電機與電氣控制技術(shù) 課件 任務(wù)4 特種電機的選擇與使用

學(xué)習(xí)情境4特種電機（單相/伺服/測速/步進電機）的選擇與使用任務(wù)4.1單相異步電動機的選擇與使用任務(wù)4.2單相異步電動機控制實例—電風(fēng)扇控制任務(wù)4.3伺服電機、測速發(fā)電機的選擇與使用任務(wù)4.4步進電機的使用與選擇【任務(wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：1.能根據(jù)使用場合選擇合適單相交流電動機；2.能根據(jù)要求選擇合適的伺服、測速、步進電機。知識目標(biāo)：1.能定性描述特種電機的轉(zhuǎn)動原理；2.熟悉特種電機的特點、選擇與應(yīng)用。學(xué)習(xí)情境4特種電機（單相/伺服/測速/步進電機）的選擇與使用任務(wù)4.1單相異步電動機的選擇與使用

【任務(wù)描述】

單相異步電動機是用單相交流電源供電的一類驅(qū)動用電機，凡是有普通民用電器的地方都可以使用。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點。所以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)和人們的日常生活中，與人們的工作、學(xué)習(xí)和生活有著極密切的關(guān)系。本任務(wù)主要研究單相異步電動機的基本原理和結(jié)構(gòu)以及調(diào)速和反轉(zhuǎn)等?！咀尤蝿?wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：1.學(xué)會單相異步電動機的接線和操作使用；2.能根據(jù)負載要求和應(yīng)用場合選擇合適的電動機容量和型式。知識目標(biāo)：1.了解單相異步電動機的特點和用途；2.熟悉單相異步電動機結(jié)構(gòu)與工作原理；3.掌握單相異步電動機的起動、反轉(zhuǎn)與調(diào)速控制方法。

任務(wù)4.1單相異步電動機的選擇與使用

（一）單相異步電動機結(jié)構(gòu)和工作原理1.單相異步電動機的工作原理單相異步電動機僅僅是指由單相交流電源供電的異步電動機，并不表示電機的定子上只有一相繞組，因為這種異步電動機不能產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，因此單相電動機的定子上必須有兩套繞組，一個稱為主繞組，另一個稱為副繞組，主、副繞組在定子空間布置上相差電度角，同時使兩套繞組中的電流在時間上也有不同相位。例如在副繞組上串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娙萜骷纯蛇_到上述目的。這樣，兩套繞組就共同產(chǎn)生一個相差電度角的兩相旋轉(zhuǎn)磁場，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，用以起動電動機。電動機轉(zhuǎn)動起來后起動裝置適時地自動將輔助繞組從電源斷開，僅剩下主繞組在線路上工作。任務(wù)4.1單相異步電動機的選擇與使用【知識準(zhǔn)備】

（b）（c）圖4.1.1兩相繞組產(chǎn)生的兩相旋轉(zhuǎn)磁場任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】放大

圖4.1.1（a）中，兩個電流在相位上相差90°，（b）中所示為在空間布置上相差電度角的兩相繞組。將通入繞組A-X，通入繞組B-Y。線端A、B為繞組首端，線端X、Y為末端。正電流從繞組的首端流入，負電流從繞組的末端流入。（c）中顯示了與兩個電流5個瞬時所產(chǎn)生的磁場情況，從圖中可以看出，當(dāng)電流變化一周時，磁場也旋轉(zhuǎn)了一周。綜上所述，我們只要將相位上相差的兩個電流通入在空間相差電度角的繞組，就能使單相異步電動機產(chǎn)生一個兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在其作用下，轉(zhuǎn)子得到起動轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】2.單相異步電動機的結(jié)構(gòu)

單相異步電動機由兩個基本部分組成：定子和轉(zhuǎn)子。（1）定子部分單相異步電動機的定子部分包括機座、鐵芯和繞組三大部分。機座主要用來支撐定子鐵芯和固定端蓋、機座有鑄鐵、鑄鋁和鋼板結(jié)構(gòu)等幾種。定子繞組是由帶有絕緣的高強度漆包線繞制而成。定子繞組型式常為單層、雙層、單雙層繞組和正弦繞組。定子繞組一般為兩相繞組，即主繞組和副繞組。主、副繞組的軸線在空間一般相隔電度角。為了改善性能，有時把兩相繞組的軸線設(shè)計成非正交。（2）轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部分。轉(zhuǎn)子繞組一般采用籠型繞組，通常用鋁壓鑄或離心澆鑄而成。風(fēng)扇用來加強電機的通風(fēng)散熱。一般由聚丙烯注塑而成。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】（二）單相異步電動機類型與特性單相異步電動機本身沒有起動轉(zhuǎn)矩，不能自行起動的起動，要使電動機起動就必須有一個旋轉(zhuǎn)磁場，也就是要使定子產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，最好是產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。有了旋轉(zhuǎn)磁場，單相異步電動機就能起動。常用的辦法是在電動機的定子上安放兩相定子繞組，使兩相繞組在圓周上相差電角度，并將單相電源通過電阻、電容和電抗的合理配合分為有相位差的兩相電源，將它們分別接在兩繞組上，兩相電源加在兩繞組上以后，能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在籠型轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方法，可將單相異步電動機分為電阻分相式電動機、電容分相式電動機和罩極式電動機三類。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】1.罩極式電動機

1）結(jié)構(gòu)與原理

罩極式電動機在單相異步電動機中結(jié)構(gòu)最簡單。其轉(zhuǎn)子為籠型，在用硅鋼片沖壓而成的轉(zhuǎn)子鐵芯槽中鑄有鋁制籠型繞組。其定子也是用硅鋼片沖壓而成，主要制成凸極式和隱極式兩種形式。罩極式電動機的工作原理如圖4.1.2所示，定子上有凸出的磁極，主繞組就安置在這個磁極上。在磁極表面的1/3處開有一個凹槽，將磁極分成大小兩部分，并在磁極小的部分套著一個短路銅環(huán)，磁極的一部分被罩起來，它相當(dāng)于一個輔助繞組。當(dāng)定子繞組中接入單相電源后，則磁極中將會產(chǎn)生交變磁通，從而銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個相位滯后的感應(yīng)電流。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】這樣被罩部分和未罩部分就產(chǎn)生了兩個空間位置不一致，且在時間上有一定相位差的交變磁通，在電機氣隙中構(gòu)成一個近似的旋轉(zhuǎn)磁場呈脈動變化。這個旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子后，使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。載有電流的轉(zhuǎn)子繞組與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用的結(jié)果，使轉(zhuǎn)子得到起動轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子由磁極未罩部分向被罩部分旋轉(zhuǎn)。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】圖4.1.2單相罩極式電動機工作原理圖放大2）主要特性

