模塊九直流電動(dòng)機(jī)和特種電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目1常用低壓電器元件項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)模塊九直流電動(dòng)機(jī)和特種電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)統(tǒng)稱為直流電機(jī)，兩者的結(jié)構(gòu)相同。直流發(fā)電機(jī)是在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;直流電動(dòng)機(jī)是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)換成軸上的機(jī)械能。兩者是可逆運(yùn)行的。本模塊將對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和維護(hù)等進(jìn)行討論，最后還介紹幾種常用的特種電動(dòng)機(jī)。學(xué)習(xí)本模塊是為了掌握以下內(nèi)容:1.直流電動(dòng)機(jī)2.特種電動(dòng)機(jī)上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件直流電機(jī)是將直流電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這一原理稱為直流電機(jī)的可逆原理。作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，直流電源向電機(jī)輸送直流電能，電機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng);作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)由原動(dòng)機(jī)(交流電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、汽油機(jī))拖動(dòng)，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能，向負(fù)載供電。直流電機(jī)在拖動(dòng)系統(tǒng)中多用做電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)有較高的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中多用做測(cè)速發(fā)電機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)。一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)主要由兩大部分組成:一是靜止部分，稱為定子，下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件二是轉(zhuǎn)動(dòng)部分，稱為轉(zhuǎn)子。定子主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子部分主要由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器(整流子)組成。定、轉(zhuǎn)子之間是氣隙，氣隙是磁路的一部分。圖9-1是直流電機(jī)主要部件外形圖。

1.定子部分

1)機(jī)座由鑄鋼或厚鋼板彎卷焊接而成，作用是固定主磁極、換向極和端蓋，是磁路的一部分，稱為磁扼。

2)主磁極實(shí)質(zhì)上是磁極的一個(gè)電磁體，當(dāng)主磁極上的勵(lì)磁繞組通過(guò)勵(lì)磁電流時(shí)，主磁極便產(chǎn)生主磁場(chǎng)。主磁極由鐵芯和繞組組成。鐵芯是薄鋼板沖片疊成的，鐵芯下部的弧形結(jié)構(gòu)稱為極上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件掌(極靴)，極掌使主磁極的磁場(chǎng)分布均勻。繞組固定在鐵芯上，一般由銅線繞制。整個(gè)主磁極固定在機(jī)座上，主磁極成對(duì)出現(xiàn)在機(jī)座周圍。

3)換向極換向極位于兩主磁極之間，也是成對(duì)出現(xiàn)的，其作用是改善換向條件，減少換向引起的火花，其結(jié)構(gòu)也是由鐵芯和繞組構(gòu)成的。通常小容量直流電機(jī)的換向極鐵芯由整塊鋼組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，串聯(lián)方向與運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)向有關(guān)(參看電機(jī)說(shuō)明書)。

(4)電刷裝置電刷裝置是電樞繞組與外電路聯(lián)系的橋梁，即引入或引出直流電流(電壓)。圖9-2是帶電刷的刷握示意圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件

2.轉(zhuǎn)子部分電樞即轉(zhuǎn)子部分，主要由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器組成，是直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的中心部件。

1)電樞鐵芯由0.5mm硅鋼片沿軸向疊壓而成，其作用一是嵌放電樞繞組，二是導(dǎo)磁(磁路的一部分)。

2)電樞繞組由許多相同的線圈元件按一定規(guī)律連接而成，其作用是產(chǎn)生感生電勢(shì)或電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

3)換向器如圖9-3所示的為換向器剖面圖，它是由許多帶燕尾形翅的銅換向片組裝而成的，任何兩個(gè)換向片間都互相絕緣，上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件電樞繞組的出線端都按一定的規(guī)律焊接在換向片上。

3.直流電機(jī)的電樞電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

1)電樞電勢(shì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組的有效邊切割氣隙磁場(chǎng)而產(chǎn)生感生電勢(shì)，稱為電樞電勢(shì)，用字母Ea表示，數(shù)值上2)電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電樞繞組中有電流流過(guò)時(shí)，電樞繞組有效邊在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，在N極下和在S極下載流導(dǎo)體的電磁力大小相等而方向相反，對(duì)軸心形成轉(zhuǎn)矩，用T表示。數(shù)值上上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件二、直流電機(jī)的維護(hù)直流電機(jī)的維護(hù)，有許多方面和異步電動(dòng)機(jī)是相似的。

