電機的種類及工作原理

關(guān)于電機的種類及工作原理第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.1單相異步電動機內(nèi)容要點：一、概述

1、

應(yīng)用情況廣泛應(yīng)用于家用電器（電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機等）、空調(diào)設(shè)備、電動工具、醫(yī)療器械及輕工設(shè)備中。⒈了解單相感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)特點、優(yōu)缺點及應(yīng)用情況；⒉掌握單相感應(yīng)電動機的工作原理，弄清單相感應(yīng)電動機為什么沒有起動轉(zhuǎn)矩？⒊重點掌握單相感應(yīng)電動機的的起動方法與類型。第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日

2、優(yōu)缺點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，噪音小。缺點：與同容量三相感應(yīng)電動機相比較，體積較大，功率因數(shù)及過載能力都較低。故單相感應(yīng)電動機只能作成小容量：微型：幾瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、

結(jié)構(gòu)繼續(xù)繼續(xù)

與三相感應(yīng)電動機相似，包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都是籠型的，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成。定子鐵心上嵌有定子繞組。單相感應(yīng)電動機正常工作時，一般只需要單相繞組即可，但單相繞組通以單相交流電時產(chǎn)生的磁場是脈動磁場，單相運行的電動機沒有起動轉(zhuǎn)矩。為使電動機能自行起動和改善運行性能，除工作繞組（又稱主繞組）外，在定子上還安裝一個輔助的起動繞組（又稱副繞組）。兩個繞組在空間相距900或一定的電角度。第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日

二、基本工作原理1、單相繞組通入單相交流電時的情況

單相交流繞組通入單相交流電流將產(chǎn)生脈動磁勢，一個脈動磁勢可以分解為兩個大小相等、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。分別用F+、F-表示，建立起正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁場ф+、ф-，這兩個磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，從而形成正反向電磁轉(zhuǎn)矩Tem+、Tem-，疊加后即為推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的合成轉(zhuǎn)矩Tem。第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日返回第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日設(shè)電動機轉(zhuǎn)速為n，則對正轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)差率s+為

對反轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)差率s-為

第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日

單相異步電動機的T=f(s)曲線第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日分析：1）轉(zhuǎn)子靜止時，n=0,S=1，合成轉(zhuǎn)矩為0。單相感應(yīng)電動機無起動轉(zhuǎn)矩，故單相異步電動機不能自行起動。

三相異步電動機電源斷一相，相當(dāng)于一臺單相異步電動機，故不能起動。2）當(dāng)s≠1時，T≠0，且T無固定方向，取決于s的正負(fù)。一旦旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向依外力方向而定，即在外力矩作用下，電機可朝外力方向旋轉(zhuǎn)。

三相感應(yīng)電動機運行中斷一相，電機仍能繼續(xù)運轉(zhuǎn)。3）由于存在負(fù)序轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩減小，過載能力低，TF不變，n下降→S上升→I2`上升→I1上升→溫升增加。第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.1.2單相異步電動機的主要類型一、分相起動電動機

分相起動電動機包括電容起動電動機、電容電動機和電阻起動電動機

根據(jù)獲得旋轉(zhuǎn)磁場方式的不同，主要分為分相電動機和罩極電動機1、電容起動電動機

特點：

?。┢饎永@組和電容按短時工作設(shè)計；

ⅱ）電容起分相和提高功率因數(shù)的作用。

由于起動繞組和電容按短時工作設(shè)計，因此，當(dāng)n達(dá)75～80%n1時，離心開關(guān)自動打開。第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、電容電動機電容電動機實質(zhì)是一臺兩相異步電動機，起動繞組和電容應(yīng)按長期工作設(shè)計。第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日特點：?。┢饎永@組和電容器按長期工作設(shè)計；ⅱ）過載能力、功率因數(shù)和效率均較高；ⅲ）容量能做到五十瓦至幾千瓦；ⅳ）應(yīng)用比較廣泛，如應(yīng)用于壓氣機、空調(diào)等。第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日3電阻起動電動機

在起動繞組中串聯(lián)電阻來分相，即工作繞組電阻小，電抗大；起動繞組電阻大，電抗小。二、罩極電動機

1、結(jié)構(gòu)特點：定子作成凸極式，由硅鋼片疊壓而成，工作繞組為集中繞組，套在定子磁極上，每個極靴表面1/3～1/4處開有一個小槽，放入罩極繞組（短路環(huán)），如下圖：第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、工作原理

在時間上滯后一個角度Ψ，而兩個繞組在空間也相隔一個角度，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)向由未罩極部分轉(zhuǎn)向罩極部分。電機轉(zhuǎn)向也由未罩極部分轉(zhuǎn)向罩極部分。3、改變轉(zhuǎn)向的方法：

