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1、第9章 现代电机,9.4,伺服电动机,9.1,9.2,9.3,2.5,测速发电机,步进电动机,开关磁阻电动机,2.,1.伺服电动机和步进电动机的特点,重点：,2.步进电动机的工作原理,步进电动机的工作原理,9.1 伺服电动机,9.1伺服电动机,伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。当电压信号的大小和极性（或相位）发生变化时，电动机的角速度和转动方向将随之变化。,伺服电动机又分为交流和直流两大类,9.1.1.交流伺服电动机,交流伺服电动机也分为定子和转子两部分，定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组Wf，另一个是控制绕组Wc，它们在空间
2、互差90。转子又分为鼠笼式和杯形两种。,9.1伺服电动机,图1 交流伺服电动机的基本结构图,图2 杯形转子伺服电动机的结构图,9.1伺服电动机,图3 两相电流产生的旋转磁场,工作时两个绕组中产生的电流 和 的相位差近于90，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。,加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。,交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,图4 交流伺服电机对应不同控制电压时的机械特性曲线,在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，
3、电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,9.1伺服电动机,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，当电源频率为50Hz时，电压有36V，110V，220V，380V；当电源频率为400Hz时，电压有20V，26V，36V，115V；它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。,应用:,9.1伺服电动机,9.1伺服电动机,9.1.2.直流伺服电动机,直流伺服电动机的基本结构和工作原理与他励直流电动机基本相同。,电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。,改变直流伺服电动机的电枢控制电压，就可以改变它的转速，从而将控制电压的电信号变换成相应的转速输出。,测速发电机是一种转速测量
4、传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。,测速发电机分为交流和直流两种类型。,交流测速发电机又分为同步式和异步式两种， 这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。,9.2 测速发电机,异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组， 一个是励磁绕组，一个是输出绕组。,9.2.1.交流测速发电机,9.2 测速发电机,图5 杯型交流测速异步发电机的基本结构图,当转子静止时 电源电压与励磁绕组中的感应电动势相平衡，电源电压的大小近似地等于感应电动势的大小， 即：,因为,故,9.2 测速发电机,当测速发电机励磁绕
5、组加上电压Uf，恒电机以转速n旋转时，测速发电机的输出绕组将产生输出电压U2 。 U2与n 成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。,9.2 测速发电机,当转子以转速n转动时,转子切割d产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与脉振磁通q和转子转速 n 成正比：,9.2 测速发电机,图6 测速发电机的工作原理图,直流测速发电机的基本结构和工作原理与他励式直流发电机类似。,9.2.2.直流测速发电机,9.2 测速发电机,当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为：,直流测速发电机有较高的精确度和灵敏度，但其结构复杂，价格较高，而
6、且电刷与换向器之间的滑动接触影响工作的可靠性，并产生电火花，产生电磁干扰。,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，可改变转动方向。,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。,种类：永磁式和反应式两种。,9.3 步进电动机,以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,定子内圆周 均匀分布着6个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 4个齿。,定子,转子,9.3.1.步进电动机的结构,9.3 步进电动机,图7 三相反应式步进电动机的结构图,1.三相单三拍,U相
7、绕组通电，V、W相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与U、 U极对齐。,9.3.2.步进电动机的工作原理,9.3 步进电动机,同理，V相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和V 、V磁极轴线对齐；当W相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和W 、W磁极轴线对齐。,9.3 步进电动机,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按UV W U 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转
8、过90(一个齿距角)。,2. 三相双三拍,按UVVW WU的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。,9.3 步进电动机,9.3 步进电动机,按UUV V VW W WU的顺序给三相绕组轮流通电。转子逆时针旋转，换接六次完成一次通电循环，这种通电方式的步距角15。,3. 三相六拍,U相通电，转子1、 3齿与U、U 对齐。,U、V相同时通电， U、U 磁极拉住1、3齿， V 、 V磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,9.3 步进电动机,V 相通电，转子2、 4齿与V、V 对齐,又转 过15。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下： UUV V VW W WU ，
9、每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,9.3 步进电动机,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：,9.3 步进电动机,而步进电机的转速计算公式：,9.3 步进电动机,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。步进电动机也可以制成四相、五相、六相或更多相数，以减小步距角和改善步进电动机的性能，但相数越多，步进电动机的结构就越复杂 。,9.3 步进电动机,例9-1 三相步进电动机转子有40个齿，以三相六拍方式工作。求：步进电动机的步距；若步进电动机的电脉冲频率f1000Hz，步进电动机的转速n？,解 = 360/NZ
10、r360/640=1.5, n601001.5/360=250r/min,步进电动机是用脉冲信号控制的，歩距角的转速的大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。,9.3 步进电动机,9.3.3.步进电动机的应用,图9 四相8/6极SRM的结构原理图,9.4 开关磁阻电动机,开关磁阻电机(Switched Reluctance Machine, SRM)是一种典型的机电一体化电机， SRM具有结构简单，转子转动惯量小、成本低、动态响应快等优点。其容量可设计成几瓦到几兆瓦。,SRM电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件增多和成本增加。目前应用较多的是三相、四相和五相结构。,9.4 开关磁阻电动机,开关绕组电动机的特点,(1) 电动机结构简单、成本低、效率高，可用于高速运转。,(2) 起动转矩大，起动电流低。特别适合需要重载起动、频繁起停及正反向转换运行的机械。,(3) 可控参数多、调速性能好。,9.4 开关磁阻电动机,开关绕组电动机的缺点,（1）有一定的转矩脉动，转矩和转速的稳定性稍差；,（2）运行时噪音较大，特别是容量较大时噪音问题变得更加严重。,