1.保持電機(jī)內(nèi)外清潔平時(shí)應(yīng)注意使電機(jī)保持清潔，電機(jī)內(nèi)外的灰塵可用帶尖嘴的屏風(fēng)扇(皮老虎)或吹風(fēng)機(jī)來(lái)清除，繞組和換向器上的油漬、污物要用四氯化碳和汽油的混合物及時(shí)擦洗干凈。

2.換向器的維護(hù)直流電機(jī)的換向器最易發(fā)生故障，是運(yùn)行維護(hù)的重點(diǎn)。換向器表面應(yīng)保持清潔光滑，如發(fā)現(xiàn)換向器的表面有黑色的灼上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件痕，應(yīng)立即用玻璃砂紙將換向器表面磨光砂平，注意不能用金剛砂紙，因?yàn)閷?dǎo)電的金剛砂屑聚集在換向片之間，會(huì)使電機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生很大的火花。經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)或車床加工外圓后，必須將換向片間的云母片刻低，一般采用將兩側(cè)磨平的手工鋸條來(lái)刻低?？痰蜁r(shí)，要使鋸片與云母表面垂直，慢慢地向后移動(dòng)，刻成平坦的溝槽，但不要刻得過(guò)深，一般刻到1~1.5mm即可。同時(shí)在槽口用銼刀銼出45°倒角，防止換向片的尖角切削電刷?？掏瓴鄣膿Q向器，還需再上車床拋光，并徹底清潔。

3.電刷的使用及維修

1)彈簧對(duì)電刷的壓力應(yīng)適當(dāng)，不能太大，也不能太小，應(yīng)定期檢查。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目1常用低壓電器元件2)電刷磨損過(guò)量或損壞時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換。電刷更換之前先用細(xì)砂紙研磨接觸面，使其接觸面積約占全部面積的80%。電刷的研磨方法如圖9-4所示。

4.軸承的維護(hù)中小型電機(jī)采用滾珠軸承或滾柱軸承，大型電機(jī)采用合金軸瓦。軸承應(yīng)保持清潔和定期潤(rùn)滑，在定期檢查時(shí)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)適時(shí)更換。

5.閑置電機(jī)的維護(hù)長(zhǎng)期閑置的直流電機(jī)，在重新啟用之前，必須先測(cè)量其絕緣電阻。如不合格，必須做烘干處理，在檢驗(yàn)合格后方可通電運(yùn)行。上一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)特種電機(jī)又稱為特殊電機(jī)，迄今為止國(guó)內(nèi)外都未對(duì)它作過(guò)明確的定義和分類，通常也可理解為容量和尺寸都比較小的特殊用途的電機(jī)。其種類很多，功能各異。限于課程性質(zhì)與篇幅，本書只介紹其中較典型、較常用的兩種:交流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種控制用電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。它的功能是把輸入的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向、角位移或角速度輸出，并驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制信號(hào)的大小或極性(相位)發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向?qū)⒎浅ｌ`敏地隨之變化。伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)電流種類的不同，分為交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。本節(jié)只介紹交流下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)。

1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，示意圖如圖9-5所示。定子鐵芯用硅鋼片疊壓而成，在定子鐵芯上安裝兩個(gè)在空間互成90°位置差的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組F，另一個(gè)是控制繞組C。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式主要有兩種:籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和普通異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子相似，不過(guò)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其反應(yīng)迅速靈敏，轉(zhuǎn)子做得比較細(xì)長(zhǎng)，且為增大轉(zhuǎn)子繞組的電阻，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和短路端環(huán)都采用高阻材料(如青銅)制成?？招谋娃D(zhuǎn)子多用非磁性材料(高電阻率的硅錳青銅或錫鋅青銅等)制成，杯壁薄(約0.3mm左右)而細(xì)長(zhǎng)，裝在轉(zhuǎn)軸上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)上，可以在內(nèi)、外定子間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)則依靠杯形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的渦流與氣隙磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)迅速，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)交流伺服電動(dòng)機(jī)控制繞組不加電壓時(shí)，和單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，氣隙內(nèi)磁場(chǎng)為勵(lì)磁繞組電流產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，沒(méi)有控制電壓信號(hào)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)控制繞組加上控制電壓，且控制繞組內(nèi)電流與勵(lì)磁繞組內(nèi)電流不同相時(shí)，作為兩相異步電動(dòng)機(jī)，空間相差90°電角度的兩個(gè)繞組，通以不同相的電流，在氣隙中建立一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，和單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)情況一樣，產(chǎn)生了上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來(lái)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻設(shè)計(jì)得大，由機(jī)械特性知，當(dāng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)突然消失時(shí)，在勵(lì)磁電壓?jiǎn)为?dú)作用的脈動(dòng)磁場(chǎng)下，產(chǎn)生一個(gè)具有自制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。即不存在單相異步電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)加在控制繞組C上的信號(hào)電壓大小及相位來(lái)達(dá)到改變交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)有三種控制方式:幅值控制、相位控制和幅值一相位控制。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特殊之處是它不是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而是按輸入的脈沖信號(hào)，一步一步地間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，故名步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，一般按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分為反應(yīng)式、永磁式和永磁感應(yīng)式三種，它們的工作原理近似。本節(jié)以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，簡(jiǎn)要介紹其工作原理。

