第4章其它类型电动机.

第4章其它类型电动机4.1单相异步电动机4.2直线异步电动机4.4控制电机4.3永磁直流电动机第4章其它类型电动机4.1单相异步电动机在电动机的家族中除了三相异步电动机以外，还有许多其它类型的电动机广泛应用于各行各业，特别是一些特种电机相继出现，极大地满足了实际需要。在这一章将介绍单相异步电动机、直线电动机、伺服电动机、步进电动机等的工作原理及应用。单相异步电动机：使用单相交流电源；特点：结构简单、成本低、使用方便其定子只有一相主绕组。功率：比较小，通常为几瓦~几百瓦应用：家用电器、电动工具、医疗器械等方面4.1第4章其它类型电动机4.1.1单相异步电动机的结构和特点1.单相异步电动机的结构单相异步电动机转子—笼型结构定子隐极式结构凸极式结构隐极式凸极式12344.14—笼型转子绕组1—定子2—定子绕组3—转子第4章其它类型电动机由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流i通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即磁场的大小随时间变化，而N、S极始终在一个轴线上。4.12.单相异步电动机的磁场分析i+–uZ1Z2单相绕组ti0第4章其它类型电动机xt0t1t2t3驻波B4.12.单相异步电动机的磁场分析由于单相异步电动机由单相交流电源供电，所以当单相交流电流i通过定子绕组时，所产生的磁场不是一个旋转磁场，而是固定在空间随时间按正弦规律变化的脉动磁场，即磁场的大小随时间变化，而N、S极始终在一个轴线上。脉动磁场不能产生起动转矩，故不能自行起动。第4章其它类型电动机单相异步电动机的转子电流和电磁力f如图。当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为交变脉动磁场：在每一瞬间各点分布为正弦；在不同瞬间各点分布为驻波。可将驻波分解为两个幅值相等、以同一转速向相反方向旋转的磁通。+T+–T–ff4.12.单相异步电动机的磁场分析第4章其它类型电动机4.13.单相异步电动机的机械特性nTT–合成转矩T=T+–T–TT+机械特性n=f(T)具有下列特点：当转速n=0时，转矩T=0，无起动转矩,电动机不能起动。若转速n0，转矩T0，电动机正转;若n0,T0，电动机反转。而单相电动机一经起动，TT（或TT）,在单相绕组作用下,其合成电磁转矩T0，它能沿着某一个方向继续旋转下去。结论：1.单相电机不能自行起动；2.起动后可以继续运转。0第4章其它类型电动机4.1.2分相式单相异步电动机4.1分相式单相异步电动机设置了两个绕组：由三相异步电动机的旋转原理可知，应在单相异步电动机起动时设法建立起旋转磁场，使其产生起动转矩。根据建立旋转磁场的方法，单相异步电动机可分为电容分相式、电阻分相式和罩极式等不同类型。1.电容分相式异步电动机Z1Z2—工作绕组(或称主绕组)F1F2—起动绕组(或称辅助绕组)两个绕组在空间相隔90放置通入绕组的电流在相位上相差接近于90这种情况称为分相，常用电容或电阻元件实现分相。第4章其它类型电动机工作绕组Z1Z2IZQU••CIF•I•电容分相起动绕组F1F2,与工作绕组Z1Z2在空间相隔90,并串联电容器C，使二绕组中的电流相差约90,即可产生旋转磁场。在电机起动后，有些电动机用离心开关S断开起动绕组F1F2。起动绕组S1.电容分相式电动机4.1F1F2M1~+‒反转：只要将起动绕组接电源的两端F1F2对调即可。IFIZIU••••相量图第4章其它类型电动机iZtiF0t=0°iZ=0，iF为正值(1)两相绕组形成的旋转磁场磁场从F1F2的轴线位置转向Z1Z2的轴线位置iF=Imsin(t+90)iZ=ImsintF2F1Z1Z2Ct=45°iZ、iF均为正值F2F1Z1Z2t=90°iZ为正值，iF=0F2F1Z1Z2n1uiFiZ4.1+‒第4章其它类型电动机0t(2)如何改变旋转磁场的转向？