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1、第三章第三章直流电动机直流电动机第三章第三章 直流电动机直流电动机 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理直流电动机的基本结构和工作原理3.2 直流发电机直流发电机3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性交流电动机交流电动机电动机电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励电动机的分类电动机的分类:第三章直流电机的工作原理及特性第三章直流电机的工作
2、原理及特性把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；把直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。 直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等等，这是因为直流电动机具有以下突出的优点：（1）调速范围广，易于平滑调速；（2）起动、制动和过载转矩大；（3）易于控制，可靠性较高。与交流电机相比，直流电机的结构复杂，消耗较多的有色金属，维修比较麻烦。随着电力电子技术的发展，由晶闸管整流元件组成的直流电源设备将逐步取代直流发电机。但直流电动机由于其性能优越，在电力拖动自动控制系统中仍占有很重要的地位。 概述概述 一、一、 工作原理工作原理 U+NS电刷电刷换向片换
3、向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II3.1 直流电机的基本结构和工作原理注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转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。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。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转使线圈逆时针旋转FFU+NS电刷电刷换向片换向片II电动机电动机3.1 直流电机的基本结构和工作原理FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线
4、圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反方向相反发电机发电机3.1 直流电机的基本结构和工作原理二、二、 直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构1. 转子转子（又称电枢）（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2. 定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线
5、圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。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：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈
6、与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励电机为例说明。下边以他励电机为例说明。3.3 直流电动机直流电动机 机械特性机械特性一、一、 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性即：即：其中其中，M他励他励UfIfIaURa电枢电阻Ke与电机结构有关的常数一对磁极的磁通Kt=9.55 Ken0： 理想空载转速理想空载转速, ,即即T=0时的转速。时的转速。( (实际工作时实际工作时,
7、,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T不会为不会为0 0。) )当当 T 时时n ，但由于他励电动机的电枢电阻，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，所以在负载变化时， 转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械特性。特性。根据根据 n-T 公式公式画出特性曲线画出特性曲线n0nNTNTn n其中其中，机械特性硬度机械特性硬度 ：转矩变化与所引起的转矩变化与所引起的 速度变化的比值速度变化的比值电动机机械特性分为三类：电动机机械特性分为三类：(1)绝对硬特性绝对硬特性(2)硬特性硬特性 1010(3)软特性软特性 101，Tst大，大，启动迅速，稳定
8、运行范围大。启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线交流伺服电动机的机械特性曲线( U1=const )nTU20.8 U20.6 U20.4 U2Tn 交流伺服电机的输出功率一般为交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电，电源频率分源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。如用在自动控制、温度自动记录等系统中。应用应用6.2 直流伺服电动机直流伺服电动机结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。得细长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相
9、同。与直流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。由机械特性可知：由机械特性可知：(1)U1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的负载下，）不变时，一定的负载下，U2 ,n 。(2)U2=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。反转：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机性公式与他励直流电机一样：一样：机械特性曲线机械特性曲线U20.8U20.6U20.4
10、U2nT 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。控制等。应用：应用：第十三章第十三章 步进电动机传动控制系统步进电动机传动控制系统机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。
11、特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。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。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。13.1步进电动机步进电动机种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式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。子上没有励磁线圈。应用：应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自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。动绘图仪等设备中都得到应用。下下面
12、面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机机的的结结构构和工作原理。和工作原理。13.1.1 结构与工作原理结构与工作原理步步进进机机主主要要由由两两部部分分构构成成：定定子子和和转转子子。它它们们均均由由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组一、结构一、结构 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。步进机
13、通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC二、工作原理二、工作原理工作方式可分为：工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相单三拍、三相单双六拍、 三相双三拍等。三相双三拍等。1 1、三相单三拍、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 （3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻
14、最小，使转、定子的齿对齐停止转动。的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路。经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相相轴线对齐，相对对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一
15、相通这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。2 2、三相单双六拍、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通
16、电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通通电，转子转了电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为为三相六拍，步距角为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对
17、齐，又转了相对齐，又转了15 。3 3、三相双三拍、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉 冲冲 ， 转转 子子 也也 是是 转转30 ，即，即 = 30 。CA通电通电CABBCA341213.1.2 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的
18、步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上个磁极，但每个磁极上也有五个齿。也有五个齿。转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通
19、电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120 120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个齿。所以，个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。若工作方
20、式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速步进机通过一个电脉冲，转子转过的角度，称为步进机通过一个电脉冲，转子转过的角度，称为步距角。步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Z ：转子齿数：转子齿数如：如：Z =40 , m=3 时时步距角步距角
