第5章 控制電機及其他用途電動機

1、第第5章章 控制電機及他用途電動機控制電機及他用途電動機范國偉范國偉安徽工業(yè)大學安徽工業(yè)大學5.1 測速發(fā)電機測速發(fā)電機l測速發(fā)電機是用來測量轉(zhuǎn)速的電磁裝置。測速發(fā)電機是用來測量轉(zhuǎn)速的電磁裝置。測速發(fā)電機能夠把機械旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳獪y速發(fā)電機能夠把機械旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾妷盒盘?，也可以將其輸出電壓傳遞到的電壓信號，也可以將其輸出電壓傳遞到輸入端作為反饋信號以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。測速發(fā)輸入端作為反饋信號以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。測速發(fā)電機有兩種類型，即交流的測速發(fā)電機和電機有兩種類型，即交流的測速發(fā)電機和直流測速發(fā)電機。直流測速發(fā)電機。5.1.1. 交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機l交流測速發(fā)電機分為同步和異步兩類。異交流測

2、速發(fā)電機分為同步和異步兩類。異步測速發(fā)電機又有籠型轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩步測速發(fā)電機又有籠型轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。種。l目前用得最廣泛的一種是杯形轉(zhuǎn)子異步測目前用得最廣泛的一種是杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。速發(fā)電機。5.1.2. 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機l直流測速發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與普通小型直流直流測速發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與普通小型直流發(fā)電機相同。按勵磁方式可分為他勵式和發(fā)電機相同。按勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種。永磁式的定子用永磁鋼制成。永磁式兩種。永磁式的定子用永磁鋼制成。按電樞結(jié)構(gòu)又可分為有槽式電樞和無槽式按電樞結(jié)構(gòu)又可分為有槽式電樞和無槽式電樞等。常用的為有槽式我結(jié)構(gòu)。電樞等。常用的為有槽式我結(jié)構(gòu)。

3、5.2 伺服電動機伺服電動機l伺服電動機的作用是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換伺服電動機的作用是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度輸出。在自動控為軸上的角位移或角速度輸出。在自動控制系統(tǒng)中伺服電動機常作為執(zhí)行元件使用。制系統(tǒng)中伺服電動機常作為執(zhí)行元件使用。伺服電動機有兩種類型，即交流伺服電動伺服電動機有兩種類型，即交流伺服電動機和直流伺服電動機。機和直流伺服電動機。5.2.1. 交流伺服電動機交流伺服電動機l交流伺服電動機的定子與一般單相異步電交流伺服電動機的定子與一般單相異步電動機的定子相似。定子繞組多制成兩相，動機的定子相似。定子繞組多制成兩相，兩相繞組在空間相差兩相繞組在空間相差90電角度。其

4、轉(zhuǎn)子結(jié)電角度。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型和非磁性杯形兩種。籠型轉(zhuǎn)子的構(gòu)有籠型和非磁性杯形兩種?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子相同；結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子相同；非磁性杯形轉(zhuǎn)子與杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電非磁性杯形轉(zhuǎn)子與杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相似。籠型伺服電動機應用最為機的轉(zhuǎn)子相似?；\型伺服電動機應用最為廣泛。廣泛。5.2.2. 直流伺服電動機直流伺服電動機l在直流伺服系統(tǒng)中常用的是電磁式（他勵在直流伺服系統(tǒng)中常用的是電磁式（他勵式）和永磁式直流伺服電動機。其結(jié)構(gòu)與式）和永磁式直流伺服電動機。其結(jié)構(gòu)與普通他勵式和永磁式直流電動機沒有根本普通他勵式和永磁式直流電動機沒有根本區(qū)別。所不同的是，

5、伺服電動機電樞電流區(qū)別。所不同的是，伺服電動機電樞電流很小，換向并不困難，因此，都不裝換向很小，換向并不困難，因此，都不裝換向極，并且轉(zhuǎn)子做得細長，氣隙較小。極，并且轉(zhuǎn)子做得細長，氣隙較小。5.3 步進電動機步進電動機l步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或直線位移的裝置。每輸入一個成角位移或直線位移的裝置。每輸入一個脈沖，步進電動機就前進一步。因此，其脈沖，步進電動機就前進一步。因此，其位移與脈沖數(shù)成正比；線或轉(zhuǎn)速與脈沖頻位移與脈沖數(shù)成正比；線或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。它們用于數(shù)控機床、繪圖機、率成正比。它們用于數(shù)控機床、繪圖機、軋鋼機的自動控制及自動記錄儀

