单相电动机讲解

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1、第7章 驱动和控制微电机 7.1 单相异步电动机 7.2 直线电动机 7.3 微型同步电动机 7.4 伺服电动机 7.5 测速电动机 7.6 自整角机 7.7 旋转变压器 本章主要介绍单相异步电机、微型同步电动机、伺服电动机、 测速电动机、自整角机、旋转变压器和步进电动机，除此之外，还 将介绍两种新型电机：直线电动机和开关磁阻电动机。 7.9 开关磁阻电动机 7.8 步进电动机 第7章 驱动和控制微电机 7.1 单相异步电动机 内容要点： 一、概述 1、 应用情况 广泛应用于家用电器（电风扇、电冰箱、洗衣机等）、 空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。 了解单相感应电动机的结构特点、优缺点

2、及应用情况 ； 掌握单相感应电动机的工作原理，弄清单相感应电动机 为什么没有起动转矩？ 重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。 第7章 驱动和控制微电机 2、 优缺点 优点：结构简单，成本低廉，噪音小。 缺点：与同容量三相感应电动机相比较，体积较 大，功率因数及过载能力都较低。 故单相感应电动机只能作成小容量： 微型：几瓦750瓦； 小型：550瓦3700瓦。 第7章 驱动和控制微电机 2、 结构 继续 继续 与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子 结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌 有定子绕组。 单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可， 但单相绕

3、组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运 行的电动机没有起动转矩。 为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又 称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副 绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱动和控制微电机 二、基本工作原理 1 、单相绕组通入单相交流电时的情况 单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势，一个脉 动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形 旋转磁势。分别用F+、F-表示，建立起正转和反转磁场+、- ，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从 而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem

4、-，叠加后即为推动转子转动 的合成转矩Tem。 第7章 驱动和控制微电机 返回 第7章 驱动和控制微电机 设电动机转速为n，则对正转磁场而言， 转差率s+为 对反转磁场而言，转差率s-为 第7章 驱动和控制微电机 单相异步电动机的T=f(s)曲线 第7章 驱动和控制微电机 分析：分析： 1）转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相感应电动机无 起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。 三相异步电动机电源断一相，相当于一台单相异步电动 机，故不能起动。 2）当s1时，T0，且T无固定方向，取决于s的正负。一旦 旋转，转向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外 力方向旋转。 三相感应电

5、动机运行中断一相，电机仍能继续运转。 3）由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力低，TF不 变，n下降S上升I2上升I1上升温升增加。 第7章 驱动和控制微电机 7.1.2 单相异步电动机的主要类型 一、分相起动电动机 分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻 起动电动机 根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩 极电动机 1、电容起动电动机 特点： ）起动绕组和电容按短时工作设计； ）电容起分相和提高功率因数的作用。 由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达75 80%n1时，离心开关自动打开。 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱动和控制微电机 2、电容电动机

6、 电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容 应按长期工作设计。 第7章 驱动和控制微电机 特点： ）起动绕组和电容器按长期工作设计； ）过载能力、功率因数和效率均较高； ）容量能做到五十瓦至几千瓦； ）应用比较广泛，如应用于压气机、空 调等。 第7章 驱动和控制微电机 3 电阻起动电动机 在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大 ；起动绕组电阻大，电抗小。 二、罩极电动机 1、结构特点： 定子作成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为 集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面1/31/4 处开有一个小槽，放入罩极绕组（短路环），如下 图： 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱

7、动和控制微电机 2、工作原理 在时间上滞后 一个角度，而两个绕组在空间也 相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩 极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。 3、改变转向的方法： 1） 定子上绕制两套起动绕组； 2） 将定、转子反向安装。 4、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。 5、应用: 用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电 动模型和电唱机中。 第7章 驱动和控制微电机 小结： 1、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应 用情况，单相异步电动机广泛应用于家电、医 疗器械、轻工设备中； 2、单相感应电动机的工作原理，为什么 没有起动转矩？ 3、单相感应电动机的的起动方

8、法与类型 1）分相起动电动机；2） 罩极电动机。 第7章 驱动和控制微电机 7.4 伺服电动机 7.4.1 直流电动机 一、直流伺服电机的结构 分类： 普通型直流伺服电机； 盘型电枢直流伺服电动机； 空心杯直流伺服电动机； 无槽直流伺服电动机。 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱动和控制微电机 二、直流伺服电动机的运行特性 1、机械特性 定义：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电 动机的转速n随转矩变化的关系。 式中： 第7章 驱动和控制微电机 当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的 转矩称为堵转转矩 当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转 速

9、称为理想空载转速 第7章 驱动和控制微电机 直流伺服电动机的机械特性如下： 2、调节特性 定义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。 直流伺服电动机的调节特性如上图所示。 第7章 驱动和控制微电机 7.4.2 交流伺服电动机 一、交流伺服电机的工作原理 交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。 转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差90电角度，一个为 励磁绕组，另一个为控制绕组。如下图所示： 第7章 驱动和控制微电机 “自转”现象及避免“自转”现象方法： “自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服 电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，

