《機(jī)電傳動(dòng)控制》課件第3章

3.1直流電動(dòng)機(jī)3.2三相異步電動(dòng)機(jī)3.3單相異步電動(dòng)機(jī)3.4伺服電機(jī)3.5步進(jìn)電機(jī)3.6自整角機(jī)小結(jié)習(xí)題與思考題3.1.1直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它主要由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座組成。3.1直流電動(dòng)機(jī)圖3-1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.定子

定子又稱磁極，其作用是在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子包括極芯和極掌等。極芯上放置勵(lì)磁繞組；極掌的作用是提供一種分布最合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并用于固定勵(lì)磁繞組。磁極一般用硅鋼片疊裝而成。

2.轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子又稱電樞，其作用是引入電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、軸和風(fēng)扇等。電樞鐵芯呈圓柱狀，由硅鋼片疊裝而成，表面沖有槽，槽中放電樞繞組。

3.機(jī)座

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)座有兩種形式，一種為整體機(jī)座，另一種為疊片機(jī)座。整體機(jī)座使用導(dǎo)磁效果較好的鑄鋼材料制成，該種機(jī)座能同時(shí)起到導(dǎo)磁和機(jī)械支撐作用。疊片機(jī)座是用薄鋼板沖片疊壓成定子鐵軛，再把定子鐵軛固定在一個(gè)起支撐作用的機(jī)座里，這樣定子鐵軛和機(jī)座是分開的，機(jī)座只起支撐作用，可用普通鋼板制成。3.1.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖如圖3-2所示。

圖中，電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，電樞線圈的兩根有效邊便切割磁力線，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。線圈隨電樞鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在N極下是一個(gè)

方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下是另一個(gè)方向。但由于電刷A總是同與N極下的一邊相連的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的一邊相連的換向片接觸，因此在電刷上就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓。圖3-2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖在電刷A、B之間加上直流電壓U，電樞線圈中的電流流向?yàn)?N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣兩個(gè)有效邊中受到的電

磁力的方向一致，電樞開始轉(zhuǎn)動(dòng)。通過換向器可以實(shí)現(xiàn)線圈的有效邊從一個(gè)磁極(如N極)轉(zhuǎn)到另一個(gè)磁極下(如S極)時(shí)，電流的方向同時(shí)發(fā)生改變，從而電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩的方向不發(fā)生改變。電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其大小為T=CTΦIa。3.1.3直流電動(dòng)機(jī)的分類

直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問題。

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)可分為下列幾種類型

1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電動(dòng)機(jī)稱為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其接線如圖3-3(a)所示，圖中M表示電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)也可看做他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。圖3-3直流電動(dòng)機(jī)的類型簡(jiǎn)圖(a)他勵(lì)式；(b)并勵(lì)式；(c)串勵(lì)式；(d)復(fù)勵(lì)式

2.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，其接線如圖3-3(b)所示。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。

3.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，其接線如圖3-3(c)所示。這種直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。

4.復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，其接線如圖3-3(d)所示。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同，則稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。

不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)有著不同的特性。一般情況下，直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。3.1.4直流電動(dòng)機(jī)的特性

1.直流電動(dòng)機(jī)的基本方程

直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖如圖3-4所示。直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電壓平衡方程分別為:

T=CmΦIa

(3-1)

U=E+IaRa

(3-2)

E=CeΦn

(3-3

T=T1+T0

(3-4)

(3-5)

(3-6)

式中:T——直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；

Cm——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ——電動(dòng)機(jī)每極磁通；

Ia——電樞電流；

E——電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)；Ce——電動(dòng)機(jī)常數(shù)；

Ra——負(fù)載等效電阻；

n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

T1——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

T0——空載轉(zhuǎn)矩；

p——電樞繞組磁極對(duì)數(shù)；

N——電樞導(dǎo)體總數(shù)；

a——并聯(lián)支路對(duì)數(shù)。圖3-4直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖

2.直流電動(dòng)機(jī)的工作特性(以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例)

直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指供給電機(jī)額定電壓UN、額定勵(lì)磁電流IfN時(shí)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系、轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流之間的關(guān)系及效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系，分別稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。

1)轉(zhuǎn)速特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可表示為n=f(Ia)，把式(3-3)代入式(3-2)并整理得

(3-7)

此式即為轉(zhuǎn)速特性的表達(dá)式?？梢?，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，轉(zhuǎn)速有所下降。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性如圖3-5所示。圖3-5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

2)轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)U=UN，If=IfN時(shí)，T=f(Ia)的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)矩特性。由式(3-1)可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的表達(dá)式如下:

T=CmΦNIa

(3-8)

在忽略電樞反應(yīng)的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。若考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降，則電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的速度要慢一些，曲線的斜率略有下降。

3)效率特性

當(dāng)U=UN，If=IfN時(shí)，η=f(Ia)的關(guān)系稱為效率特性。

(3-9)

空載耗損P0是不隨負(fù)載電流變化的，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸出的功率大部分消耗在空載損耗上；當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流大到一定程度時(shí)，銅損快速增大，此時(shí)效率又開始變小。3.1.5直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制

1.直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可由式(3-10)描述，即

(3-10)

直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流很大，達(dá)到額定電流的10～20倍，因此必須限制啟動(dòng)電流。限制啟動(dòng)電流的方法就是啟動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接啟動(dòng)電阻Rst。一般規(guī)定，啟動(dòng)電流不應(yīng)超過額定電流的1.5～2.5倍。啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)電阻調(diào)至最大，待啟動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將啟動(dòng)電阻逐漸減小。

2.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種:改變磁通Φ調(diào)速、改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速。

改變磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)磁路已接近飽和，因此通常只是減小磁通將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，調(diào)速范圍較小。改變電樞電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍較寬，可達(dá)到6～10(電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值)。但電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較復(fù)雜。

電樞串聯(lián)電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，但調(diào)速范圍有限，機(jī)械特性變軟，且電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場(chǎng)合。

3.直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和發(fā)電反饋制動(dòng)三種。

能耗制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)制動(dòng)電阻短接，由于慣性，短接后電動(dòng)機(jī)仍保持原方向旋轉(zhuǎn)，電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仍存在并保持原方向，但因?yàn)闆]有外加電壓，電樞繞組中的電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向改變了，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，起到了制動(dòng)作用。反接制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)相反極性的電源相接，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。

發(fā)電反饋制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將高于外加電壓，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。3.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)原理

1.三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，這兩部分之間由氣隙隔開。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，它可分成籠型和繞線型兩種。圖3-6為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。3.2三相異步電動(dòng)機(jī)圖3-6三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

1)定子

定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。

定子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分，它由0.5mm厚、兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，如圖3-7所示。

定子繞組是電機(jī)的電路部分，它用銅線纏繞而成，三相繞組根據(jù)需要可接成星(Y)形和三角(△)形，由接線盒的端子板引出。

機(jī)座是電動(dòng)機(jī)的支架，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。圖3-7定子鐵芯沖片

2)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子鐵芯由0.5mm厚、兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，如圖3-8所示。

籠型轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)如圖3-9(a)所示。

繞線型轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)與定子繞組相似，如圖3-10所示。轉(zhuǎn)軸由中碳鋼制成，其兩端由軸承支撐著，用來輸出轉(zhuǎn)矩。圖3-8轉(zhuǎn)子鐵芯沖片圖3-9籠型轉(zhuǎn)子圖3-10繞線型異步電動(dòng)機(jī)接線