（1）起動轉(zhuǎn)矩單相罩極電動機的起動轉(zhuǎn)矩很小，通常只有滿載轉(zhuǎn)矩的30％～50％。因此，只能拖動輕負載起動的機電器械。（2）效率單相罩極電動機的效率很低，與其他型式的比較，大約要低8％～15％。（3）功率因數(shù)由于效率低，功率因數(shù)也就比較低。（4）額定電流單相罩極電動機在空載、滿載和堵住時。電流的變化都很小，因此，就是將電動機轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，罩極電動機也不會發(fā)生任何故障。（5）額定轉(zhuǎn)速單相罩極電動機的實際轉(zhuǎn)速略低于電機的同步轉(zhuǎn)速。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】2.分相式電動機1）結(jié)構(gòu)與原理單相分相式電動機的轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，定子采用齒槽式。一般主繞組占定子總槽數(shù)的2/3，輔助繞組占1/3，如圖4.1.3。單相分相式電動機在起動時為了使起動用輔助繞組電流與運行用主繞組電流在時間上產(chǎn)生相位差，通常用增大輔助繞組本身的電阻或在輔助繞組回路中串聯(lián)電阻的方法達到。以電阻分相式為例，由于兩套繞組中的電阻和電抗

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】圖4.1.3分相式電動機繞組布置圖放大不同，所以電阻大電抗小的輔助繞組中的電流，比主繞組中的電流先期達到最大值。因而在兩套繞組之間出現(xiàn)一定的相位差，形成了兩相電流。結(jié)果就建立起了一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子就因電磁感應(yīng)作用而旋轉(zhuǎn)。單相分相式電動機的起動依賴定子鐵芯上相差電度角的主、輔助繞組來完成，一般將輔助繞組選用細導(dǎo)線來增加電阻，因此，輔助繞組導(dǎo)線的電流密度都比主繞組大，所以能短時間工作。單相分相式電動機的起動，可以用離心開關(guān)或多種類型的起動繼電器來完成。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】2）主要特性（1）起動轉(zhuǎn)矩分相式電動機的起動轉(zhuǎn)矩一般是滿載轉(zhuǎn)矩的兩倍，因此應(yīng)用范圍很廣，如電冰箱的配套電動機。

（2）額定轉(zhuǎn)速分相式電動機的轉(zhuǎn)速很穩(wěn)定，它的大小隨定子極數(shù)和電源頻率而變。它加速過程很快，不到一秒鐘即可達到額定轉(zhuǎn)速。（3）效率分相式電動機的效率因設(shè)計性能、容量大小和轉(zhuǎn)速高低的不同而改變，一般約為50％～60％。（4）功率因數(shù)分相式電動機的功率因數(shù)，也隨電機的設(shè)計性能、容量大小、轉(zhuǎn)速高低而不同。一般在滿載時約為0.5～0.6。因此，電動機在接近滿載時運行最為經(jīng)濟。（5）起動電流起動電流大是分相電動機的一大缺點約為滿載電流的6～7倍。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】

（6）過載容量分相式電動機過載時溫升都很高，因此，一般過載容量不得超過滿載轉(zhuǎn)矩的25％，時間不超過5min。3.電容式電動機1）結(jié)構(gòu)與原理

單相電容式電動機具有三種型式，即：電容起動式；電容運轉(zhuǎn)式；電容起動、運轉(zhuǎn)式。電容電動機和同樣功率的分相電動機，在外形尺寸、定、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、機械結(jié)構(gòu)等都基本相同，只是添加了1～2個電容器而己。電容電動機的輔助繞組中串聯(lián)一只電容器，它的電流在相位上就將比線路電壓超前。將繞組和電容器容量適當(dāng)設(shè)計，兩套線圈相互就完全可以達到相位差的最佳狀況。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】

起動方式：對于電容啟動時式電動機，電容器經(jīng)過離心開關(guān)接入起動用輔繞組，接通電源，電動機即運轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的70％～80％時，離心開關(guān)動作，切斷輔助繞組的電源。對于電容運轉(zhuǎn)式電動機，電容器與起動用副繞組中沒有串接起動裝置，因此電容器與輔助繞組將和主繞組一起長期運行在電源線路上。對于電容起動與運轉(zhuǎn)式電動機，起動用輔助繞組經(jīng)過運行電容與電源接通，并經(jīng)過離心開關(guān)與容量較大的起動電容并聯(lián)。接通電源時，兩個電容器都串接在起動繞組回路中。這時電動機開始起動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的70％～80％時，離心開關(guān)動作將起動電容從電源線路切除，而運行電容則仍留在電路中運行。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】2）主要特性（1）電容起動式電動機起動轉(zhuǎn)矩一般可達到滿載轉(zhuǎn)矩的3～5倍，故能適用于滿載起動的場合。由于它的電容器和副繞組只在起動時接入電路，所以運轉(zhuǎn)特性與同樣大小并有相同設(shè)計的分相式電動機基本相同。（2）單相電容運轉(zhuǎn)式電動機起動轉(zhuǎn)矩較低，但功率因數(shù)和效率均比較高。體積小、重量輕、運行乎穩(wěn)、振動與噪聲小、可反轉(zhuǎn)、能調(diào)速，適用于直接與負載聯(lián)接的場合。如電風(fēng)扇、通風(fēng)機、錄音機及各種空載或輕載起動的機械，但不適于空載或輕載運行的負載。（3）單相電容起動與運轉(zhuǎn)式電動機具有較好的起動性能，較高的功率因數(shù)、效率和過載能力，可以調(diào)速。適用于帶負載起動和要求低噪聲的場合，如小型機床、家用電器等。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】（三）單相異步電動機調(diào)速與反轉(zhuǎn)1.調(diào)速（1）變極調(diào)速變極調(diào)速接線原理如圖4.1.4所示。單相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為式中

n——單相異步電動機轉(zhuǎn)速；

n1——同步轉(zhuǎn)速；

s——單相異步電動機轉(zhuǎn)差率；

f1——電源頻率；

p——電動機極對數(shù)。這種調(diào)速電動機的引出線很多，要用專門的調(diào)速開關(guān)才能保證接頭的迅速切換，轉(zhuǎn)速可以成倍的變化。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】

對于同一套繞組當(dāng)采用庶極接法時，將比用顯極接法的極對數(shù)要多一倍。因此，如在電動機定子的一套繞組中運用顯、庶極兩種接法的變換，即可得到極數(shù)成倍的兩種轉(zhuǎn)速。圖4.1.4單相顯、庶極雙速接線圖圖4.1.5主繞組降壓調(diào)速任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】放大放大

（2）自耦變壓器調(diào)速接法利用自耦變壓器的調(diào)壓特性來直接降低主、輔繞組的電壓或者只降低主繞組的電壓，均能對電動機進行調(diào)速。具體接線方法有以下三種。

圖4.1.5所示為主繞組降壓調(diào)速接線圖。自耦變壓器是通過對主繞組的電壓調(diào)控進行調(diào)速的。圖4.1.6所示為主、輔繞組同電壓降壓調(diào)速接線圖。自耦變壓器是以同一電壓對電動機的主、輔繞組作電壓調(diào)控進行調(diào)速。圖4.1.7所示為主、輔繞組異電壓降壓調(diào)速接線固。自耦變壓器是分別以不同電壓施加到主、輔繞組上進行降壓降速。采用自耦變壓器降壓調(diào)速方法，能使單相電動機的起動性能和電能消耗有較大改善，其缺點是在增加自耦變壓器后使整體成本大力增加。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】圖4.1.6主、副繞組同電壓降壓調(diào)速圖4.1.7主、副繞組異電壓降壓調(diào)速