6、表中。軋鋼機的自動控制及自動記錄儀表中。l步進電動機的種類很多。按運動方式步進電動機的種類很多。按運動方式可分為旋轉(zhuǎn)運動、直線運動和平面運動等可分為旋轉(zhuǎn)運動、直線運動和平面運動等幾種；按工作原理可分反應式、永磁式和幾種；按工作原理可分反應式、永磁式和永磁感應式等幾種。永磁感應式等幾種。5.4 自整角機自整角機l自整角機（自整角機（selsyn）的功能是將轉(zhuǎn)角）的功能是將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號，或?qū)㈦妷盒盘栕儞Q成轉(zhuǎn)變換成電壓信號，或?qū)㈦妷盒盘栕儞Q成轉(zhuǎn)角，通過兩臺或兩臺以上的組合使用，實角，通過兩臺或兩臺以上的組合使用，實現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收?，F(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。l例如，要使兩根相距很遠的軸

7、同步偏例如，要使兩根相距很遠的軸同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，很難用機械聯(lián)結(jié)的方式來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，很難用機械聯(lián)結(jié)的方式來實現(xiàn)。若是利用自整角機來完成這一任務，就很若是利用自整角機來完成這一任務，就很方便。這種利用自整角機使兩根或兩根以方便。這種利用自整角機使兩根或兩根以上無機械聯(lián)系的軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的上無機械聯(lián)系的軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)稱為同步聯(lián)接系統(tǒng)。系統(tǒng)稱為同步聯(lián)接系統(tǒng)。5.4.1. 力矩式自整角機力矩式自整角機l利用力矩式自整角機組成的同步聯(lián)接利用力矩式自整角機組成的同步聯(lián)接系統(tǒng)的電路如圖系統(tǒng)的電路如圖5-12所示。其中自整角機所示。其中自整角機a放在需要發(fā)送轉(zhuǎn)角的地方，稱為自整角放在需要發(fā)

8、送轉(zhuǎn)角的地方，稱為自整角發(fā)送機；自整角機發(fā)送機；自整角機b放在接受轉(zhuǎn)角的地方，放在接受轉(zhuǎn)角的地方，稱為自整角接收機。它們的定子繞組又稱稱為自整角接收機。它們的定子繞組又稱同步繞組，用導線對接起來轉(zhuǎn)子繞組又同步繞組，用導線對接起來轉(zhuǎn)子繞組又稱勵磁繞組，接在同一交流電源上。稱勵磁繞組，接在同一交流電源上。5.4.2. 控制式自整角機控制式自整角機l控制式自整角機電路如圖控制式自整角機電路如圖5-13所示。它與所示。它與力矩式自整角機系統(tǒng)不同之處是：控制式力矩式自整角機系統(tǒng)不同之處是：控制式自整角機中的接收機并不直接帶負載轉(zhuǎn)動，自整角機中的接收機并不直接帶負載轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子繞組不是接在交流電源上而是用來

9、轉(zhuǎn)子繞組不是接在交流電源上而是用來輸出電壓故又稱輸出繞組。由于該接收輸出電壓故又稱輸出繞組。由于該接收機是從定于繞組輸入電壓，從轉(zhuǎn)子繞組輸機是從定于繞組輸入電壓，從轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓，它工作在變壓器狀態(tài)，故稱自整出電壓，它工作在變壓器狀態(tài)，故稱自整角變壓器。當自整角發(fā)送機與自整角變壓角變壓器。當自整角發(fā)送機與自整角變壓器的定、轉(zhuǎn)子繞組處于圖器的定、轉(zhuǎn)子繞組處于圖5-14所示位置，所示位置，即它們的轉(zhuǎn)子繞線互相垂直時，它們所處即它們的轉(zhuǎn)子繞線互相垂直時，它們所處的位置稱為控制式自整角肌的協(xié)調(diào)位置。的位置稱為控制式自整角肌的協(xié)調(diào)位置。5.5 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器l旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器(rotary

10、transformer)的功能的功能是將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之有函數(shù)關(guān)系的電是將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之有函數(shù)關(guān)系的電壓信號。壓信號。l旋轉(zhuǎn)變壓器從原理上說，相當于一臺二次旋轉(zhuǎn)變壓器從原理上說，相當于一臺二次繞組可以轉(zhuǎn)動的變壓器。從結(jié)構(gòu)上說，相繞組可以轉(zhuǎn)動的變壓器。從結(jié)構(gòu)上說，相當于一臺兩相繞線型異步電動機。旋轉(zhuǎn)變當于一臺兩相繞線型異步電動機。旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子鐵心由優(yōu)質(zhì)硅鋼片或高鎳壓器的定、轉(zhuǎn)子鐵心由優(yōu)質(zhì)硅鋼片或高鎳合金片疊成。合金片疊成。5.5.1. 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器l種旋轉(zhuǎn)變壓器的特點是：輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正種旋轉(zhuǎn)變壓器的特點是：輸出電壓是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦和余弦函數(shù)。弦和余弦函數(shù)