3)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的三相繞組用三個(gè)線圈U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，它們?cè)诳臻g互差120°電角度，采用Y形連接，如圖3-11所示。圖3-11對(duì)稱三相定子繞組設(shè)流過三相線圈的電流分別為:

iU=Imsinωt

(3-11)

iV=Imsin(ωt-120°)

(3-12)

iW=Imsin(ωt+120°)(3-13)

假定電流的正方向由線圈的始端流向末端，其波形如圖3-12所示。圖3-12三相定子電流波形由于電流隨時(shí)間而變，因此電流流過線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布情況也隨時(shí)間而變，現(xiàn)研究幾個(gè)瞬間，如圖3-13所示。圖3-13三相兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

(1)在ωt=0°瞬間，由圖3-12看出，iU=0，U相沒有電流流過，iV

為負(fù)，表示電流由末端流向首端(即V2端為，V1端為⊙)；iW為正，表示電流由首端流入(即W1端為，W2端為⊙)，如圖3-13(a)所示。這時(shí)三相電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)方向由右手螺旋定則判得為水平向右，如圖3-13(a)所示。

(2)在ωt=120°瞬間，三相合成磁場(chǎng)順相序方向旋轉(zhuǎn)了120°，如圖3-13(b)所示。

(3)在ωt=240°瞬間，合成磁場(chǎng)又順相序方向旋轉(zhuǎn)了120°，如圖3-13(c)所示。

(4)在ωt=360°(即為0°)瞬間，又轉(zhuǎn)回到(1)的情況，如圖3-13(d)所示。由此可見，三相繞組通入三相交流電流時(shí)，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若滿足兩個(gè)對(duì)稱(即繞組對(duì)稱、電流對(duì)稱)，則此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小便恒定不變(稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng))。

由上圖可看出，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與相序方向一致，如果改變相序，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向也就隨之改變。三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)正是利用這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速(同步速度)為

(3-14)式中:f1——電網(wǎng)頻率;

p——磁極對(duì)數(shù)。

2.三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

圖3-14是三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。圖3-14三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖

(1)電生磁:定子三相繞組U、V、W，通三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)向與相序一致，為順時(shí)針方向。假定該瞬間定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向向下。

(2)(動(dòng))磁生電:定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向由“右手螺旋定則”確定。由于轉(zhuǎn)子繞組自身閉合，便有電流流過，并假定電流方向與電動(dòng)勢(shì)方向相同，如圖3-14所示。

(3)電磁力(矩):這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生電磁力，其方向由“左手螺旋定則”判斷，如圖3-14所示。該力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成轉(zhuǎn)矩(稱電磁轉(zhuǎn)矩)，并可見，它的方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(即電流相序)一致，于是，電動(dòng)機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)下，以n的速度順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。n<n1(有轉(zhuǎn)速差)是異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的必要條件，異步的名稱也由此而來。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差n1-n與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1的比率，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即

(3-15)

轉(zhuǎn)差率是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，在啟動(dòng)瞬間，n=0，s=1；空載運(yùn)行時(shí)，n≈n1，s≈0。因此對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來說，s在1～0范圍內(nèi)變化，由上式推得:

n=(1-s)n1

在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率很小，僅為0.01～0.06。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性

1.三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

1)電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

由工作原理可知，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流有功分量(

)及定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通(Φ0)成正比，即

(3-16)式中:CT——計(jì)算轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)常數(shù)；

cosφ2——轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)。

當(dāng)磁通一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流有功分量成正比，而并非與轉(zhuǎn)子電流成正比。

由式(3-16)可見，Tem∝。

2)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式

經(jīng)推導(dǎo)還可以算出電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系:

(3-17)式中:CT——電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；

R2——轉(zhuǎn)子繞組電阻；

X20——轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組漏抗。

2.三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1)機(jī)械特性曲線

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式可得T=f(s)之間的關(guān)系曲線，該曲線稱為T-s曲線，如圖3-15所示。

由n=(1-s)n1關(guān)系，可將T-s關(guān)系改為n=f(T)關(guān)系，此即為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，如圖3-16所示。它直接反映了當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化情況。圖3-15三相異步電動(dòng)機(jī)的T-s曲線圖3-16三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

2)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)

(1)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū):機(jī)械特性曲線的AB段。

在機(jī)械特性曲線的AB段，即n1>n>nm區(qū)段，當(dāng)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)能適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，故為穩(wěn)定區(qū)。

該區(qū)段機(jī)械特性較硬，適用于金屬切削機(jī)床等工作機(jī)械。

(2)不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū):機(jī)械特性曲線的BC段，即nm>n>0區(qū)段。

因電動(dòng)機(jī)工作在該區(qū)段，其電磁轉(zhuǎn)矩不能自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，故為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。

3)三個(gè)特征轉(zhuǎn)矩

(1)額定轉(zhuǎn)矩TN。

額定轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩，可由銘牌上的PN和nN求取，即

(3-18)

TN的單位為N·m，PN的單位為kW。

例1

有兩臺(tái)功率相同的三相異步電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)PN=7.5kW

，UN=380V，nN=962r／min，另一臺(tái)PN=7.5kW，UN=380V，nN=1450r／min，試求它們的額定轉(zhuǎn)矩。

解由式(3-18)得,

(2)最大轉(zhuǎn)矩Tm。

由機(jī)械特性曲線可知，電動(dòng)機(jī)有最大轉(zhuǎn)矩Tm。

令=0，解得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的臨界轉(zhuǎn)差率為

(3-19)

(3-20)由上兩式可知:

①sm∝R2，而與U1無關(guān)；

②Tm∝，而與R2無關(guān)。

改變電源電壓U1和電阻R2的機(jī)械特性如圖3-17所示。

注意:過載能力是指最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，也稱做最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用λT表示，即

(3-21)圖3-17對(duì)應(yīng)于不同U1和R2的機(jī)械特性曲線一般三相異步電動(dòng)機(jī)的λT在1.8～2.2的范圍內(nèi)。

(3)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，即n=0，s=1時(shí)的轉(zhuǎn)矩叫啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用Tst表示，

(3-22)

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也與電源電壓、轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)。電源電壓U1降低，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst減小。轉(zhuǎn)子電阻適當(dāng)增大，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻R2=X20時(shí)，sm=1，故此時(shí)Tst=Tm。當(dāng)R2繼續(xù)

增大時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩又開始減小。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是指最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，用Kst

表示，即

(3-23)

它反映電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)載的能力。一般三相異步電動(dòng)機(jī)的Kst=1.0～2.2。3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)

銘牌的作用是向使用者簡(jiǎn)要說明這臺(tái)設(shè)備的一些額定數(shù)據(jù)和使用方法。如一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

(1)型號(hào):由產(chǎn)品代號(hào)(漢語(yǔ)拼音字母)、電動(dòng)機(jī)中心高、機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)和磁極數(shù)四部分組成。

產(chǎn)品代號(hào):Y為三相異步電動(dòng)機(jī)；YR為繞線式異步電動(dòng)機(jī)；YB為防爆型異步電動(dòng)機(jī)；YQ為高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)。表3-2給出了新舊產(chǎn)品代號(hào)對(duì)照表。表3-2異步電動(dòng)機(jī)新舊產(chǎn)品代號(hào)對(duì)照表電動(dòng)機(jī)中心高:單位為mm。

機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào):M表示中機(jī)座，L表示長(zhǎng)機(jī)座，S表示短機(jī)座。