1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，如圖9-6所示。它的定子用薄硅鋼片疊壓而成，做成凸極式。六個(gè)磁極均勻分布在定子鐵芯圓周的內(nèi)表面，磁極上都裝有線圈，相對(duì)的兩個(gè)磁極上的線圈串聯(lián)起來(lái)，形成三個(gè)獨(dú)立的繞組，分別用A相、B相和C相表示。它們可以連接成星形或三角形。獨(dú)立繞組的數(shù)目稱做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)。一般有三相、四相、五相、六相等(注意:這里的相僅表示獨(dú)立的繞組線圈，與交流電的“三相”是不同的)。轉(zhuǎn)子也用薄硅鋼片疊壓而成，表面均勻分布四個(gè)齒，齒上沒(méi)有繞組，本身也不具有磁性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)

2.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源將脈沖信號(hào)按照一定的輪換順序輸入到定子三相繞組。按照通電順序的不同，電動(dòng)機(jī)有不同的運(yùn)行方式，常見的有三相單三拍運(yùn)行方式、三相單、雙六拍運(yùn)行方式等，下面以三相單三拍運(yùn)行方式為例，介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。若反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以三相單三拍運(yùn)行方式工作，首先給A相繞組通電，A相定子磁極被磁化，在氣隙中建立磁場(chǎng)，磁場(chǎng)軸線與A相繞組軸線A-A‘重合。由于磁場(chǎng)線具有力圖從最短路徑通過(guò)的性質(zhì)，若此時(shí)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒1,3的軸線未能與A-A‘軸線重合，它將受到切線方向磁拉力的作用，并按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)且前進(jìn)一步，直至轉(zhuǎn)子齒1,3的軸線與繞組軸線A-A'重合，如圖9-7(a)所示。這時(shí)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，且能自鎖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)接著，將A相繞組斷電，只給B相繞組通電，則將建立以B-B‘為軸線的磁場(chǎng)。與上述同理，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針?lè)较蛟傩D(zhuǎn)且前進(jìn)一步，使靠近B相繞組的轉(zhuǎn)子齒2,4的軸線與B相繞組軸線B-B‘重合，如圖9-7(b)所示。接著，將B相繞組斷電，只給C相繞組通電，則將建立以C-C’為軸線的磁場(chǎng)。使靠近C相繞組的轉(zhuǎn)子齒1,3的軸線與C相繞組的軸線C-C‘重合，如圖9-7(c)所示，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)了一步。這樣，只要使定子繞組按照A相→B相→C相→A相……的順序依次循環(huán)通電，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將沿順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。由上面分析可知，要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需改變定子繞組通電的順序即可。上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)在工程技術(shù)中，這種運(yùn)行方式被稱為“三相單三拍”?！叭唷笔侵付ㄗ佑腥齻€(gè)繞組，“單”是指只給一相繞組單獨(dú)通電，“拍”是指定子繞組每改變一次通電方式稱做一拍，“三拍”表示三種通電方式組成一個(gè)工作循環(huán)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，用表示。三相單三拍運(yùn)行方式步距角=30°。在實(shí)際使用中，還可AB兩相同時(shí)通電，使轉(zhuǎn)子軸線轉(zhuǎn)至AB兩相之間的軸線，按AB→BC→CA的順序，兩相同時(shí)依次通電，稱為三相雙三拍運(yùn)行方式。

3.小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求，則步距角要小。常用的減小步距角的方法是增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，如圖9-8所示。它的上一頁(yè)下一頁(yè)返回項(xiàng)目2特種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表面齒數(shù)Z=40，相應(yīng)定子六個(gè)磁極的端面各