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1、第4章 其它类型电动机,*4.1 单相异步电动机,4.2 直线异步电动机,*4.4 控制电机,4.3 永磁直流电动机,4.1 单相异步电动机,在电动机的家族中除了三相异步电动机以外，还有 许多其它类型的电动机。在这一章将介绍单相异步电动机、步进电动机的工作原理及应用。,单相异步电动机：使用单相交流电源；,特点：结构简单、成本低、使用方便,其定子只有一相主绕组。,功率：比较小，通常为几瓦 几百瓦,应用：家用电器、电动工具、医疗器械等方面,4.1,4.1,单相异步电动机实物图,4.1.1 单相异步电动机的结构和特点,1. 单相异步电动机的结构,单相异步电动机,转子笼型结构,定子,隐极式结构,凸极式
2、结构,隐极式,凸极式,4.1,4 笼型转子绕组,1 定子,2 定子绕组,3 转子,由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相 交流电流 i 通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁 场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即 磁场的大小随时间变化，而 N、S 极始终在一个轴线上。,4.1,2. 单相异步电动机的磁场分析,在交流电流的正半周时N、S 极的位置与交流电流的负半周时N、S 极的位置互相颠倒。,x,驻波,4.1,2. 单相异步电动机的磁场分析,由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相 交流电流 i 通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁 场，而是固定在空间
3、随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即 磁场的大小随时间变化，而 N、S 极始终在一个轴线上。脉动磁场不能产生起动转矩，故不能自行起动。,+1,+ j,0,t1+ ,t,0,t1,t, +, -,单相异步电动机的转子电 流和电磁力 f 如图。,当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为 交变脉动磁场：在每一瞬间各点 分布为正弦；,在不同瞬间各点 分布为驻波。,可将交变脉动磁场的驻波分解为两个幅值相等、以同一转速向相反方向旋转的磁通。, + T +, T ,4.1,2. 单相异步电动机的磁场分析,4.1,3. 单相异步电动机的机械特性,n,T,T ,合成转矩 T = T + T ,T,T +,机械特性
4、 n = f (T) 具有下列特点：, 当转速 n = 0 时，转矩T = 0， 无起动转矩, 电动机不能起动。, 若转速n 0，转矩T 0， 电动机正转; 若n 0, T 0， 电动机反转。,而单相电动机一经起动， T T （或T T ）,在单 相绕组作用下,其合成电磁 转矩 T 0，它能沿着某一 个方向继续旋转下去。,结论： 1. 单相电机不能自行起动； 2. 起动后可以继续运转。,0,4.1.2 分相式单相异步电动机,4.1,分相式单相异步电动机设置了两个绕组：,由三相异步电动机的旋转原理可知，应在单相异步 电动机起动时设法建立起旋转磁场，使其产生起动转矩。 根据建立旋转磁场的方法，单相
5、异步电动机可分为电容 分相式、电阻分相式和罩极式等不同类型 。,1. 电容分相式异步电动机,Z1Z2 工作绕组 (或称主绕组),F1F2 起动绕组 (或称辅助绕组),两个绕组在空间相隔90 放置 通入绕组的电流在相位上相差接近于90,这种情况称为分相，常用电容或电阻元件实现分相。,工作 绕组,Z1,Z2,IZ,Q,电容分相 起动绕组F1F2 , 与工作绕组Z1Z2 在空间相隔 90, 并串联 电容器 C，使二绕组中 的电流相差约 90, 即可 产生旋转磁场。,在电机起动后，有些 电动机用离心开关S 断 开起动绕组F1F2。,起动绕组,1. 电容分相式电动机,4.1,+,相量图,iZ, t,iF