磁極數(shù):用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

例如，Y112M-4中，“Y”表示三相異步電動(dòng)機(jī)，“112”表示電動(dòng)機(jī)的中心高為112mm,“M”表示中機(jī)座，“4”表示4極電動(dòng)機(jī)。

(2)額定功率PN:指電動(dòng)機(jī)在額定狀況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。

(3)額定電壓UN:指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行情況下，三相定子繞組應(yīng)接的線電壓值，單位為V。

(4)額定電流IN:指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行情況下，三相定子繞組的線電流值，單位為A。三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率、電流、電壓之間的關(guān)系為

(3-24)

對(duì)380V低壓異步電動(dòng)機(jī)，IN≈2PN。

(5)額定轉(zhuǎn)速nN:指額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r／min。

(6)額定頻率f:我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，故國(guó)內(nèi)異步電動(dòng)機(jī)頻率均為50Hz。

(7)接法:電動(dòng)機(jī)定子三相繞組有Y形連接和△形連接兩種，如圖3-18所示。圖3-18三相異步電動(dòng)機(jī)的接線方式

(8)溫升及絕緣等級(jí):溫升是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組溫度允許高出周圍環(huán)境溫度的數(shù)值，但允許高出數(shù)值的多少由該電機(jī)繞組所用絕緣材料的耐熱程度決定。絕緣材料的耐熱程度稱為絕緣等級(jí)，不同的絕緣材料，其最高允許溫升是不同的。中、小電動(dòng)機(jī)常用的絕緣材料分五個(gè)等級(jí)，如表3-3所示，其中最高允許溫升值是按環(huán)境溫度40℃計(jì)算出來的。

(9)工作方式:連續(xù)工作制、短時(shí)工作制和斷續(xù)周期工作制。表3-3絕緣材料溫升限值三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇原則如下所述:

1.功率選擇

選擇額定功率最為重要，選擇功率的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)合

理地確定電動(dòng)機(jī)功率。

2.結(jié)構(gòu)形式的選擇

為防止電動(dòng)機(jī)被周圍介質(zhì)所損壞，或因電動(dòng)機(jī)本身的故障而引起災(zāi)害，必須根據(jù)具體的環(huán)

境選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)形式。電動(dòng)機(jī)常見防護(hù)形式有開啟式、防護(hù)式和封閉式(適用于多塵、水

土飛濺場(chǎng)合)和防爆式四種。

3.類型的選擇

可根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求選擇籠型電動(dòng)機(jī)或是繞線型電動(dòng)機(jī)。

4.電壓的選擇

電動(dòng)機(jī)電壓的選擇主要取決于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行場(chǎng)地供電網(wǎng)的電壓等級(jí)，另外還需考慮電動(dòng)機(jī)的類型和功率。一般車間等低壓電網(wǎng)均是380V，因此中、小容量的Y系列電動(dòng)機(jī)額定電壓均為380V，只有大功率異步電動(dòng)機(jī)才采用3kV或6kV的高壓電動(dòng)機(jī)。

5.轉(zhuǎn)速的選擇

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而選定的，同時(shí)還需考慮機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。通常，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低于500r／min。單相異步電動(dòng)機(jī)由單相電源供電，它廣泛應(yīng)用于家用電器和醫(yī)療器械中，如電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)設(shè)備等都使用單相異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。

從結(jié)構(gòu)上看，單相異步電動(dòng)機(jī)與三相籠型異步電動(dòng)機(jī)相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型，只是定子繞組為一單相工作繞組。通常為啟動(dòng)的需要，定子上除了有工作繞組外，還設(shè)有啟動(dòng)繞組，它的作用是產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般只在啟動(dòng)時(shí)接入，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到70％～85％的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由離心開關(guān)將其從電源自動(dòng)切除，所以正常工作時(shí)只有工作繞組在電源上運(yùn)行。3.3單相異步電動(dòng)機(jī)但也有一些電容或電阻電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將啟動(dòng)繞組接于電源上，這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)兩相電機(jī)，但由于它接在單相電源上，故仍稱為單相異步電動(dòng)機(jī)。下面分別介紹單相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理和主要類型。圖3-19為一單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-19單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3.3.1單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

單相交流繞組通入單相交流電流產(chǎn)生脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)，這個(gè)脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)幅值相等、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F+和F-，從而在氣隙中建立正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁通Φ+和Φ-。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，并分別在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。圖3-20單相異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正向和反向電磁轉(zhuǎn)矩和，如圖3-20所示。企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)；企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩疊加起來就是推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的合成轉(zhuǎn)矩Tem

。不論是還是，它們的大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系和三相異步電動(dòng)機(jī)的情況是一樣的。若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，則對(duì)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，轉(zhuǎn)差率s+為

(3-25)

而對(duì)反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，轉(zhuǎn)差率s-為

(3-26)

即當(dāng)s+=0時(shí)，相當(dāng)于s-=2；當(dāng)s-=0時(shí)，相當(dāng)于s+=2。三相異步電機(jī)的n(s)=f(Tem)曲線如圖3-21所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=n1時(shí)，轉(zhuǎn)差率s=0;當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，s=1；當(dāng)轉(zhuǎn)子反向同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則s=2。圖3-21三相異步電動(dòng)機(jī)的s(n)=f(Tem)曲線單相異步電動(dòng)機(jī)s+與的變化關(guān)系同三相異步電動(dòng)機(jī)的s=f(Tem)特性相似。

單相異步電動(dòng)機(jī)的s=f(Tem)曲線是由s+=f(

)與s-=f(

)兩根特性曲線疊加而成的，如圖3-22所示。由圖可見，單

相異步電動(dòng)機(jī)有以下幾個(gè)主要特點(diǎn):

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均以速度n1朝相反的兩個(gè)方向切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出大小相等而相序相反的電動(dòng)勢(shì)和電流，它們分別產(chǎn)生大小相等而方向相反的兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，使其合成的電磁轉(zhuǎn)矩為零。即啟動(dòng)瞬間，n=0，s=1，Tem=

+=0，說明單相異步電動(dòng)機(jī)無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如不采取其他措施，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。由此可知，三相異步電動(dòng)機(jī)電源斷一相時(shí)，相當(dāng)于一臺(tái)單相異步電動(dòng)機(jī)，故不能啟動(dòng)。圖3-22單相異步電動(dòng)機(jī)的s(n)=f(Tem)曲線

(2)當(dāng)s≠1時(shí)，Tem≠0，且Tem無固定方向，則Tem取決于s的正負(fù)。若用外力使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，則s+或s-不為1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩不為零。這時(shí)，若合成轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則即使去

掉外力，電動(dòng)機(jī)也可以旋轉(zhuǎn)起來。因此單相異步電動(dòng)機(jī)雖無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但一經(jīng)啟動(dòng)，便可達(dá)到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作，而旋轉(zhuǎn)方向則取決于啟動(dòng)瞬間外力矩作用于轉(zhuǎn)子的方向。

由此可知，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中斷掉一相時(shí)，電機(jī)仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于存在反向轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變時(shí)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率上升，定、轉(zhuǎn)子電流增加，從而使得電動(dòng)機(jī)溫升增加。

(3)由于反向轉(zhuǎn)矩的作用，使合成轉(zhuǎn)矩減小，最大轉(zhuǎn)矩也隨之減小，故單相異步電動(dòng)機(jī)的過載能力較低。3.3.2單相異步電動(dòng)機(jī)的主要類型

