1、电机及拖动基础知识*直直 流流 电电 机机*交交 流流 电电 机机*控控 制制 电电 机机直 流 电 机一、直直 流流 电电 机机 工工 作作 原原 理理知 识 点2.对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中感应的交变电动势变为直流电动势向外部输感应的交变电动势变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，是把外界供给的出直流电压；对于电动机，是把外界供给的直流电流变为绕组中的交变电流以使电机旋直流电流变为绕组中的交变电流以使电机旋转。转。3.3.直流电机常做成直流电机常做成电枢旋转形式电枢旋转形式1. 如果想要得到直流电动势，那么必须把线如果想要得到直流电
2、动势，那么必须把线圈感应的交变电动势进行圈感应的交变电动势进行整流整流，实现整流的，实现整流的装置称之为装置称之为换向器换向器 二.直流电机的主要结构主磁极主磁极换向极换向极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖定定子子转子转子电枢铁心电枢铁心-通常用通常用0.5mm0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压冲片叠压电枢绕组电枢绕组-采用单叠绕组（采用单叠绕组（并联支路数并联支路数2a=2p） 和单波绕组（和单波绕组（并联支路数并联支路数2a=2）换向器换向器转轴转轴三、直流电机的换向1.1.换向概述换向概述 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了
3、所经历的时间，称为 换向周期换向周期 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程历换向过程 . . 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作换向器表面，使电机不能正常工作 。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热
4、学等械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象现象 。2.改善换向的方法改善换向的方法（1）选择合适的电刷选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻，增加换向片与电刷之间的接触电阻（2） 装设换向磁极装设换向磁极*位于几何中性线处装换向磁极，换向绕组与电枢绕组位于几何中性线处装换向磁极，换向绕组与电枢绕组串联串联*在直流电动机中，换向极极性应与换向元件边在直流电动机中，换向极极性应与换向元件边刚离开刚离开的主的主 极极性相同极极性相同*在直流发电机中，换向极极性应与换向元件边在直流发电机中，换向极极性应与换向元件边要进入要进入的主的主 极极性相同极极性相同换向极绕组连接与极性换向极
5、绕组连接与极性四.直流电机的特性1.直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为他。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。三种方式。2.直流发电机的外特性直流发电机的外特性 电势平衡方程式电势平衡方程式aaeaaaaabaaRInCRIEURIUURIUE2*他励发电机的外特性他励发电机的外特性aIIGUUfIFIGUaIfIF他励直流发电机他励直流发电机并励直流发电机并励直流发电机他励并励U0U0I外特性曲线如图所示外特性曲线如图所示定义：当定义：当n=nN,
6、 If=IfN时时 U=f(I)由曲线可见，负载电流增大时，端电压有由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。端电压下降有两个原因：所下降。端电压下降有两个原因： 一是在励磁电流一定情况下，负载电流一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。* 并励发电机的外特性并励发电机的外特性 对并励发电机，除了像他励发电机存在的对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反
7、应去磁作用和电枢回路上的电阻压降电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。小，端电压进一步下降。3.3.直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性据电动机的方程据电动机的方程U=Ea+IaRa 机 械 特 性 的 表 达式ememTeeaTemaeeeaaTnTCCRCUnICTICRCUCRIUn02)(0n称为称为理想空载转速理想空载转速。nTemn0（1）. .他励他励( (并励）并励）直流电动机固有机械特性直流电动机固有
8、机械特性emNTeaNeNTCCRCUn2电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以机械特性为电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以机械特性为“硬特性硬特性”。串励。串励电动机电动机机械特性为机械特性为“软特性软特性”.他励.串励（2）.人为机械特性*电枢串电阻时的人为特性电枢串电阻时的人为特性emNTeSaNeNTCCRRCUn2*降低电枢电压时的人为特性降低电枢电压时的人为特性emNTeaNeTCCRCUn2*减弱励磁磁通时的人为特性减弱励磁磁通时的人为特性emTeaeNTCCRCUn2nTemRaURn0TLABCD三种调速方法三种调速方法五.熟记以下公式1.1.直流电机的电枢电动势直流电机的电
