模块十 特种电机（课件）- 《电机与变压器》同步教学（人邮版）

项目一 伺服电动机 项目二 测速发电机 项目三 步进电动机 项目四 微型同步电动机 模块十 特种电机 项目一 伺服电动机 活动一 交流伺服电动机 活动二 直流伺服电动机 伺服电动机的作用是将接受到的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。按使用电源的种类不同，伺服电动机有交流伺服电动机和直流伺服电动机两类。 模块十 特种电机 活动一 交流伺服电动机 交流伺服电动机根据转子的形式不同，有笼形转子和空心杯形转子两种。 笼形转子交流伺服电动机的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。转子结构与单相交流异步电动机的转子结构相同，但转子细而长，导电材料的电阻率较高。目的是为了减小转子转动的惯性，增加启动转矩对输入信号的响应速度和克服自转现象。笼形转子交流伺服电动机具有励磁电流小、体积小、机械强度高等优点；但低速运行时不稳定，有抖动现象。 模块十 特种电机 空心杯形转子交流伺服电动机的结构如图10一l所示，它的定子分为外定子和内定子两部分。外定子上装有两个在空间相差 90°电角度的绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。内定子用硅钢片叠成，压在一个端盖上，一般不放置绕组，内定子的作用是减小磁路的磁阻。转子用导电的非磁性材料(如铝)，做成厚度为0．2～0．8 mm的空心杯，安放在内、外定子之间，空心杯底部固定在转轴上。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单，维护方便，转动惯性小，运行平稳无抖动，噪声小，没有无线电干扰等优点；但励磁电流较大，体积大，转子容易变形。 模块十 特种电机 交流伺服电动机运行时，励磁绕组LL，始终加上固定的交流电压，控制绕组Lk则加上大小和相位随信号变化的控制电压，如图10—2所示。 LL和Lk在空间相差 90°电角度，若励磁电流IL和控制电流Ik的相位差为90°，则在气隙中形成旋转磁场。旋转磁场与转子的相对运动，在转子中产生感应电流。感应电流与旋转磁场的作用产生转矩，使转子转动。除去控制绕组上的控制电压，电动机立即停止转动。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 交流伺服电动机的转速控制，有以下几种。 1．幅值控制 保持励磁电流IL和控制电流 Ik的相位差为90°，改 变控制电流Ik的大小。 2．相位控制 保持励磁电流IL和控制电流 Ik 的大小为额定值不变，改变控制电流的Ik相位。 模块十 特种电机 活动二 直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与普通的他励直流电动机相似，不同的地方在于直流伺服电动机电枢电流小，换向并不困难，因而没有换向磁极；直流伺服电动机的转子细而长，气隙小，磁路不饱和，电枢电阻较大。直流伺服电动机有以下几种形式。 1．无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组用环氧树脂粘贴在电枢表面，气隙较大，如图lO一3所示。无槽电枢直流伺服电动机具有转动惯性小、对控制信号响应快速、换向好等优点，适合功率较大、需要快速动作的直流伺服系统。 模块十 特种电机 3．幅值一相位控制 同时改变控制电流Ik的大小和相位。当控制电流的相位反相时，交流伺服电动机将反转。 交流伺服电动机适用于0．1～10W的小功率自动控制系统中。 模块十 特种电机 2．空心杯形电枢直流伺服电动机 空心杯形电枢直流伺服电动机的电枢绕组用环氧树脂浇注成杯形，置于内、外定子之间。内定子用软磁材料、外定子用永磁材料制作，如图10—4所示。空心杯形电枢直流伺服电动机具有转动惯性小、机电时间常数小、低速运转平滑、换向好等优点，适用于需要快速动作的直流伺服系统。 3．印刷绕组直流伺服电动机 印刷绕组直流伺服电动机在圆盘形绝缘薄板 上印刷裸露的电枢绕组，磁极轴向安装，如图 10—5所示。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 印刷绕组直流伺服电动机除具有上述直流伺服电动机的优点外，还具有低速运行性能好的特点，适用于低速、启动和反转频繁的控制系统。 