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1、第六章 常用同步电动机,*第一节：同步电动机的工作原理*第二节：三相永磁同步电动机 无刷直流电动机*第三节：磁阻电动机*第四节：步进电动机,重点：同步电动机的工作原理 同步电动机的起动 无刷直流电动机的结构特点 工作原理 步进电动机的工作原理 运行特性,第一节 同步电动机的工作原理,同步电动机 n=1= 60f1/p一、三相异步电动机的同步运行 1. 异步电动机的工作原理： nn1E2sI2sTem n=n1Tem=0 2. 异步电动机的同步运行：,当nn1作异步运行时，将直流电源加入三相转子绕组，产生转子磁场定子磁场拉着转子磁场n=n1,二、三相同步电动机工作原理：,1.三相定子绕组加入三相
2、对称交流电 旋转磁场 2.转子永久磁铁永久磁场 3.定子磁场拉着转子磁场旋转 三相永磁同步电动,双边励磁的同步电动机两种结构,三、同步电动机电磁功率公式,当定、转子处于图示位置气隙小，磁阻小，电抗Xd大 ，转过90时，气隙大，磁阻大，磁导小Xq小,凸极式（转子）,略去定子绕组电压降：定子电压平衡方程式,凸极：,隐极：,IdM：定子相电流的直流分量。 IqM：定子相电流的交轴分量。,四、同步电动机的V形曲线与功率的调整,（一）V 形曲线,假设：（1）不计,（2）（隐极机）,可得图示特性曲线,根据,同步电机过励， 向电网输送无功电流， 提高功率因数。,调节IfP1q变cosM,(二）功率因数的调整
3、,五、同步电动机的起动,当转子与定子磁场相对静止时，定子磁场才能拉着转子旋转。,所以同步电动机不能自行起动。,同步电动机的起动方法,1.变频起动法 起动时让f1从0逐渐增加。 2.同步电动机的转子上装置阻尼绕组（装在极靴上） 方法：异步起动后，牵入同步运行。,第二节 三相永磁同步电动机,三相永磁同步电动机：无换向器电动机 或直流无刷电动机 特点：结构简单，无机械换向器， 具有硬机械特性。 一、永磁同步电动机的基本结构 组成：电机本体、转子位置传感器、电子开关,无刷直流电动机的外形图,系统图,（一）永磁同步电动机 直流无刷电动机,定子：三相对称绕组，接成Y或， 称为电枢绕组产生同步旋转磁场。 转
4、子：高磁能积的稀土磁性材料 永磁转子。 分类：按定子三相电枢绕组所加电压波形分： 正弦波驱动和方波驱动* 方波驱动控制简单，成本低,（二）定子电枢绕组的开关控制,三相绕组接成Y或。由转子位置检测器决定晶体管的导通、关断。,接法的控制方式,（三）转子位置传感器,作用：检测电动机转子的实际位置。 1.光电编码器：光学编码器或旋转编码器 （1）增量式组成：固定在定子上的光电耦合开关 +固定在转轴上的遮光盘原理：有光线通过，光电管导通， 输出低电平。无光线通过，光电管截止，输出高电平。,（）绝对码式：光电码盘的码按照二进制读数设计。 2.旋转变压器光电码盘易受电气“噪声”的干扰。旋转变压器的定子、转子
5、均有二相交流绕组。 3.霍尔位置传感器,二、三相永磁同步电动机的工作原理,1.普通直流电机 的工作原理,（一）反装式直流 电机的工作原理,2.反装式直流电动机的工作原理,根据左手定则，电枢绕组产生最大的电 磁转矩，要使电枢绕组顺时针方向转动， 电磁转矩的反作用力，迫使磁极逆时针 方向转。,电机继续 旋转。,Ba与Bf保持垂直Tem=Tm,Bf与Ba同方向Tem=0,若Bf与Ba之间保持一定的夹角，,（二）三相永磁同步电动机的工作原理,转子位置传感器检测转子的实际位置控制电子开关中晶体管的通断磁场方向变Tem电机旋转。,.V2.V3导通，Ba与Bf垂直Tem=Tm,2.V4.V5导通， Ba转过
6、1200Tem=Tm,3.V6.V1导通， Ba再转过1200 Tem=Tm,电枢三相绕组的电流波形,三、三相永磁同步电动机的调速方法及运行特性,（一）转速公式及调速方法设：,0：晶闸管逆变器的换流超前角 r：重叠角，不同相晶闸管同时导通的重 叠时间,忽略阻抗压降：,则,改变角，实现调速。,（二）运行特性,1 .转矩特性,实际：0 30(超前)，会出现Tem =0, 0 30,2.调速特性,3.机械特性,与直流伺服电动机,相似，可得到一组平行线。,2.调节特性,当TL=c n=f（Ed）,T1 T2 T3 T4,四、三相永磁同步电动机的特点,1.调速范围广 2.快速性好 3.低速性能好 4.寿
