模块四 特种电机（课件）- 《电机与变压器》同步教学（机械工业出版社）2024版

模块四 特种电机 模块四 特种电机 任务1 认识伺服电动机 任务2 认识测速发电机 任务3 认识步进电动机 任务4 认识直线电动机 任务5 认识超声波电动机 特种电机 模块描述： 特种电机在现代生产设备、电子计算机、空间技术及科学研究领域有着广泛的应用。特别是在自控系统中，作为测量、放大、执行等元件，起着非常重要作用。所以常将它们称为控制电机，要求它们使用性能更优越，运行参数更稳定，工作更可靠。本模块主要学习在自控系统中，使用较为广泛的五种特种电机的理论知识和相关实训内容。 模块四 特种电机 知识目标： 1.学习伺服电动机、测速发电机、步进电动机的结构、原理及应用。 2.了解超声波电动机、直线电动机的结构、原理与应用。 技能目标： 1.熟练掌握伺服电动机、步进电动机的实际接线方法。 2.了解步进电动机常见故障及检修方法。 学习指南： 先了解特种电机的分类，再根据其各自的结构特点，分析工作原理，进一步掌握它的工作方式以及性能特点和应用，并通过扩展知识了解其发展过程。 模块四 特种电机 能力体系： 模块四 任务1 认识伺服电动机 知识导入： 伺服电动机属于控制电机，即将电信号转变成机械运转的角速度或角位移。它具有服从控制信号的要求而动作的职能。 思考一下，伺服电机与普通电机有什么区别？ 模块四 伺服电动机实物图 任务1 认识伺服电动机 相关知识： 伺服电动机的特点： 在无信号时，转子静止不动；有信号后，转子立即转动；当信号消失时，转子能即时自行停转。 自控系统中常用的伺服电动机有两大类：交流伺服电动机和直流伺服电动机。 一、交流伺服电动机的结构与原理 1. 基本结构 交流伺服电动机有定子和转子组成，转子有高阻笼型转子和空心杯型转子两种，空心杯转子为一个薄壁(0.2～0.3mm) 非磁性杯，通常由高电阻率和低温度系数的硅锰青铜或锡锌青铜制成，其特点是转子的质量轻，惯性小。 模块四 任务1 认识伺服电动机 1. 基本结构 交流伺服电动机定子有内、外定子之分，定子上装有两个绕组，它们在空间相差90°电角度，其中绕组LL是由定值交流电压提供励磁，称为励磁绕组；而绕组LK是由伺服控制放大器供电而进行控制的，故称为控制绕组。 模块四 交流伺服电动机原理图 2. 基本工作原理 在系统中运行时，当定子励磁绕组接通交流电源后，两绕组将流过相位差为90°电角度的两相电流，在定子圆周内产生旋转磁场，该旋转磁场切割转子导条产生感应电流，该感应电流与旋转磁场相互作用而产生电磁转矩，使转子转动。 任务1 认识伺服电动机 2. 基本工作原理 通过改变控制绕组上的控制电压来控制转子的转动速度，由于转子的质量轻，惯性小，一旦控制信号中断，旋转磁场消失，电动机会立即停转。又由于交流伺服电动机的转子导体采用电阻率较高的材料制成，使机械特性变软，其转矩与控制电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，从而提高了电动机的灵敏度。 模块四 交流伺服电动机原理图 任务1 认识伺服电动机 交流伺服电动机的控制 模块四 控制的类别 控制电压和转子转动情况的变化 启停控制 控制电压为零，气隙内为脉动磁场，转子不转控制电压不为零，气隙内为旋转磁场，转子转动 幅值控制 保持电压相位不变，调节控制电压大小来控制电动机的转速 相位控制 保持控制电压大小不变，只调节两个绕组电压的相位角来控制电动机转速；若相位改变180°，则转子的旋转方向改变。 幅-相控制 在工作绕组中串入合适的电容，通过调节电压幅值和相位来共同控制电动机转速 任务1 认识伺服电动机 模块四 1. 基本结构 直流伺服电动机实质上是一台他励式直流电动机。根据结构的不同可分为电磁式和永磁式。 永磁式直流伺服电动机剖面结构如图所示： 二、直流伺服电动机结构与原理 任务1 认识伺服电动机 模块四 二、直流伺服电动机结构与原理 1. 基本结构 永磁式直流伺服电动机其定子上有永久磁铁制成的磁极，电磁式直流伺服电动机定子由硅钢片冲压而成，磁极和磁轭整体相连。 它有励磁绕组（F1、F2）和控制绕组 (S1、S2)。 任务1 认识伺服电动机 模块四 2. 基本工作原理 直流伺服电动机的工作原理和普通直流电动机相似。 励磁绕组通入直流电产生主磁场，当电枢绕组中通入直流电后，电枢电流与主磁场产生的磁通相互作用就会产生电磁转矩使伺服电动机工作。 这两个绕组其中一个失电，电动机便会停转，由于直流伺服电动机结构特点，使得它不同于直流电动机在惯性作用下有“自转”现象。改变通入励磁绕组或电枢绕组中的直流电流方向，即可改变电动机的转动方向。 任务1 认识伺服电动机 模块四 2. 基本工作原理 根据直流电动机转速公式： 可知，改变电枢电压或改变磁通可控制电动机的转速。前者称为电枢控制，应用较为广泛。