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】放大放大

（3）電抗器調(diào)速接法將電抗器串接到電動機單相電源電路中，通過變換電抗器的線圈抽頭來實現(xiàn)降壓調(diào)速，如圖4.1.8所示。當(dāng)調(diào)速開關(guān)S轉(zhuǎn)到c時，主繞組與電抗器L串接到電源上，電源電壓的一部分將降落在電抗器L的ac段上，因而主繞組的工作電壓降低了，主繞組產(chǎn)生的磁場減弱，電動機的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)速顯著降低。當(dāng)調(diào)速開關(guān)S轉(zhuǎn)到a時，主繞組在額定電壓下運行，轉(zhuǎn)速達到最高速。調(diào)速開關(guān)轉(zhuǎn)到b時，此時的主繞組和副繞組的工作電壓介于高速和低速之間，因而作中速運行。（4）繞組抽頭調(diào)速接法單相電容運轉(zhuǎn)電動機現(xiàn)已普遍采用定子繞組抽頭調(diào)速的方法。這種調(diào)速方法具有不同于自耦變壓器或電抗器調(diào)速，而只需改變定子繞組接線的特點。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】

所以它有用料省、重量輕、耗電少等優(yōu)點，其缺點是工藝性差、繞組的嵌線、接線較麻煩，使其應(yīng)用范圍受到某些限制。采用這種接法的電動機，定子上除嵌放有主繞組和副繞組外，還另外加一套調(diào)速繞組，由于輔助繞組的線徑般較細而槽滿率偏低，所以調(diào)速繞組多嵌于副繞組同一槽內(nèi)。通過改變調(diào)速繞組抽頭的方法來改變主繞組的電壓降及磁場強度，從而實現(xiàn)單相電動機的調(diào)速。

圖4.1.8主、副繞組異電壓降壓調(diào)速

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】放大2.反轉(zhuǎn)要改變單相電動機的旋轉(zhuǎn)方向，通常只需將副繞組或主繞組的兩根引線端互換，單相分相式電動機和電容式電動機的旋轉(zhuǎn)方向即可反轉(zhuǎn)。單相罩極式電動機的反轉(zhuǎn)有三種方式：集中式磁極罩極電動機的反轉(zhuǎn)、分布繞組罩極式電動機的反轉(zhuǎn)和雙主繞組罩極電動機的反轉(zhuǎn)。

1）集中式對罩極式電動機的反轉(zhuǎn)，必須將罩極式、電動機定子調(diào)頭后再裝進轉(zhuǎn)子才能達到。

2）分布繞組式在罩極式電動機的定子槽中嵌放一套分布式主繞組和兩套分布式罩極繞組。

3）雙主繞組式在罩極電動機定子槽中嵌放兩套主繞組和一套罩極繞組。

任務(wù)4.1之

【知識準(zhǔn)備】1.實施地點：教室、電機實訓(xùn)室2.實施所需器材

1）多媒體設(shè)備；2）每組罩極式、電容式、分相式單相異步電動機各一臺。3）單相異步電動機工作特測試用儀器儀表一套。3.實施內(nèi)容與步驟：1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長。工作始終各組人員盡量固定。2）教師布置工作任務(wù)。學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實施方案。

任務(wù)4.1之【任務(wù)實施】引導(dǎo)問題為：（1）單相電動機是如何工作的？根據(jù)使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方法，可將單相異步電動機分為哪幾類？（2）變單相電動機有哪幾種調(diào)速方法？各有什么特點？（3）如何實現(xiàn)單相電動機的反轉(zhuǎn)？3）教師通過圖片、實物或多媒體分析演示讓學(xué)生了解單相異步電動機結(jié)構(gòu)、原理、銘牌參數(shù)以及啟動、調(diào)速方法并舉例，或指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。

4）實際觀察幾種單相異步電動機結(jié)構(gòu)，并作工作特性測試。（1）觀察給定的單相異步電動機，并注意各類型單相異步電動機的結(jié)構(gòu)特點與適用場合，觀察結(jié)果記錄在表4-1-1中。

任務(wù)4.1之【任務(wù)實施】（2）注意事項

①認(rèn)真觀察，注意區(qū)別；

②訓(xùn)練過程中遵守規(guī)定、注意安全。

電動機類型型號應(yīng)用場合起動轉(zhuǎn)矩起動電流過載容量調(diào)速與反轉(zhuǎn)特點罩極式電容式分相式表4-1-1單相異步電動機觀察記錄表

任務(wù)4.1之【任務(wù)實施】3.實施內(nèi)容與步驟：1.單相異步電動機同三相異步電動機一樣，也是感應(yīng)電動機，也是依據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的，它若要自行起動必須有一個旋轉(zhuǎn)磁場；

2.電動機的反轉(zhuǎn)有三種方式：集中式磁極罩極電動機的反轉(zhuǎn)、分布繞組罩極式電動機的反轉(zhuǎn)和雙主繞組罩極電動機的反轉(zhuǎn)。

3.單相異步電動機的調(diào)速有四種：變極調(diào)速、自耦變壓器調(diào)速、電抗器調(diào)速和繞組抽頭調(diào)速。各種調(diào)速方法有其各自的特點，應(yīng)用時要權(quán)衡利弊，綜合考慮，決定采用哪種方法調(diào)速。

任務(wù)4.1之【學(xué)習(xí)小結(jié)】4.2-1怎樣改變單相電容式電動機和罩極式電動機的旋轉(zhuǎn)方向？4.2-2為什么單相異步電動機不能自行起動?怎樣才能使它起動?4.2-3單相異步電動機的特點是什么?為什么具備這些特點?

任務(wù)4.1之【自我評估】

任務(wù)4.1單相異步電動機的選擇與使用【評價標(biāo)準(zhǔn)】項目內(nèi)容配分考核要求扣分標(biāo)準(zhǔn)得分實訓(xùn)態(tài)度1.實訓(xùn)的積極性；2.安全操作規(guī)程地遵守情況；3.紀(jì)律遵守情況30積極參加實訓(xùn)，遵守安全操作規(guī)程和勞動紀(jì)律，有良好的職業(yè)道德和敬業(yè)精神違反操作規(guī)程扣20分；不遵守勞動紀(jì)律扣10分觀察單相異步電動機結(jié)構(gòu)1.觀察電動機特性記錄數(shù)據(jù)2.結(jié)構(gòu)特點與區(qū)別50觀察認(rèn)真；找出區(qū)別；記錄完整觀察不認(rèn)真扣10分；找不出區(qū)別扣20分；記錄不完整各扣10分工具的整理與環(huán)境清潔1.工具整理情況；2.環(huán)境清潔情況；3.完成技能訓(xùn)練報告20要求工具碼放整齊，工作臺周圍無雜物；；技能訓(xùn)練報告符合要求工具碼放不整齊1件扣1分；有雜物1件扣1分；

