1、第7章 微控电机高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社电机及拖动（第电机及拖动（第4版）版）电子教案电子教案第7章 微控电机7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机7.3 7.3 测速发电机测速发电机7.4 7.4 步进电动机步进电动机 本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、步进电动机、微型同步电动机、直线异步电动机的工作原理步进电动机、微型同步电动机、直线异步电动机的工作原理和应用。和应用。7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机7.5 7.5 微型同步电动机微型同步电
2、动机7.7 7.7 其他微控电机其他微控电机7.6 7.6 直线异步电动机直线异步电动机第7章 微控电机7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机教学内容：教学内容：7.1.1 7.1.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理7.1.2 7.1.2 单相异步电动机的主要类型单相异步电动机的主要类型7.1.3 7.1.3 单相异步电动机的应用单相异步电动机的应用教学目的与要求：教学目的与要求：1 1 了解单相异步电动机的结构特点了解单相异步电动机的结构特点2 2 掌握单相异步电动机的工作原理掌握单相异步电动机的工作原理3 3 掌握单相异步电动机的主要类型掌握单相异步电动机的主要类型
3、4 4 了解单相异步电动机的应用了解单相异步电动机的应用第7章 微控电机 7.1.1 7.1.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理一、单相异步电动机的结构一、单相异步电动机的结构 转子转子：就是普通的笼型转子。：就是普通的笼型转子。定子定子：铁心由硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。为产生起动：铁心由硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。为产生起动转矩，定子上安放两套绕组，转矩，定子上安放两套绕组，一个为工作绕组一个为工作绕组，另一另一个为起动绕组个为起动绕组，两绕组在空间相差，两绕组在空间相差90900 0电角度。电角度。起动绕组：起动绕组：一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断一般只在起
4、动时接入，起动完毕就与电源断 开，正常运行只有一个工作绕组接在电源上。开，正常运行只有一个工作绕组接在电源上。说明：说明：有一些电容或电阻电动机，运行时起动绕组仍然接于电源有一些电容或电阻电动机，运行时起动绕组仍然接于电源上，实质上是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为上，实质上是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为单相异步单相异步电动机电动机。第7章 微控电机单相异步电动机外形图单相异步电动机外形图第7章 微控电机 二、单相异步电动机的工作原理二、单相异步电动机的工作原理1.1.单相绕组通入交流电时的情况单相绕组通入交流电时的情况 单相绕组通入正弦交流电流产生脉动磁动势；单相绕组通入正弦交流
5、电流产生脉动磁动势；该脉动磁动势分解为两个该脉动磁动势分解为两个大小相等大小相等、转速相同转速相同、转向相转向相反反的圆形旋转磁动势的圆形旋转磁动势F F+和和F F-，建立起正向和反向旋转磁，建立起正向和反向旋转磁场场+和和-，这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转，这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流，从而产生正向电子导体中产生感应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩磁转矩Tem+Tem+和反向电磁转矩和反向电磁转矩TemTem_ _，叠加后即为推动转子，叠加后即为推动转子转动的合成转矩转动的合成转矩TemTem。第7章 微控电机 单相异步电动机的磁场和转矩
6、单相异步电动机的磁场和转矩 UFemTFemT第7章 微控电机11nnSSn1122nnSSSn设电动机转速为设电动机转速为n n，则对正向磁场而言，转差率，则对正向磁场而言，转差率s s+为为 对反向磁场而言，转差率对反向磁场而言，转差率s s-为为 即当即当S S+=0=0时，时，S S-=2=2；当当S S-=0=0时，时，S S+=2=2。单相异步电动机的单相异步电动机的 曲线曲线()()ems nf T单相异步电动机的机械特性单相异步电动机的机械特性 第7章 微控电机 当当s1s1时，时，T0T0，T T的方向，取决于的方向，取决于s s的正负。电机转向由外的正负。电机转向由外力方向
