很好用69电机学课件--清华大学

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1、第七章 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,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，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

2、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

3、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）,由转矩公式可知： (1)产生

4、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

5、械特性,一、 他励电动机的机械特性,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：,(

6、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

7、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（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

8、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）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=0110V 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=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：,（1）TL=0.5TN 时

9、, 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

10、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，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。,（

11、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 nn0（ 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12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,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

12、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

13、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

14、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

15、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。,第7章 控制电机,概述 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,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

16、、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,