9、枢电动势大小:nCnapNEea602.2.直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩大小:aTaemICIapNT23.3. NMNNNTTnPT55. 9-过载倍数过载倍数六.直流电动机的电气制动电气制动方法电气制动方法-能耗制动、反接制动（电源反接、能耗制动、反接制动（电源反接、 倒拉反转反接）、回馈制动倒拉反转反接）、回馈制动 能耗制动特点能耗制动特点：操作简单：操作简单,但随着转速下降但随着转速下降,电动电动势减势减 小小,制动电流和制动转矩也随着减小制动电流和制动转矩也随着减小,制动效制动效果变差。果变差。 反接制动特点反接制动特点：,从电源输入的电功率和从轴上输从电源输入的电功率和从轴
10、上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。阻上。 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBTU1U2V2W1V1W2NS2极异步电动机原理结构图极异步电动机原理结构图旋转磁场产生：三相对称绕组中通入对称三相电流旋转磁场产生：三相对称绕组中通入对称三相电流三相异步电动机按转子结构分为鼠笼式、绕线式三相异步电动机按转子结构分为鼠笼式、绕线式交流电机.1.三相异步电动机
11、三相异步电动机 nn1nn1U1U2V2W1V1W2NS2极同步发电机原理结构图极同步发电机原理结构图 2. 同步发电机同步发电机 n=n1n 同步发电机按结构形式分为旋转电枢式和同步发电机按结构形式分为旋转电枢式和旋转磁极式，后者旋转磁极式，后者 应用较广。旋转磁极式按磁极形状分为应用较广。旋转磁极式按磁极形状分为隐隐极式极式和和凸极式凸极式。按原动。按原动 机类别分为机类别分为汽轮发电机汽轮发电机（采用隐极式）和（采用隐极式）和水轮发电机（凸极式水轮发电机（凸极式）3.3.三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速根据三相异步电动机的转速公式根据三相异步电动机的转速公式异步电动机有三种基本调
12、速方法异步电动机有三种基本调速方法：1 1）. .改变定子极对数改变定子极对数P P； 2 2）. .改变电源频率改变电源频率f f；3 3）. .改变转差率改变转差率S S调速（包括转子串接调速（包括转子串接 电阻调速、定子调压调速和串极调速）电阻调速、定子调压调速和串极调速） 变频调速变频调速（1 1）变频调速中的变频器必须同时改变电源的）变频调速中的变频器必须同时改变电源的 电压和频率，才能满足要求电压和频率，才能满足要求 （2 2）变频电源接在市电电源与交流电机之间）变频电源接在市电电源与交流电机之间 （3 3）优点是转速能平滑调节，调速范围广，效）优点是转速能平滑调节，调速范围广，效
13、 率高，缺点是调速系统复杂，成本高率高，缺点是调速系统复杂，成本高)1(60)1(11spfsnn串极调速串极调速（1 1）串极调速是在转子回路中串接一个与转子电势同频率）串极调速是在转子回路中串接一个与转子电势同频率 的附加电动势，通过改变附加电动势幅值大小和相位的附加电动势，通过改变附加电动势幅值大小和相位 调速调速（2 2）串极调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有）串极调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有 高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性控制电机 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制
14、系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。制信号或控制电压。1.1.伺服电动机伺服电动机 伺服电动机分为伺服电动机分为直流直流伺服电动机和伺服电动机和交流交流伺服电动机伺服电动机两大类两大类直流伺服电动机实际上就是直流伺服电动机实际上就是他励他励直流电动机直流电动机 通过改变控制信号的大小和极性来控制转通过改变控制信号的大小和极
15、性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点，使用的场合很少。重的缺点，使用的场合很少。 直流伺服电动机原理图直流伺服电动机原理图 交流伺服电动机实际上就是两相异步电动交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。电机机，所以有时也叫两相伺服电动机。电机定子上有两相绕组，一相叫定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组励磁绕组 ，接，接到交流励磁电源到交流励磁电源 上，另一相为上，另一相为控制绕
16、控制绕组组 交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式转子主要有两种结构形式（1 1）笼型转子笼型转子 这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转
17、子的转动惯量。惯量。(2)(2)非磁性空心杯转子非磁性空心杯转子 如图所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两如图所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材料（如铜、铝或铝合金）制成非磁性材料（如铜、铝或铝合金）制成 图图7.6 7.6 非磁性空心杯转子结构图非磁性空心杯转子结构图1-1-空心杯转子；空心杯转子；2-
18、2-外定子；外定子；3-3-内定子；内定子；4-4-机壳；机壳；5-5-端盖端盖 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，即的电压信号与转速成正比，即 U=CnU=Cn 测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类机两大类 2.2.测速发电机测速发电机 （1 1）直流测速发电机实际就是一种微型直流发电）直流测速发电机实际就是一种微型直流发电 机，按定子机，按定子 磁极的励磁方式分为电磁式和永磁
