直流电动机单相异步电动机 步进电机

海南风光第11讲第七章直流电动机单相异步电动机步进电机第七章电动机§7.2直流电动机7.2.1概述7.2.2工作原理7.2.3电枢电动势及电压平衡关系7.2.4电磁转矩7.2.5机械特性7.2.6直流电动机的调速7.2.7直流电动机的使用和额定值§7.3单相异步电动机§7.4步进电机7.2.1概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.2.2工作原理一、工作原理U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II注意：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。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+–NS电刷换向片IIFFU+–NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。(让磁感线穿过右手掌心，拇指指向为切割方向，四指指向就是电流方向，然后根据电流在外电路中由正极到负极，在电源内由负极到正极判断电动势方向)机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。7.2.5机械特性一、他励电动机的机械特性即：TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，aTEaaΦIKTΦnKERIEUTΦKKRΦKUnETaE2M他励UfIfIaUn0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnnTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线aaaΦTaTaΦEERIEUIKKΦIKTnIKKΦnKE2nTΦEaΦETKKRTKKUKnM串励UIa(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT三、复励电动机的机械特性并励直流电动机的机械特性较硬，串励直流电动机的机械特性较软，复励直流电动机的机械特性则可折中二者的特性（１并，２复，３串）(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。7.2.6直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf•RfIfn，但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。•RfIfn，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法—减小磁通，n只能上调。TΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：Φn1021Φn（减小）0n''0n'0nTLRf增加TnTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，调速过程:U一定,则RfEIaTnIaE暂时TTLTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，最后达到新的平衡T=TL（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线nn0n0'n0电压降低TTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，2.改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，，而nU，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf=110V固定U=0~110V可调改变电枢电压调速方案举例：这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，使n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，nnn0RaRa+RTTΦKKRnETa2ΦKUnE0nnn0其中，7.2.7直流电动机的使用和额定值限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。一、使用1.启动启动时,n=0Ea=0，若加入额定电压，则aNaNastIRUIIast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN内。(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KTIa，而0，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则E，Ia，T和，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。EIaTT0n飞车措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励UfIfIaU2.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：（1）反接制动3.制动制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+–R运行制动电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。（2）能耗制动—电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的作用下nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。(3)发电回馈制动二、额定值1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN（：效率）注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN。4.额定转速nN：在PN，UN，IN时的转速。直流电机的转速等级一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。§7.２三相异步电动机的结构接线盒转轴机座端盖转子机壳风扇罩壳定子铁芯及绕组1、定子●定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----X、B----Y、C----Z●三相绕组：2、转子●转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。●转子绕组：鼠笼式、绕线式。鼠笼转子(1)鼠笼式转子转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。2、转子鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；可人为改变电动机的机械特性。一、三相异步电动机的转动原理二、旋转磁场120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi三相定子绕组通入三相交流电(星形联接)(1)旋转磁场的产生BiAXBYCZAiCiACBCiAiBimIitoi0首端流入，尾端流出。i0尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入BiAXBYCZAiCiACB0t0Ci0BiCiAiBimIito三相电流合成磁场的分布情况0t60t合成磁场方向向下合成磁场旋转60°0n90t合成磁场旋转90°600AXYCBZNSAXYCBZSN60AXYCBZSNCiAiBiitoAAXZBCYAAXZBCY(2)旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。0t60t任意调换两根电源进线(如图)NSNS结论：三相电流产生的合成磁场是一个旋转的磁场。即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°CiAiBiitoAXCZBYAi0t(3)旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：1pAXYCBZNSCiAiBiitoBiAXBYCZAiCi若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。(3)旋转磁场的极对数PAXBYBYCCZZA'X'C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCi极对数2p动画旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关0tAXBYBYCCZZA'X'NNSSC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiCiAiBiito(4)旋转磁场的转速分）转/(6010fn工频：Hz501f分）转/(30000n旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时AXYCBZNSAXYCBZNSAXYCBZNSCiAiBiitoXNSAXABZCYZCYBSN0t60tp=2时分）转/(150026010fn0n30AXXZCZBYBYACNSNSCiAiBiito旋转磁场转速n0与极对数p的关系)/(6010分转pfn2p180分）转/(50011p360分）转/(0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)f(Hz5013p120分）转/(00014p分）转/(75090旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:三、电动机的转动原理1、转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:电流相序切割转子导体Blv右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力FF电磁转矩TvF0nNSn2、转差率旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即0nn异步电动机如果:0nn无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。三、电动机的转动原理异