1、第10章 控 制 電 機,返回總目錄,伺服電動機 步進電動機 測速發(fā)電機 直線電動機 自 整 角 機 旋轉(zhuǎn)變壓器 本 章 小 結(jié) 習(xí)題與思考題,本章內(nèi)容,控制電動機主要應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中，用來實現(xiàn)信號的檢測、轉(zhuǎn)換和傳遞，作為測量、執(zhí)行和校正等元件使用。功率一般從數(shù)毫瓦到數(shù)百瓦。 普通動力電動機的主要任務(wù)是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，主要要求是提高電機的能量轉(zhuǎn)換效率等經(jīng)濟指標(biāo)，以及起動、調(diào)速等性能?？刂齐妱訖C的主要任務(wù)是完成控制信號的檢測、變換和傳遞，因此，對控制電動機的主要要求是快速響應(yīng)、高精度、高靈敏度及高可靠性。 控制電動機種類繁多，本章主要介紹常用的控制電動機的基本工作原理。,10.1 伺服電動機,

2、伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，它能把接受的電壓信號轉(zhuǎn)換為電動機轉(zhuǎn)軸上的機械角位移或角速度的變化，具有服從控制信號的要求而動作的功能：在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子能即時停轉(zhuǎn)。由于這種“伺服”的性能因此命名。 自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求是： (1) 寬廣的調(diào)速范圍，機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性。 (2) 快速響應(yīng)性能好，即機電時間常數(shù)要小，在控制信號變化時，能迅速地從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)。 (3) 靈敏度要高，即在很小的控制電壓信號作用下，伺服電動機就能起動運轉(zhuǎn)。 (4) 無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所謂自轉(zhuǎn)現(xiàn)象就是轉(zhuǎn)動中的伺服電動機在控制電壓為零時繼續(xù)轉(zhuǎn)動的現(xiàn)

3、象；無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象就是控制電壓降到零時，伺服電動機立即自行停轉(zhuǎn)。 按伺服電動機的控制電壓來分，伺服電動機可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機的輸出功率可達數(shù)百瓦，主要用于功率較大的控制系統(tǒng)。交流伺服電動機的輸出功率較小，一般為幾十瓦，主要用于功率較小的控制系統(tǒng)。,一、直流伺服電動機,10.1 伺服電動機,1. 基本結(jié)構(gòu)與工作原理 一般的直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動機相同，按照勵磁方式的不同，可分為電磁式和永磁式。電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁電流通過勵磁繞組產(chǎn)生，一般多用他勵式勵磁。永磁式直流伺服電動機的磁場由永磁鐵產(chǎn)生，無需勵磁繞組和勵磁電流。 直流伺服電動機的

4、控制方式有兩種：電樞控制和磁場控制。所謂電樞控制，即磁場繞組加恒定勵磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩恒定時，電樞的控制電壓升高，電動機的轉(zhuǎn)速就升高；反之，減小電樞控制電壓，電動機的轉(zhuǎn)速就降低；改變控制電壓的極性，電動機就反轉(zhuǎn)；控制電壓為零，電動機就停轉(zhuǎn)。電樞控制方式的直流伺服電動機如 圖10.1所示。 電動機也可采用磁場控制，即磁場繞組加控制電壓，而電樞繞組加恒定電壓控制方式，改變勵磁電壓的大小和方向，就能改變電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。可見，電磁式直流伺服電動機有電樞控制和磁場控制兩種控制轉(zhuǎn)速的方式，而對永磁式直流伺服電動機來講，則只有電樞控制一種方式。,10.1 伺服電動機,圖10.1 電樞

5、控制方式的直流 伺服電動機,電動機也可采用磁場控制，即磁場繞組加控制電壓，而電樞繞組加恒定電壓控制方式，改變勵磁電壓的大小和方向，就能改變電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。可見，電磁式直流伺服電動機有電樞控制和磁場控制兩種控制轉(zhuǎn)速的方式，而對永磁式直流伺服電動機來講，則只有電樞控制一種方式。 電樞控制的主要優(yōu)點為，沒有控制信號時，電樞電流等于零，電樞中沒有損耗，只有不大的勵磁損耗。磁場控制的性能較差，其優(yōu)點是控制功率小，僅用于小功率電動機中。自動控制系統(tǒng)中多采用電樞控制方式，因此本節(jié)只分析電樞控制方式的直流伺服電動機。 為了提高快速響應(yīng)能力，必須減少轉(zhuǎn)動慣量，所以直流伺服電動機的電樞通常做成盤形或空心杯形，

6、使其具有轉(zhuǎn)子輕、轉(zhuǎn)動慣量小的特點。,10.1 伺服電動機,電樞控制方式的直流伺服電動機的工作原理與普通的直流電動機相似。當(dāng)勵磁繞組接在電壓恒定的勵磁電源上時，就會有勵磁電流If流過，并在氣隙中產(chǎn)生主磁通；當(dāng)有控制電壓Uc作用在電樞繞組上時，就有電樞電流Ic流過，電樞電流Ic與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T帶動負載運行。當(dāng)控制信號消失時，Uc= 0，Ic = 0，T = 0，電動機自行停轉(zhuǎn)，不會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 2. 控制特性 1) 機械特性 機械特性是指勵磁電壓Uf恒定，電樞的控制電壓UK為一個定值時，電動機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系，即Uf為常數(shù)時的nf(T)，如圖10.2(a)所示。 已知直