為了使單相異步電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵是啟動(dòng)時(shí)如何在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。根據(jù)獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方式的不同，單相異步電動(dòng)機(jī)可分為分相電動(dòng)機(jī)和罩極電動(dòng)

機(jī)兩大類型。

1.分相電動(dòng)機(jī)

在分析交流繞組磁動(dòng)勢(shì)時(shí)曾得出一個(gè)結(jié)論，只要在空間不同相的繞組中通入時(shí)間上不同相的電流，就能產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，分相啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。

分相啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)包括電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電容電動(dòng)機(jī)和電阻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

1)電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)

定子上有兩個(gè)繞組，一個(gè)稱為主繞組(或稱為工作繞組)，用1表示，另一個(gè)稱為輔助繞組(或稱為啟動(dòng)繞組)，用2表示，兩繞組在空間相差90°。在啟動(dòng)繞組回路中串接啟動(dòng)電容C，作電流分相用，并通過離心開關(guān)S或繼電器觸點(diǎn)S與工作繞組并聯(lián)在同一單相電源上，如圖3-23(a)所示。因工作繞組呈阻感性，故滯后于。若適當(dāng)選擇電容C，可使流過啟動(dòng)繞組的電流超前190°，如圖3-23(b)所示，這就相當(dāng)于在時(shí)間相位上互差90°的兩相電流流入在空間相差90°的兩相繞組中，便在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并在該磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-23單相電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)(a)電路圖；(b)相量圖這種電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)繞組是按短時(shí)工作設(shè)計(jì)的，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)70％～85％同步轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)繞組和啟動(dòng)電容器C就在離心開關(guān)S的作用下自動(dòng)退出工作，這時(shí)電動(dòng)機(jī)就在工

作繞組單獨(dú)作用下運(yùn)行。

欲改變電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需將工作繞組或啟動(dòng)繞組的兩個(gè)出線端對(duì)調(diào)，也就是改變啟動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向即可。

2)電容電動(dòng)機(jī)

在啟動(dòng)繞組中串入電容后，不僅能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且運(yùn)行時(shí)還能改善電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和提高過載能力。圖3-24單相電容電動(dòng)機(jī)為了改善單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，可不切除串有電容器的啟動(dòng)繞組，這種電動(dòng)機(jī)稱為電容電動(dòng)機(jī)，如圖3-24所示。

電容電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)兩相異步電動(dòng)機(jī)，因此啟動(dòng)繞組應(yīng)按長(zhǎng)期工作方式設(shè)計(jì)。

須指出，由于電動(dòng)機(jī)工作時(shí)比啟動(dòng)時(shí)所需的電容小，因此在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，必須利用離心開關(guān)S把啟動(dòng)電容Cst

切除，工作電容C便與工作繞組及啟動(dòng)繞組一起參與運(yùn)行。

使電容電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方法與電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)相同，即把工作繞組或啟動(dòng)繞組的兩個(gè)出線端對(duì)調(diào)就可以了。

3)電阻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)

電阻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)繞組的電流不用串聯(lián)電容而用串聯(lián)電阻的方法來分相，但由于此時(shí)與之間的相位差較小，因此其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，只適用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合。2.罩極電動(dòng)機(jī)

罩極電動(dòng)機(jī)的定子一般都采用凸極式的，工作繞組集中繞制，套在定子磁極上。在極靴表面的1/3～1/4處開有一個(gè)小槽，并用短路銅環(huán)把這部分磁極罩起來，故稱為罩極電動(dòng)機(jī)。

短路銅環(huán)起了啟動(dòng)繞組的作用，稱為啟動(dòng)繞組。罩極電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-25(a)所示。圖3-25單相罩極電動(dòng)機(jī)(a)繞組接線圖；(b)相量圖當(dāng)工作繞組通入單相交流電流后，將產(chǎn)生脈動(dòng)磁通，其中一部分磁通不穿過短路銅環(huán)，另一部分磁通則穿過短路銅環(huán)。由于與都是由工作繞組中的電流產(chǎn)生的，故

與同相位，并且Φ1>Φ2。由脈動(dòng)磁通在短路環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它滯后90°。由于短路銅環(huán)閉合，在短路銅環(huán)中就有滯后于為φ角的電流產(chǎn)生，該電流又產(chǎn)生與同相的磁通，它也穿鏈于短路環(huán)，因此罩極部分穿鏈的總磁通為

，如圖3-24(b)所示。由此可見，未罩極部分磁通與被罩極部分磁通，不僅在空間而且在時(shí)間上均有相位差，因此它們的合成磁場(chǎng)將是一個(gè)由超前相轉(zhuǎn)向滯后相的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(即由未罩極部分轉(zhuǎn)向罩極部分)，由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其方向也為由未罩極轉(zhuǎn)向罩極部分。3.3.3單相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

單相異步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，其單位容量的體積大，且效率及功率因數(shù)均較低，過載能力也較差。因此，單相異步電動(dòng)機(jī)只做成微型的，功率一般在幾瓦至幾百瓦之間。

單相異步電動(dòng)機(jī)由單相電源供電，因此它廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)療器械及輕工設(shè)備中。其中，電容啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電容電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，容量可做到幾十到幾百瓦，常用于吊扇、空氣壓縮機(jī)、電冰箱和空調(diào)設(shè)備中。罩極電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，多用于小型風(fēng)扇、電動(dòng)機(jī)模型和電唱機(jī)中，容量一般在30～40W。由于單相異步電動(dòng)機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此它的使用領(lǐng)域越來越廣泛。限于篇幅，這里僅對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于電風(fēng)扇的情況加以介紹。

電風(fēng)扇是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)來加速空氣流動(dòng)的一種常用的電動(dòng)器具。它由風(fēng)葉、扇頭、支撐結(jié)構(gòu)和控制器四部分組成。在常用單相交流電風(fēng)扇中，一般使用單相罩極異步電動(dòng)機(jī)和單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在電風(fēng)扇中的基本作用是驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，因此它的功率要求和主要尺寸都取決于風(fēng)葉的功率消耗。一般風(fēng)葉的功率消耗與其轉(zhuǎn)速的三次方成比例關(guān)系，因此啟動(dòng)時(shí)功率要求較低，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率消耗迅速增加。以上兩種電機(jī)較適宜于此類負(fù)載。

家用電扇一般都要求能調(diào)速，單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變極調(diào)速、降壓調(diào)速(又分為串聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、自耦變壓器和串聯(lián)晶閘管調(diào)壓調(diào)速等方法)、抽頭調(diào)速等。伺服電機(jī)又稱為執(zhí)行電機(jī)，是控制電機(jī)的一種。伺服電機(jī)可以把輸入的電壓信號(hào)變換成電機(jī)軸上的角位移和角速度等機(jī)械信號(hào)輸出。

按伺服電機(jī)的控制電壓來分，伺服電機(jī)可分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)兩大類。直流伺服電機(jī)的輸出功率通常為1～600W，用于功率較大的控制系統(tǒng)中。交流伺服電機(jī)的輸出功率較小，一般為0.1～100W，用于功率較小的控制系統(tǒng)中。

伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中一般用作執(zhí)行元件。3.4伺服電機(jī)3.4.1直流伺服電機(jī)

1.直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流伺服電機(jī)的控制電源為直流電壓。根據(jù)其功能可分為普通型直流伺服電機(jī)、盤型電樞直流伺服電機(jī)、空心杯電樞直流伺服電機(jī)和無槽直流伺服電機(jī)等。