；技能訓(xùn)練報告不符合要求扣10分合計100注

各項配分扣完為止表4-1-2任務(wù)4.1綜合評價表【任務(wù)描述】

隨著人民生活水平的不斷提高，不論城市或農(nóng)村，使用電風(fēng)扇已是極其普通的事情了。原因是功率最小的冷氣機，耗電量也在300W以上，工作3.4小時，就得耗用1kWh。一把電風(fēng)扇，其功率充其量不過幾十瓦，購置一把電風(fēng)扇的費用，很容易在一年半載所節(jié)省的電費中得到補償。更主要的還在于冷氣機不能滿足夏日多變天氣的要求，不少時候，使用電風(fēng)扇倒覺得比開冷氣機來得舒適。有些人還認(rèn)為，冷氣加風(fēng)扇，更能使室溫均勻調(diào)和，空氣流暢。電風(fēng)扇所使用的單相電動機是多式多樣的，其調(diào)速方法頗具代表性。本任務(wù)主要研究電風(fēng)扇使用與控制。任務(wù)4.2單相異步電動機控制實例-電風(fēng)扇控制【子任務(wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：1.會使用與控制電風(fēng)扇，2.會電風(fēng)扇控制元件的使用。知識目標(biāo)：1.掌握單相異步電動機降壓調(diào)速原理與方法；2.掌握電風(fēng)扇的控制原理與方法。任務(wù)4.2單相異步電動機控制實例-電風(fēng)扇控制任務(wù)4.2單相異步電動機控制實例-電風(fēng)扇控制【知識準(zhǔn)備】

（一）降壓調(diào)速的可能性

電風(fēng)扇除能促使氣流流通外，并無致冷降溫作用。電風(fēng)扇能使人感到?jīng)隹?，主要是電風(fēng)扇加速了人體表皮水份的蒸發(fā)。在不同的氣溫、濕度、氣壓和人體的不同狀態(tài)下（如靜坐、用膳期間、運動后或從事各種不同的工作），人體表皮所含的水份不相同，使人感到?jīng)隹於璧娘L(fēng)量、風(fēng)速也不相同，單速電風(fēng)扇難以和人體的涼快感相適應(yīng)。因此，電風(fēng)扇一般都具備3～4檔轉(zhuǎn)速（臺扇、座地扇），甚至多達7～8檔轉(zhuǎn)速（吊扇），以便使用者能有最佳選擇。

拖動風(fēng)扇扇葉和為生產(chǎn)機器提供原動力的單、三相感應(yīng)電動機，轉(zhuǎn)速是與其外施電壓的平方成正比的，只要改變輸入電動機的電壓，即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。電風(fēng)扇的調(diào)速就是通過改變其工作電壓這一簡便的方法來實現(xiàn)的。而生產(chǎn)機械卻是利用變速箱中不同齒數(shù)的齒輪搭配、蝸輪蝸桿機構(gòu)或改變傳動皮帶輪直徑等方法進行調(diào)理。為什么電風(fēng)扇可用改變電壓的方法進行調(diào)速而生產(chǎn)機械卻不采用這一方法？這問題可用感應(yīng)電動機及其拖動負荷的機械特性來說明。任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】

圖4.2.1所示為感應(yīng)電動機工作特性的M-n曲線，即機械特性曲線，曲線的A1-B1段為電動機的穩(wěn)定運行區(qū)，B1-C1段為不穩(wěn)定區(qū)。電動機只能在穩(wěn)定運行區(qū)工作，在這一范圍內(nèi)，電動機能自動調(diào)節(jié)負荷力矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖4.2.1感應(yīng)電動機機械特性曲線

任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】放大

若電動機的拖動負荷是某一生產(chǎn)機械，該機械作用于電動機軸上的反轉(zhuǎn)矩為ML，則ML與AL-BL的交點K即為電動機的工作點，電動機在轉(zhuǎn)速nK下穩(wěn)定運行。當(dāng)施于電動機上的電壓U1降U2到時，輸出轉(zhuǎn)矩也將大為降低，特性曲線由A1-B1-C1下降到A1-B2-C2，但對所拖動的機械來說，其作用于電動機軸上的反力矩是額定不變的，曲線A1-B2-C2的最大轉(zhuǎn)矩B2點，也比ML較小，電動機無法拖動負荷被逼停止運轉(zhuǎn)。所以，拖動負荷力矩為恒定值的電動機，不能用改變電壓的方法進行調(diào)速。

對于電風(fēng)扇這種風(fēng)機類負荷，它們的機械特性與上述機械大不相同，風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速時，風(fēng)量大，扇葉的負荷重；低轉(zhuǎn)速時，扇葉送風(fēng)量小，負荷輕，其機械特性如圖4.2.1中的曲線MF所示。

任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】

這種特性，正好和電動機高壓、高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩和低壓、低轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的特性相吻合。所以，只要電壓不是下降得過低，曲線MF與電動機在各種不同電壓下的機械特性均有穩(wěn)定的工作點，所以電風(fēng)扇可以在不超過額定電壓而又高于最低驅(qū)動電壓的各種不同電壓下，以不同速度穩(wěn)定運行。電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速常有快、中、慢三檔或快、中、稍慢、慢四檔。一般設(shè)計電容式風(fēng)扇的慢檔轉(zhuǎn)速為快檔的70％，罩極式風(fēng)扇的慢擋轉(zhuǎn)速為快檔的80％，而中檔轉(zhuǎn)速則沒有具體規(guī)定，只要求與快、慢檔速度有明顯的區(qū)別即可。按調(diào)速的方法不同，可分為電抗器調(diào)速、繞組抽頭調(diào)速（改變繞組每匝伏數(shù)調(diào)速）和電子調(diào)速等幾種。不論哪一種調(diào)速方法，都是利用降低風(fēng)扇電動機工作電壓這一基本原理。任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】（二）降壓調(diào)速的方法1.電抗器降壓圖4.2.2為電抗器調(diào)速原理圖?？鞕n時，電抗器不接入，電動機全壓運行，轉(zhuǎn)速最高，風(fēng)量最大。中檔和慢檔時，分別串入匝數(shù)不同即阻抗不同的電抗線圈，產(chǎn)生不同的電壓降，使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速降低，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。隨著電容式電風(fēng)扇的普遍使用，電抗器調(diào)速電路也不斷改進。圖4.2.2電抗器降壓調(diào)速原理圖圖4.2.3不帶指示燈調(diào)速電路任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】放大放大

目前使用的電抗調(diào)速電路分為不帶指示燈和帶指示燈兩種，圖4.2.3為不帶指示燈的調(diào)速電路，帶指示燈的電抗器又分為單獨線圈式和自耦變壓器式，其接線圖分別如圖4.2.4和圖4.2.5所示。在單獨線圈式中電抗器除用于降壓調(diào)速外，還作為指示燈變壓器的初級繞組，指示燈由線圈的感應(yīng)電壓點亮。圖4.2.4帶指示燈單獨線圈式調(diào)速電路圖4.2.5帶指示燈自耦變壓器調(diào)速線路任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】放大放大2.電動機繞組抽頭調(diào)速電抗調(diào)速器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速效果好、且易于調(diào)整。但與電動機繞組抽頭調(diào)速比較，卻要多使用一個部件，電抗器本身亦因發(fā)熱而消耗部分電能，故直接從電動機繞組中抽取抽頭進行調(diào)速的方法出現(xiàn)后，采用者日益增加。抽頭調(diào)速由于工藝上的波動，盡管各風(fēng)扇的匝數(shù)和抽頭位置相同，繞組阻抗卻往往不相等，致使備臺風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速有所差異。但只要加強控制繞線質(zhì)量，調(diào)速亦甚穩(wěn)定。這種調(diào)速方法最大的好處是省去電抗器、成本較低，這是制造商樂于采用的原因。

