电机的种类及工作原理

第7章驱动和控制微电机7.1单相异步电动机7.2直线电动机7.3微型同步电动机7.4伺服电动机7.5测速电动机7.6自整角机7.7旋转变压器本章主要介绍单相异步电机、微型同步电动机、伺服电动机、测速电动机、自整角机、旋转变压器和步进电动机，除此之外，还将介绍两种新型电机：直线电动机和开关磁阻电动机。7.9开关磁阻电动机7.8步进电动机第7章驱动和控制微电机7.1单相异步电动机内容要点：一、概述1、应用情况广泛应用于家用电器（电风扇、电冰箱、洗衣机等）、空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。⒈了解单相感应电动机的结构特点、优缺点及应用情况；⒉掌握单相感应电动机的工作原理，弄清单相感应电动机为什么没有起动转矩？⒊重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。第7章驱动和控制微电机2、优缺点优点：结构简单，成本低廉，噪音小。缺点：与同容量三相感应电动机相比较，体积较大，功率因数及过载能力都较低。故单相感应电动机只能作成小容量：微型：几瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。第7章驱动和控制微电机2、结构继续继续与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌有定子绕组。单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可，但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运行的电动机没有起动转矩。为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。第7章驱动和控制微电机第7章驱动和控制微电机二、基本工作原理1、单相绕组通入单相交流电时的情况单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势，一个脉动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁势。分别用F+、F-表示，建立起正转和反转磁场ф+、ф-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。第7章驱动和控制微电机返回第7章驱动和控制微电机SnnnS11SnnnS211设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为对反转磁场而言，转差率s-为20,20SSSS时，当时，即当第7章驱动和控制微电机单相异步电动机的T=f(s)曲线第7章驱动和控制微电机分析：1）转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相感应电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。三相异步电动机电源断一相，相当于一台单相异步电动机，故不能起动。2）当s≠1时，T≠0，且T无固定方向，取决于s的正负。一旦旋转，转向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。三相感应电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。3）由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力低，TF不变，n下降→S上升→I2`上升→I1上升→温升增加。第7章驱动和控制微电机7.1.2单相异步电动机的主要类型一、分相起动电动机分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机1、电容起动电动机特点：ⅰ）起动绕组和电容按短时工作设计；ⅱ）电容起分相和提高功率因数的作用。由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达75～80%n1时，离心开关自动打开。第7章驱动和控制微电机第7章驱动和控制微电机2、电容电动机电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容应按长期工作设计。第7章驱动和控制微电机特点：ⅰ）起动绕组和电容器按长期工作设计；ⅱ）过载能力、功率因数和效率均较高；ⅲ）容量能做到五十瓦至几千瓦；ⅳ）应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。第7章驱动和控制微电机3电阻起动电动机在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。二、罩极电动机1、结构特点：定子作成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面1/3～1/4处开有一个小槽，放入罩极绕组（短路环），如下图：第7章驱动和控制微电机第7章驱动和控制微电机2、工作原理k.1.3.在时间上滞后一个角度Ψ，而两个绕组在空间也相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。3.1.3、改变转向的方法：1）定子上绕制两套起动绕组；2）将定、转子反向安装。4、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。5、应用:用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电动模型和电唱机中。第7章驱动和控制微电机小结：1、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应用情况，单相异步电动机广泛应用于家电、医疗器械、轻工设备中；2、单相感应电动机的工作原理，为什么没有起动转矩？3、单相感应电动机的的起动方法与类型1）分相起动电动机；2）罩极电动机。第7章驱动和控制微电机、交流电动机、直流伺服电动机；分类：217.4伺服电动机7.4.1直流电动机一、直流伺服电机的结构分类：•普通型直流伺服电机；•盘型电枢直流伺服电动机；•空心杯直流伺服电动机；•无槽直流伺服电动机。第7章驱动和控制微电机第7章驱动和控制微电机第7章驱动和控制微电机二、直流伺服电动机的运行特性1、机械特性定义：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速n随转矩变化的关系。emTeaeTkkRkUnemkTnn0式中：TeaekkRkkUn,0第7章驱动和控制微电机ekUnn0TaDkRUT当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为理想空载转速第7章驱动和控制微电机直流伺服电动机的机械特性如下：2、调节特性定义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。