11、。l電路如圖電路如圖5-15所示，所示，D1D2和和D3D4是定子繞組，它是定子繞組，它們的有效匝數(shù)為們的有效匝數(shù)為kw1N1。Z1Z2和和Z3Z4是轉(zhuǎn)子繞組，它是轉(zhuǎn)子繞組，它們的有效匝數(shù)為們的有效匝數(shù)為kw2N2。定子繞組。定子繞組D1D2稱為勵磁繞組，稱為勵磁繞組，工作時，加上大小和頻率一定的交流勵磁電壓工作時，加上大小和頻率一定的交流勵磁電壓Uf以產(chǎn)生以產(chǎn)生工作時所需要的磁場。定子繞組工作時所需要的磁場。定子繞組D3D4稱為補償繞組，稱為補償繞組，其作用稍后再討淪。轉(zhuǎn)子繞組其作用稍后再討淪。轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2為余弦輸出繞組，為余弦輸出繞組，Z3Z4為正弦輸出繞組。當定子繞組為正弦輸出繞組。

12、當定子繞組D1D2與轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2軸線一致時，稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的基準位置。下面軸線一致時，稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的基準位置。下面逐步來分析正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理。逐步來分析正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理。5.5.2. 線性旋轉(zhuǎn)變壓器線性旋轉(zhuǎn)變壓器l這種旋轉(zhuǎn)變壓器的特點是在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，輸出電這種旋轉(zhuǎn)變壓器的特點是在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比。壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比。l由于由于很小，且用弧度為單位時，很小，且用弧度為單位時，sin。因此，一般。因此，一般的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角很小時即為線性旋轉(zhuǎn)變的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角很小時即為線性旋轉(zhuǎn)變壓器。但是當壓器。但是當=14

13、0.244.35 rad時，時，sinl4=0.241 92，誤差已達，誤差已達1。因此，若要求在更。因此，若要求在更大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)得到與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系的輸出電壓時，大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)得到與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系的輸出電壓時，簡單地直接使用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器就不能滿足要求了。簡單地直接使用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器就不能滿足要求了。為此，線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了圖為此，線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了圖5-19所示的接線方式。所示的接線方式。定子定子D1D2繞組與轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子Z1Z2繞組串聯(lián)后加上交流勵磁電繞組串聯(lián)后加上交流勵磁電壓壓Uf。轉(zhuǎn)子正弦輸出繞組。轉(zhuǎn)子正弦輸出繞組Z3Z4接負載接負載ZL，作輸出繞組。，作輸出繞組。定子定

14、子D3D4繞組短路作補償繞組。繞組短路作補償繞組。5.5.3. 比例式旋轉(zhuǎn)變壓器比例式旋轉(zhuǎn)變壓器l從原理上說，比例式旋轉(zhuǎn)變壓器與正余弦從原理上說，比例式旋轉(zhuǎn)變壓器與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，不同之處是比例式旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，不同之處是比例式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)整齒輪和調(diào)整后可變壓器的轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)整齒輪和調(diào)整后可以固定轉(zhuǎn)子的機構(gòu)，使用時，可將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)以固定轉(zhuǎn)子的機構(gòu)，使用時，可將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到需要的角度后加以固定。到需要的角度后加以固定。l比例式旋轉(zhuǎn)變壓器可以用來求解三角函數(shù)、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器可以用來求解三角函數(shù)、調(diào)節(jié)電壓和實現(xiàn)阻抗匹配等。調(diào)節(jié)電壓和實現(xiàn)阻抗匹配等。5.5.4. 數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)

15、據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器l數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和用途與控制式自整數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和用途與控制式自整角機相同，但精確度要比控制式自整角機高。電路如圖角機相同，但精確度要比控制式自整角機高。電路如圖5-21所示。左邊的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變發(fā)送機，右邊的所示。左邊的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變發(fā)送機，右邊的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變變壓器。它們的定子繞組對應相接，旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變變壓器。它們的定子繞組對應相接，旋變發(fā)送機的轉(zhuǎn)子繞組旋變發(fā)送機的轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2加上交流勵磁電壓加上交流勵磁電壓Uf，Z3Z4繞組短路作補償用。旋變變壓器的轉(zhuǎn)子繞組繞組短路作補償用。旋變變壓器的轉(zhuǎn)子繞組Z3Z4作輸出繞組，作

16、輸出繞組，Z1Z2繞組短路作補償用。與控制式自整繞組短路作補償用。與控制式自整角機一樣，當旋變發(fā)送機的勵磁繞組角機一樣，當旋變發(fā)送機的勵磁繞組Z1Z2與旋變變壓與旋變變壓器的輸出繞組器的輸出繞組Z3Z4處于垂直的協(xié)調(diào)位置時，輸出繞組處于垂直的協(xié)調(diào)位置時，輸出繞組沒有輸出電壓。當旋變發(fā)送機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個沒有輸出電壓。當旋變發(fā)送機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角時，角時，旋變變壓器的輸出繞組便有電壓輸出。旋變變壓器的輸出繞組便有電壓輸出。5.6 單相異步電動機單相異步電動機l由單相電源供電的異步電動機稱為單相異由單相電源供電的異步電動機稱為單相異步電動機。其基本原理是建立在三相異步步電動機。其基本原理是建立在三相