7、流電動機的機械特性是 式中 U、R、Ce、CT分別表示電樞電壓、電樞回路的電阻、電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 在電樞控制方式的直流伺服電動機中，控制電壓Uc加在電樞繞組上，即U=Uc，代入式(10.1)，得到直流伺服電動機的機械特性表達式為,(10.1),(10.2),10.1 伺服電動機,式中， 理想空載轉(zhuǎn)速；,斜率。,對上式應(yīng)考慮兩種特殊情況：當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時，電動機的轉(zhuǎn)速僅與電樞電壓有關(guān)，此時的轉(zhuǎn)速為直流伺服電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比，即 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，電動機的轉(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。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與電樞電壓成正比，即,(10.3),(10.4),當(dāng)控制電壓

8、Uc一定時，隨著轉(zhuǎn)矩T的增加，轉(zhuǎn)速n成正比的下降，機械特性為向下傾斜的直線，所以直流伺服電動機機械特性的線性度很好。當(dāng)Uc不同時，其斜率不變，機械特性為一組平行線，隨著Uc的降低，機械特性平行地向下移動。,10.1 伺服電動機,(a) 機械特性 (b) 調(diào)節(jié)特性,圖10.2 直流伺服電動機的運行特性,2) 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性是指電磁轉(zhuǎn)矩恒定時，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系，即T為常數(shù)時的n = f(UK)。調(diào)節(jié)特性也稱為控制特性。如圖10.2(b)所示。 在式(10.2)中，令Uc為常數(shù)，T為變量，n = f(T)是機械特性；若令T為常數(shù)，Uc為變量，n = f(Uc)是調(diào)節(jié)特性，如圖10

9、.2(b)所示，也是直線，所以調(diào)節(jié)特性的線性度也很好。 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，對應(yīng)不同的電磁轉(zhuǎn)矩可得到不同的起動電壓Uc0。當(dāng)電樞電壓小于起動電壓時，伺服電動機將不能起動。在式(10.2)中令n = 0能方便地計算出起動電壓Uc0為,(10.5),10.1 伺服電動機,一般把調(diào)節(jié)特性圖上橫坐標(biāo)從零到起動電壓這一范圍稱為失靈區(qū)。在失靈區(qū)以內(nèi)，即使電樞有外加電壓，電動機也轉(zhuǎn)不起來。顯而易見，失靈區(qū)的大小與負載轉(zhuǎn)矩成正比，負載轉(zhuǎn)矩越大，失靈區(qū)也越大。 直流伺服電動機的優(yōu)點是起動轉(zhuǎn)矩大、機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、調(diào)速范圍大。其缺點是電刷和換向器之間的火花會產(chǎn)生無線電干擾信號，維修比較困難。,二、交流伺服電

10、動機,1. 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 交流伺服電動機一般是兩相交流異步電動機，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子有籠型和杯型兩種。無論哪一種轉(zhuǎn)子，它的轉(zhuǎn)子電阻都做得比較大，其目的是使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使它在控制繞組不加電壓時，能及時制動，防止自轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的定子上嵌放著在空間相距90電角度的兩相分布繞組，兩個定子繞組結(jié)構(gòu)完全相同，使用時一個繞組作勵磁用，另一個繞組作控制用。 為勵磁電壓， 為控制電壓， 與 同頻率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10.3所示。,10.1 伺服電動機,當(dāng)勵磁繞組和控制繞組均加互差90電角度的交流電壓時，在空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場 (控制電壓和勵磁電壓的幅值相等)

11、或橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(控制電壓和勵磁電壓幅值不等)，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場作用下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)控制電壓和勵磁電壓的幅值相等時，控制二者的相位差也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 普通的兩相異步電動機存在著自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這可以通過圖10.4所示的機械特性來說明。 對異步電動機而言，臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比，即 式中 轉(zhuǎn)子電阻R2折算到定子側(cè)的折算值； 轉(zhuǎn)子漏電抗X2折算到定子側(cè)的折算值。,圖10.3 交流伺服電動機結(jié)構(gòu)示意圖,圖10.4 異步電動機的機械特性,(10.6),普通的兩相異步電動機的轉(zhuǎn)子電阻較小，sm也較小，機械特性如圖10.4中的曲線1所示，線性變化范圍較小。 當(dāng)運行中的兩相異步電動機中有一相繞組斷電時就成為單相