1)普通型直流伺服電機(jī)

普通型直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與他勵(lì)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。根據(jù)勵(lì)磁方式它又可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式伺服電機(jī)的定子磁極上裝有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組接勵(lì)磁控制電壓產(chǎn)生磁通；永磁式伺服電機(jī)的磁極是永磁鐵，其磁通是不可控的。

與普通直流電機(jī)相同，直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷與外邊電樞控制電路相連接。為提高控制精度和響應(yīng)速度，伺服電機(jī)的電樞鐵芯長(zhǎng)度與直徑之比比普通直流電機(jī)的大，氣隙也較小。當(dāng)定子中的勵(lì)磁磁通和轉(zhuǎn)子中的電流相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，恰當(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)子中電樞電流的方向和大小，就可以控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。電樞電流為零時(shí)，伺服電機(jī)則停止不動(dòng)。普通的電磁式和永磁式直流伺服電機(jī)的性能接近，它們的慣性比其他類型伺服電機(jī)的大。

2)盤型電樞直流伺服電機(jī)

盤型電樞直流伺服電機(jī)的定子由永久磁鐵和前、后鐵軛共同組成，磁鐵可以在圓盤電樞的一側(cè)，也可在其兩側(cè)。盤型伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞由線圈沿轉(zhuǎn)軸的徑向圓周排列，并用環(huán)氧樹脂澆注成圓盤型。盤型繞組中通過的電流是徑向電流，而磁通為軸向的，徑向電流與軸向磁通相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖3-26為盤型伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-26盤型電樞直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

3)空心杯電樞直流伺服電機(jī)

空心杯電樞直流伺服電機(jī)有兩個(gè)定子，一個(gè)為由軟磁材料構(gòu)成的內(nèi)定子，另一個(gè)為由永磁材料構(gòu)成的外定子，外定子產(chǎn)生磁通，內(nèi)定子主要起導(dǎo)磁作用?？招谋欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)子由單個(gè)成型線圈沿軸向排列成空心杯形，并用環(huán)氧樹脂澆注成型?？招谋姌兄苯友b在轉(zhuǎn)軸上，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。圖3-27為空心杯電樞直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖3-27空心杯電樞直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

4)無槽直流伺服電機(jī)

無槽直流伺服電機(jī)與普通伺服電機(jī)的區(qū)別是，無槽直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯上不開元件槽，電樞繞組元件直接放置在鐵芯的外表面，然后用環(huán)氧樹脂澆注成型。圖3-28為無槽直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

后三種伺服電機(jī)與普通伺服電機(jī)相比，由于它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、電樞等效電感小，因此它們的動(dòng)態(tài)特性較好，適用于快速系統(tǒng)。圖3-28無槽直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.直流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性

在忽略電樞反應(yīng)的情況下，直流伺服電機(jī)的電壓平衡方程可表示如下:

U=Ea+RaIa

(3-27)

當(dāng)磁通恒定時(shí)，電樞反電動(dòng)勢(shì)為

Ea=CeΦn=ken

(3-28)

式中，ke為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。直流伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

Tem=CTΦIa=kTIa

(3-29)

式中，kT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

將上述三式聯(lián)立求解，可得直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為

(3-30)

根據(jù)式(3-30)可得出直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。

1)機(jī)械特性

機(jī)械特性是指在控制電樞電壓保持不變的情況下，直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。當(dāng)電樞電壓為常值時(shí)，式(3-30)可寫成

n=n0-kTem

(3-31)

式中，n0=

對(duì)上式應(yīng)考慮兩種特殊情況:

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓有關(guān)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為直流伺服電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速。理想空載轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比，即

(3-32)

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電機(jī)的轉(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。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與電樞電壓成正比，即

(3-33)圖3-29為給定不同的電樞電壓得到的直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性。從機(jī)械特性曲線上看，不同電樞電壓下的機(jī)械特性曲線為一組平行線，其斜率為-k。從圖中可以看出，當(dāng)控制電壓一定時(shí)，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3-29電樞控制的直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性

2)調(diào)節(jié)特性

直流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，根據(jù)式(3-30)可知，轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系也為一組平行線，如圖3-30所示，其斜率為1／ke。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可得到不同的啟動(dòng)電壓U。當(dāng)電樞電壓小于啟動(dòng)電壓時(shí)，伺服電機(jī)將不能啟動(dòng)。圖3-30直流伺服電機(jī)調(diào)節(jié)特性3.4.2交流伺服電機(jī)

1.交流伺服電機(jī)的工作原理

交流伺服電機(jī)一般是兩相交流電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子有籠形和杯形兩種，無論哪一種轉(zhuǎn)子，它的轉(zhuǎn)子電阻都做得比較大，其目的是使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得在控制繞組不加電壓時(shí)，能及時(shí)制動(dòng)，防止自轉(zhuǎn)。交流伺服電機(jī)的定子為兩相繞組，并在空間相差90°電角度。兩個(gè)定子繞組結(jié)構(gòu)完全相同，使用時(shí)一個(gè)繞組作勵(lì)磁用，另一個(gè)繞組作控制用。圖3-31為交流伺服電機(jī)的工作原理圖，在圖中為勵(lì)磁電壓，為控制電壓，這兩個(gè)電壓均為交流，相位互差90°。當(dāng)勵(lì)磁繞組和控制繞組均加交流互差90°電角度的電壓時(shí)，在空間可形成圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值相等)或橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值不等)，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值相等時(shí)，控制二者的相位差也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。與普通兩相異步電動(dòng)機(jī)相比，伺服電機(jī)有較寬的調(diào)速范圍；當(dāng)勵(lì)磁電壓不為零而控制電壓為零時(shí)，其轉(zhuǎn)速也應(yīng)為零；機(jī)械特性為線性并且動(dòng)態(tài)特性較好。為達(dá)到上述要求，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻應(yīng)當(dāng)大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)當(dāng)小。圖3-31交流伺服電機(jī)工作原理圖由電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，增大轉(zhuǎn)子電阻可使臨界轉(zhuǎn)差率sm增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到一定值時(shí)，可使sm≥1，電機(jī)的機(jī)械特性曲線近似為線性，這樣可使伺服電機(jī)的調(diào)速范圍大，在大范圍內(nèi)能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)增大轉(zhuǎn)子電阻時(shí)，還可以防止自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)勵(lì)磁電壓不為零而控制電壓為零時(shí)，伺服電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)單相異步電動(dòng)機(jī)，若轉(zhuǎn)子電阻較小，則電機(jī)還會(huì)按原來的運(yùn)行方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩仍為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的機(jī)械特性如圖3-32(a)所示；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，如圖3-32(b)所示，拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩將變小；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻大到一定程度時(shí)，如圖3-32(c)所示，轉(zhuǎn)矩完全變成制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，這樣可以避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生(圖中Tem為電磁轉(zhuǎn)矩，T1和T2為電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量)。圖3-32轉(zhuǎn)子電阻對(duì)交流伺服電機(jī)機(jī)械特性的影響

2.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，分別是幅值控制、相位控制和幅相控制。

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。

當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓，控制電壓為零時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓，控制電壓也為額定電壓時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓，控制電壓在額定電壓與零電壓之間變化時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速間變化。圖3-31即為幅值控制時(shí)伺服電機(jī)的控制接線圖，使用時(shí)控制電壓的幅值在額定值與零之間變化，勵(lì)磁電壓保持為額定值。