4．无刷直流伺服电动机 无刷直流伺服电动机由晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，转子用永磁铁制成，电枢绕组在定子上且为多相绕组，如图10—6所示。无刷直流伺服电动机既保持了其他直流伺服电动机的优点，又克服了换向器和电刷带来的缺陷，具有寿命长、噪音低的特点，常用于要求噪音低、对无线电信号不产生干扰的控制系统。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 模块十 特种电机 项目二 测速发电机 测速发电机的作用是将机械转速转换为电压信号。按电压信号的性质，测速发电机有交流测速发电机和直流测速发电机两类。 活动一 交流测速发电机 活动二 直流测速发电机 模块十 特种电机 活动一 交流测速发电机 交流测速发电机将机械转速转换为交流电压信号，分为同步交流测速发电机和异步交流测速发电机两类，目前应用较多的是异步交流测速发电机。 异步交流测速发电机的定子有在空间上互差90。电角度的两个绕组，其中一个是励磁绕组，另一个是电压输出绕组。转子有笼形和杯形两种形式，应用较多的是杯形转子。杯形转子交流异步测速发电机的结构如图10—7所示，它有内、外两个定子。 模块十 特种电机 小容量的测速发电机励磁绕组和电压输出绕组都装在外定子槽中，容量较大的测速发电机则将励磁绕组和电压输出绕组分别装在内、外定子中。转子用导电的非磁性材料磷青铜制成厚度为0．2～0．3 mn的空心杯，空心杯放置在内、外定子之间，空心杯底部固定在转轴上。 模块十 特种电机 励磁绕组LL通入交流电流IL。产生轴线与电压输出绕组LY平面重合的脉冲磁通ФL，脉冲磁通ФL 在转子中引起感应电动势和感应电流，形成转子电流的磁通ФY ， ФY的轴线与ФL的轴线重合且均在电压输出绕组LY的平面内，如图10—8(a)所示。没有磁通穿过电压输出绕组LY，故电压输出绕组LY ，没有感应电动势，没有电压输出。 模块十 特种电机 当被测量的对象拖动交流测速发电机的转子转动时，转子切割脉动磁场中。而产生感应电流，该感应电流形成的磁通ФY 不再与ФL重合，而是互相垂直，如图10—8(b)所示。这时,ФY垂直穿过电压输出绕组LY，绕组LY有感应电动势和电压输出。由于电压输出绕组的感应电动势和输出电压的大小与转子转速有关，所以用电压表测量输出电压，就可以得知相应的被测量对象的转速。交流测速发电机用于自动控制系统，也可以用于制作转速表。 模块十 特种电机 活动二 直流测速发电机 直流测速发电机的结构与直流伺服电动机的结构相似，按磁场的形成可分为永磁式直流测速发电机和励磁式直流测速发电机两类。其电枢按结构形式可分为有槽式电枢、无槽式电枢、空心杯式电枢和印刷电枢等。近年来，为满足自动控制系统的需要，出现了永磁式直线测速发电机。直流测速发电机与直流发电机一样，在转子上有电枢绕组和换向器。电刷连接电枢绕组和测量仪表，转子由被测量的对象拖动。电枢绕组感应电动势的大小与转子转动的转速成正比，从测量仪表的读数就可以得知被测量对象的转速。 直流测速发电机在自动控制和计算中，除用作测速元件外，还用作校正元件和计算元件。 模块十 特种电机 项目三 步进电动机 活动一 磁阻式步进电动机 活动二 永磁感应子式步进电动机 活动三 永磁爪极步进电动机 模块十 特种电机 不是连续转动，而是一步一步转动的电动机称作步进电动机。它是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线位移的元件，每输人一个电脉冲，电动机就转过一定的角度或前进一定的距离。步进电动机在数控技术中得到了广泛的应用。 在步进电动机定子上对称布置三相绕组，定子绕组按U-V-W-U-V-W-U…的顺序通电。当U相绕组通电时，气隙中产生沿A一A’轴线方向的磁场。由于磁拉力的作用，使转子铁心齿1，3与轴线A—A’对齐并具有自锁能力，如图10—9(a))所示。如果从U相通电换到V相通电，气隙中产生沿B-B’轴线方向的磁场，同样由于磁拉力的作用，使转子铁心齿2，4与轴线B-B’对齐，转子顺时针转过30。如图10—9(b)所示。当W相通电而V相断电，气隙中产生沿C—C’轴线方向的磁场，同样由于磁拉力的作用，使转子铁心齿1，3与轴线C—C’对齐，转子又顺时针转过30°。这样，转子就沿顺时针方向一步一步转动。