任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】

繞組抽頭調(diào)速方法是在定子繞組（電容式電動機）或磁場繞組（罩極式電動機）抽取抽頭，利用不同的抽頭改變電動機每伏匝數(shù)。抽頭調(diào)速一般用于使用最多的4極電容式或罩極式風(fēng)扇中。吊扇極數(shù)較多（常在16極以上），調(diào)速開關(guān)與風(fēng)扇電動機的距離較遠，所以不宣采用抽頭調(diào)速。4極以上的罩極式風(fēng)扇，因磁場的平衡、繞組的分段、調(diào)速檔位的決定等都較難處理，亦不宜用抽頭調(diào)速。抽頭調(diào)速電動機的定子繞組上，通常繞有主繞組、中間和副繞組三個繞組。

任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】

圖4.2.6是一臺電容式風(fēng)扇的調(diào)速方法，在主繞組和副繞組之間，加繞有中間繞組，調(diào)速開關(guān)打到快速位置時，運行繞組全壓工作，同時，運行繞組和中間繞組組成一個升壓自耦變壓器，使副繞組支路的電壓高于電源電壓。慢檔時，副繞組支路的電壓降為電源電壓，中間繞組則成為運行繞組的電抗線圈，故運行繞組的電壓亦相應(yīng)降低，兩繞組的磁場強度同時減弱，轉(zhuǎn)速顯著下降。中間繞組有幾種不同的嵌線方法，最常用的是把中間繞組嵌于主繞組同一槽內(nèi)，繞組節(jié)距與所嵌槽數(shù)與主繞組相同。

圖4.2.6抽頭調(diào)速接線圖

任務(wù)4.2之【知識準(zhǔn)備】放大1.實施地點：教室、電機實訓(xùn)室2.實施所需器材1）多媒體設(shè)備；2）風(fēng)扇用單相異步機、導(dǎo)線、萬用表和相應(yīng)數(shù)量的閘刀開關(guān)、調(diào)速開關(guān)等。3）或一臺電風(fēng)扇散件配以調(diào)速開關(guān)。3.實施內(nèi)容與步驟：1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長。工作始終各組人員盡量固定。2）教師布置工作任務(wù)。學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實施方案。

任務(wù)4.2之【任務(wù)實施】引導(dǎo)問題為：（1）什么叫降壓調(diào)速？電風(fēng)扇的調(diào)速是通過什么方法來實現(xiàn)的？（2）降壓調(diào)速有哪幾種方法？各有什么特點？3）教師通過圖片、實物或多媒體分析演示讓學(xué)生了解常用電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、原理及調(diào)速方法并舉例，或指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。4）實際電風(fēng)扇調(diào)速訓(xùn)練（1）電抗器調(diào)速訓(xùn)練。①按圖4.2.2接線，學(xué)生先自己檢查，再經(jīng)教師檢查確認(rèn)。②先將調(diào)速開關(guān)置于低速檔，合上電源開關(guān)，觀察并測量轉(zhuǎn)速，記錄在表4-2-1中。

任務(wù)4.2之【任務(wù)實施】③再將調(diào)速開關(guān)分別置于中、高速檔，觀察并測量轉(zhuǎn)速，記錄在表4-2-1中。（2）繞組抽頭調(diào)速訓(xùn)練①按圖4.2.6接線，學(xué)生先自己檢查，再經(jīng)教師檢查確認(rèn)。②先將調(diào)速開關(guān)置于低速檔，合上電源開關(guān)，觀察并測量轉(zhuǎn)速，記錄在表4-2-2中。

銘牌參數(shù)額定功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）備注轉(zhuǎn)速檔位快中慢斷開轉(zhuǎn)速記錄表4-2-1電抗器降壓調(diào)速訓(xùn)練記錄表任務(wù)4.2之【任務(wù)實施】

任務(wù)4.2之

【任務(wù)實施】③再將調(diào)速開關(guān)分別置于中、高速檔，觀察并測量轉(zhuǎn)速，記錄在表4-2-2中。（3）注意事項①通電前應(yīng)將電動機放穩(wěn)，并稍加固定；②訓(xùn)練過程中注意電動機軸頭或風(fēng)扇扇葉劃傷；③接線牢靠，避免電傷。

銘牌參數(shù)額定功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）備注抽頭位置快中慢斷開轉(zhuǎn)速記錄表4-2-2繞組抽頭調(diào)速訓(xùn)練記錄表

3.實施內(nèi)容與步驟：1.電抗器降壓調(diào)速的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速效果好、且易于調(diào)整。電抗器必須和風(fēng)扇電動機及扇葉特性匹配才能獲得良好的調(diào)速效果；

2.繞組抽頭調(diào)速方法是在定子繞組或磁場繞組抽取抽頭，利用不同的抽頭改變電動機每伏匝數(shù)的方法來調(diào)速。這種方法省去電抗器，成本較低。

任務(wù)4.2之【學(xué)習(xí)小結(jié)】

任務(wù)4.2之【自我評估】4.2-1試述電抗調(diào)速和繞組抽頭調(diào)速的原理？4.2-2電抗調(diào)速和繞組抽頭調(diào)速各有什么優(yōu)缺點？4.2-3為什么電風(fēng)扇可用改變電壓的方法進行調(diào)速而生產(chǎn)機械卻不用？

任務(wù)4.2之

【評價標(biāo)準(zhǔn)】項目內(nèi)容配分考核要求扣分標(biāo)準(zhǔn)得分實訓(xùn)態(tài)度1.實訓(xùn)的積極性；2.安全操作規(guī)程地遵守情況；3.紀(jì)律遵守情況30積極參加實訓(xùn)，遵守安全操作規(guī)程和勞動紀(jì)律，有良好的職業(yè)道德和敬業(yè)精神違反操作規(guī)程扣20分；不遵守勞動紀(jì)律扣10分電抗器調(diào)速1.按圖連接電路；2.選用儀表；3.測量轉(zhuǎn)速30看懂電路圖，并能夠根據(jù)電路圖連接電源、電路；正確選用儀表；準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)速電路連接不對扣10分；選用儀表不對扣10分；轉(zhuǎn)速測量不準(zhǔn)確扣10分繞組抽頭調(diào)速1.按圖連接電路；2.選用儀表；3.測量轉(zhuǎn)速20看懂電路圖，并能夠根據(jù)電、路圖連接電源、電路；正確選用儀表；準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)速電路連接不對扣10分；選用儀表不對扣10分；轉(zhuǎn)速測量不準(zhǔn)確扣10分工具的整理與環(huán)境清潔1.工具整理情況；2.環(huán)境清潔情況；3.完成訓(xùn)練報告20要求工具碼放整齊，工作臺周圍無雜物；技能訓(xùn)練報告符合要求工具碼放不整齊1件扣1分；有雜物1件扣1分；技能訓(xùn)練報告不符合要求扣10分合計100注