后者称为磁场控制，由于磁控式的调节特性有缺陷，在实际中很少被采用。 任务1 认识伺服电动机 模块四 三、伺服电动机的应用 几种直流伺服电动机应用 电动机名称 型号 性能特点 适用范围 一般直流伺服电动机 SZ 它具有体积小、质量轻、伺服性能好，力能指标高等特点 广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件 杯型电枢永磁直流伺服电动机 SYK 它具有转动惯量和电动机时间常数小、总损耗小、效率高，起动、停止迅速，换向性能好，运行平稳等特点 广泛应用于计算机外围设备，音响设备，办公设备、仪器仪表、电影摄像机和录像机等 永磁交流伺服电动机 ST 它具有良好的控制性能，系统的动态和静态性能好，能够在四象限宽调速运行等特点 适用于精密机床、工业机器人、雷达以及特殊环境条件控制的关键执行部件 笼形转子交流伺服电动机 SL 它具有良好的可控性，电动机运行平稳、结构简单、成本低、运行可靠等特点 广泛应用于各种自动控制系统，随动系统和计算机装置中 任务2 认识测速发电机 知识导入： 想一想：运动设备的转速如何测量？ 测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变换为电压信号输出，且输出电压与转速成正比关系，其外形如图所示。 模块四 测速发电机外形 任务2 认识测速发电机 相关知识： 测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类，近年还有采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。 模块四 测速发电机的分类 任务2 认识测速发电机 一、直流测速发电机的结构与原理 1. 基本结构 从工作原理和结构看，它和直流伺服电动机基本相同，有独立的励磁磁场或永久磁铁作磁场，因此按励磁方式分为电磁式和永磁式；按电枢结构分为有槽式电枢、无槽式电枢、空心杯形电枢和圆盘印制绕组电枢等，常用的是有槽式电枢结构。 2. 基本工作原理 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如图所示。 模块四 任务2 认识测速发电机 2. 基本工作原理 当励磁绕组产生恒定磁场，旋转的电枢在恒定磁场中切割磁通，便会在电刷之间产生直流电动势： 式中 ——电刷间电动势； ——电枢磁场； ——电枢转速。 显然，当式中 和 不变时,电刷间电动势 与电枢转速 成正比，改变电枢转动方向，输出电压的极性亦随之改变。从电压的变化可以反映出速度的变化，从而达到测速的目的。 模块四 任务2 认识测速发电机 二、交流测速发电机的结构与原理 1. 基本结构 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。 同步测速发电机有永磁式、感应子式和脉冲式。 永磁式测速发电机的感应电势随转速变化的同时，频率也在改变，致使负载阻抗和电机本身阻抗均随转速而变化，因此，不适宜在自动控制系统中使用，而多作指示计式转速计。 感应子式测速发电机常经桥式整流后输出直流电压作为速度信号而用于自动控制系统。 脉冲式测速发电机是以脉冲频率作为输出信号的，其速度分辨率较高，它适用于速度较低的调节系统。 模块四 任务2 认识测速发电机 1. 基本结构 目前应用较广的是异步测速发电机。异步测速发电机的定子上有两个空间上互差 电角度的绕组，其中一个是励磁绕组, 接恒频恒压的交流电源；另一个与负载（包括接收器、鉴相器、单片机、PLC、数控系统等）相联，称为输出绕组，作为测速发电机的电压输出端。小容量测速发电机的励磁绕组和输出绕组都装在外定子槽中，而容量较大的测速发电机则分装在内、外定子中。内定子由硅钢片叠成，目的是减小磁阻。 异步测速发电机按其结构可分为鼠笼转子和杯形转子两种。 鼠笼转子异步测速发电机的结构同单相异步电动机相似，其线性度差，相位差较大，剩余电压较高，多用于精度要求不高的系统中。杯形转子同伺服电动机相似。 模块四 任务2 认识测速发电机 2. 基本工作原理 当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势;当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。 杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低、无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。 模块四 任务2 认识测速发电机 空心杯转子异步测速发电机原理图 模块四 a) 转子静止时 b) 转子旋转时 任务2 认识测速发电机 自动控制系统对测速发电机的要求如下： ●输出特性成正比关系，且不随外界条件的变化而改变； ●发电机转子转动惯量要小，且保证快速响应； ●发电机灵敏度要高； 此外，还要求电磁干扰小、噪声小、结构简单、工作可靠、体积小、质量轻等。