2)相位控制

與幅值控制不同，相位控制時(shí)控制電壓和勵(lì)磁電壓均為額定電壓，通過改變控制電壓和勵(lì)磁電壓的相位差，可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。

設(shè)控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差為β，β=0～90°。根據(jù)β的取值可得出氣隙磁場(chǎng)的變化情況。當(dāng)β=0°時(shí)，控制電壓與勵(lì)磁電壓同相位，氣隙總磁動(dòng)勢(shì)為脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)β=90°時(shí)，為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)β=0～90°變化時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)從脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)變?yōu)闄E圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，最終變?yōu)閳A形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速由低向高變化。β值越大，越接近圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。

相位控制時(shí)的接線圖如圖3-33所示。圖3-33相位控制接線圖

3)幅相控制

幅相控制是對(duì)幅值和相位差都進(jìn)行控制，通過改變控制電壓的幅值及控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3-34為幅相控制接線圖，當(dāng)控制電壓的幅值改變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，此時(shí)勵(lì)磁繞組中的電流隨之發(fā)生變化，勵(lì)磁電流的變化引起電容的端電壓變化，從而使控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位角β發(fā)生改變。

幅相控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性不如幅值控制和相位控制，但由于其電路簡(jiǎn)單，不需要移相器，因此在實(shí)際應(yīng)用中用得較多。圖3-34幅相控制接線圖3.5.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中一種十分重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件。它和計(jì)算機(jī)數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合后，可以把脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、電磁減法器或角位移發(fā)生器等。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)其作用原理和結(jié)構(gòu)，基本可分成下面兩大類型:

3.5步進(jìn)電機(jī)第一類為電磁型步進(jìn)電機(jī)。這種步進(jìn)電機(jī)是早期的步進(jìn)電機(jī)，它通常只有一個(gè)繞組，并且僅靠電磁作用還不能使電機(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。這種步進(jìn)電機(jī)有螺線管型和輪型步進(jìn)電機(jī)兩種。

第二類為定子和轉(zhuǎn)子間僅靠電磁作用就可以產(chǎn)生步進(jìn)作用的步進(jìn)電機(jī)。這種電機(jī)一般有多相繞組，在定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系。這種電機(jī)有良好的可靠性及快速性，在工業(yè)應(yīng)用上大量用作狀態(tài)伺服元件、狀態(tài)指示元件及功率伺服拖動(dòng)元件，有時(shí)也作為位置控制、速度控制元件。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，都是使用第二類步進(jìn)電機(jī)。在本節(jié)中介紹的功率接口及其有關(guān)技術(shù)，都是針對(duì)第二類步進(jìn)電機(jī)而言的。

在第二類步進(jìn)電機(jī)中，根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式，可以分成永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)和反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機(jī)，它們也簡(jiǎn)稱為永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在永磁式步進(jìn)電機(jī)中，它的轉(zhuǎn)子是用永久磁鋼制成的，也有由直流電源供電的勵(lì)磁繞組制成的轉(zhuǎn)子，在該類步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生勵(lì)磁。與永磁式步進(jìn)電機(jī)不同，在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子的齒也稱顯極，在這種步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中沒有勵(lì)磁繞組。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有力矩大、慣性比高、步進(jìn)頻率高、頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。這里，以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例介紹步進(jìn)電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)。

2.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的原理圖如圖3-35所示。這是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。

從圖中可以看出，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上有三對(duì)磁極，磁極上裝有勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組分為三相，分別為A、B和C三相繞組。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個(gè)凸極，極上不裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒。圖3-35三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理圖(a)A相通電情況；(b)B相通電情況；(c)C相通電情況當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的A相通電，B相和C相不通電時(shí)，由于A相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的A相對(duì)齊，如圖3-35(a)所示。當(dāng)

A相斷電，改為B相通電時(shí)，同A相通電時(shí)情況一樣，磁通也要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過一定角度，使轉(zhuǎn)子齒2、4與B相對(duì)齊，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過的

角度為30°，如圖3-35(b)所示。當(dāng)由B相改為C相通電時(shí)，同樣可使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°空間角度，如圖3-35(c)所示。若按照A—B—C—A的通電順序往復(fù)下去，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于三相控制繞組的通、斷電源的

頻率。當(dāng)按照A—C—B—A順序通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒏臑轫槙r(shí)針。在步進(jìn)電機(jī)控制過程中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電控制方式，由于每次只有一相控制繞組通電，因而稱為三相單三拍控制方式。除此種控制方式外，還有三相單、雙六拍工作方式和三相雙三拍控制方式。在三相單、雙六拍工作方式中，控制繞組的通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CA—A(轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))或A—AC—C—CB—B—BA—A(轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn))。在三相雙三拍控制方式中，控制繞組的通電順序?yàn)锳B—BC—CA—AB或AC—CB—BA—AC。有關(guān)三相單、雙六拍和三相雙三拍控制時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的情況讀者可以自己進(jìn)行分析。步進(jìn)電機(jī)每改變一次通電狀態(tài)(一拍)時(shí)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角。從圖中可看出，三相單三拍的步距角為30°，而三相單、雙六拍的步距角為15°，三相雙三拍的步距角為30°。圖3-36小步距三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以上討論的是最簡(jiǎn)單的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，這種步進(jìn)電機(jī)的步距角較大，不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的齒都比較多，而步距角一般較小。圖3-36為小步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的原理圖。步進(jìn)電機(jī)的步距角θse可通過下式計(jì)算:

(3-34)式中:m——步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)m=3；

C——通電狀態(tài)系數(shù)，對(duì)于單拍或雙拍方式工作時(shí)，C=1，單雙拍混合方式工作時(shí)，C=2；Zr——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n可通過下式計(jì)算:

(3-35)

式中:f——步進(jìn)電機(jī)每秒的拍數(shù)(或每秒的步數(shù))，也稱為步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖頻率。3.5.2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特性

1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的靜特性

步進(jìn)電機(jī)的靜特性是指步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)不變，電機(jī)處于穩(wěn)定的狀態(tài)下所表現(xiàn)的性質(zhì)。步進(jìn)電機(jī)的靜特性包括矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩。

1)矩角特性

步進(jìn)電機(jī)在空載條件下，控制繞組通入直流電流，轉(zhuǎn)子最后處于穩(wěn)定的平衡位置稱為步進(jìn)電機(jī)的初始平衡位置，由于不帶負(fù)載，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為零。步進(jìn)電機(jī)偏離初始平衡位置的電角度，稱為失調(diào)角。在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的一個(gè)齒距所對(duì)應(yīng)的電角度為2π。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。矩角特性用T=f(θ)表示，其正方向取失調(diào)角增大的方向。矩角特性可通過下式計(jì)算:

T=-kI2sinθ

(3-36)

式中:k——轉(zhuǎn)矩常數(shù);

I——控制繞組的電流;

