三相的，功率从几瓦到几百瓦。 第13章 特种电机 27 13.5.1 基本结构 磁阻电动机属于交流同

14、步电机，其定子与一般交流电机相同 ，而转子结构型式却是多种多样的，只要转子直轴方向与交轴方 向的磁阻不相等，根据磁阻最小原理即可产生磁阻转矩。图13-15 所示是最常用的两种结构，这种转子与一般异步电动机笼型转子 的差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，属于单边凸极的结构 。 第13章 特种电机 28 13.5.2 工作原理与起动问题 第13章 特种电机 磁 阻 最 小 磁 阻 最 大 产生磁阻 转矩 29 与永磁同步电动机一样，磁阻同步电动机的起动也比较困难 ，如图13-17所示。也需要在转子上另外装设笼型起动绕组，以达 到异步起动，同步运行。 第13章 特种电机 30 13.6 磁滞电动机

15、磁滞电动机的转子是用硬 磁材料做成的，这种硬磁材料 具有比较宽的磁滞回环，其剩 磁密度和矫顽力要比软磁材料 大，如图13-18所示。磁滞电动 机的主要优点是结构简单，运 转可靠，起动转矩大，不需要 装任何起动装置就能平稳地牵 入同步。 第13章 特种电机 31 13.6.1 基本结构 磁滞电动机也属于交流同步 电机，其定子与一般交流电机相 同，而转子也没有励磁源，其结 构如图13-19所示。 由硬磁材料 冲片叠压而成的转子，其涡流转 矩小，电动机起动及运行主要依 靠磁滞转矩；由整块硬磁材料做 成的转子，除了磁滞转矩外，还 有涡流转矩， 可以增大起动转 矩。 第13章 特种电机 32 13.6.

16、2 工作原理 转子磁分子轴线落后于定子旋转磁场轴线一个角度是产生 磁滞转矩的根本原因，这个角度通常称为磁滞角。 磁滞电动机 最可贵的特性是具有很大的起动转矩， 因而它不要附设任何起 动绕组就能很快自行起动。 第13章 特种电机 33 13.7 步进电动机 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制 电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是 脉冲电压， 输出角位移是断续的， 即每输入一个电脉冲信号， 转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。 第13章 特种电机 34 13.7.1 基本结构 1）反应式步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称 为磁阻式步进电动机，如图13-21a所示； 2）永磁式步进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的 电磁转矩工作，如图13-21b所示； 3）复合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合。 第13章 特种电机 35 13.7.2 工作原理 以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图13-23