7、决定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。力方向决定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。反向电磁转矩的存在，使合成转矩减小，电机过载能力降反向电磁转矩的存在，使合成转矩减小，电机过载能力降低，低，T TL L不变，不变，n n下降下降S S上升上升I I2 2上升上升I I1 1上升上升温升增加。温升增加。转子静止时，转子静止时，n=0,S=1n=0,S=1，合成转矩，合成转矩Tem=0,Tem=0,即单相异步电动即单相异步电动机起动转矩机起动转矩TstTst=0=0，故，故单相异步电动机不能
8、自行起动单相异步电动机不能自行起动。如：三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异如：三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异步电动机，故不能自起动。步电动机，故不能自起动。第7章 微控电机7.1.2 7.1.2 单相异步电动机的主要类型单相异步电动机的主要类型一、分相电动机一、分相电动机包括：电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机。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不同，分为根据获得旋转磁场方式不同，分为分相电动机分相电动机和和罩极电动机。罩极电动机。1.1.电容起动电动机电容起动电动机 单相电容起动电动机单相电容起动电动机第7章 微控电机电
9、容起动电动机特点电容起动电动机特点 起动绕组和电容按短时工作设计。起动绕组和电容按短时工作设计。电容起分相和提高功率因数的作用。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，当转速由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当转速n n 达到（达到（70708585）%n%n1 1时，离心开关自动断开。时，离心开关自动断开。改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕 组的两个出线端对调即可。组的两个出线端对调即可。第7章 微控电机 实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工作电容按实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工
10、作电容按长期工作方式设计。长期工作方式设计。单相电容电动机单相电容电动机2.2.电容电动机电容电动机U特点：特点：起动绕组和工作电容按长期工起动绕组和工作电容按长期工作制设计；作制设计；过载能力、功率因数和效率均过载能力、功率因数和效率均较高；较高；容量能做到几十瓦至几千瓦；容量能做到几十瓦至几千瓦；应用比较广泛，如应用于压气应用比较广泛，如应用于压气机、空调等；机、空调等；电容电动机反转的方法与电容电容电动机反转的方法与电容起动电动机相同。起动电动机相同。第7章 微控电机3.3.电阻起动电动机电阻起动电动机 在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗在起动绕组中串联电阻来分相，即工作
11、绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。大；起动绕组电阻大，电抗小。特点：特点：起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。二、罩极电动机二、罩极电动机 定子铁心做成凸极式，由硅钢定子铁心做成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为集中绕组片叠压而成，工作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面，套在定子磁极上，每个极靴表面1/31/31/41/4处开有一个凹槽，放入罩处开有一个凹槽，放入罩极绕组极绕组-即短路环。即短路环。1.1.结构特点：结构特点：单相罩极电动机单相罩极电动机(a)(a)绕组接线图绕组接线图(b)(b)相量图相量图13第7章