各項配分扣完為止表4-2-4任務(wù)4.2綜合評價表任務(wù)4.3伺服電機、測速發(fā)電機的選擇與使用【任務(wù)描述】

在現(xiàn)代的生產(chǎn)技術(shù)，空間技術(shù)和電子計算機技術(shù)中使用各種各樣的特種電機。它們在自動控制系統(tǒng)中，計算裝置中分別作為測量和比較元件、放大元件、執(zhí)行和解算元件。這類電機也稱為控制電機。特種電機的種類很多，若按電流分類、可分為直流和交流兩種。按用途分類，直流控制電機又可分為電機擴大機、伺服電動機和測速發(fā)電機三種；交流控制電機可分為自整角機、伺服電動機、測速電機和步進電機等。特種電機著重于輸出量的大小，特性的精確度和快速反應(yīng)。本任務(wù)主要研究伺服電機與測速電機的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、工作特性及應(yīng)用?！咀尤蝿?wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：學(xué)會伺服電機、測速發(fā)電機的基本操作使用方法。知識目標(biāo)：1.了解伺服電機、測速發(fā)電機的作用和用途；2.了解伺服電機、測速發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。任務(wù)4.3伺服電機、測速發(fā)電機的選擇與使用任務(wù)4.3伺服電機、測速發(fā)電機的選擇與使用【知識準(zhǔn)備】（一）伺服電機伺服電機具有一種服從控制信號的要求而動作的職能，無信號時靜止，有信號時運行，因其“伺服”性而得名。伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中擔(dān)任執(zhí)行元件，它的作用是把輸入電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。1.直流伺服電動機直流伺服電動機是指使用直流電源的伺服電動機。一般的直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)裝有磁極的定子、可以旋轉(zhuǎn)的電樞和換向器等組成。按勵磁方式之不同可分為電磁式和永磁式兩種。1）盤形電樞直流伺服電動機這種電機的定子是由永久磁鐵和前后磁軛所組成，磁鐵可在圓盤的一側(cè)放置，也可以在兩側(cè)同時放置。電機的氣隙就位于圓盤的兩邊。轉(zhuǎn)子呈薄片圓盤狀，厚度為1.5～2mm。圓盤上有電樞繞組，可分為印制繞組和線繞式繞組兩種型式。盤形電樞上電樞繞組中的電流是沿徑向流過圓盤表面，并與軸向磁通相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，繞組的徑向段為有效部分，彎曲段為端接部分。在這種電機中也常用電樞繞組有效部分的裸導(dǎo)體表面兼做換向器，它同電刷直接接觸。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】

盤形電樞直流伺服電動機性能特點是：（1）電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。（2）起動轉(zhuǎn)矩大，由于電樞繞組全部在氣隙中，散熱良好，其繞組電流密度比一般直流伺服電動機高10倍以上，因此容許起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩也大。（3）力矩波動小，低速運行穩(wěn)定，調(diào)速范圍廣而平滑。這主要是由于這種電機沒有齒槽效應(yīng)以及電樞元件數(shù)、換向片數(shù)很多的緣故。（4）換向性能好，電樞由非磁性材料組成，換向元件電感小，所以換向火花小。（5）電摳轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)快。屬中等低慣量伺服電動機。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】2）空心杯電樞永磁式直流伺服電動機空心杯形電樞直流伺服電動機有一個外定子和一個內(nèi)定子。通常外定子是由兩個半圓形的永久磁鐵所組成；而內(nèi)定子則為圓柱形的軟磁性材料做成，僅作為磁路的一部分?？招谋姌猩系碾姌欣@組可采用印制繞組，也可以先繞成單個成型線圈，然后將它們沿圓周的軸向方向排列成空心杯形，再用環(huán)氧樹脂熱固化成型?？招谋姌兄苯友b在電機軸上，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。電樞繞組接到換向器上，由電刷引出。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】3）無槽電樞直流伺服電動機無槽電樞直流伺服電動機的電樞鐵芯上并不開槽，電樞繞組直接排列在鐵芯表面，再用環(huán)氧樹脂把它與電樞鐵芯粘成一個整體。定子磁極可以用永久磁鐵做成，也可以采用電磁式結(jié)構(gòu)。直流伺服電動機的控制方法有電樞控制和磁場控制兩種方式。電樞控制就是電動機勵磁繞組接固定的直流電壓勵磁，而電樞電壓繞組接控制電壓；磁場控制方式則與之相反。以電樞控制為例，其原理如圖4.3.1所示。圖4.3.1伺服電機電樞控制原理圖任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】放大

當(dāng)電樞電壓的極性改變時，電樞中的電流方向隨之改變。由左手定則可知，電樞繞組所受的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也改變，因此電動機反轉(zhuǎn)。如果改變磁通方向，電樞電壓方向不變，同樣可以達到改變電動機轉(zhuǎn)向的目的。當(dāng)電樞電壓升高時，電機轉(zhuǎn)速就升高；反之，轉(zhuǎn)速則下降。2.交流伺服電動機交流伺服電動機的定子結(jié)構(gòu)是在定子鐵芯內(nèi)圓上均勻布有槽，在定子槽中分別裝有勵磁繞組和控制繞組。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式主要有鼠籠式轉(zhuǎn)子和空心杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠式的結(jié)構(gòu)與普通鼠籠式異步電動機相同，不過為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，需要做得細而長。任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】

空心杯式交流伺服電機的外定子與鼠籠式的定子相同，內(nèi)定子由環(huán)形硅鋼片疊壓在一個端蓋上，一般不做繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵芯，作為磁路的一部分，其作用是減小磁路的磁阻。在內(nèi)外定子中間有細長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子做成杯子形狀，故稱為空心杯形轉(zhuǎn)子。交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機相似。在系統(tǒng)個運行時，勵磁繞組固定地接到電源上。在控制電壓為零肘，氣隙內(nèi)磁場為脈振磁場，電動機無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不動。若有控制電壓加在控制繞組上，且控制繞組內(nèi)流過的電流和勵磁繞組內(nèi)的電流不同相，則在氣隙內(nèi)建立一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場。因此電動機有了起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】

交流伺服電動機的控制方式有三種：（1）幅值控制這種控制方式是通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來改變電機的轉(zhuǎn)速。（2）相位控制這種控制方式是通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位，即調(diào)節(jié)控制電壓與勵磁電壓之間相位差來改變電機的轉(zhuǎn)速。（3）幅值—相位控制這是一種同時調(diào)節(jié)控制電壓的幅值和相位，從而控制轉(zhuǎn)速的方法。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】（二）測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號的元件，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中應(yīng)用甚廣，其主要用途為：①產(chǎn)生加速或減速信號，②在計算裝置中作計算元件，③對旋轉(zhuǎn)機械作恒速控制等。

