《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第11章－特种电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第11章－特种电机（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-1-,第十一章 特种电机*,电机与拖动基础（第2版）,第一节 单相异步电动机,第三节 磁阻式同步电动机,第四节 磁滞式同步电动机,第五节 步进电动机,第六节 直线电动机,第二节 异步伺服电动机,-2-,引 言 前面介绍的直流电机、变压器、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不断发展之中。由于特种电机大都用于控制系统中，且功率较小，所以又称为控制电机。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
2、，同时又应用比较广泛的特种电机。,第十一章 特种电机,-3-,第一节 单相异步电动机,第十一章 特种电机,一、概述 所谓单相异步电动机是指正常情况下用单相交流电源供电的异步电动机。单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪声小等优点。由于只需要单相电源供电，使用方便，广泛应用于工业、农业和人民生活的各个方面，尤其以家用电器、电动工具、医疗器械等使用较多。与同容量的三相异步电动机相比较，单相异步电动机的体积较大，因此一般只做成小容量的。 单相异步电动机的运行原理和普通三相异步电动机基本相同，但有其自身的特点。单相异步电动机通常在定子上有两相绕组，转子是普通鼠笼型的。两相绕组在定子上的分布以及供电情
3、况的不同，可以产生不同的起动特性和运行特性。,-4-,二、工作原理 1. 一相绕组通电时 单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副绕组a，它们一般是相差90空间电角度的两个分布绕组，通电时主绕组及副绕组都要产生空间分布的磁动势。 定子绕组所产生的磁动势实际上是两相绕组产生的磁动势的叠加。 由于副绕组是用于单相异步电动机的起动及改善运行性能， 所以首先分析只有主绕组一相绕组通电时的机械特性， 在此基础上再讨论定子两相绕组同时通电时的机械特性。,第十一章 特种电机,-5-,根据交流电机的旋转磁场理论，若单相异步电动机只有主绕组m通入单相交流电，将产生空间正弦分布的脉振磁动势。该脉振磁动势可分解为转
4、速相同、转向相反的两个圆形旋转磁动势，一个是正转磁动势，一个是反转磁动势。,第十一章 特种电机,根据三相异步电机原理，可以将单相异步电动机视为两台完全一样的三相异步电动机分别作正相序运行及负相序运行时的叠加。对于正相序运行的三相异步电动机，其转差率为,（11-1）,-6-,但对于反转磁动势而言，即负相序运行的三相异步电动机，其转差率应该为,第十一章 特种电机,正转电磁转矩与正转转差率的关系 ，以及反转电磁转矩与反转转差率的关系 如图11-1中曲线1和曲线2所示。单相异步电动机的 曲线就是曲线1、2的叠加，如图中曲线3所示。,（11-2）,-7-,单相异步电动机的 曲线具有下列特点： 1）当 即
5、 时，电磁转矩 ，即无起动转矩，电机不能够起动； 2）当 即 时，电磁转矩 。如果由于其它原因使电动机正转后，电磁转矩能使电动机继续正转运行。如果电动机反转了，也能继续反转运行。 所以，对于单相异步电动机，定子上如果只有主绕组，则无起动转矩。,第十一章 特种电机,-8-,2. 两相绕组通电时 当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通入不同相位的两相交流电流时，一般情况下将产生椭圆形旋转磁动势。一个椭圆旋转磁动势同样可以分解成一个正转磁动势与一个是反转磁动势。,第十一章 特种电机,此时合成的机械特性是一条不过原点的曲线。当 时，电动机的 、 及 3条曲线如图11-2所示。,-9-,可见，当 时，若
6、，则 ，电动机可以正向起动；同理，当 时，若 ，则 ，电动机可以反向起动。,第十一章 特种电机,根据上述分析可知，单相异步电动机若能起动必须具备： 定子具有空间不同相位的两个绕组； 两个绕组中通入不同相位的交流电。,-10-,第十一章 特种电机,三、单相异步电动机的分类 单相异步电动机的主要优点是使用单相交流电源，但是单相异步电动机起动时又要求在两相绕组中通入相位不同的两相电流。如何把定子绕组中的电流相位分开即“分相”是单相异步电动机必须解决的首要问题。根据分相方法的不同就有不同类型的单相异步电动机。,-11-,第十一章 特种电机,1. 电阻分相起动异步电动机 电阻分相起动异步电动机的副绕组通
7、过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图11-3所示。为使定子两相绕组中电流存在相位差，在设计上使两相绕组的阻抗不等，接在同一电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位，达到分相的目的。这种异步电动机由于受到绕组的制约两相绕组中电流的相位差不大，因而起动转矩不大。,-12-,2. 电容分相起动异步电动机 电容分相起动异步电动机是在副绕组中串联电容再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图11-4所示。 由于电容的作用副绕组回路的阻抗呈容性， 而主绕组回路的阻抗呈感性，从而导致两相绕组中电流的相位差较大。因此，电容分相起动异步电动机具有较大的起动转矩。电容分相起动异步电动
