《直流电动机-单相交流电机-步进电机及伺服电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电动机-单相交流电机-步进电机及伺服电机（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 控制电机 7 4步进电动机7 4 1结构7 4 2工作方式7 4 3小步距角的步进电动机 7 5伺服电动机7 5 1交流伺服电动机7 5 2直流伺服电动机 7 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 7 2 2工作原理 一 工作原理 电刷 换向片 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
2、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 由右手定则 线圈在磁场中旋转 将在线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 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 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
3、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 7 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 又会在线圈中产生感应电动势 用E表示 一 电枢中的感应电动势 根据右手定则知 E和原通入的电流方向相反 其大小为 单位 韦伯 n 转 每分 E 伏 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 7 2 4电磁转矩 一 电磁转矩 单位 韦伯 Ia 安培 T 牛顿 米 由
4、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 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 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
5、机的机械特性 n0 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 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 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 2 恒功率负载 P一定时 T和n成反
6、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
7、调磁 1 原理 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 2 特性的变化 调速过程 U一定 则 暂时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 2 改变电枢电压调速的特点 1
8、 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 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 7 2 7直流电动
9、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 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 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
10、自动切断电枢电源U 2 反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定 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 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 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
11、欧姆 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当 2 绕组的符号 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
12、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 N S 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 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 反两个旋转磁场合成而等效 即 脉动磁场的分解 正反向旋转磁场的合成转矩特性 合成转矩 正向 反向 电容分相式起动 二 单相异步电动机的起动 接近90 电容分相式单相异步电动机起动原理 t t0 磁场逆时针方向旋转 t t0 t t1 启动时开关K闭合 使两绕组电流相位差约为90 从
13、而产生旋转磁场 电机转起来 转动正常以后离心开关被甩开 启动绕组被切断 而电机仍按原方向继续转动 工作原理 罩极式单相电机 定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 图中电机的转动方向 顺时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先 单相异步电动机的功率小 主要制成小型电机 它的应用非常广泛 如家用电器 洗衣机 电冰箱 电风扇 电动工具 如手电钻 医用器械 自动化仪表等 三 单相电机的使用 三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中 若其
14、中一相和电源断开 则变成单相运行 此时和单相电机一样 电机仍会按原来方向运转 但若负载不变 三相供电变为单相供电 电流将变大 导致电机过热 使用中要特别注意这种现象 三相异步电动机若在启动前有一相断电 和单相电机一样将不能启动 此时只能听到嗡嗡声 长时间启动不了 也会过热 必须赶快排除故障 前面介绍的异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用的 其主要任务是能量转换 例如将电能转换为机械能 本章介绍控制电机 概述 控制电机的种类很多 本章主要介绍步进机 伺服机 对控制电机的主要要求 动作灵敏 准确 重量轻 体积小 运行可靠 耗电少等 7 4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
15、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 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 改变方向 种类 有励磁式和反应式两种 两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈 反应式步进电机的转子上没有励磁线圈 应用 步进机的应用非常广泛 如 在数控机床 自动绘图仪等设备中都得到应用 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 7 4 1结构 步进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
16、 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 IA IB IC 7 4 2工作方式 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 一 三相单三拍 1 三相绕组联接方式 Y型 3 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 同理 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 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 1 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用 S表示 2 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 二 三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A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1