1.直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同，如圖4.3.2所示，其輸出特性如圖4.3.3所示。

圖4.3.2直流測速發(fā)電機原理圖

圖4.3.3直流測速發(fā)電機輸出特性任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】放大

在恒定磁場中，有負載時，因為電樞電阻及電刷和換向器有接觸電阻等，會引起一定電壓降。因此測速發(fā)電機輸出比空載時小，從而導(dǎo)致輸出電壓與轉(zhuǎn)速不再成正比，會使輸出特性向下彎曲。為了改善輸出特性，削弱電樞的去磁影響，盡量使氣隙磁通不變，可以采取一下措施：（1）對電磁式直流測速發(fā)電機，可在電子磁極上裝補償繞組。（2）設(shè)計中，取較小的線負荷，適當(dāng)加大電機氣隙。（3）負載電阻不應(yīng)小于規(guī)定值。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】2.交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機。同步測速發(fā)電機有永磁式、感應(yīng)子式和脈沖式。永磁式和感應(yīng)子式測速發(fā)電機，其感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速變化麗變化，因而，可以用來測速。不宜用在自動控制系統(tǒng)中。永磁式多作指示計式轉(zhuǎn)速計。感應(yīng)子式常經(jīng)橋式整流后輸出直流電壓作為速度信號而用于自動控制系統(tǒng)。脈沖式測速發(fā)電機是以脈沖頻率作為輸出信號的，其速度分辨率較高，特別適用于鑒頻鎖相穩(wěn)速系統(tǒng)。異步測速發(fā)電機按其結(jié)構(gòu)可分為籠型轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種。籠型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機多用于精度要求不高的系統(tǒng)中。杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機在自控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】

交流測速發(fā)電機在一定的勵磁和負載條件下，輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，稱為輸出特性。理想情況下，輸出特性應(yīng)為一直線。同樣，輸出電壓和勵磁電壓應(yīng)是同相的，且在轉(zhuǎn)速為零時，沒有輸出電壓，即所謂剩余電壓為零。實際上測速電機因加工、材料等原因，將會破壞輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的線性關(guān)系。為了減小誤差及減小工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出電壓相位移的變化值，應(yīng)當(dāng)采取減少定子漏阻抗和增大轉(zhuǎn)子電阻兩種方法，還可以采取增大異步測速發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，即提高發(fā)電機勵磁電源頻率的方法。關(guān)于增大轉(zhuǎn)子電阻的方法，可如前述，用高電阻率的材料做杯形轉(zhuǎn)子。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】

異步測速發(fā)電機輸出電壓中的剩余電壓會給系統(tǒng)帶來不利影響，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作，引起隨動系統(tǒng)的靈敏度降低。所以必須設(shè)法減小異步測速發(fā)電機的剩余電壓。通常采用如下一些措施：（1）選用較低磁通密度的鐵心。（2）采用單層集中繞組和可調(diào)鐵心結(jié)構(gòu)。（3）定子鐵心采用旋轉(zhuǎn)疊裝法。（4）提高定子鐵心和轉(zhuǎn)子空心杯加工精度。（5）采用補償繞組。（6）外接補償裝置，產(chǎn)生附加電壓，其大小接近于剩余電壓的固定分量，而相位相反。

任務(wù)4.3之

【知識準(zhǔn)備】1.實施地點：教室、電機實訓(xùn)室2.實施所需器材

1）多媒體設(shè)備；2）每組各類伺服電機和測速電機各1～2臺。3.實施內(nèi)容與步驟：1）學(xué)生分組：4人左右一組，指定組長。工作始終各組人員盡量固定。2）教師布置工作任務(wù)。學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實施方案。

任務(wù)4.3之

【任務(wù)實施】引導(dǎo)問題為：（1）什么叫伺服電機？有何用途？如何分類？（2）什么叫測速發(fā)電機？有何用途？如何分類？3）教師通過圖片、實物或多媒體分析演示讓學(xué)生了解伺服電機、測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、原理與用途并舉例，或指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。4）實際觀察各類伺服電機和測速電機結(jié)構(gòu)與特點。觀察給定的伺服電機和測速發(fā)電機，注意結(jié)構(gòu)特點，記錄銘牌數(shù)據(jù)。觀察結(jié)果記錄在表4-3-1中。

任務(wù)4.3之

【任務(wù)實施】3.實施內(nèi)容與步驟：

電機名稱額定功率（W）額定電壓（V）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（r/min）主要用途觀察體會直流伺服電機交流伺服電機直流測速電機交流測速電機表4-3-1電機觀察結(jié)果記錄表

任務(wù)4.3之

【任務(wù)實施】1.伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換位軸上的角位移和角速度輸出。它可分為交流伺服電動機和直流伺服電動機。交流伺服電動機的基本特點是可控性好，采用杯形轉(zhuǎn)子可以提高快速響應(yīng)，提高起動轉(zhuǎn)矩。直流伺服電動機實質(zhì)是一臺他勵式直流電動機，電樞控制方式的機械特性與調(diào)節(jié)特性均為線性的。勵磁功率小，響應(yīng)迅速。

2.測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的信號元件，它將輸入的機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。測速發(fā)電機分為兩類，一是交流測速發(fā)電機，主要用于交流伺服系統(tǒng)中的測速元件和用作計算元件。二是直流測速發(fā)電機，它在自動控制系統(tǒng)中主要用作檢測元件，即將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡妷盒盘枴?/p>

任務(wù)4.3之

【學(xué)習(xí)小結(jié)】

任務(wù)4.3之

【自我評估】4.3-1伺服電機和測速電機的作用分別是什么？4.3-2試述直流伺服電機和交流伺服電機的優(yōu)缺點？4.3-3交流伺服電動機與單相分相電動機有何區(qū)別?4.3-4直流伺服電動機與直流電機有何異同，直流伺服電動機有哪些特殊的優(yōu)點?4.3-5為什么直流測速發(fā)電機的負載電阻要盡可能大?

任務(wù)4.3伺服電機、測速發(fā)電機的選擇與使用【評價標(biāo)準(zhǔn)】項目內(nèi)容配分考核要求扣分標(biāo)準(zhǔn)得分實訓(xùn)態(tài)度1.實訓(xùn)的積極性；2.安全操作規(guī)程地遵守情況；3.紀(jì)律遵守情況30積極參加實訓(xùn)，遵守安全操作規(guī)程和勞動紀(jì)律，有良好的職業(yè)道德和敬業(yè)精神違反操作規(guī)程扣20分；不遵守勞動紀(jì)律扣10分特種電機觀察與操作觀察各種電機結(jié)構(gòu)特點，記錄參數(shù)，簡單操作40觀察認(rèn)真，記錄完整，操作正確觀察不認(rèn)真扣10分；記錄不完整扣10分；操作不正確扣20分；工具的整理與環(huán)境清潔1.工具整理情況；2.環(huán)境清潔情況；3.完成技能訓(xùn)練報告30要求工具碼放整齊，工作臺周圍無雜物；技能訓(xùn)練報告符合要求工具碼放不整齊1件扣1分；有雜物1件扣1分；技能訓(xùn)練報告不符合要求扣10分合計100注

