第11章其他常用電機(jī)

11.1伺服電動(dòng)機(jī)11.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)11.3直流電動(dòng)機(jī)11.1伺服電動(dòng)機(jī)

教學(xué)要求：1.掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理;2.掌握直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

本章介紹的各種控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機(jī)的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。

對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。11.1伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類：

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。11.1伺服電動(dòng)機(jī)

11.1.1交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90

的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1

勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90

,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖

1(b)相量圖

工作時(shí)兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的電流和的相位差近于90o，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?，電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。11.1.1交流伺服電動(dòng)機(jī)不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。

在勵(lì)磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。TU20.8U20.6

U20.4U2On11.1.1交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:11.1.2

直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2

n

。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO11.1.2

直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：11.2

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn):

(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。

下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子ABCIAIBIC轉(zhuǎn)子1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30

角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30

角，1、3齒和C′、C磁極軸線對(duì)齊。1C'342CA'BB'A

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA

……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90°(一個(gè)齒距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對(duì)齊。

A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15

，到達(dá)左圖所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15

。3412CA'BB'C'A

B、C相同時(shí)通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15

。

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90

(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍

按AB

BC

CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90

(齒距角)。

從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：

—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)

實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3

和1.5

。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，齒距角是9

；定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用：11.3直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。

(2)起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動(dòng)、停車。

(3)易于控制。應(yīng)用:(1)軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。

(2)用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等11.3.1

直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造極掌極心勵(lì)磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路

直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。SN++++N+++++S+++2.轉(zhuǎn)子(電樞)

由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式:

由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式:

磁極上繞線圈，線圈中通過(guò)直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁:

磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：?jiǎn)蝹€(gè)繞組元件組成。用來(lái)在電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)。1.他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。11.3.2直流電機(jī)的分類

直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)