8、机改变转子旋转方向的方法与电阻分相起动异步电动机的一样。,第十一章 特种电机,-13-,3. 电容运转异步电动机 在电容运转异步电动机中，副绕组不仅在起动时起作用，而且在电动机运转时也起作用，长期处于工作状态，因而实际上是两相电机，电动机定子接线如图11-5所示。 这种电机电容的选择是按照运行时考虑的，要求在运行时磁动势接近于圆形旋转磁动势，以提高电机的运行性能。但在起动时磁动势椭圆度较大，造成起动转矩较小，而起动电流较大。,第十一章 特种电机,-14-,4. 电容起动与运转异步电动机 为了使电动机在起动和运转时都能得到比较好的性能， 在副绕组中采用两个电容的并联，如图11-6所示。电容C是运
9、转时使用的， 电容Cs是在电动机起动时使用的， 它与起动开关串联后再与电容C并联。 起动时串联在副绕组回路中的总电容为C+Cs， 比较大， 可以使电机气隙中的旋转磁动势接近于圆形旋转磁动势。 当电动机转速接近于同步转速时， 起动开关动作， 将电容Cs切除，从而使电动机在运行时， 气隙中的旋转磁动势也接近于圆形旋转磁动势。,第十一章 特种电机,电容起动与运转的单相异步电动机，与电容起动的单相异步电动机相比较，起动转矩和最大转矩有所增加，功率因数和效率有所提高，电动机的噪音较小，所以它是单相异步电动机中最理想的一种。,-15-,5. 罩极式异步电动机 罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸极式，由硅钢
10、片叠压而成，每极上装有集中的绕组，即主绕组，在每极的极靴一边开有小槽，在小槽中嵌入短路铜环，将部分磁极罩起来，转子是鼠笼式结构，如图11-7所示。,第十一章 特种电机,-16-,第二节 异步伺服电动机 一、概述 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。在自动控制系统中，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：调速范围宽，可控性好，无自转现象，响应迅速，运行稳定等，此外一些特殊领域如航空航天，对伺服电动机的重量和体积也有一定的要求。,第十一章 特种电机,-17-,伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。直流伺服电动机具
11、有运行特性好，控制灵活、方便的优点。按励磁方式可分为电磁式和永磁式，其基本结构和工作原理与普通直流电动机相同。交流伺服电动机结构简单，无电刷和换向器，不需要经常维护，而且效率高，响应快，速比大，在许多领域有取代直流伺服电动机之势。交流伺服电动机可分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。同步伺服电动机种类众多，特色各异，可分为永磁式、磁阻式和磁滞式，本书第八章和本章第三、四节分别有所介绍。本节主要介绍异步伺服电动机。,第十一章 特种电机,-18-,二、基本结构 异步伺服电动机的基本结构与单相异步电动机相类似，定子上嵌有两相绕组，一相是励磁绕组 ，另一相是控制绕组 ，它们在空间互差90电角度，如图11
12、-8所示。,第十一章 特种电机,-19-,三、工作原理 1. 圆形旋转磁场时的机械特性 异步伺服电动机实际上是一台两相的异步电动机。当定子励磁绕组和控制绕组在两相对称交流电压的作用下，将产生两相对称的交流电流。根据交流绕组旋转磁场的基本理论，两相对称交流电流将在定、转子之间的气隙中产生圆形旋转磁场。,第十一章 特种电机,-20-,转子电阻Rr 越大，机械特性线性段的范围就越大，这对于伺服电动机的稳定运行和扩大调速范围是非常有利的，所以具有较大的转子电阻是异步伺服电动机的重要特征。 2. 椭圆形旋转磁场时的机械特性 在圆形旋转磁场作用下，电动机处于对称运行状态，这只是异步伺服电动机运行中的一种特
13、殊情况，此时加在定子励磁绕组和控制绕组上的电压是两相对称的交流电压，所产生的电流也是两相对称的交流电流。 为了实现对转速的控制，加在控制绕组上的控制电压是变化的，其幅值或相位应是可调的。这样，产生圆形旋转磁场的条件不再满足，电动机实际处于一种不对称运行状态。,第十一章 特种电机,-21-,根据交流绕组旋转磁场的基本理论，两相不对称绕组所产生的应该是椭圆形的旋转磁场，该磁场可以用两个转速相等、转向相反的圆形旋转磁场来代替，其中一个的转向与原来的椭圆形磁场相同，称为正向圆形旋转磁场；另一个的转向则相反，称为反向圆形旋转磁场，如图11-10所示。,第十一章 特种电机,-22-,图11-10形象地说明
14、了正、反向转旋转磁场的作用，其中一对大磁极表示正向旋转磁场，一对小磁极表示反向旋转磁场。正向旋转磁场与转子同向旋转，所产生的电磁转矩 起驱动作用；而反向旋转磁场总是与转子反向旋转，所产生的电磁转矩 起制动作用。合成电磁转矩Te 总是正的，,第十一章 特种电机,若转子转速为 n，则转子相对于正向旋转磁场的转差率为,（11-3）,（11-4）,而转子相对于反向旋转磁场的转差率为,（11-5）,-23-,根据异步电动机圆形旋转磁场时的机械特性，可以分别绘出正、反向旋转磁场的机械特性曲线，以及它们的合成曲线，即椭圆形旋转磁场时异步伺服电动机的机械特性，如图11-11所示。,第十一章 特种电机,-24-
15、,与圆形旋转磁场时的机械特性相比较，椭圆形旋转磁场时的机械特性具有以下两个特点： 1) 由于反向旋转磁场的存在，产生了附加的制动转矩 Te-，使电机总的输出转矩都减小了； 2) 在理想空载情况下（即电磁转矩Te=0 时），转子转速已不能达到同步转速n1 ，而是低于n1 。,第十一章 特种电机,-25-,3. 自转现象及消除方法 异步伺服电动机的转子电阻往往较大，除了前述是为了改善机械特性的线性度和稳定运行外，更重要的是为了保证当控制绕组电压为零时，电动机能立刻停转。,第十一章 特种电机,-26-,当然，增大转子电阻也有不利的一面。首先电动机效率会降低，同样功率的电机体积也要大一些；其次临界转差率sm1 ，使起动转矩减小。由于伺服电动机的工作性质不同于普通电动机，主要要求运行稳定、线性度好、无自转现象，而效率和体积相对次要些，所以转子电阻往往设计得相当大，以满足自动控制系统的基本需要。,第十一章 特种电机,