各項配分扣完為止表4-3-2任務(wù)4.3綜合評價表

步進電機是機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)、電子技術(shù)和自動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中的普及與深入，步進電機的需要量越來越大。本任務(wù)主要研究步進電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用。

任務(wù)4.4步進電動機的使用與選擇

【任務(wù)描述】

技能目標(biāo)：學(xué)會步進電動機的操作使用方法。知識目標(biāo)：1.了解步進電動機的作用和用途；2.了解步進電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

任務(wù)4.4步進電動機的使用與選擇

【子任務(wù)目標(biāo)】

步進電動機在本質(zhì)上是一臺反應(yīng)式或永磁式的同步電動機。由于這種電動機的輸入電源是一種脈沖電壓，每輸入一個脈沖信號，電動機就相應(yīng)轉(zhuǎn)過一個固定角度，即向前邁進了一步。因而這種電機也稱為脈沖電動機。由于步進電動機的這一工作性能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，同時，電子技術(shù)的發(fā)展也解決了步進電機的電源問題，因此步進電機隨著數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用也日益廣泛。目前它在數(shù)控機床、軋鋼機、軍事工業(yè)、鐘表工業(yè)以及自動記錄儀表等方面都有廣泛的應(yīng)用。步進電動機主要用于開環(huán)系統(tǒng)，也可加速速度和位置檢測裝置，用于閉環(huán)系統(tǒng)。在選擇時要合理選擇轉(zhuǎn)矩的大小和負載轉(zhuǎn)動慣量，步進電動機才能獲得滿意的運行性能。

任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】（一）步進電動機的結(jié)構(gòu)步進電動機的結(jié)構(gòu)型式和分類方法很多，一般根據(jù)勵磁方式可分為永磁式、永磁感應(yīng)子式和反應(yīng)式。1.永磁式步進電動機永磁式步進電動機的結(jié)構(gòu)如圖4.4.1所示，定子的凸極無小齒，裝有兩相或多相繞組。轉(zhuǎn)子為星形永久磁鋼。轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子每相極數(shù)相同，圖中定子為兩相繞組，每相有兩對磁極，因此轉(zhuǎn)子也是兩對磁極的永磁轉(zhuǎn)子。這種電動機步距角較大，起動和運行頻率較低，且需要供給正、負脈沖電源，消耗功率比反應(yīng)式步進電動機小，具有定位轉(zhuǎn)矩。

任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】

圖4.4.1永磁式步進電機結(jié)構(gòu)圖

圖4.4.2感應(yīng)子式步進電機結(jié)構(gòu)圖放大放大任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】2.感應(yīng)子式永磁步進電動機感應(yīng)子式永磁步進電動機的結(jié)構(gòu)如圖4.4.2所示。其定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式相同。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩端鐵芯組成，兩端轉(zhuǎn)子鐵芯上沿周圍開有小齒，它們彼此相錯齒距。定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)配合與單段式相同。這種電動機步距角可較小，有較高的起動和運行頻率，需正、負脈沖供電，消耗功率較小，有定位轉(zhuǎn)矩。它兼有反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，但工藝復(fù)雜。3.反應(yīng)式步進電動機（1）單段式反應(yīng)步進電動機單段式又稱徑向分相式。其定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的2倍，即，每個磁極上有一個控制繞組，并接成相。定子磁極極面上開有均布小齒，轉(zhuǎn)子沿圓周也有均布小齒，其齒形和齒距與定子相同。

任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】

（2）多段式反應(yīng)步進電動機多段式又稱軸向分相式。按其磁路特點，又分為軸向磁路多段式和徑向磁路多段式兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖4.4.3中（a）和（b）所示。軸向磁路多段式的每段定子鐵芯為形，在其中置一相為環(huán)形控制繞組。

1-線圈2-定子3-轉(zhuǎn)子4-引出線圖4.4.3多段式步進電機

放大任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】

定、轉(zhuǎn)子鐵芯均沿電機軸向按相數(shù)分段，定、轉(zhuǎn)子圓周上沖有齒形相近和齒數(shù)相同的均布小齒槽。這種結(jié)構(gòu)使電機定子空間利用率較好，環(huán)形繞組易于制造，轉(zhuǎn)子慣性低，因此其起動和運行頻率較高，但制造工藝復(fù)雜。徑向磁路多段式的定、轉(zhuǎn)子沿電機軸向按相數(shù)分m段，每段定子鐵芯上僅繞一相控制繞組，定子（或轉(zhuǎn)子）鐵芯與相連段鐵芯錯開1/m齒距，一段鐵芯上每個極的定、轉(zhuǎn)子齒相對位置相同。也可以在一段鐵芯上有兩、三相控制繞組，實質(zhì)上它是多臺單段式電機的組合。這種結(jié)構(gòu)對于相數(shù)多而直徑和長度又受到限制的反應(yīng)式步進電動機來說，在結(jié)構(gòu)布置上比前述形式靈活。

（二）步進電動機的工作原理

以三相反應(yīng)式步進電動機為例，其定、轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊成，定子上有六個極，每兩個相對的極裝有一相繞組，共有三相繞組，定子的三相繞組為控制繞組。轉(zhuǎn)子有四極，

任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】其上無繞組，本身無磁性。工作時，電源將脈沖信號電壓按一定的順序輪流加到定子三相繞組上。按其通電順序的不同，三相反應(yīng)式步進電動機有三種運行方式。以三相單三拍運行方式為例來說明。其工作原理圖如圖4.4.4所示。

圖4.4.4三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖放大任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】（二）步進電動機的工作原理

當(dāng)U相控制繞組通電時，定子磁極U、U‘軸線若與轉(zhuǎn)子1.3齒不對應(yīng)時，總有一磁拉力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到1.3齒與定子磁極U、U’重合。重合時，僅有徑向力而無切向力，致使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)；當(dāng)U相斷電，V相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子將在空間逆時針轉(zhuǎn)過30°，轉(zhuǎn)子齒2.4與定子極V、V‘對齊；如再使V相斷電，W相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又在空間逆時針旋轉(zhuǎn)30°，使轉(zhuǎn)子1.3齒與定子極W、W’對齊。若如此循環(huán)往復(fù)，并按U—V—W—U順序通電，轉(zhuǎn)子則按逆時針不斷轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于控制繞組與電源接通和斷開的變化頻率。若通電順序改變?yōu)閁—W—V—U順序時，則電機按順時針方向轉(zhuǎn)動。定子繞組每改變一次通電方式即稱為一拍，“單”是指每次只對一相控制繞組通電，“三拍”指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。此外，還有“雙三拍”“單、雙六拍”通電方式。所謂“雙三拍”即按UV—VW—WU—UV的通電順序，這種方式的步距角仍為30°。

任務(wù)4.4之

【知識準(zhǔn)備】（二）步進電動機的工作原理“單、雙六拍”是按U—UV—VW—W—WU—U的順序控制，則電機為六拍一循環(huán)。步進電機每改變一次