10、则 电机仍然旋转。 避免“自转”现象方法：增大转子电阻值。 第7章 驱动和控制微电机 二、交流伺服电机的控制方式 交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值相位控制 1、幅值控制 控制电压和励磁电压保持相位差90，只改变控制电压幅值，这种控制方 法称为幅值控制。 2、相位控制 控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压 相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。 3、幅值相位控制 通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电 机的转速，这种控制方法称为幅值相位控制。 第7章 驱动和控制微电机 7.5 测速发电机 分类：直流测速发电机

11、和交流伺服电动机 分永磁式和电磁式两种。 7.5 直流测速发电机 一、直流测速发电机的输出特性 输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。 第7章 驱动和控制微电机 减少误差的方法： 纹波的影响 产生误差的 原因 电枢反应 电刷接触电 阻的影响 二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法 第7章 驱动和控制微电机 7.5.2 交流异步测速发电机 分为同步测速发电机和异步测速发电机 一、空心杯转子异步测速 发电机的工作原理 第7章 驱动和控制微电机 切割电动势 计算公式 1、n=0电机不转 输出电压 U2=0 2、n 0 电机旋转 切割电动势大小: 即：输出绕组的感应电动势 的幅值正比于电

12、机的转速。 第7章 驱动和控制微电机 二、异步测速发电机的误差 主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差 1、幅值及相位误差 产生原因：励磁绕组存在漏电感。 减小该误差的方法：增大转子电阻。 第7章 驱动和控制微电机 2、剩余电压误差 产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测 速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此 时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为 剩余电压误差。 减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向 特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高 机械精度以及装配补偿绕组。 第7章 驱动和控制微电机 7.6 自整角机 分类：控制

13、式自整角机和力矩式自整角机 一、力矩式自整角机的结构与工作原理 自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感 应式控制电机。一般成对或多台组合使用。 7.6.1 自整角机的结构与工作原理 通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构，频率 高、尺寸大的力矩式自整角机采用隐极式结构 第7章 驱动和控制微电机 力矩式自整角机的三种结构： 第7章 驱动和控制微电机 图7.6.2 为自整角机的工作原理图 第7章 驱动和控制微电机 发送机的转子位置为1，接收机的转子位置为2，失调角为 = 1- 2 力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流 每相整步绕组中的感应电动势： 发送机： 接收机： 第7章 驱动和

14、控制微电机 各相绕组中的总电动势： 第7章 驱动和控制微电机 各相绕组中的电流： 第7章 驱动和控制微电机 2力矩式自整角机整步绕组的磁动势： 第7章 驱动和控制微电机 发送机的交轴磁动势分量： 发送机的直轴磁动势分量： 合成磁动势的幅值： 第7章 驱动和控制微电机 同理可求得接收机的整步磁动势为： 3力矩式自整角机的转矩： 式中：k1为转矩系数，为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角 。 第7章 驱动和控制微电机 二、控制式自整角机的结构与工作原理 控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。 图7.6.3为控制式 自整角机的工作 原理图 第7章 驱动和控制微电机 7.6.2 自整角机的误差分析与

15、选用时应注意的问题 力矩式自整角机的误差： 主要有零位误差和静态误差。 控制式自整角机的误差： 主要有电气误差和零位电压误差。 第7章 驱动和控制微电机 7.7 旋转变压器 旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。 分类： 按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：接触式旋转 变压器和非接触式旋转变压器。 按电机的极对数多少来分：单极对旋转变压器和多极 对式旋转变压器。 按使用要求来分：用于解算装置的旋转变压器和用于 随动系统的旋转变压器。 一、正余弦旋转变压器的工作原理 7.7.1 旋转变压器的结构与工作原理 第7章 驱动和控制微电机 1.正弦绕组 第7章 驱动和控制微电机 2.正余弦旋转变压

16、器的工作原理 定子上放置两套互差90空间角度的匝数、型式完全相 同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组 。励磁绕组上施加交流励磁电压，定义励磁绕组的轴线方 向为d轴，在气隙中产生d轴磁通d，励磁绕组中的感应电 动势为： （1）正余弦旋转变压器的空载运行 转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的 空间位置也互差90，d轴磁通与转子交链，产生变压器电 动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组的 相对位置有关。 第7章 驱动和控制微电机 将d分解为两个分量： 与正弦绕组轴线方向一致的磁通r1和与正弦绕组轴线相 垂直的磁通r2。 第7章 驱动和控制微电机 正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为： 第7章 驱动和控制微电机 （2）正余弦旋转变压器的负载运行 第7章 驱动和控制微电机 第7章 驱动和控制微电机 一次补偿与二次补偿的概念 第7章