1）定子上繞制兩套起動繞組；

2）將定、轉(zhuǎn)子反向安裝。

4、優(yōu)缺點：起動轉(zhuǎn)矩小，結(jié)構(gòu)簡單，不需要電容器。

5、應(yīng)用:用于小容量電動機中。如應(yīng)用于小型風(fēng)扇、電動模型和電唱機中。第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日小結(jié)：

1、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)特點、優(yōu)缺點及應(yīng)用情況，單相異步電動機廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療器械、輕工設(shè)備中；2、單相感應(yīng)電動機的工作原理，為什么沒有起動轉(zhuǎn)矩？3、單相感應(yīng)電動機的的起動方法與類型1）分相起動電動機；2）

罩極電動機。

第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.4伺服電動機7.4.1直流電動機一、直流伺服電機的結(jié)構(gòu)分類：普通型直流伺服電機；盤型電樞直流伺服電動機；空心杯直流伺服電動機；無槽直流伺服電動機。第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、直流伺服電動機的運行特性1、機械特性定義：指在控制電壓保持不變的情況下，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。式中：第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，電機轉(zhuǎn)矩僅與電樞電壓有關(guān)，此時的轉(zhuǎn)矩稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時，電機轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓有關(guān)，此時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日直流伺服電動機的機械特性如下：2、調(diào)節(jié)特性定義：指負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性如上圖所示。第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

交流伺服電動機

一、交流伺服電機的工作原理

交流伺服電動機一般為兩相交流電機，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子有籠形和杯形兩種。定子為兩相繞組，并在空間相差90°電角度，一個為勵磁繞組，另一個為控制繞組。如下圖所示：第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象及避免“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象方法：“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：當(dāng)勵磁電壓不為零，控制電壓為零時，伺服電動機相當(dāng)于一臺單相異步電動機，若轉(zhuǎn)子電阻較小，則電機仍然旋轉(zhuǎn)。避免“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象方法：增大轉(zhuǎn)子電阻值。第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、交流伺服電機的控制方式

交流伺服電機的控制方式有三種：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制

1、幅值控制控制電壓和勵磁電壓保持相位差90°，只改變控制電壓幅值，這種控制方法稱為幅值控制。

2、相位控制控制電壓和勵磁電壓幅值均為額定值，通過改變控制電壓和勵磁電壓相位差，實現(xiàn)對伺服電動機的控制，這種控制方法稱為相位控制。

3、幅值—相位控制通過改變控制電壓的幅值及控制電壓與勵磁電壓的相位差控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，這種控制方法稱為幅值—相位控制。第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.5測速發(fā)電機

分類：直流測速發(fā)電機和交流伺服電動機

分永磁式和電磁式兩種。7.5直流測速發(fā)電機一、直流測速發(fā)電機的輸出特性

輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為輸出特性，如圖所示。第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日減少誤差的方法：紋波的影響產(chǎn)生誤差的原因電樞反應(yīng)電刷接觸電阻的影響二、直流測速發(fā)電機的誤差及減少誤差的方法第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.5.2交流異步測速發(fā)電機

分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機一、空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日切割電動勢計算公式1、n=0電機不轉(zhuǎn)輸出電壓U2=02、n0電機旋轉(zhuǎn)切割電動勢大小:即：輸出繞組的感應(yīng)電動勢的幅值正比于電機的轉(zhuǎn)速。第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、異步測速發(fā)電機的誤差主要包括幅值及相位誤差和剩余電壓誤差1、幅值及相位誤差產(chǎn)生原因：勵磁繞組存在漏電感。減小該誤差的方法：增大轉(zhuǎn)子電阻。第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、剩余電壓誤差產(chǎn)生原因：由于加工、裝配過程中存在機械上的不對稱及定子磁性材料性能的不一致性，使得測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速為零時，實際輸出電壓并不為零，此時的電壓稱為剩余電壓，剩余電壓引起的誤差稱為剩余電壓誤差。減小剩余電壓誤差的方法：選擇高質(zhì)量的各方向特性一致的磁性材料，在機加工和裝配過程中提高機械精度以及裝配補償繞組。第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.6自整角機分類：控制式自整角機和力矩式自整角機一、力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)與工作原理

自整角機是一種能對角位移或角速度的偏差自動整步的感應(yīng)式控制電機。一般成對或多臺組合使用。7.6.1自整角機的結(jié)構(gòu)與工作原理

通常采用兩極結(jié)構(gòu)，絕大部分采用凸極式結(jié)構(gòu)，頻率高、尺寸大的力矩式自整角機采用隱極式結(jié)構(gòu)第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

力矩式自整角機的三種結(jié)構(gòu)：第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖7.6.2為自整角機的工作原理圖第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日發(fā)送機的轉(zhuǎn)子位置為θ1，接收機的轉(zhuǎn)子位置為θ2，失調(diào)角θ為

