電機(jī)的種類及工作原理.ppt

1、7.1 單相異步電動機(jī),7.2 直線電動機(jī),7.3 微型同步電動機(jī),7.4 伺服電動機(jī),7.5 測速電動機(jī),7.6 自整角機(jī),7.7 旋轉(zhuǎn)變壓器,本章主要介紹單相異步電機(jī)、微型同步電動機(jī)、伺服電動機(jī)、測速電動機(jī)、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和步進(jìn)電動機(jī)，除此之外，還將介紹兩種新型電機(jī)：直線電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。,7.9 開關(guān)磁阻電動機(jī),7.8 步進(jìn)電動機(jī),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。, 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； 掌握單相感應(yīng)電動機(jī)的工作原理，弄清單相感應(yīng)

2、電動機(jī)為什么沒有起動轉(zhuǎn)矩？ 重點(diǎn)掌握單相感應(yīng)電動機(jī)的的起動方法與類型。,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。,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，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(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（

3、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。,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+、-，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。,返回,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,單相異步電動機(jī)的T=f(s)曲線,分析： 1）轉(zhuǎn)子靜止

4、時，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)s1時，T0，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。,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

5、極電動機(jī),1、電容起動電動機(jī),特點(diǎn)： ）起動繞組和電容按短時工作設(shè)計； ）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)7580%n1時，離心開關(guān)自動打開。,2、電容電動機(jī) 電容電動機(jī)實質(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。,特點(diǎn)：,）起動繞組和電容器按長期工作設(shè)計； ）過載能力、功率因數(shù)和效率均較高； ）容量能做到五十瓦至幾千瓦； ）應(yīng)用比較廣泛，如應(yīng)用于壓氣機(jī)、空調(diào)等。,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

6、繞組為集中繞組，套在定子磁極上，每個極靴表面1/31/4處開有一個小槽，放入罩極繞組（短路環(huán)），如下圖：,2、工作原理,在時間上滯后 一個角度，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(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。,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

7、，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)。,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)。,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：,當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，電機(jī)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(jī)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,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

8、定時，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。,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，一個為勵磁繞組，另一個為控制繞組。如下圖所示：,“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(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。,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

9、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(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。,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。,減少誤差的方法：,二、直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及減少誤差的方法,7.5.2 交流

10、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,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。,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：勵磁繞組存在漏電感。 減小該誤差的方法：增大轉(zhuǎn)子電阻。,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，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(jī)加工和裝配過程中提高機(jī)械精度以及

11、裝配補(bǔ)償繞組。,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),力矩式自整角機(jī)的三種結(jié)構(gòu)：,圖7.6.2 為自整角機(jī)的工作原理圖,發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子位置為1，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子位置為2，失調(diào)角為 = 1- 2,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)：,各相繞組中的總電動勢：,各相繞組中的電流：,2力矩式

12、自整角機(jī)整步繞組的磁動勢：,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：,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)，為直軸磁通與交軸磁動勢間的夾角。,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,7.6.2 自整角機(jī)的誤差分析與選用時應(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。,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

13、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,1.正弦繞組,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d，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(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

14、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)。,將d分解為兩個分量： 與正弦繞組軸線方向一致的磁通r1和與正弦繞組軸線相垂直的磁通r2。,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的開路輸出電壓分別為：,（2）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的負(fù)載運(yùn)行,一次補(bǔ)償與二次補(bǔ)償?shù)母拍?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 成正比關(guān)系,正弦繞組的開路輸出電壓：,進(jìn)行級數(shù)展開：,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：,二次補(bǔ)償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器：,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

15、進(jìn)方法,7.7.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用,步進(jìn)電動機(jī)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(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)。,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，磁極上裝有勵磁繞組。轉(zhuǎn)子由軟磁材料

16、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。,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C=1，單雙拍混合方式工作時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;,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

17、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()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。,步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)：,2.最大靜轉(zhuǎn)矩,二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的動特性,步進(jìn)電機(jī)的動特性是指步進(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)。 動態(tài)特性包括動穩(wěn)定區(qū)、起動轉(zhuǎn)矩、起動頻率及頻率特性等。,1.動穩(wěn)定區(qū),步進(jìn)電動機(jī)的動穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電機(jī)從一個穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。 空載穩(wěn)定區(qū)：,穩(wěn)定裕量角：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r表示。,2.起動轉(zhuǎn)矩,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