電機(jī)的種類及工作原理

關(guān)于電機(jī)的種類及工作原理第1頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.1單相異步電動機(jī)內(nèi)容要點(diǎn)：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(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況；⒉掌握單相感應(yīng)電動機(jī)的工作原理，弄清單相感應(yīng)電動機(jī)為什么沒有起動轉(zhuǎn)矩？⒊重點(diǎn)掌握單相感應(yīng)電動機(jī)的的起動方法與類型。第2頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

2、優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，噪音小。缺點(diǎn)：與同容量三相感應(yīng)電動機(jī)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(jī)只能作成小容量：微型：幾瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。第3頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2、

結(jié)構(gòu)繼續(xù)繼續(xù)

與三相感應(yīng)電動機(jī)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(jī)正常工作時(shí)，一般只需要單相繞組即可，但單相繞組通以單相交流電時(shí)產(chǎn)生的磁場是脈動磁場，單相運(yùn)行的電動機(jī)沒有起動轉(zhuǎn)矩。為使電動機(jī)能自行起動和改善運(yùn)行性能，除工作繞組（又稱主繞組）外，在定子上還安裝一個(gè)輔助的起動繞組（又稱副繞組）。兩個(gè)繞組在空間相距900或一定的電角度。第4頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

二、基本工作原理1、單相繞組通入單相交流電時(shí)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(gè)脈動磁勢可以分解為兩個(gè)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(gè)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6頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三返回第7頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三設(shè)電動機(jī)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8頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

單相異步電動機(jī)的T=f(s)曲線第9頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三分析：1）轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，n=0,S=1，合成轉(zhuǎn)矩為0。單相感應(yīng)電動機(jī)無起動轉(zhuǎn)矩，故單相異步電動機(jī)不能自行起動。

三相異步電動機(jī)電源斷一相，相當(dāng)于一臺單相異步電動機(jī)，故不能起動。2）當(dāng)s≠1時(shí)，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(jī)可朝外力方向旋轉(zhuǎn)。

三相感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行中斷一相，電機(jī)仍能繼續(xù)運(yùn)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10頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.1.2單相異步電動機(jī)的主要類型一、分相起動電動機(jī)

分相起動電動機(jī)包括電容起動電動機(jī)、電容電動機(jī)和電阻起動電動機(jī)

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

特點(diǎn)：

ⅰ）起動繞組和電容按短時(shí)工作設(shè)計(jì)；

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(shí)工作設(shè)計(jì)，因此，當(dāng)n達(dá)75～80%n1時(shí)，離心開關(guān)自動打開。第11頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2、電容電動機(jī)電容電動機(jī)實(shí)質(zhì)是一臺兩相異步電動機(jī)，起動繞組和電容應(yīng)按長期工作設(shè)計(jì)。第13頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三特點(diǎn)：?。┢饎永@組和電容器按長期工作設(shè)計(jì)；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(jī)、空調(diào)等。第14頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三3電阻起動電動機(jī)

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(jī)

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(gè)極靴表面1/3～1/4處開有一個(gè)小槽，放入罩極繞組（短路環(huán)），如下圖：第15頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2、工作原理

在時(shí)間上滯后一個(gè)角度Ψ，而兩個(gè)繞組在空間也相隔一個(gè)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(jī)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(diǎn)：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(jī)中。如應(yīng)用于小型風(fēng)扇、電動模型和電唱機(jī)中。第17頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三小結(jié)：

1、單相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況，單相異步電動機(jī)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(jī)的工作原理，為什么沒有起動轉(zhuǎn)矩？3、單相感應(yīng)電動機(jī)的的起動方法與類型1）分相起動電動機(jī)；2）

罩極電動機(jī)。

第18頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.4伺服電動機(jī)7.4.1直流電動機(jī)一、直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)分類：普通型直流伺服電機(jī)；盤型電樞直流伺服電動機(jī)；空心杯直流伺服電動機(jī)；無槽直流伺服電動機(jī)。第19頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第20頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第21頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行特性1、機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。式中：第22頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

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

當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓有關(guān)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速第23頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性如下：2、調(diào)節(jié)特性定義：指負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性如上圖所示。第24頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.4.2

交流伺服電動機(jī)

一、交流伺服電機(jī)的工作原理

交流伺服電動機(jī)一般為兩相交流電機(jī)，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(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為控制繞組。如下圖所示：第25頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三“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(lì)磁電壓不為零，控制電壓為零時(shí)，伺服電動機(jī)相當(dāng)于一臺單相異步電動機(jī)，若轉(zhuǎn)子電阻較小，則電機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)。避免“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象方法：增大轉(zhuǎn)子電阻值。第26頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、交流伺服電機(jī)的控制方式