4.1iZtiF0iF=Imsin(t–90)iZ=ImsintiZiF反转：只要将起动绕组接电源的两端F1、F2对调即可。此时旋转磁场从Z1Z2的轴线位置转向F1F2的轴线位置。–第4章其它类型电动机工作绕组Z1Z2IZQU••IF•I•电阻分相工作绕组Z1Z2电感量大，电阻小，而起动绕组F1F2的电阻大而电感量小，因此两绕组中电流相位差接近于90，从而形成旋转磁场。在电机起动后，电动机用离心开关S断开起动绕组F1F2。起动绕组2.电阻分相式电动机4.1F1F2M1~+‒相量图•UIFIZI•••S第4章其它类型电动机空间相差120º角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º)。小结产生旋转磁场的条件空间位置相差一定角度的N相绕组，通入具有一定相位差的N相电流时，即可产生空间旋转磁场；当电流经过一个周期变化时，磁场也转过一个空间角度。4.1第4章其它类型电动机在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。罩极式单相异步电动机起动转矩较小，但结构简单、制造方便，常用于小型风扇及吹风机中。磁极极靴4.1短路铜环(1)结构4.1.3罩极式单相异步电动机第4章其它类型电动机(2)罩极内外的磁通分析电机的转向为从磁极的未罩部分转向被罩部分，方向不能改变。4.1k••21•in2•'磁通相量图1••2k•2•'在短路环中产生感应电动势和感应电流，产生的磁通k通过短路环的总磁通2与1在时间上有相位差角，在空间又相隔一定角度，因而能产生旋转磁场。若要改变方向，只能改变罩极的位置。'•••第4章其它类型电动机由直线电动机构成的直线驱动装置现已获得广泛应用，如磁悬浮列车、各种输送线、物料输送系统、冲压机、车床进刀机构、工作台运动、自动门和导弹鱼雷等等。4.2直线异步电动机4.24.2.1直线电动机概述1840年，惠斯登制造了略具雏形但不成功的直线电机。出现：发展：直线电动机经历了探索实验阶段（1840－1955年），开发应用阶段(1956－1970年)，实用商品阶段(1971年至今),至今已有160多年的历史。特点：应用：采用直线电机来驱动直线运动装置，就可以省去中间转换机构，使整个装置简单、运行可靠、控制方便。第4章其它类型电动机4.2与旋转异步电动机相比，直线异步电动机具有以下优点：4.2.1直线电动机概述(1)可直接产生直线驱动力，而不要任何转换装置；(2)运行时不会受到离心力的作用而使速度受到限制；(3)可直接产生直线电磁推力，其运动可以无机械接触(如磁悬浮列车)，大大减少了机械损耗，且噪音极小；(4)结构简单，散热效果较好，可用在一些特殊场合；(5)可以提供很宽的调速范围，从每秒几微米到数米。缺点：(1)效率和功率因数较低，原因是：气隙较大，故励磁电流较大，从而增加了损耗；由于直线电机磁路是断开的，边端效应导致损耗增加，但整个系统的效率较高。(2)起动推力受电压的影响较大，故对电源要求较高。第4章其它类型电动机直线异步电动机可认为是旋转异步电动机在结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转异步电动机沿径向剖开，再将电机的圆周展开成直线就成了直线异步电动机。4.24.2.2直线电动机的基本结构剖开笼型转子(次级)定子(初级)由定子演变而来的一侧称为直线异步电动机的初级，由转子演变而来的一侧称为次级或动子。1.结构第4章其它类型电动机由于运行时初次级之间要做相对运动，如果运动开始时，初级与次级之间是对齐的，那么运动开始后，初级与次级之间相互耦合的部分会越来越少，不能保持正常运动。为了在它的行程范围内初级与次级之间的耦合能保持不变，常将初级与次级做成不同的长度。通常做成初级短，次级长。4.2初级次级单边型直线电动机2.结构的改进这种只有一个边的初级结构形式的直线电动机称为单边直线电动机。法向纵向第4章其它类型电动机单边直线电动机存在着一个缺陷：即在初级与次级之间存在一个很大的法向磁吸力，这个法向磁吸力为推力的10倍左右，这种吸力通常是不希望存在的，它阻碍着电机的运动。