12、微控电机2.2.工作原理工作原理 .322 在时间上滞后在时间上滞后 一个角度一个角度，而两个绕组在空间也相隔一，而两个绕组在空间也相隔一个电角度，产生旋转磁场，转向个电角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩极部分，电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机转向也由未罩极部分转向罩极部分部分,但电动机的转向不能改变但电动机的转向不能改变。3.1.当主绕组通入单相交流电后，产生脉动磁通，一部分磁通当主绕组通入单相交流电后，产生脉动磁通，一部分磁通 不穿过短路铜环，另一部分磁通不穿过短路铜环，另一部分磁通 穿过短路铜环。穿过短路铜环。1.2单相罩极电动机单相罩极电动机(a)(
13、a)绕组接线图绕组接线图(b)(b)相量图相量图13第7章 微控电机7.1.3 7.1.3 单相异步电动机的应用单相异步电动机的应用1.1.单相异步电动机由单相电源供电，广泛应用于家用电器、单相异步电动机由单相电源供电，广泛应用于家用电器、医疗器械及轻工设备中。医疗器械及轻工设备中。2.2.单相异步电动机在全自单相异步电动机在全自动波轮洗衣机中的应用动波轮洗衣机中的应用全自动波轮洗衣机结构图全自动波轮洗衣机结构图单相电容电动机单相电容电动机 单相异步电动机通过单相异步电动机通过离合器带动波轮和脱水桶离合器带动波轮和脱水桶工作。工作。第7章 微控电机教学重点：教学重点：1 1 掌握单相异步电动机
14、的工作原理掌握单相异步电动机的工作原理2 2 掌握单相异步电动机的主要类型掌握单相异步电动机的主要类型教学难点：教学难点：罩极电动机的工作原理罩极电动机的工作原理小小 结结作作 业：业：P242P242：7.17.1；7.27.2第7章 微控电机7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机教学内容：教学内容：7.2.1 7.2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机7.2.2 7.2.2 交流伺服电动机交流伺服电动机7.2.3 7.2.3 伺服电动机的应用伺服电动机的应用教学目的与要求：教学目的与要求：1 1 了解伺服电动机的结构和类型了解伺服电动机的结构和类型2 2 掌握直流伺服电动机的运行特性掌握直流伺
15、服电动机的运行特性3 3 掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式4 4 了解伺服电动机的实际应用了解伺服电动机的实际应用第7章 微控电机7.2.0 7.2.0 伺服电动机概述伺服电动机概述2.2.伺服电动机根据电源性质分类：伺服电动机根据电源性质分类：直流伺服电动机和交流伺服电动机。直流伺服电动机和交流伺服电动机。1.1.伺服电动机定义：伺服电动机定义：又称执行电动机，它把输入的电压信又称执行电动机，它把输入的电压信号转换为电机轴上的角速度或角位移等机械信号输出。号转换为电机轴上的角速度或角位移等机械信号输出。3.3.伺服电动机的特点：伺服电动机的特点：直
16、流伺服电动机：直流伺服电动机：输出功率大，输出功率大，1 1600W600W，用于功率较大的系，用于功率较大的系统；统；交流伺服电动机：交流伺服电动机：输出功率小，输出功率小，0.10.1100W100W，用于功率较小的，用于功率较小的系统。系统。第7章 微控电机4.4.直流伺服电动机直流伺服电动机：是一种将直流电源的电能转换为机械：是一种将直流电源的电能转换为机械能的电磁装置，采用直流电流励磁产生气隙磁场，或用永能的电磁装置，采用直流电流励磁产生气隙磁场，或用永磁体获得。磁体获得。5.5.直流伺服电动机按励磁方式分为直流伺服电动机按励磁方式分为：1.1.电磁式：主要采用他励式。电磁式：主要采
17、用他励式。2.2.永磁式：就是他励式，永久磁钢如，铝镍钴、铁氧体及永磁式：就是他励式，永久磁钢如，铝镍钴、铁氧体及稀土类（钕铁硼）。稀土类（钕铁硼）。-发展迅速，得到大量应用，如机发展迅速，得到大量应用，如机器人里的电机。器人里的电机。第7章 微控电机7.2.1 7.2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机一、直流伺服电动机的结构和分类一、直流伺服电动机的结构和分类 直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。根据结构根据结构分为分为：1.1.普通型直流伺服电动机：普通型直流伺服电动机：与他励直流电动机结构相同，分为与他励直流电动机结构相同，分为电磁
18、式电磁式和和永磁式永磁式两种。两种。特点：特点：电枢铁心细长，气隙较小；电枢铁心细长，气隙较小；控制精度高，响应速度快。控制精度高，响应速度快。第7章 微控电机 盘形电枢直流伺服电动机结构盘形电枢直流伺服电动机结构引线引线前盖前盖电刷电刷盘形电枢盘形电枢轴轴磁钢磁钢后盖后盖说明：说明：定子：由永久磁钢和前后軛组成，磁钢定子：由永久磁钢和前后軛组成，磁钢可放在圆盘一侧，或两侧，形成轴可放在圆盘一侧，或两侧，形成轴向磁场。向磁场。气隙：位于圆盘的两边。气隙：位于圆盘的两边。电枢：圆盘上有电枢绕组，可以为印制电枢：圆盘上有电枢绕组，可以为印制绕组，也可以是绕线式绕组绕组，也可以是绕线式绕组工作：径向