直流伺服电动机的调节特性如上图所示。第7章驱动和控制微电机7.4.2交流伺服电动机一、交流伺服电机的工作原理交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差90°电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如下图所示：第7章驱动和控制微电机“自转”现象及避免“自转”现象方法：“自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。避免“自转”现象方法：增大转子电阻值。第7章驱动和控制微电机二、交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制1、幅值控制控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。2、相位控制控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。3、幅值—相位控制通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速，这种控制方法称为幅值—相位控制。第7章驱动和控制微电机7.5测速发电机分类：直流测速发电机和交流伺服电动机分永磁式和电磁式两种。7.5直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。CnRRELaa1U2第7章驱动和控制微电机减少误差的方法：纹波的影响产生误差的原因电枢反应电刷接触电阻的影响二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法第7章驱动和控制微电机7.5.2交流异步测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机一、空心杯转子异步测速发电机的工作原理第7章驱动和控制微电机切割电动势计算公式1、n=0电机不转输出电压U2=02、n0电机旋转切割电动势大小:nCEdrrnEFFrrrqqnEq2即：输出绕组的感应电动势的幅值正比于电机的转速。第7章驱动和控制微电机二、异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差产生原因：励磁绕组存在漏电感。减小该误差的方法：增大转子电阻。第7章驱动和控制微电机2、剩余电压误差产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。第7章驱动和控制微电机7.6自整角机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机一、力矩式自整角机的结构与工作原理自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电机。一般成对或多台组合使用。7.6.1自整角机的结构与工作原理通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构，频率高、尺寸大的力矩式自整角机采用隐极式结构第7章驱动和控制微电机力矩式自整角机的三种结构：第7章驱动和控制微电机图7.6.2为自整角机的工作原理图第7章驱动和控制微电机发送机的转子位置为θ1，接收机的转子位置为θ2，失调角θ为θ=θ1-θ2１．力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流每相整步绕组中的感应电动势：发送机：接收机：)120cos()120cos(cos111111EEEEEEcba)120cos()120cos(cos222222EEEEEEcba第7章驱动和控制微电机各相绕组中的总电动势：2sin)1202sin(22sin)1202sin(22sin2sin221212112EEEEEEEEcbaaa第7章驱动和控制微电机各相绕组中的电流：2sin)1202sin(2sin)1202sin(2sin2sin2212121IIIIIZEIcbaaa第7章驱动和控制微电机2．力矩式自整角机整步绕组的磁动势：2sin)1202sin(2sin)1202sin(2sin2sin2sin2sin224211211212111FFFFFpINkFcbwa第7章驱动和控制微电机发送机的交轴磁动势分量：sin43FFFFFqcqbqaq发送机的直轴磁动势分量：)cos1(43FFFFFdcdbdad合成磁动势的幅值：sin23221FFFFdq第7章驱动和控制微电机同理可求得接收机的整步磁动势为：sin232FF3．力矩式自整角机的转矩：cos1dqFkT式中：k1为转矩系数，φ为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。第7章驱动和控制微电机二、控制式自整角机的结构与工作原理控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。图7.6.3为控制式自整角机的工作原理图第7章驱动和控制微电机7.6.2自整角机的误差分析与选用时应注意的问题力矩式自整角机的误差：主要有零位误差和静态误差。控制式自整角机的误差：主要有电气误差和零位电压误差。第7章驱动和控制微电机7.7旋转变压器旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。分类：按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器。按电机的极对数多少来分：单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。按使用要求来分：用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。一、正余弦旋转变压器的工作原理7.7.1旋转变压器的结构与工作原理第7章驱动和控制微电机1.正弦绕组])142cos(3cos[cos241ZZZZNNNcmzici第7章驱动和控制微电机2.正余弦旋转变压器的工作原理定子上放置两套互差90空间角度的匝数、型式完全相同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组。励磁绕组上施加交流励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向为d轴，在气隙中产生d轴磁通Фd，励磁绕组中的感应电动势为：dwssfkfNE44.4（1）正余弦旋转变压器的空载运行转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的空间位置也互差90，