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 转子每一步转过的角度称作步距角，用θ表示；改变通电的绕组，称作拍，每一拍转过一个步距角。图10—9所示的步进电动机为三相绕组，三相绕组轮流通电需要三拍，每次只有一相绕组通电，所以称作三相单三拍步进电动机。单三拍在一相绕组断电而另一相绕组通电时，容易失步；而且靠一个绕组的磁拉力吸引转子，容易使转子在平衡位置附近振荡，运行稳定性差。 模块十 特种电机 若步进电动机定子绕组按U-V-W-U…的顺序通电，每次有两相绕组通电，完成一次循环需要三拍，这种步进电动机称作三相双三拍步进电动机。当U，V相绕组通电，磁场轴线为未通电的W相的轴线C—C’，此时转子铁心齿3，4之间的槽轴线与磁场轴线C—C’对齐；将U,V相绕组通电换成V,W绕组通电，磁场轴线为未通电的U相的轴线A—A’，此时转子铁心齿1，4之间的槽轴线与磁场轴线A—A’对齐，转子转过30°。双三拍和单三拍一样，步距角为30°。 模块十 特种电机 若定子绕组通电的顺序是：U，V—V—V，W—W—W，U—U……完成一次循环需要六拍，该步进电动机称作三相六拍步进电动机。当U，V相绕组通电，磁场轴线为未通电的W相的轴线C—C’，此时转子铁心齿3，4之间的槽轴线与C—C’对齐，如图10一10(a)所示；将U，V相绕组通电换成V相绕组通电，磁场轴线为B—B’，此时转子铁心齿2，4与B一B’对齐，转子转过15°，如图10一10(b)所示；将v相绕组通电换成v，w相绕组通电，磁场轴线为未通电的U相的轴线A—A’，此时转子铁心齿1，4之间的槽轴线与A一A’对齐，转子又转过15°，如图10一10(c)所示。 步进电动机有磁阻式、感应式和水磁式等几种。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 活动一 磁阻式步进电动机 图10一ll所示的磁阻式步进电动机有六个磁极，每个磁极的极面上有五个小齿；转子上均匀的分布四十个小齿。定子、转子小齿的齿距必须相等，如图10一11(a)所示。转子上每个小齿的齿距角为9°；定子上有六个磁极，则极距为60°；每个极距内小齿的齿数为6 齿。从图10—11(b)所示的展开图上可以看出，当磁极“A”下的定子、转子小齿对齐时，磁极“B”和“C”下的小齿就和转子小齿错开了l／3齿，即错开的角度为3°。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 当U相绕组通电，电动机中产生沿“A”极轴线的磁场．使磁极“A”极面下的小齿与转子的小齿对齐，与磁极“B”，“A”极面下的小齿错开3°。将U相绕组通电换成V相绕组通电，则磁极“B”极面下的小齿与转子的小齿对齐，与磁极“B”，“A”极面下的小齿错开3°。这样转子便转过了3°。按三相单三拍的方式通电，步距角为3°；若按三相六拍方式通电，则步距角为1.5°。设转子的齿数为Z，运行的拍数为m，则步距角θ为 （10-1） 当通电频率(电脉冲信号频率)为f时，步进电动机的转速n(r／min)为 （10-2） 模块十 特种电机 磁阻式步进电动机结构简单、维修方便、反应灵敏、性能可靠，调速范围大、转速只决定于电脉冲信号频率，常用于数控机床、记数指示装置、阀门控制、纺织机、缝纫机等控制系统中。 模块十 特种电机 活动二 永磁感应子式步进电动机 如图10一12所示，永磁感应子式步进电动机的结构与磁阻式步进电动机相似，区别在于永磁感应子式步进电动机存在轴向恒定磁场，从而改善了动态特性。 模块十 特种电机 永磁感应子式步进电动机具有步距角小、启动频率高、控制功率小、电磁阻尼大和自锁能力强等优点，用于精密数控系统，如计算机的硬盘、软盘和磁头的驱动。 模块十 特种电机 活动三 永磁爪极步进电动机 永磁爪极步进电动机的定子沿轴向分为完全相同的两段，两段之间互相错开一个步距角。每段定子由机壳、端盖、转子和定子绕组组成，如图10—13所示。转子采用环形磁钢，沿径向多极充磁，定子爪极磁极形成的磁场与转子磁场的相互作用使转子步进。若定子磁极对数为p，拍数为m，则步距角为 (10-3) 模块十 特种电机 永磁爪极步进电动机具有体积小、重量轻、控制功率小、断电后有定位转矩等优点，可用于打印机和传真机的送纸机构、打印头、字盘系统、磁头驱动系统装置，也用于数字仪器、仪表和空调器等设备中。 模块十 特种电机 项目四 微型同步电动机 微型同步电动机与同步电动机的工作原理相同，其转速与旋转磁场的转速相同。