对于不同的工作环境、对象还有一些特殊的要求。 模块四 任务2 认识测速发电机 几种测速发电机的性能及其应用 模块四 电机类型 型号 性能特点 应 用 空心杯转子异步测速发电机 Ck系列 惯量小、能快速动作，输出电压的频率不随转速的变化而改变，输出特性线性度好、精度高、运行可靠、无无线电干扰等特点 1. 在反馈稳速系统中作为阻尼元件，达到使系统稳定运行的目的 2. 在计算、解算装置中作为微分、积分元件等 永磁直流测速发电机 CY系列 1. 励磁采用永久磁钢，无须励磁电源。使用方便、效率高 2. 它是一种速度检测元件，能将机械转速转换为电气信号，其输出的直流电压大小与转速成正比 在自动控制系统中可作测速元件、阻尼元件和解算元件等 带温度补偿永磁直流测速发电机 CYB系列 与一般直流测速发电机相比，在提供一定的功率情况下，具有较高的精度 可用于数控装置的速度控制,控制系统中阻尼及普通的速度指示 高灵敏度直流测速发电机 CYD系列 1. 电机直径大、轴向尺寸小、灵敏度高等优点 2. 结构简单、紧凑、分辨力高，输出斜率高、反应快，线性误差小、低速精确度高，可靠性好、寿命长 广泛应用于惯性导航的稳定平台、雷达天线驱动系统、陀螺仪实验台的稳定与跟踪系统及单晶炉直接驱动低速伺服系统 电磁式直流测速发电机 CZF系列 具有线性误差小、运行可靠、尺寸小、质量轻等特点 用于自动控制系统及计算、解算装置中，测速和反馈等元件 任务3 认识步进电动机 知识导入： 一般电动机是连续旋转的,而步进电动机则是当控制信号到来后“一步一步” 的转动，你认为他们在哪些地方会有区别？ 模块四 步进电动机外形 a) 电磁式 b) 永磁式 步进电动机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件。 任务3 认识步进电动机 相关知识： 随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用越来越广泛。在现代工业，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大、任务复杂、精度高、效率高，而人工操作是不现实的，这就需要步进电动机带动下的数控机床和机器人来完成这些工作。另外，在自控系统、计算机外设和办公室自动化设备中（如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等），也大量运用步进电机。 模块四 任务3 认识步进电动机 模块四 步进电动机的分类 步进 电动机 分类 形式种类 特点 按运动形式 旋转式 一 直线式 一 按工作原理 反应式 转子为软磁材料，无绕组，定转子开小齿，步距小 永磁式 转子为永磁材料，不开小齿，步距角大，转矩较大 永磁感应子式 转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大，步距角小，动态性能好，成本高 任务3 认识步进电动机 模块四 一、反应式步进电动机的结构与原理 1. 反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机主要有定子、转子两部分构成，它们均有磁性材料构成。一般定子相数为两相～六相，每相两个绕组套在一对定子磁极上，称为控制绕组，转子上是无绕组的铁心。 例如：三相步进电动机定子和转子上分别有六个和四个磁极，电机定子齿上有三个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开，如图所示。 任务3 认识步进电动机 模块四 一、反应式步进电动机的结构与原理 2. 反应式步进电动机的原理 U相控制绕组通电时，定子磁极U、U´轴线与转子1、3齿若不对应时，总有一磁拉力使转子转到1、3齿与定子磁极U、U´重合。重合时，仅有径向力而无切向力，因而转子停转，如图 a所示。 U相断电，V相控制绕组通电时，转子将在空间逆时针转过30°，即步距角为30°。转子齿2、4与定子极V、V´对齐，如图 b所示。 如再使V相断电，W相控制绕组通电，转子又在空间逆时针转过30°，使转子齿1、3与定子极W、 W´对齐，如图 c所示。如此循环往复，并按U→V→W→U顺序通电，转子则按逆时针方向不断转动。其转速取决于控制绕组与电源接通和断开的变化频率。若改变为 U→W→V→U 顺序通电，则电机按顺时针方向转动。 a) b） c) 三相反应式步进电动机工作原理 任务3 认识步进电动机 模块四 反应式步进电动机控制绕组的通电方式有“三相单三拍”、 “双三拍”、“单、双六拍”等。 （1）“三相单三拍”通电方式 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时，电机转子所转过的空间角度称为步距角。“单”是指每次只一相控制绕组通电，“三拍”指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。显然，此时的步距角为 30°。 （2）“双三拍” 通电方式 按UV→VW→WU→UV的通电顺序，这时的磁场与轴线在两相通电磁极的中心线上，此时步距角仍为30°。 （3）“单、双六拍”通电方式 按U→UV→V→VW→W→WU→U的顺序控制，则电机为六拍一循环，因而称单、双六拍，这种控制的步距角有所不同即要经两拍转子才转过30°，可见，此时步距角为15°。 任务3 认识步进电动机 模块四 步进电动机的步距角： 式中 N ——拍数； ——转子齿数。 若步进电动机的频率为，转速n则为： 上式说明步进电动机的转速由控制脉冲频率、拍数、转子齿数决定，与电源电压、绕组电阻及负载无关，这是它抗干扰能力强的重要原因。 任务3 认识步进电动机 模块四 1. 自动控制系统对步进电动机的要求如下： （1）步进电动机受脉冲信号控制，它的直线位移或角位移量应与脉冲数成正比，其线性速度或转速与脉冲频率成正比。 （2）改变脉冲频率的高低，即可调节电机转速，并能快速起动、制动和反转。 （3）一相绕组长期通电状态具应有自锁能力，在负载能力范围内，不因电源电压、负载、环境条件波动而变化。 （4）在不失步情况下，其步距误差不能长期积累。 二、步进电动机的应用 任务3 认识步进电动机 模块四 2. 步进电动机应用中的注意事项： （1）步进电机应用于低速场合时，每分钟转速不超过1000转，最好在1000-3000PPS（pps为速度单位即每秒钟的脉冲数）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 （2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 （3）由于历史原因，只有只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压值 ，可根据驱动器选择驱动电压。当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 （4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 二、步进电动机的应用 任务3 认识步进电动机 模块四 2. 步进电动机应用中的注意事项： （5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 （6）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用五相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。 （7）电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 （8）电机在600PPS以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 （9）应遵循先选电机后选驱动的原则。 二、步进电动机的应用 任务4 认识直线发电机 知识导入： 某些交通工具（如电动机车、电车等）和某些机械设备（如机床设备中的进给）需要做直线运动，这就需要把旋转运动变为直线运动的一套装置。你知道什么电机能够做到吗？ 直线电动机就是一种能将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 模块四 任务4 认识直线发电机 相关知识： 模块四 直线电动机的分类 直线电动机 分类 形式种类 说 明 平板型 横向磁通 纵向磁通 管 型 横向磁通 纵向磁通 悬浮型 吸引悬浮型 一 任务4 认识直线发电机 一、直线电动机的结构和工作原理 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 模块四 a) 沿径向剖开 b）把圆周展成平面 直线电动机结构 直线电动机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形, 它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图所示。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。 任务4 认识直线发电机 一、直线电动机的结构和工作原理 2.直线电动机的工作原理 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。 