19、电流和轴向磁通相互作用产工作：径向电流和轴向磁通相互作用产生电磁转矩，电动机转动。生电磁转矩，电动机转动。若是印制绕组，一般没有换向器，是通过电刷直若是印制绕组，一般没有换向器，是通过电刷直接与电枢的内部导体滑动接触而完成的。接与电枢的内部导体滑动接触而完成的。2.2.盘形电枢直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机第7章 微控电机空心杯电枢直流伺服电动机结构空心杯电枢直流伺服电动机结构换向器电枢电刷外定子内定子结构：结构：一个外定子：永磁材料制成，产生磁通；一个内定子：一个外定子：永磁材料制成，产生磁通；一个内定子：软磁材料制成，导磁作用。电枢绕组：可以是印制绕组，沿软磁材料制成，导磁作用。电枢
20、绕组：可以是印制绕组，沿轴排列成空心杯形，再用环氧树脂浇注成型。轴排列成空心杯形，再用环氧树脂浇注成型。特点：特点：转动惯量非常小，具有较高的加速能力，时间常数可小转动惯量非常小，具有较高的加速能力，时间常数可小于于1ms1ms。3.3.空心杯电枢直流伺服电动空心杯电枢直流伺服电动机机第7章 微控电机无槽电枢直流伺服电动机结构无槽电枢直流伺服电动机结构定子转子电枢结构：结构：电枢铁心无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，用环氧树脂固化在铁电枢铁心无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，用环氧树脂固化在铁心上，并用玻璃丝带加固，使电枢绕组与铁心成为坚实的整体。心上，并用玻璃丝带加固，使电枢绕组与铁心成为坚
21、实的整体。缺点：缺点：与前两种结构比较，电机转动惯量和电枢绕组电感大，动态性能差。与前两种结构比较，电机转动惯量和电枢绕组电感大，动态性能差。特点：特点：起动转矩大，低速性能好，调速范围宽。起动转矩大，低速性能好，调速范围宽。4.4.无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机第7章 微控电机二、直流伺服电动机的工作特性二、直流伺服电动机的工作特性说明：说明：在电磁转矩不变的情况下，改变电枢电压在电磁转矩不变的情况下，改变电枢电压U Ua a或励磁或励磁磁通磁通均可以控制电机的转速。均可以控制电机的转速。aaemEETURnTkk k转速关系式：转速关系式：1.1.控制方式：控制方式：电枢控制
22、：电枢控制：通过改变电枢电压来控制电机转速的方法。通过改变电枢电压来控制电机转速的方法。磁极控制：磁极控制：通过调节磁通通过调节磁通来控制电机转速的方法。来控制电机转速的方法。实际中主要采用实际中主要采用电枢控制电枢控制方式。方式。第7章 微控电机2.2.机械特性：机械特性：指在电枢电压、电枢电阻和励磁磁通保持不变，指在电枢电压、电枢电阻和励磁磁通保持不变，直流伺服电动机的转速直流伺服电动机的转速n n随电磁转矩随电磁转矩T Temem变化的关系变化的关系,即即n=n=f(Tf(Temem)。式中：式中：0,aaaEEETUURnkCkk k0aaememEETURnTnkTkk k 当电磁转
23、矩当电磁转矩T Temem=0=0时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为时的转速称为理想空载转速理想空载转速n n0 0。当电机转速为零时，电磁转矩仅与电枢电压有关，此时当电机转速为零时，电磁转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为的转矩称为堵转转矩堵转转矩T TD D,即即 。aDTaUTkR第7章 微控电机直流伺服电动机的机械特性曲线：直流伺服电动机的机械特性曲线：结论：结论：电枢控制直流伺服电动机的机械特性是一组平行直线。电枢控制直流伺服电动机的机械特性是一组平行直线。特点特点：随着电源电压的：随着电源电压的减小，理想空载转速减小，理想空载转速n n
24、0 0和和堵转转矩堵转转矩T TD D减小，斜率不减小，斜率不变。变。电枢控制时直流伺服电动机机械特性电枢控制时直流伺服电动机机械特性0aaememEETURnTnkTkk k第7章 微控电机3.3.直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性当负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。当负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。结论：结论：当负载转矩一定时，电动当负载转矩一定时，电动机的控制电压大于始动电压，电机的控制电压大于始动电压，电机运行；否则，电机不能起动。机运行；否则，电机不能起动。始动电压：始动电压：TLaakTRUaaLEETURnTkk k特点特点：一组平行的直线。：一组