7、命长，维护简单 5.适合易燃易爆的场合,第三节 磁阻电动机,三相永磁电动机的转子是由永磁体组成。 （开关）磁阻电动机、步进电动机的转子 是非磁铁的。 一、工作原理： 转子本身没有磁性，转子d轴和q轴正交方向磁 路不对称。定子磁场以n1速度旋转，定子磁极轴 线与转子d轴差角磁力线扭歪在磁力线的 拉力作用下转子跟随磁场旋转。,磁阻电动机不能自行起动转子上另设起动绕组。,二、磁阻电动机的转子结构,转子由非磁性的材料，钢片、铝、铜等组成。 铝、铜可以起到笼型绕组的作用作起动绕组。,三、开关磁阻电动机,组成：电机本体，转子位置传感器，电子开关电路。,有6个定子磁极，四个转子磁极定子1通电，转子的d轴与定
8、子1的轴线重合。改变通电相转子位置移动。改变相电流脉冲频率n变化。,第四节 步进电动机,重点：步进电动机的工作原理 矩频特性 矩角特性 负载能力,一、概述,步进电动机：数字控制系统中的一种执 行元件，将脉冲信号转换 为相应的角位移或直线位移。 每输入一个脉冲， 电机前进一步。,1.步进电动机的特点,（1）可用数字信号直接进行开环控制，整体系统 简单、廉价。（2）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不 长期积累，可以组成较简单而又具有一定精 度的开环控制系统，也可在要求更高时组成 闭环 控制系统。（3）电机本身部件少，可靠性高。（4）易于起动、停止、正反转及变速，响应性好。（5）停止时，可有自锁
9、能力。,2.步进电动机的应用 广泛应用于于计算机的磁盘驱动器，绘图仪， 自动记录仪，数控机床。3.一般工作机械对步进电动机的要求（1）调速范围宽，尽量提高最高转速以提 高劳动生产率。（2）动态性能好，能迅速起动、正反转、 停转。（3）加工精度较高。即要求一个脉冲对应的位 移量小、并要求精确、均匀。这就要求步 进电动机步距角小、步距精度高、不丢步 或失步。（4）输出转矩大，可直接带动负载。,二、步进电动机的工作原理,以三相反应式步进电机为例 组成：定子有六个磁极，每两对应的磁 极绕有一相绕组。转子有四个均匀分布 的齿，齿宽与定子磁极极靴宽度相等。,1.三相单三拍运行方式,单：每次只有一相绕组通电
10、。 三拍：三次切换为脉冲的一次循环。 A相通电：磁力线总是力图走磁阻最小的路 径在磁拉力作用下转子齿轴线与A相磁 极轴线重合。,AB 转子逆时针方向转过30,则电机反转 s=30,转子再转过30,AB CA转子一步步按逆时针方向转动。,若改变通电相序ACBA，,BC,2.三相双三拍运行方式,通电方式ABBCCAAB双拍运行方式的稳定性较好,s=30,3.三相六拍运行方式,通电方式：AABBBCCCAA 六次切换为脉冲的一次循环。A相通电：转子齿轴线与A相的定子轴线重合,AAB：AB相磁极同 时作用于转子，转子逆 时针方向转15,ABB：转子齿 轴线与V相定子 轴线重合。,4.实际步进电动机的工
11、作原理,设转子齿数Zr=40 相数m=3,每一齿所占的空间角,每一极距的空间角,每一极距所占的齿数,线错开1/m齿距。,当某一相定子齿轴线与转子齿轴线重合,时，相邻相的定子齿轴线须与转子齿轴,以三相单三拍为例： A相通电：转子齿轴线与A相定子齿轴线 重合。AB：转子逆时针方向转过30,步距角,单、双拍混合方式 C=2,C：运行状态系数：,单拍或双拍方式 C=1,步进电动机的转速,三、步进电动机的运行特性,（一）静态运行状态 静态运行状态：不改变通电方式的工作状态。 1.步距角与静态步距角误差 步距角：切换一次脉冲，转子转过的角度，,步距角,实际步距角与理论步距角之间的偏差。,s=0.37590
12、,步距角误差：,2.稳定平衡位置,TL=0，转子齿轴线与通电相定子齿轴线 的夹角，=0出现扰动，转子偏离此位 置，拢动消失，转子返回。 若电源切除，转子的位置不变自锁。 3 .失调角 转子偏离稳定平衡位置的电角度。 一个转子齿对应的电角度为2。 （电角度）=Zr机械角度,4.矩角特性,步进电动机的静转矩T与失调角之间的 函数关系： （1）=0转子上无切向磁拉力 T=0 （2）=/2，切向磁拉力最大T=Tsm，作 用反对定转子齿错开，T 为负值。 /2时，增大T 减小。 （3）=时，切向磁拉力互相抵消,T=0 （4） =3/2时，T=Tsm,三相步进电动机两相同时通电,三相步进电动机多相同时通电，不能提高,最大转矩，但可以增加电机运行的稳定性,TAB =TA=TB,四相步进电动机两相同时通电,（二）步进运行状态,脉冲频率很低，1/ft步进电机过渡过程时间， 转子到达稳定平衡点时，下一个脉冲未到， 转子在稳定平衡点附近振荡。,实际：步进电动机的转子上装有阻尼器,（三）连续脉冲运行状态,1.矩频特性Tdm=f(f) f在一定范围内T=c f一定值后， fT,