θ=θ1-θ2１．力矩式自整角機整步繞組中的電動勢與電流

每相整步繞組中的感應(yīng)電動勢：發(fā)送機：接收機：第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日各相繞組中的總電動勢：第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日各相繞組中的電流：第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2．力矩式自整角機整步繞組的磁動勢：第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日發(fā)送機的交軸磁動勢分量：發(fā)送機的直軸磁動勢分量：合成磁動勢的幅值：第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日同理可求得接收機的整步磁動勢為：3．力矩式自整角機的轉(zhuǎn)矩：式中：k1為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，φ為直軸磁通與交軸磁動勢間的夾角。第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、控制式自整角機的結(jié)構(gòu)與工作原理

控制式自整角機與力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)基本相同。

圖為控制式自整角機的工作原理圖第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.6.2自整角機的誤差分析與選用時應(yīng)注意的問題

力矩式自整角機的誤差：主要有零位誤差和靜態(tài)誤差。

控制式自整角機的誤差：主要有電氣誤差和零位電壓誤差。第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.7旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是自動裝置中的一類精密控制微電機。分類：按有無電刷和滑環(huán)之間的滑動接觸來分：接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器和非接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器。按電機的極對數(shù)多少來分：單極對旋轉(zhuǎn)變壓器和多極對式旋轉(zhuǎn)變壓器。按使用要求來分：用于解算裝置的旋轉(zhuǎn)變壓器和用于隨動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器。一、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理7.7.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.正弦繞組第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

定子上放置兩套互差90空間角度的匝數(shù)、型式完全相同的正弦繞組，一個作為勵磁繞組，另一個作為交軸繞組。勵磁繞組上施加交流勵磁電壓，定義勵磁繞組的軸線方向為d軸，在氣隙中產(chǎn)生d軸磁通Фd，勵磁繞組中的感應(yīng)電動勢為：（1）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的空載運行

轉(zhuǎn)子上也有兩套完全相同的的正弦繞組，兩套繞組的空間位置也互差90，d軸磁通與轉(zhuǎn)子交鏈，產(chǎn)生變壓器電動勢，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢大小和轉(zhuǎn)子與勵磁繞組的相對位置有關(guān)。第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日將Фd分解為兩個分量：與正弦繞組軸線方向一致的磁通Фr1和與正弦繞組軸線相垂直的磁通Фr2。第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的開路輸出電壓分別為：第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日（2）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負(fù)載運行第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日一次補償與二次補償?shù)母拍畹谖迨摚擦彭摚?022年，8月28日二、線性旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角α成正比關(guān)系第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日正弦繞組的開路輸出電壓：進(jìn)行級數(shù)展開：第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日設(shè)ku=0.5,將級數(shù)展開式代入（1）式中，得：忽略轉(zhuǎn)角的高次項時，上式可寫為：第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日二次補償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器：第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.7.2旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差及其改進(jìn)方法1、產(chǎn)生誤差的原因2、改進(jìn)方法7.7.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日

步進(jìn)電動機用電脈沖信號進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程或設(shè)備的數(shù)字控制。7.8步進(jìn)電動機7.8.1步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理根據(jù)作用原理和結(jié)構(gòu)不同，分為兩大類型：（1）電磁型步進(jìn)電機，僅靠電磁作用不能使電機的轉(zhuǎn)子作步進(jìn)運行，必須加上相應(yīng)的機械部件，才能產(chǎn)生步進(jìn)的效果；（2）定子和轉(zhuǎn)子之間僅靠電磁作用就可以產(chǎn)生步進(jìn)作用的電機。第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日

在第2類步進(jìn)電機中，根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，分為永磁式轉(zhuǎn)子電機和反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機。

二、反應(yīng)式步進(jìn)電機的工作原理

圖為一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電機，它由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上有三對磁極，磁極上裝有勵磁繞組。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個凸極，極上步裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒。

第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日步距角：步進(jìn)電機每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步距角的計算公式：式中：m為步進(jìn)電機的相數(shù)；C為通電狀態(tài)系數(shù)，單拍或雙拍工作時C=1，單雙拍混合方式工作時C=2；Zr為步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進(jìn)電機的控制方式分三種：（1）三相單三拍工作方式，A-B-C-A;(2)三相單、雙六拍工作方式，

A-AB-B-BC-CA-A;(3)三相雙三拍工作方式，

AB-BC-CA-AB;第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日一、反應(yīng)式步進(jìn)電機的靜特性(1)矩角特性7.8.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機的特性步進(jìn)電機的矩角特性是指在不改變通電狀態(tài)的條件下，步進(jìn)電機的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系。用T=f(θ)表示。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速為：

式中：f為步進(jìn)電機每秒的拍數(shù)，稱為步進(jìn)電機通電脈沖頻率。第六十一頁，共六十九頁