θ——失調(diào)角。從上式可看出，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩T與控制繞組的電流I的平方成正比(忽略磁路飽和)，因此控制繞組的電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩，電流大轉(zhuǎn)矩也大。矩角特性為一正弦曲線。圖3-37步進(jìn)電機(jī)的矩角特性由矩角特性可知，在靜轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子有一個(gè)平衡位置。在空載條件下，轉(zhuǎn)子的平衡位置可通過令T=0求得，當(dāng)θ=0時(shí)，T=0，當(dāng)因某種原因使轉(zhuǎn)子偏離θ=0點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩都能使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到θ=0的點(diǎn)，因此θ=0的點(diǎn)為步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)；當(dāng)θ=±π時(shí)，同樣也可使T=0，但當(dāng)θ>π或θ<π時(shí)，轉(zhuǎn)子因某種原因離開θ=±π時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩卻不能再恢復(fù)到原平衡點(diǎn)，因此θ=±π為不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。兩個(gè)不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)之間即為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定區(qū)域?yàn)?π<θ<+π。圖3-37為步進(jìn)電機(jī)的矩角特性。

2)最大靜轉(zhuǎn)矩

在矩角特性中，靜轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。當(dāng)

時(shí)，T有最大值Tsm，最大靜轉(zhuǎn)矩Tsm=Ki2。

2.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)特性

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)特性是指步進(jìn)電機(jī)從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)所表現(xiàn)出的性質(zhì)。動(dòng)態(tài)特性包括動(dòng)穩(wěn)定區(qū)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)頻率及頻率特性等。

1)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。如圖3-38所示，設(shè)步進(jìn)電機(jī)的初始狀態(tài)的矩角特性為圖中曲線1，穩(wěn)定點(diǎn)為A點(diǎn)，通電狀態(tài)改變后的矩角特性為曲線2，穩(wěn)定點(diǎn)為B點(diǎn)。由矩角特性可知，起始位置只有在a、b點(diǎn)之間時(shí)，才能到達(dá)新的穩(wěn)定點(diǎn)B。a、b區(qū)間稱為步進(jìn)電機(jī)的空載穩(wěn)定區(qū)，用失調(diào)角表示

的區(qū)間為

π+θse<θ<π+θse

圖3-38動(dòng)穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)的邊界點(diǎn)a到初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)A的角度，用θr表示，稱為穩(wěn)定裕量角。穩(wěn)定裕量角與步距角θse之間的關(guān)系為

(3-37)

穩(wěn)定裕量角越大，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定，當(dāng)穩(wěn)定裕量角趨于零時(shí)，電機(jī)不能穩(wěn)定工作。

步距角越大，裕量角也就越小。

2)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

理論分析表明，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系:

(3-38)

式中:Tst——最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將不能啟動(dòng)。

3)啟動(dòng)頻率

步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率是指在一定負(fù)載條件下，電機(jī)能夠不失步地啟動(dòng)的脈沖最高頻率。

影響最高啟動(dòng)頻率的因素有以下幾個(gè):

(1)啟動(dòng)頻率fst與步進(jìn)電機(jī)的步距角θse有關(guān)，步距角越小，啟動(dòng)頻率越高。

(2)步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，啟動(dòng)頻率越高。

(3)轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角小，啟動(dòng)頻率高。

(4)電路時(shí)間常數(shù)大，啟動(dòng)頻率降低。

對(duì)于使用者而言，要想增大啟動(dòng)頻率，可增大啟動(dòng)電流或減小電路的時(shí)間常數(shù)。

4)頻率特性

步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)是頻率特性曲線，是啟動(dòng)力矩與頻率的關(guān)系曲線。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線的縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，圖3-39步進(jìn)電機(jī)頻率特性用T表示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，而根據(jù)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作頻率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所作出的曲線，就是反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)性能的頻率特性曲線。典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線如圖3-39所示。

從圖中可看出，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨頻率的增大而減小。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線和許多因素有關(guān)，這些因素包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵芯有效長(zhǎng)度、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定/轉(zhuǎn)子間的氣隙、控制線路的電壓等。很明顯，其中有的因素是步進(jìn)電機(jī)在制造時(shí)已確定的，使用者是不能改變的，但有些因素使用者是可以改變的，如控制方式、繞組工作電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。

(1)控制方式對(duì)頻率特性的影響。

對(duì)于同一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，單三拍控制方式的頻率特性最差，六拍工作方式的頻率特性最好，而雙三拍介于二者之間，使用時(shí)最好為六拍工作方式。

(2)線路時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率特性的影響。圖3-40步進(jìn)電機(jī)一相驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的每相繞組供電都是由功率開關(guān)電路來完成的。步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(guān)電路如圖3-40所示。其中:L為步進(jìn)電機(jī)繞組電感，RL為繞組電阻；Rc為晶體管V的集電極外接電阻；VD為續(xù)流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管V是大功率開關(guān)管。Rc是功率電阻，它是一個(gè)消耗性負(fù)載，一般為數(shù)歐。這時(shí)，線路的時(shí)間常數(shù)Tj為

(3-39)線路時(shí)間常數(shù)小，步進(jìn)電機(jī)的頻率特性好，同時(shí)，時(shí)間常數(shù)小也可使啟動(dòng)頻率增高，因此，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量減小時(shí)間常數(shù)。為了減少時(shí)間常數(shù)，可增大電阻Rc；為不使穩(wěn)態(tài)電流減少，在增大電阻的同時(shí)，可采用提高供電電壓的方法。在實(shí)際中，可根據(jù)客觀情況來考慮選擇恰當(dāng)?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進(jìn)電機(jī)處于合適的工作狀態(tài)。

(3)開關(guān)回路電壓對(duì)頻率特性的影響。

步進(jìn)電機(jī)繞組的開關(guān)回路電壓，有時(shí)也稱為步進(jìn)電機(jī)的電壓，這個(gè)電壓是指控制繞組通電或斷電的功率開關(guān)回路的供電電壓，而不是指加在電機(jī)繞組兩端的電壓。開關(guān)回路電壓如圖3-40中所示的U，而加到步進(jìn)電機(jī)繞組兩端的電壓則要比U小得多，因?yàn)樵诖蠊β示w管V和外接電阻Rc上存在壓降。在步進(jìn)電機(jī)上所標(biāo)稱的電氣參數(shù)，包括電壓和電流都與通常的電機(jī)意義不同，它們不是額定的電壓、電流值。步進(jìn)電機(jī)的電壓和電流是可以改變的，實(shí)際使用時(shí)作為參考，但實(shí)際電壓、電流不應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)所標(biāo)電壓、電流相差很多。在外接電阻Rc不變時(shí)，單純提高開關(guān)回路電壓，必定會(huì)使步進(jìn)電機(jī)繞組的電流加大，

步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨之提高。同時(shí)，開關(guān)回路電壓的提高會(huì)使電流的上升率提高，故步進(jìn)電機(jī)的工作頻率也會(huì)提高。在改變外接電阻Rc的阻值時(shí)，無論開關(guān)回路的電壓是否改變，步進(jìn)電機(jī)的電氣參數(shù)和頻率特性均隨之改變。通常在改變開關(guān)電壓的同時(shí)改變外接電阻的值，即增大電阻的同時(shí)提高開關(guān)電壓，從而使步進(jìn)電機(jī)的頻率特性得到改善。步進(jìn)電機(jī)的工作頻率范圍可分成三個(gè)區(qū)間:低頻區(qū)、共振區(qū)、高頻區(qū)。在這三個(gè)區(qū)間中轉(zhuǎn)子的情況有所不同。下面分析這三個(gè)區(qū)間轉(zhuǎn)子的狀態(tài)。