4.2次级初级初级双边型直线电动机3.实际电动机的结构其解决的方法是在次级的两边都装上初级，可以产生两个方向相反的吸力，从而使它们相互抵消。这种形式称为双边型直线电动机。第4章其它类型电动机U1W2V1U2W1V2NSv0Fv1.行波磁场在三相绕组中通入三相正弦交流电流后，在气隙中产生磁场，与旋转电机分布相似，若忽略铁心两端断开引起的端部效应，这个气隙磁场沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，磁场作直线移动(不是旋转)，故称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度，并用v0(m/s)表示。fPPfPnv260260260004.24.2.3直线电动机的工作原理S—极距(m)f—电源频率(Hz)W2NSU1V1U2W1V2第4章其它类型电动机实际上，直线异步电动机的次级通常采用整块金属板或复合金属板，在分析时可把它看成是很多导条的并列放置。这时产生的电磁推力由这些并联导条中的电流共同产生。4.2U1W2V1U2W1V2NSv0FvS次级导体在行波磁场切割下，产生感应电动势和感应电流，与气隙磁场相互作用便产生电磁推力F。2.行波磁场对次级的作用在推力F的作用下，由于初级固定不动，次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动，次级移动速度为v(vv0)。F=CFI2cos2—为每极磁通I2—次级电流2—次级功率因数角第4章其它类型电动机改变初级三相电流的相序，行波磁场的移动方向将改变，次级的移动方向也随之改变，由此可使直线电动机做往复直线运动。4.2U1W2V1U2W1V2NSv0FvS3.反向次级速度可表示为v=(1–s)v000vvvs直线电动机的转差率s为4.转差率直线电动机处于运行状态时，s在0~1之间。第4章其它类型电动机4.24.2.4直线电动机的型号及主要参数1.型号•额定电压直线电动机初级绕组上应加的线电压•额定推力s=1时的推力，如10,50,100,1000N等•额定同步速度通常为3、4、5、6、9、12m/s•定子绕组接法通常采用Y形接法2.主要参数双边型初级绕组之间并联连接串联连接例：XY100-6Cu2XY—直线电动机；100—额定推力FN=100N6—同步速度(m/S)；Cu—次级材料结构代号2—次级厚度(m)第4章其它类型电动机4.24.2.4直线电动机的型号及主要参数双边型初级绕组之间并联连接串联连接•定子绕组接法通常采用Y形接法①②①②并联连接串联连接第4章其它类型电动机4.24.2.5直线电动机推力的基本特性1.推力-速度特性F/Nv/m/sFstv00ab推力－速度特性，即F=f(v)，为曲线b。为便于分析问题，可采用近似曲线a。其近似推力公式为fust1vvFFFFst—起动推力Fu—摩擦力vf—空载速度可以看出，最大推力Fst在v=0处，vF。第4章其它类型电动机4.24.2.5直线电动机推力的基本特性2.推力-功率特性F/NP/W0曲线表示了推力随输入功率增加而增大的线性关系。直线电动机的输出功率为UL—定子的线电压IL—定子的线电流输入功率为cos3LL1IUP若效率为，则输出机械功率cos3LL1IUPPP=F·v第4章其它类型电动机用直线电动机驱动的电动门，直线电动机的初级安装在大门门楣上，次级安装在大门上。当直线电动机的初级通电后，初级和次级之间由于气隙行波磁场的作用，将产生一个平移的推力F，该推力可将大门向前推进（开门），或将大门拉回（关门）。直线电动机初级直线电动机次级大门F4.24.2.6直线电动机的应用举一个例子说明直线电动机应用。第4章其它类型电动机4.3永磁直流电动机4.3.1永磁直流电动机的结构4.3永磁直流电动机定子—磁极是永久磁铁转子(电枢)电枢铁心电枢绕组换向器磁极换向器电枢铁心电枢绕组电刷电枢铁心开有槽孔，用