25、平行的直线。直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性第7章 微控电机7.2.2 7.2.2 交流伺服电动机交流伺服电动机一、交流伺服电动机的基本结构一、交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机为交流伺服电动机为两相两相交流电机交流电机，由定子和转子两部，由定子和转子两部分组成。转子有分组成。转子有高电阻率导条高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定子为两相绕组，转子两种。定子为两相绕组，并在空间相差并在空间相差9090电角度，一电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图所示：绕组。如图所示：交流伺服电动机工作原理图交流伺
26、服电动机工作原理图第7章 微控电机1.1.高电阻率导条的笼型转子高电阻率导条的笼型转子特点：转子细长，减小转动惯量；转子导条和端环采用高电阻特点：转子细长，减小转动惯量；转子导条和端环采用高电阻率的导电材料如黄铜、青铜制造。率的导电材料如黄铜、青铜制造。1-1-机壳；机壳；2-2-外定子；外定子；3-3-杯形转子；杯形转子；4-4-内定子；内定子；5-5-端盖端盖非磁性空心杯型转子交流伺服电动机结构示意图非磁性空心杯型转子交流伺服电动机结构示意图特点：特点：转子固定在转轴上，壁转子固定在转轴上，壁很薄，很薄，0.3mm0.3mm左右，用非磁性材左右，用非磁性材料铝或铜制成；料铝或铜制成；具有较
27、大的转具有较大的转子电阻较小的转动惯量，噪音子电阻较小的转动惯量，噪音小，力矩不随轴的位置而变化，小，力矩不随轴的位置而变化，运行平稳。运行平稳。2.2.非磁性空心杯型转子非磁性空心杯型转子第7章 微控电机二、交流伺服电动机的工作原理二、交流伺服电动机的工作原理1.1.控制电压为零时：控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场，转子不动。只有励磁电流产生脉动磁场，转子不动。2.2.施加控制电压：施加控制电压：励磁绕组和控制绕组中的电流共同作用产生励磁绕组和控制绕组中的电流共同作用产生一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。交流伺服电动机工作原理图交流伺服电动机工作原理
28、图第7章 微控电机 自转现象与转子电阻关系自转现象与转子电阻关系 自转现象与转子电阻关系自转现象与转子电阻关系3.3.自转现象自转现象“自转自转”现象：当励磁电压不为零，现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时控制电压为零时，伺服电动，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。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。自转现象与转子电阻的关系：自转现象与转子电阻的关系：避免避免“自转自转”现象方法：现象方法：增大转子电阻值增大转子电阻值。第7章 微控电机三、交流伺服电动机的三种控制方式三、交流伺服电动机的三种控制方式1.1.幅值控制幅值控制 控制电压和
29、励磁电压保持相位差控制电压和励磁电压保持相位差9090，只改变控制电压的大小来调节电，只改变控制电压的大小来调节电机的转速，这种控制方法称为幅值控制。机的转速，这种控制方法称为幅值控制。2.2.相位控制相位控制 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。差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。3.3.幅相控制幅相控制 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动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动机
30、的转速，这种控制方法称为幅值机的转速，这种控制方法称为幅值相位控制。相位控制。控制方式有三种控制方式有三种：幅值控制幅值控制、相位控制相位控制和幅相控制。和幅相控制。说明：说明：幅相控制机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但其控制幅相控制机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但其控制电路简单，不需要移相器，因此实际应用较多。电路简单，不需要移相器，因此实际应用较多。第7章 微控电机7.2.3 7.2.3 伺服电动机的应用伺服电动机的应用 伺服电动机作为执行元件，具有可靠性高、稳定性好、控伺服电动机作为执行元件，具有可靠性高、稳定性好、控制精度高、设计周期短、成本低等优点，得到广泛应用