按工作原理，分为永磁式微型同步电动机、反应式微型同步电动机、磁滞式微型同步电动机等三类。 活动一 永磁式微型同步电动机 活动二 反应式微型同步电动机 活动三 磁滞式微型同步电动机 模块十 特种电机 活动一 永磁式微型同步电动机 永磁式微型同步电动机有三种结构。 1．异步启动永磁式微型同步电动机 异步启动永磁式微型同步电动机定子上嵌放单相或三相绕组，以产生旋转磁场。转子除永磁体磁极外，还有铜条或铸铝的笼形绕组，供异步启动。转子有星形和并联磁路等两种结构，星形结构转子采用剩磁较多的铝镍钴永磁材料，制成圆环形的极靴，并在极靴内侧开有缺口，如图10—14(a)所示；并联磁路转子用铁氧体永磁材料制作，因永磁体很薄．面积较大，转轴中间部分做成“I”字形，如图10-14(b)所示。笼形绕组沿转子轴向安装，以减小电动机转子的直径，如图10-14(c)所示。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 2．磁滞启动永磁式同步电动机 磁滞启动永磁式同步电动机利用磁滞环启动，磁滞环有径向安装式的，如图10一15(a)所示；也有轴向安装式的，如图10—15(b)所示。 模块十 特种电机 3．爪极自启动永磁式同步电动机 爪极自启动永磁式同步电动机的定子制成带环形绕组的爪极，转子径向充磁后呈多个 磁极(可达十六至四十八极)。爪极自启动永磁式同步电动机有罩极式的，如图10-16(a)所示；非罩极式的，如图10一16(b)所示。 永磁式微型同步电动机的效率和功率因数都较高，输出功率较大。它广泛地应用在化学纤维工业的同步驱动、由逆变器供电的变频调速装置等需要恒速驱动的场所。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 活动二 反应式微型同步电动机 反应式微型同步电动机的定子结构与异步电动机相同。转子由异步电动机转子铁心冲 片加开反应槽，笼形启动绕组多用铸铝。转子结构有以下几种。 1．外反应式 外反应式的反应槽开在转子外圆，相当于切去转子冲片的一部分，使转子形成固定磁极．如图10—17（a)所示。外极式结构简单。容易加工。 模块十 特种电机 2．内反应式 内反应式的反应槽开在转子轴边磁轭部，如图10一17(b)所示。这种结构对交轴磁通的磁阻较大，笼形启动绕组完整，同步运行性能比外反应式好。 3．内外反应式 内外反应式既在转子外圆开反应槽，又在转子轴边磁轭部开反应槽，如图10—17(c)所示。这种结构使直轴与交轴磁阻差别大，运行性能好，但制造工艺较复杂。 模块十 特种电机 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 模块十 特种电机 为进一步提高直轴和交轴的磁阻差，可采用如图10—18所示的分层结构。单相反应式同步电动机的定子铁心与单相罩极异步电动机相同，在磁极上开口并套入短路环。当定子绕组通入单相交流电时，在第一个1／4周期，定子磁极和转子位置如图10一19(a)所示；在第二至四个1／4个周期，定子磁极和转子位置如图10一19(b)、(c)、(d)所示。从图10一19可以看出，由于短路环的作用，在定子绕组通入单相交流电时，气隙中形成旋转磁场；转子在磁场中被磁化，形成固定不变的磁极；磁极之间的相互作用，使转子跟随定子磁场同步旋转。 模块十 特种电机 模块十 特种电机 模块十 特种电机 反应式微型同步电动机在转子上加装启动绕组后可自行启动，可以通过改变定、转子的磁极对数或改变交流电的频率进行调速。反应式微型同步电动机用于记录仪表、摄影机、录音机及复印机等设备中。 模块十 特种电机 活动三 磁滞式微型同步电动机 磁滞式微型同步电动机的定子结构与单相交流异步电动机相同，定子绕组常用电容分相，以形成旋转磁场。转子分内、外两层，外层用具有显著磁滞特性的材料制作。内层是结构钢或电工钢制作的磁性套筒，如图10—20(a)所示；内层也有用黄铜、铝合金、高温塑料等材料制作的非磁性套筒，如图10—20(b)所示。转子不预先充磁，它的磁化是在启动过程中依靠定子磁场进行的。 模块十 特种电机 磁滞式微型同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而转动的，如图10—20(c)所示。这种微型电动机启动转矩大，能自行牵人同步转速，并稳定在同步状态运转。它常用在功率在120W以下，要求转速稳定的场所。 模块十 特种电机 $$