6、,0, t = 0,iZ= 0，iF为正值,(1) 两相绕组形成的旋转磁场,磁场从F1 F2的轴线位置 转向Z1 Z2的轴线位置,iF = Imsin( t + 90),iZ = Imsin t,F2,F1,Z1,Z2,C,u,iF,iZ,+,iZ, t,iF,0,磁场从F1 F2的轴线位置 转向Z1 Z2的轴线位置,iF = Imsin( t + 90),iZ = Imsin t,F2,F1,Z1,Z2,C,u,iF,iZ,+,(2) 改变旋转磁场的转向（正反转）,S,1,2,反转方法1：加转换开关S若S接在1位址，则iF 超前iZ 90。 磁场从F1 F2的轴线位置转向Z1 Z2的 轴线位
7、置。磁场逆时针方向旋转。,若S接在2位址，则iZ 超前iF 90。 磁场从Z1 Z2的轴线位置转向F1 F2的 轴线位置。磁场顺时针方向旋转。,磁场从F1 F2的轴线位置 转向Z1 Z2的轴线位置,iF = Imsin( t + 90),iZ = Imsin t,F2,F1,Z1,Z2,C,u,iF,iZ,+,反转方法2：只要将起动绕组接电源 的两端 F1 、F2 对调即可。,iZ, t,iF,0,iZ,iF,(2) 改变旋转磁场的转向（正反转）,iZ, t,iF,0,iF = Imsin( t 90),iZ = Imsin t,iZ,iF,反转：只要将起动绕组接电源 的两端 F1 、F2 对
8、调即可。,此时旋转磁场从 Z1 Z2的轴线位置转向 F1 F2 的轴线位置。,(2) 改变旋转磁场的转向（正反转）,工作 绕组,Z1,Z2,IZ,Q,电阻分相 工作绕组 Z1Z2电感量大，电阻 小，而起动绕组F1F2 的电阻大而电感量小， 因此两绕组中电流相 位差接近于90，从而 形成旋转磁场。,在电机起动后，电动机用 离心开关 S 断开起动绕组 F1F2。,起动绕组,2. 电阻分相式电动机,4.1,+,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三 相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当 电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针 方向旋转了一周 ( 在空间旋转的角度为 360 )。,小结 产生旋
9、转磁场的条件,空间位置相差一定角度的 N 相绕组， 通入具有一定相位差的 N 相电流时，即 可产生空间旋转磁场；当电流经过一个 周期变化时，磁场也转过一个空间角度。,4.1,在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。 罩极式单相异步电动机起动转矩较小，但结构 简单、制造方便，常用于小型风扇及吹风机中。,4.1,(1) 结构,4.1.3 罩极式单相异步电动机,(2) 罩极内外的磁通分析,电机的转向为从磁极 的未罩部分转向被罩部 分，旋转方向固定改变。,4.1,在短路环中产生感应 电动势和感应电流，产 生的磁通k 。相量相加后通过短路环的磁通 3与 1 在时 间上有相位差 角，在 空间又相隔一定角度，
10、 因而能产生旋转磁场。,若要改变方向，只能改变罩极的位置。,对比. 交流电磁铁,交流电磁铁励磁线圈中通入的是交流电流，在铁心中所产生的磁通也是交变的，所以交流电磁铁具有如下特点。,（1） 交变磁通在铁心中产生涡流损耗和磁滞损耗，为了减小铁心损耗，其铁心通常用硅钢片制成。,（2） 交变磁通所产生的电磁吸力是随时间变化的，电磁吸力瞬时值 f 随时间变化的规律如下图所示，表明电磁吸力随时间在零值和最大值Fm之间脉动变化，这可能引起衔铁的频繁振动。,为了消除衔铁的振动，可以在铁心的某一端面部分套上一个短路铜环。,铁心,短路铜环,由于 1 与 2 之间出现了相位差，合成磁通所产生的电磁吸力就不会为零。,