31、。制精度高、设计周期短、成本低等优点，得到广泛应用。举例：直流伺服电动机在雷达系统中的应用举例：直流伺服电动机在雷达系统中的应用说明说明：直流伺直流伺服电动机作为主服电动机作为主传动电机拖动天传动电机拖动天线转动。线转动。第7章 微控电机教学重点：教学重点：1 1 掌握直流伺服电动机的工作特性掌握直流伺服电动机的工作特性2 2 掌握交流伺服电动机的工作原理掌握交流伺服电动机的工作原理3 3 掌握交流伺服电动机的控制方式掌握交流伺服电动机的控制方式教学难点：教学难点：交流伺服电动机的自传现象交流伺服电动机的自传现象小小 结结作作 业：业：P242P242：7.37.3；7.47.4第7章 微控电
32、机7.3 7.3 测速发电机测速发电机教学内容：教学内容：7.3.1 7.3.1 直流测速发电机直流测速发电机7.3.2 7.3.2 交流异步测速发电机交流异步测速发电机7.3.3 7.3.3 测速发电机的应用测速发电机的应用教学目的与要求：教学目的与要求：1 1 掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法2 2 掌握空心杯型异步测速发电机的工作原理掌握空心杯型异步测速发电机的工作原理3 3 掌握异步测速发电机的输出特性及其误差掌握异步测速发电机的输出特性及其误差4 4 了解测速发电机的实际应用了解测速发电机的实际应用第7章 微控电机7.3.0 7
33、.3.0 测速发电机概述测速发电机概述自动控制系统对测速发电机要求：自动控制系统对测速发电机要求：（1 1）输出电压与转速保持良好的线性关系，且不受外界条件影响。）输出电压与转速保持良好的线性关系，且不受外界条件影响。（2 2）电机的摩擦转矩和转动惯量要小，保证电机反应迅速。）电机的摩擦转矩和转动惯量要小，保证电机反应迅速。（3 3）输出特性斜率要大，即发电机输出电压对转速的变化反应灵敏。）输出特性斜率要大，即发电机输出电压对转速的变化反应灵敏。测速发电机测速发电机：是检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械是检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械转速变换成电压信号，其转速变换成电压
34、信号，其输出电压输出电压与与输入的转速成正比关系输入的转速成正比关系。测速发电机根据电流不同，分为：测速发电机根据电流不同，分为：（1 1）直流测速发电机；）直流测速发电机；（2 2）交流测速发电机。）交流测速发电机。第7章 微控电机7.3.1 7.3.1 直流测速发电机直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性一、直流测速发电机的输出特性 当励磁磁通当励磁磁通和负载电阻和负载电阻R RL L一定时，测速发电机输出电压一定时，测速发电机输出电压U U2 2与转速与转速n n之间的关系，称为输出特性。之间的关系，称为输出特性。输出特性表达式为：输出特性表达式为：CnRRELaa1U2直流测速发电
35、机实际上就是一种直流测速发电机实际上就是一种微型直流发电机微型直流发电机，根据励磁方式的不同分为：根据励磁方式的不同分为：电磁式电磁式和和永磁式永磁式两种。两种。第7章 微控电机n n 不同负载电阻时的输出特性不同负载电阻时的输出特性U U2 2说明：说明：直流测速发电机的输出电压与转速保持严格直流测速发电机的输出电压与转速保持严格的的正比关系，正比关系，在实际中是很难做到的。在实际中是很难做到的。输出特性曲线：输出特性曲线：第7章 微控电机二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法1.1.电枢反应的影响电枢反应的影响原因原因：负载时电枢电流会产生电枢反应
36、，电枢反应的去磁作用使气：负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通隙磁通减小，斜率减小。负载电阻越小或电机转速越高，电减小，斜率减小。负载电阻越小或电机转速越高，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，输出特性斜率减小就枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，输出特性斜率减小就越明显，输出电压下降显著，输出特性向下弯曲。越明显，输出电压下降显著，输出特性向下弯曲。方法方法：安装补偿绕组；：安装补偿绕组；结构上加大气隙，削弱电枢反应；结构上加大气隙，削弱电枢反应；规定最大工作转速和最小负载电阻。规定最大工作转速和最小负载电阻。第7章 微控电机2.2.电刷接触电阻的影响电刷接触电阻的影