對(duì)于一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來說，它的理想頻率特性曲線應(yīng)該是一條十分光滑的連續(xù)曲線，在低頻區(qū)電磁力矩較大，在高頻區(qū)其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小。如果在曲線上出現(xiàn)毛刺或下凹點(diǎn)，就表示電機(jī)在該點(diǎn)上有振蕩產(chǎn)生。因?yàn)槊毯拖掳键c(diǎn)說明電機(jī)這時(shí)的力矩下降，顯然是有部分能量消耗于振蕩之中。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在很低的頻率時(shí)，雖然在曲線上不出現(xiàn)下凹點(diǎn)，但因?yàn)檫@時(shí)是單步運(yùn)行狀態(tài)，故也會(huì)有明顯的振蕩。另外，步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)改變也會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。例如，當(dāng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)在正常步進(jìn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，突然制動(dòng)，則無論步進(jìn)電機(jī)原來以什么換相頻率工作，都會(huì)產(chǎn)生振蕩。再者，在改善電路時(shí)間常數(shù)，加大回路電壓提高工作頻率時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生分頻振蕩點(diǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步旋轉(zhuǎn)時(shí)，其工作頻率必定處于低頻區(qū)。在開始工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)力指向平衡點(diǎn)，又形成反向過沖，由于機(jī)械摩擦力矩及電磁力矩的作用，形成一個(gè)衰減振動(dòng)過程。最后，轉(zhuǎn)子則穩(wěn)定停在平衡點(diǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在主振區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)子在每步轉(zhuǎn)動(dòng)中，它的振動(dòng)有可能不表現(xiàn)為衰減運(yùn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)子反沖過平衡點(diǎn)時(shí)，它的沖幅足夠大，則會(huì)返回原來的平衡點(diǎn)穩(wěn)定下來，顯然，這會(huì)引起失步。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)來說，振蕩所產(chǎn)生的最嚴(yán)重后果就是失步，而不是過沖。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在高頻區(qū)時(shí)，由于換相周期很短，故步進(jìn)的周期很短，繞組中的電流尚未達(dá)到穩(wěn)定值，電機(jī)吸收的能量不足夠大，且轉(zhuǎn)子也沒有時(shí)間反向過沖，所以這時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生振蕩的。

在使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)工作于高頻穩(wěn)定區(qū)。3.5.3驅(qū)動(dòng)電源

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)相互聯(lián)系的整體，步進(jìn)電機(jī)的性能是由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源相配合反映出來的。因此，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源在步進(jìn)電機(jī)中占有相當(dāng)重要的位置。

1.對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)滿足下述要求:

(1)驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式、電壓和電流都應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)的控制要求。

(2)驅(qū)動(dòng)電源要滿足啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求，能在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

(3)能抑制步進(jìn)電機(jī)的振蕩。

(4)工作可靠，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾有較強(qiáng)的抑制作用。

2.步進(jìn)電機(jī)控制電源的組成

步進(jìn)電機(jī)的控制電源一般由脈沖信號(hào)發(fā)生電路、脈沖分配電路和功率放大電路等部分組成。脈沖信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)供給脈沖分配電路，脈沖分配電路完成步進(jìn)電機(jī)控制的各相脈沖信號(hào)，功率放大電路對(duì)脈沖分配回路輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。脈沖分配器有多種形式，早期的有環(huán)型分配器，現(xiàn)在逐步被單片機(jī)所取代。功率放大電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能有十分重要的作用。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型和細(xì)分型等多種形式。近年來出現(xiàn)了將控制信號(hào)的形成電路和功率放大電路集為一體的集成控制電源。自整角機(jī)是一種能對(duì)角位移或角速度的偏差自動(dòng)整步的感應(yīng)式控制電機(jī)。自整角機(jī)在應(yīng)用時(shí)一般成對(duì)使用或多臺(tái)組合使用，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根機(jī)械軸能夠保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步的旋轉(zhuǎn)變化。自整角機(jī)被廣泛應(yīng)用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)中。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，多臺(tái)自整角機(jī)協(xié)調(diào)工作，其中產(chǎn)生控制信號(hào)的主自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，接收控制信號(hào)、執(zhí)行控制命令而與發(fā)送自整角機(jī)保持同步的自整角機(jī)為接收機(jī)。3.6自整角機(jī)根據(jù)自整角機(jī)的功能可把自整角機(jī)分為控制用自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)兩類。力矩式自整角機(jī)輸出的力矩較大，可直接驅(qū)動(dòng)接收機(jī)軸上的負(fù)載，主要用于指示系統(tǒng)或角傳遞系統(tǒng)。

控制用自整角機(jī)的接收機(jī)不直接帶負(fù)載，而是在接收機(jī)上輸出與發(fā)送機(jī)、接收機(jī)轉(zhuǎn)子之間的角位差有關(guān)的一個(gè)電壓信號(hào)，因此可以說控制用自整角機(jī)實(shí)際上是角位置失調(diào)檢測(cè)電機(jī)。3.6.1自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

力矩式自整角機(jī)為在整個(gè)圓周范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確定位，通常采用兩極電機(jī)，并且絕大部分采用凸極式結(jié)構(gòu)，只在頻率高并且尺寸大的力矩電機(jī)中才采用隱極式結(jié)構(gòu)。

力矩式自整角機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵芯均采用高導(dǎo)磁率的薄硅鋼片沖制成型，為減小鐵損，薄硅鋼片經(jīng)過涂漆處理，然后鉚制成整體定子或整體轉(zhuǎn)子。力矩式自整角機(jī)的勵(lì)磁采用單相勵(lì)磁，勵(lì)磁繞組放置在凸極鐵芯上，整步繞組為三相繞組，并連接成星形放置在鐵芯槽中。勵(lì)磁繞組可放置在定子上，也可放置在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)勵(lì)磁繞組放置在凸極定子上時(shí)，整步繞組放置在轉(zhuǎn)子鐵芯上并通過滑環(huán)和電刷引出；當(dāng)勵(lì)磁繞組放置在凸極轉(zhuǎn)子上時(shí)，通過兩相滑環(huán)和電刷把勵(lì)磁繞組和外部勵(lì)磁電路相連，整步繞組放置在定子鐵芯上。圖3-41給出了力矩式自整角機(jī)的三種結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子凸極式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，電刷和滑環(huán)數(shù)量少，適用于小容量的自整角機(jī)。定子凸極式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子上放置三相分布繞組，其平衡性好，但轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，電刷數(shù)量和滑環(huán)數(shù)量多，適合于較大容量的自整角機(jī)。

圖3-42為自整角機(jī)的工作原理圖，圖中一臺(tái)自整角機(jī)作為發(fā)送機(jī)，一臺(tái)作為接收機(jī)，并且兩臺(tái)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。在工作過程中，勵(lì)磁繞組接在同一單相交流勵(lì)磁電源上，兩臺(tái)電機(jī)的三相整步繞組彼此對(duì)應(yīng)相連。為了分析方便，規(guī)定勵(lì)磁繞組與整步繞組的a相的夾角θ作為轉(zhuǎn)子的位置角。圖3-41力矩式自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(a)轉(zhuǎn)子凸極式結(jié)構(gòu)；(b)定子凸極式結(jié)構(gòu)；(c)定、轉(zhuǎn)子隱極式結(jié)構(gòu)圖3-42力矩式自整角機(jī)工作原理圖

1)力矩式自整角機(jī)整步繞組中的電動(dòng)勢(shì)與電流

在圖中發(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-θ2

(3-40)

由于勵(lì)磁繞組為單相，當(dāng)勵(lì)磁繞組中有勵(lì)磁電流時(shí)