以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，根据楞次定律，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 模块四 任务4 认识直线发电机 二、直线电动机的特点及应用 1. 直线电动机的特点 （1）高速响应 系统中取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。 （2）位精度高 线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。 （3）传动刚度好 传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。  （4）速度快、加减速过程短 行程长度不受限制，在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。 （5）震动小、噪音低 取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时震动和噪音将大大降低。 （6）效率高 无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗。 模块四 任务4 认识直线发电机 二、直线电动机的特点及应用 2. 直线电动机的应用 直线电动机主要应用于三个方面：一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多；其次是作为长期连续运行的驱动电机；三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 （1）高速磁悬浮列车 （2）直线电动机驱动的电梯 （3）超高速电动机 （4）直线电机对传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的改造 （5）直线电动机还广泛用于机床传送系统、齿轮减速机、电气锤、电磁搅拌器等。 模块四 任务5 认识超声波电动机 知识导入： 你了解超声现象吗? 知道超声波的应用吗? 人耳能感知的声音频率，约为50Hz～20kHz之范围，因此超声波为20kHz以上频率之音波或机械振动。 模块四 几种超声波电动机的外形 超声波电动机与传统的电磁式电动机不同,它是利用压电陶瓷的逆压电效应，（以外加交流电压做驱动源之下的压电陶瓷会产生超声波的交替伸缩现象，虽然伸缩的大小仅达数微米程度，但因每秒之伸缩达数十万次，每秒可移动达数厘米),将超声振动作为动力源的一种新型电动机，其外形如图所示。 Administrator (A) - 任务5认识超声波电动机 相关知识： 一、超声波电动机的结构和工作原理 1. 超声波电动机结构 超声波电动机一般由定子（振动部分）和转子（移动部分）两部分组成，如图所示。该电动机中既没有线圈也没有永磁体，其定子是由压电晶体、弹性体(或热运动件)、电极构成的；转子为一个金属板，转子均带有压紧用部件，加压于压电晶体上，定子和转子在压力作用下紧密接触。为了减少定子、转子之间相对运动产生的磨损，通常在两者之间(在转子上)加一层摩擦材料。 模块四 超声波电动机结构图 任务5认识超声波电动机 2. 超声波电动机工作原理 超声波电动机是在极化的压电晶体上施加超声波频率的交流电，压电晶体随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。 模块四 以直线式行波型超声波电动机为例，它利用两个压电换能器，分别作为激振器和吸振器。当吸振器能很好的吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了一根半无限长梁，这时，在直梁中形成单行波，驱动滑块作直线运动，当互换激振器和吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。 单压电芯片型超声波电动机原理图 任务5认识超声波电动机 二、超声波电动机的特点及应用 1. 一般超声波电动机的特点 （1）低速大转矩、效率高 （2）控制性能好、反应速度快 （3）形式灵活，设计自由度大 （4）不会产生电磁干扰 （5）结构简单 （6）震动小、噪音低。 模块四 任务5认识超声波电动机 2．超声波电动机的应用 由于超声波电动机具有电磁电动机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有二十多年的历史，但超声波电动机已在照相机的自动变焦镜头、微型飞行器、电子束发生器、智能机器人、焊接机、轿车电气控制设备、 航空航天工程、医疗器械等场合得到广泛的应用，如图所示。 模块四 航空航天工程 医疗器械 照相机的自动变焦镜头 微型飞行器 $$