37、响 原因原因：电刷电刷接触电阻是非线性的，接触电阻是非线性的，随负随负载电流变化而变化。转速低、电流载电流变化而变化。转速低、电流小时，接触电阻较大，使输出电压小时，接触电阻较大，使输出电压变小，造成的线性误差很大，输出变小，造成的线性误差很大，输出特性在此区域，对转速反应很不灵特性在此区域，对转速反应很不灵敏，称为敏，称为不灵敏区不灵敏区。当电流较大的，。当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。的数值，线性误差相对而言小得多。考虑电刷接触压降后的输出特性考虑电刷接触压降后的输出特性方法方法：采用接触电阻较小的银：采用接触电阻较
38、小的银-石墨电刷；对低压输出进行非线性补石墨电刷；对低压输出进行非线性补偿。偿。第7章 微控电机3.3.温度的影响温度的影响原因原因：如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组：如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。温度升得越高，隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。斜率减小越明显，使特性向下弯曲。方法方法：为减小温度变化对输出特性的影响，：为减小温度变化对输出特性的影响，设计
39、时，总是把磁路设计时，总是把磁路设计得比较饱和，使励磁电流变化所引起的磁通变化减小；励设计得比较饱和，使励磁电流变化所引起的磁通变化减小；励磁回路串联温度系数低的大电阻，如锰镍铜合金或康铜来稳定励磁回路串联温度系数低的大电阻，如锰镍铜合金或康铜来稳定励磁电流。磁电流。第7章 微控电机4.4.纹波的影响纹波的影响纹波纹波：直流测速发动机输出电压不是稳定的直流电压，而是带有微：直流测速发动机输出电压不是稳定的直流电压，而是带有微弱的脉动，这种脉动称为纹波。弱的脉动，这种脉动称为纹波。原因原因：因素很多，如电机本身的固有结构及加工误差等。：因素很多，如电机本身的固有结构及加工误差等。纹波的存在，对高
40、精度系统是不允许的。纹波的存在，对高精度系统是不允许的。方法方法：为消除纹波的影响，可在电压输出电路中加入滤波装置。：为消除纹波的影响，可在电压输出电路中加入滤波装置。第7章 微控电机异步测速发电机异步测速发电机分为：分为：笼型笼型和和空心杯空心杯型两种。型两种。空心杯型测速发电机空心杯型测速发电机比笼型测速发电机测量精度高、转动惯量小，性能稳定，适于快速比笼型测速发电机测量精度高、转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。系统，应用比较广泛。交流测速发电机分类交流测速发电机分类：同步测速发电机同步测速发电机和和异步测速发电机异步测速发电机两种。两种。同步测速发电机同步测速发电机：其输
41、出电压和频率均随转速的变化而变化，一般其输出电压和频率均随转速的变化而变化，一般 作指示元件，很少用于控制系统的转速测量。作指示元件，很少用于控制系统的转速测量。异步测速发电机异步测速发电机：其输出电压频率与转速：其输出电压频率与转速n n无关，输出电压与转速无关，输出电压与转速n n成正比，在控制系统中应用广泛。成正比，在控制系统中应用广泛。7.3.2 7.3.2 交流异步测速发电机交流异步测速发电机第7章 微控电机一、空心杯型异步测速发电机的工作原理一、空心杯型异步测速发电机的工作原理1.1.结构：结构：与空心杯型伺服电动机的结与空心杯型伺服电动机的结构基本相同，但其构基本相同，但其转子电
42、阻更大转子电阻更大。定。定子上安放空间上互差子上安放空间上互差9090电角度的两电角度的两相绕组，一相为励磁绕组，匝数相绕组，一相为励磁绕组，匝数N Nf f，另一相为输出绕组，匝数另一相为输出绕组，匝数N N2 2，如图所，如图所示。示。机座号较小时，两相绕组都放在内定机座号较小时，两相绕组都放在内定子上。子上。机座号较大时，励磁绕组放在外定子机座号较大时，励磁绕组放在外定子上，输出绕组放在内定子上。上，输出绕组放在内定子上。异步测速发电机工作原理异步测速发电机工作原理第7章 微控电机异步测速发电机的工作原理异步测速发电机的工作原理2.2.工作原理：工作原理：当频率为当频率为f f 的励磁电
43、压的励磁电压U Uf f加入励磁绕组加入励磁绕组励磁电流励磁电流I If f 产生脉动磁动势及产生脉动磁动势及脉动磁通脉动磁通d d （属于直轴磁通）（属于直轴磁通）在励磁绕组中产生电动势在励磁绕组中产生电动势 当当U Uf f一一定时，忽略励磁绕组漏阻抗压降，定时，忽略励磁绕组漏阻抗压降，d d基本保持不变。基本保持不变。直轴磁通直轴磁通d d在在转子绕组中作用的况，转子绕组中作用的况，分转子静止分转子静止不不动动和和转动转动两种情况两种情况研究。研究。第7章 微控电机解释解释：转子不动时，脉动磁通：转子不动时，脉动磁通d d在空心杯转在空心杯转子中感应出子中感应出变压器电动势和电流变压器电