19、式磁极的励磁方式分为电磁式和永磁式 如图如图直流测速发电机工作原理直流测速发电机工作原理 交流测速发电机分为交流测速发电机分为同步同步测速发电机和测速发电机和异步异步测速发电测速发电机机 同步测速发电机的输出频率和电压幅值随转速，很同步测速发电机的输出频率和电压幅值随转速，很少用于控制系统。异步测速发电机输出电压频率与速少用于控制系统。异步测速发电机输出电压频率与速度无关，输出电压与速度成正比，控制系统中广泛应度无关，输出电压与速度成正比，控制系统中广泛应用用（2 2）. .交流测速发电机交流测速发电机 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转
20、子结构有笼型的，也有杯型的，在自动相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用控制系统中多用空心杯转子空心杯转子异步测速发电机。异步测速发电机。 （3）步进电动机）步进电动机 步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。其运行特点：每输入一个电脉冲，步进电机机。其运行特点：每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。组的通电方式有关。 根据励磁方式的不同，步进电动机分为根
21、据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式反应式、永磁式永磁式和和感应子式感应子式（又叫混合式），而反应式步进（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多电动机应用较多 步进电动机的结构由步进电动机的结构由转子转子和和定子定子组成。转子通常组成。转子通常用硅钢片叠成凸极形式，转子上没有绕组。定子嵌用硅钢片叠成凸极形式，转子上没有绕组。定子嵌有多相星形连接的控制绕组，由专用脉冲电源供电。有多相星形连接的控制绕组，由专用脉冲电源供电。 步进电动机控制过程中，定子绕组每改变一次通电步进电动机控制过程中，定子绕组每改变一次通电方式，成为一拍。控制方式分为：三相单三拍（方式，成为一拍。控制方式分为：三相单三拍
22、（A-B-A-B-C-AC-A）；三相单、双六拍（）；三相单、双六拍（A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A）；三相）；三相双三拍（双三拍（AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB）。）。 步进电动机的步距角可通过下式计算：步进电动机的步距角可通过下式计算： CmZro360 m为步进电机相数，为步进电机相数，C为通电状态系数，单为通电状态系数，单拍或三拍取拍或三拍取C=1， 单双拍混合取单双拍混合取C=2；Zr为转子齿数为转子齿数 步进电动机的转速可步进电动机的转速可通过下式计算：通过下式计算： mZrCfn60练习题练习题 1. 直流电机的电枢绕组若是单叠绕组
23、，则其并联直流电机的电枢绕组若是单叠绕组，则其并联支路数等于支路数等于(主磁极数主磁极数)。 2. 发电机的基本工作原理是：发电机的基本工作原理是：( 电磁感应电磁感应 )。 3. 空心杯电枢直流伺服电动机有空心杯电枢直流伺服电动机有 4. 水轮发电机的定子结构与三相异步电动机的定水轮发电机的定子结构与三相异步电动机的定子结构基本相同，但其转子一般采用子结构基本相同，但其转子一般采用(凸极凸极)式。式。 一个外定子和一个外定子和(1)个内定子个内定子 5. 滑差电动机的转差离合器电枢是由滑差电动机的转差离合器电枢是由(三相鼠笼三相鼠笼式异步电动机式异步电动机)拖动的。拖动的。 6. 无刷直流电
24、动机与一般直流电动机最大的优点无刷直流电动机与一般直流电动机最大的优点区别是区别是(无滑动接触和换向火花，可靠性高以及无滑动接触和换向火花，可靠性高以及无噪声无噪声)。 7. 异步电动机的极数越少，则转速越高，输出转异步电动机的极数越少，则转速越高，输出转矩矩(越小越小)。 8. 直流电动机回馈制动时，电动机处于直流电动机回馈制动时，电动机处于(发电发电)状态。状态。 9. 并励发电机输出电压随负载电流增强而降低的并励发电机输出电压随负载电流增强而降低的原因有原因有(3)个方面。个方面。 10. 在直流电机中，为了改善换向，需要装置换向在直流电机中，为了改善换向，需要装置换向极，其换向极绕组应
25、与极，其换向极绕组应与(电枢串联电枢串联)。 11. 国产小功率三相鼠笼式异步电动机的转子导体国产小功率三相鼠笼式异步电动机的转子导体结构采用最广泛的是结构采用最广泛的是(铸铝铸铝 )转子。转子。 12. 同步电机的结构形式有同步电机的结构形式有(2)种种452. 三相异三相异步电动机启动瞬间，启动电流很大，启动转矩步电动机启动瞬间，启动电流很大，启动转矩（不很大）（不很大） 13. 电动机采用电磁抱闸和电磁离合器进行制动的电动机采用电磁抱闸和电磁离合器进行制动的原理是（电流的磁效应）原理是（电流的磁效应） 14. 直流并励电动机采用能耗制动时，切断电枢电直流并励电动机采用能耗制动时，切断电枢电源，同时电枢与电阻接通，并（保持励磁电流不源，同时电枢与电阻接通，并（保持励磁电流不变），产生的电磁转矩方向与电枢转动方向相反，变），产生的电磁转矩方向与电枢转动方向相反，使电动机迅速制动使电动机迅速制动 15. 空心杯非磁性转子交流伺服电动机，当只给励空心杯非磁性转子交流伺服电动机，当只给励磁绕组通入励磁电流时，产生的磁场为（脉动）磁绕组通入励磁电流时，产生的磁场为（脉动）磁场磁场 16. 有个三相六极转子上有有个三相六极转子上有40齿的步进电动机，采齿的步进电动机，采用单三拍供电，则电动机的步距角为（用单三拍供电，则电动机的步距角为（3）