17、異步電動機的基礎上，但在結(jié)構(gòu)、特性等方面電動機的基礎上，但在結(jié)構(gòu)、特性等方面與三相異步電動機有很大的差別。與三相異步電動機有很大的差別。單相異步電動機的起動方法單相異步電動機的起動方法l從上述可知，單相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理從上述可知，單相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理和三相異步電動機類似，但單相異步電動和三相異步電動機類似，但單相異步電動機無起動轉(zhuǎn)矩，所以首先必須解決它的起機無起動轉(zhuǎn)矩，所以首先必須解決它的起動問題。單相異步電動機的起動方法通常動問題。單相異步電動機的起動方法通常有分相起動和罩極起動兩種。這里主要介有分相起動和罩極起動兩種。這里主要介紹電容分相式電動機。紹電容分相式電動機。（1）電容分相

18、式電動機的基本結(jié)構(gòu)）電容分相式電動機的基本結(jié)構(gòu)l在單相異步電動機的定子槽中，除嵌有一在單相異步電動機的定子槽中，除嵌有一套主繞組外，還增加了一套起動繞組。圖套主繞組外，還增加了一套起動繞組。圖5-24表示一臺最簡單的帶有起動繞組的單表示一臺最簡單的帶有起動繞組的單相異步電動機結(jié)構(gòu)，在起動繞組中串聯(lián)的相異步電動機結(jié)構(gòu)，在起動繞組中串聯(lián)的電容器稱分相電容。電容器稱分相電容。 （2）電容分相式電動機的工作原理）電容分相式電動機的工作原理l由于起動繞組中串接了電容器，所以在同由于起動繞組中串接了電容器，所以在同一單相交流電源中，起動繞組中通過的電一單相交流電源中，起動繞組中通過的電流與主繞組通過的電流

19、是不同相位的。起流與主繞組通過的電流是不同相位的。起動繞組的電流超前于主繞組電流某一角度。動繞組的電流超前于主繞組電流某一角度。若電容器的容量合適，則起動繞組的電流若電容器的容量合適，則起動繞組的電流超前于主繞組電流約超前于主繞組電流約 90相位角，如圖相位角，如圖5-25所示。因為這種電動機將單相電流分所示。因為這種電動機將單相電流分為兩相電流，故稱為分相式電動機。為兩相電流，故稱為分相式電動機。 因因此，在兩相電流作用下，這種電動機便可此，在兩相電流作用下，這種電動機便可產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場，如圖產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場，如圖5-26所示，原理所示，原理分析同三相異步電動機。分析同三相異步電動機。5.

20、7 無刷直流電動機無刷直流電動機l無刷直流電動機克服了普通直流電動機設無刷直流電動機克服了普通直流電動機設置換向器的缺點，在現(xiàn)代的空調(diào)器普遍采置換向器的缺點，在現(xiàn)代的空調(diào)器普遍采用，達到降低電能損耗的目的。用，達到降低電能損耗的目的。l普通直流電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子普通直流電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷改變電旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動

21、電動機不斷旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電動機不斷旋轉(zhuǎn)。5.8 直流力矩電動機直流力矩電動機l直流力矩電動機是一種能夠長期處于堵轉(zhuǎn)直流力矩電動機是一種能夠長期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電動機。狀態(tài)下工作的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電動機。目前主要采用永磁式電樞控制方式。在結(jié)目前主要采用永磁式電樞控制方式。在結(jié)構(gòu)尺寸和比例上與直流伺服電動機不同，構(gòu)尺寸和比例上與直流伺服電動機不同，后者為了減小轉(zhuǎn)動慣量大多做成細長圓后者為了減小轉(zhuǎn)動慣量大多做成細長圓筒形，而直流力矩電動機為了能在相同的筒形，而直流力矩電動機為了能在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低體積和電樞電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速一般都做成扁平形。的轉(zhuǎn)速一般都做成扁平形。5.9 直線電動機直線電動機l直線電動機就是把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運直線電動機就是把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能的電動機。當然旋轉(zhuǎn)電動機也動的機械能的電動機。當然旋轉(zhuǎn)電動機也可以通過轉(zhuǎn)換裝置，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹笨梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)換裝置，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，帶動負載作直線運動。但由于有線運動，帶動負載作直線運動。但由于有中間轉(zhuǎn)換裝置，使得這種拖動系統(tǒng)效率低、中間轉(zhuǎn)換裝