44、动势和电流（空心杯转空心杯转子可以看成有无数根导条的笼型转子，相当子可以看成有无数根导条的笼型转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组当于变压器的一次绕组），产生的磁场为与），产生的磁场为与励磁电源同频率的脉动磁场励磁电源同频率的脉动磁场 ，也为，也为d d轴（直轴（直轴），都与处于轴），都与处于q q轴（交轴）的输出绕组无轴（交轴）的输出绕组无磁通交链，输出绕组不会产生感应电动势，磁通交链，输出绕组不会产生感应电动势，故故输出电压为零，即输出电压为零，即U U2 2=0=0。转子静止，转子静止，n=0n=0时，电机转子不转，输
45、出电压为时，电机转子不转，输出电压为U U2 2=0=0。第7章 微控电机 n 0 n 0 时电机转子旋转时电机转子旋转 转子转动时，转子切割直轴磁通转子转动时，转子切割直轴磁通d d，在杯型转子中还会产生，在杯型转子中还会产生旋转电旋转电动势动势E Er r=C Cr rd dn(Cn(Cr r转子电动势常数转子电动势常数)，其大小正比于转子转速，其大小正比于转子转速n n，即，即E Er rnn，并以励磁磁场的脉振频率，并以励磁磁场的脉振频率 f f 交变。又因空心杯转子相当于短路交变。又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电动势绕组，故旋转电动势E Er r在杯型转子中产生同频率的在杯型转
46、子中产生同频率的短路电流短路电流I Ir r，其大小，其大小正比于正比于E Er r，其频率为，其频率为E Er r的交变频率的交变频率f f。短路电流短路电流I Ir r在相位上滞后在相位上滞后E Er r一个一个角度，该电流产生的磁动势角度，该电流产生的磁动势F Fr r可以分解为转子直轴磁动势可以分解为转子直轴磁动势F Frdrd和转子交轴和转子交轴磁动势磁动势F Frqrq。转子直轴磁动势影响励磁磁动势，而。转子直轴磁动势影响励磁磁动势，而转子交轴磁动势转子交轴磁动势产生产生交轴磁通交轴磁通q q，在输出绕组中产生感应电动势，在输出绕组中产生感应电动势E E2 2，且，且E E2 2q
47、 q。由于由于q qFFrqrqFFr rIIr rErnErn，若输出绕组开路，若输出绕组开路，U U2 2=E=E2 2nn，其频率为励磁，其频率为励磁电源频率，与转速大小无关。电源频率，与转速大小无关。第7章 微控电机U U2 2n n理想输出理想输出 特性特性实际输出实际输出特性特性 异步测速发电机的输出异步测速发电机的输出特性特性说明说明：1.1.理想情况下，异步测速发理想情况下，异步测速发电机的输出特性是线性的；电机的输出特性是线性的；2.2.实际上，当转速变化时，实际上，当转速变化时，励磁电流和励磁磁通都发生变励磁电流和励磁磁通都发生变化，即化，即d d不是常数，导致输不是常数，
48、导致输出电压出电压U U2 2与转速与转速n n之间的关系之间的关系被破坏了。被破坏了。二、异步测速发电机的输出特性二、异步测速发电机的输出特性-U-U2 2=f(nf(n)第7章 微控电机三、异步测速发电机的误差三、异步测速发电机的误差主要包括主要包括幅值及相位误差幅值及相位误差和和剩余电压误差。剩余电压误差。1.1.幅值误差幅值误差 输出电压：输出电压：与转速成正比，但要求磁通与转速成正比，但要求磁通d d=常数；常数；产生原因：产生原因：励磁绕组的漏抗存在，励磁绕组的漏抗存在，d d的相位和幅值均发生变化的相位和幅值均发生变化。减小该误差的方法：减小该误差的方法：增大转子电阻（如磷青铜制
49、成）。增大转子电阻（如磷青铜制成）。2.2.相位误差相位误差 在自动控制系统中不仅要求异步测速发电机输出电压与转速成在自动控制系统中不仅要求异步测速发电机输出电压与转速成正比，而且还要求正比，而且还要求输出电压与励磁电压同相位输出电压与励磁电压同相位。输出电压与励磁电压的相位误差是由励磁绕组的漏抗、杯型转输出电压与励磁电压的相位误差是由励磁绕组的漏抗、杯型转子的漏抗产生的。子的漏抗产生的。减小该误差的方法：减小该误差的方法：可在励磁回路中串电容进行补偿。可在励磁回路中串电容进行补偿。第7章 微控电机3.3.剩余电压误差剩余电压误差 产生原因：产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上的不对由于加
50、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。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：减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向特性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。及装配补偿绕组。第7章 微控电机7.3.3 7.3.3 测速发电机的应用测速发电机