11、当交变磁通穿过具有短路铜环的铁心时，会分成两个分量1和2 。穿过短路铜环的磁通分量2必然会在短路铜环内产生感应电流，这个感应电流要阻碍磁通的变化，从而使1与2之间产生了相位差。,t,、f,f1,1,Fm,O,2,f2,4.4 控制电机,前面所讨论的三相和单相异步电动机，都是作为,动力电机来使用的，主要任务是能量转换。,4.4,用于信号检测、变换和传递的小功率电机称为控 制电机。控制电机在自动控制系统中是必不可少的。,对控制电机的要求是： 可靠性高、精度高、响应速度快。,常用的控制电机有：伺服电动机、步进电动机等。 它们的功率一般小于 750W。,本节重点介绍它们的特点和工作原理。,4.4.1
12、伺服电动机,4.4,伺服电动机是把输入的电压信号转换成角位移或角 速度输出，改变输入电压信号的大小或极性（相位）可 以改变伺服电动机的转速及转向。,对于伺服电动机的基本要求是：调速范围宽，运行 特性接近线性，无自转现象（控制电压消失，伺服电动 机能立即停止转动），能快速响应。,伺服电动机有直流和交流之分,交流伺服电动机是两 相异步电动机。,直流伺服电动机和交流伺服电动机的功率有所不同： 直流伺服电动机输出功率大一些，一般可达几百瓦； 交流伺服电动机输出功率较小，一般为几十瓦。,1. 直流伺服电动机,直流伺服电动机是一种微型的直流电动机。,直流伺服电动机,定子,转子(电枢)重量较轻，转动惯量小,
13、永磁式 磁极是永久磁铁 电磁式 磁极是电磁铁,铁心,绕组,（1）直流伺服电动机的结构,具有很好的快速响应特性,4.4,1. 直流伺服电动机,（2）直流伺服电动机的机械特性,直流伺服电动机常采用电枢控制方式，即磁通不变，,通过改变电枢电压来控制直流伺服电动机的运行状态。,机械特性的表达式和曲线,U1U2U3,U1,U2,U3,电压U 越大，转速 n 越高。,对应某一负载转矩，电动机 有一始动电压。,4.4,2. 交流伺服电动机,（1）可控无自转 当控制电压Uk= 0 时, 转速 n = 0；,（2）灵敏度高 转速与转向随控制电压的大小和,（4）功率小 通常为零点几瓦几十瓦；,（5）运行稳定 n在
14、 (0 n0 之间连续稳定运行；,（6）起动电压小 Ust = UN (3 。,（3）响应快速 由于转动惯量小，起动转矩大，,交流伺服电动机的控制电压为交流电压, 特点为：,所以电动机起动快；,极性而改变；,4.4,交流伺服电动机及其驱动器实物图,交流伺服电动机及其驱动器实物图,(1) 结构,交流 伺服 电动机,定子,转子,定子绕组,转子铁心,定子铁心,转子绕组,转轴,机座,笼形转子,杯形转子,励磁绕组,控制绕组,4.4,特点：笼型转子结构同普通笼型异 步电动机，只是转子细而长，并采用高 电阻率的导电材料作导条，以获得较小 的转动惯量和较大电阻。,杯型转子可看成由无数导条并联而成。 两种转子伺
15、服电动机的分析方法相同。,当只在励磁绕组上加入交流电压,转子, 产生电流 if 产生脉振磁场f 。,if,ik,4.4,(2) 工作原理,当控制绕组也接入电源，即加上 控制电压, 电流 ik 滞后 if 90 产生 的磁场k 滞后 f 90。因此可建立 起旋转磁场。这时电动机就可产生 起动转矩，转子也就转动起来了。,工作原理与单相异步电动机相似。,控制绕组,励磁 绕组,电动机无起动转矩，转子不能转动。,励磁绕组与控制绕组在空间位置 相差90。,4.4,(3) 机械特性曲线,交流伺服电动机的机械特性曲线与单相异步电动机相似。,有两点不同： 由于转子电阻大，使临界转差率 sm= 1，交流伺服电动机的机械特性曲线的形状接近一条直线；,由机械特性，加之转子的转动惯量小，使交流伺服 电动机可以克服“自转”。,