交流伺服電機(jī)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(lì)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(lì)磁電壓幅值均為額定值，通過改變控制電壓和勵(lì)磁電壓相位差，實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)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(lì)磁電壓的相位差控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種控制方法稱為幅值—相位控制。第27頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.5測速發(fā)電機(jī)

分類：直流測速發(fā)電機(jī)和交流伺服電動機(jī)

分永磁式和電磁式兩種。7.5直流測速發(fā)電機(jī)一、直流測速發(fā)電機(jī)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28頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三減少誤差的方法：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(jī)的誤差及減少誤差的方法第29頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.5.2交流異步測速發(fā)電機(jī)

分為同步測速發(fā)電機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī)一、空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)的工作原理第30頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三切割電動勢計(jì)算公式1、n=0電機(jī)不轉(zhuǎn)輸出電壓U2=02、n0電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。第31頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、異步測速發(fā)電機(jī)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(lì)磁繞組存在漏電感。減小該誤差的方法：增大轉(zhuǎn)子電阻。第32頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2、剩余電壓誤差產(chǎn)生原因：由于加工、裝配過程中存在機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，實(shí)際輸出電壓并不為零，此時(shí)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(jī)加工和裝配過程中提高機(jī)械精度以及裝配補(bǔ)償繞組。第33頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.6自整角機(jī)分類：控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)一、力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

自整角機(jī)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(jī)。一般成對或多臺組合使用。7.6.1自整角機(jī)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(jī)采用隱極式結(jié)構(gòu)第34頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

力矩式自整角機(jī)的三種結(jié)構(gòu)：第35頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三圖7.6.2為自整角機(jī)的工作原理圖第36頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子位置為θ1，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子位置為θ2，失調(diào)角θ為

θ=θ1-θ2１．力矩式自整角機(jī)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(jī)：接收機(jī)：第37頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三各相繞組中的總電動勢：第38頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三各相繞組中的電流：第39頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2．力矩式自整角機(jī)整步繞組的磁動勢：第40頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三發(fā)送機(jī)的交軸磁動勢分量：發(fā)送機(jī)的直軸磁動勢分量：合成磁動勢的幅值：第41頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三同理可求得接收機(jī)的整步磁動勢為：3．力矩式自整角機(jī)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42頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、控制式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

控制式自整角機(jī)與力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。

圖7.6.3為控制式自整角機(jī)的工作原理圖第43頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.6.2自整角機(jī)的誤差分析與選用時(shí)應(yīng)注意的問題

力矩式自整角機(jī)的誤差：主要有零位誤差和靜態(tài)誤差。

控制式自整角機(jī)的誤差：主要有電氣誤差和零位電壓誤差。第44頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.7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(jī)。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(jī)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45頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三1.正弦繞組第46頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三2.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(gè)作為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)作為交軸繞組。勵(lì)磁繞組上施加交流勵(lì)磁電壓，定義勵(lì)磁繞組的軸線方向?yàn)閐軸，在氣隙中產(chǎn)生d軸磁通Фd，勵(lì)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(yùn)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(lì)磁繞組的相對位置有關(guān)。第47頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三將Фd分解為兩個(gè)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48頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的開路輸出電壓分別為：第49頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三（2）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負(fù)載運(yùn)行第50頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第51頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三一次補(bǔ)償與二次補(bǔ)償?shù)母拍畹?2頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、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53頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三正弦繞組的開路輸出電壓：進(jìn)行級數(shù)展開：第54頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三設(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(xiàng)時(shí)，上式可寫為：第55頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二次補(bǔ)償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器：第56頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三7.7.2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57頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

步進(jìn)電動機(jī)用電脈沖信號進(jìn)行控制，以實(shí)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(jī)7.8.1步進(jìn)電動機(jī)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(jī)，僅靠電磁作用不能使電機(jī)的轉(zhuǎn)子作步進(jìn)運(yùn)行，必須加上相應(yīng)的機(jī)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(jī)。第58頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

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

二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

圖7.8.1為一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，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(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個(gè)凸極，極上步裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒。

第59頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三步距角：步進(jìn)電機(jī)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(jì)算公式：式中：m為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；C為通電狀態(tài)系數(shù)，單拍或雙拍工作時(shí)C=1，單雙拍混合方式工作時(shí)C=2；Zr為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進(jìn)電機(jī)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60頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三一、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的靜特性(1)矩角特性7.8.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速為：

式中：f為步進(jìn)電機(jī)每秒的拍數(shù)，稱為步進(jìn)電機(jī)通電脈沖頻率。第61頁，講稿共69頁