12、異步電動機。單相異步電動機中的氣隙磁場為脈動磁場，可以分解為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個旋轉(zhuǎn)磁場，分別產(chǎn)生正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T+與反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T-，在圖10.5中用虛線表示，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為T+與T-的代數(shù)和，在圖中用實線表示。,10.1 伺服電動機,圖10.5 轉(zhuǎn)子電阻對交流伺服電動機機械特性的影響,10.1 伺服電動機,當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時，從圖10.5(a)中可以看出，在正轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，即當(dāng)n0時，T0，所以當(dāng)在運行中的兩相異步電動機由于斷開一相而成為單相異步電動機時仍有電磁轉(zhuǎn)矩T，只要T大于負載轉(zhuǎn)矩TL，電動機就會繼續(xù)運轉(zhuǎn)而形成自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。普通的單相異步電動機在起動時，就利用自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，把起動繞組串聯(lián)電容器后與工

13、作繞組并聯(lián)接在交流電源上，作為兩相異步電動機而起動，起動完畢后就將起動繞組切除，成為單相異步電動機，帶動負載，繼續(xù)運轉(zhuǎn)。 交流伺服電動機必須克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，否則當(dāng)控制電壓為零時，電動機還會繼續(xù)運轉(zhuǎn)，出現(xiàn)失控狀態(tài)。當(dāng)勵磁電壓不為零，控制電壓為零時，交流伺服電動機相當(dāng)于一臺單相異步電動機，若轉(zhuǎn)子電阻較小，則電動機還會按原來的運行方向轉(zhuǎn)動，電磁轉(zhuǎn)矩仍為拖動轉(zhuǎn)矩，此時的機械特性如圖10.5 (a)所示。 交流伺服電動機用增加轉(zhuǎn)子電阻的方法來防止自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。由式(10.6)可知，增大轉(zhuǎn)子電阻可使臨界轉(zhuǎn)差率Sm增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到一定值時，可使Sm1，電動機的機械特性曲線近似為線性，對應(yīng)的機械特性曲線

14、如圖10.4中曲線2所示，這樣可使伺服電動機的調(diào)速范圍大，在大范圍內(nèi)能穩(wěn)定運行。若在運行中控制電壓Uc變?yōu)榱悖涣魉欧妱訖C變?yōu)閱蜗?10.1 伺服電動機,異步電動機，其機械特性如圖10.5(b)的實線所示，在正轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，即n 0時，T 0，電磁轉(zhuǎn)矩為負，成為制動轉(zhuǎn)矩，迫使電動機自行停轉(zhuǎn)而不會自轉(zhuǎn)。 與普通兩相異步電動機相比，交流伺服電動機的特點是：具有較寬的調(diào)速范圍；當(dāng)勵磁電壓不為零，控制電壓為零時，其轉(zhuǎn)速也應(yīng)為零；機械特性為線性并且動態(tài)特性較好。所以交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻應(yīng)當(dāng)大，轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)當(dāng)小。 由上述分析可知，增加交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻，既可以防止自轉(zhuǎn)，又可以擴大調(diào)速范圍和提高機械特

15、性的線性度，所以一般取 比普通異步電動機轉(zhuǎn)子電阻大得多。常用的增大轉(zhuǎn)子電阻的辦法是將籠型導(dǎo)條和端環(huán)用高電阻率的材料如黃銅、青銅制造，同時將轉(zhuǎn)子做成細而長，這樣轉(zhuǎn)子電阻很大，同時轉(zhuǎn)動慣量又小。 當(dāng)交流伺服電動機的勵磁繞組接在額定電壓的交流電源上、控制繞組接在同頻率的控制電壓 上時，在空間成90度電角度的兩相繞組中就會有兩相電流流過，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并有轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使交流伺服電動機運轉(zhuǎn)。改變控制電壓 的大小和相位，可以使氣隙磁場為圓形,10.1 伺服電動機,旋轉(zhuǎn)磁場或橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。電動機中氣隙磁場不同，其機械特性

16、就不同，轉(zhuǎn)速也就不同。從而實現(xiàn)了交流伺服電動機利用控制電壓信號 的大小和相位的變化控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的，完成伺服功能。 2. 控制方式 交流伺服電動機的控制方式有3種，分別是幅值控制、相位控制和幅值相位控制。 1) 幅值控制 始終保持控制電壓 和勵磁電壓 之間的相位差為90，僅僅改變控制電壓 的幅值來改變交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為幅值控制。當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓為零時，伺服電動機轉(zhuǎn)速為零，電動機不轉(zhuǎn)；當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓也為額定電壓時，伺服電動機轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)勵磁電壓為額定電壓，控制電壓在額定電壓與零之間變化時，伺服電動機的轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速和零之

17、間變化。幅值控制的原理圖如圖10.6所示，勵磁繞組f接交流電源，控制繞組c 通過電壓移相器接至同一電源上，使 與 始終有90的相位差，且 的大小可調(diào)，其幅值在額定值與零之間變化，勵磁電壓保持為額定值。改變 的幅值就改變了電動機的轉(zhuǎn)速。,10.1 伺服電動機,2) 相位控制 保持控制電壓和勵磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來改變交流伺服電動機轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制。其原理圖如圖10.7所示，控制繞組通過移相器與勵磁繞組一同接至同一交流電源上， 的幅值不變，但 與 的相位差可以通過調(diào)節(jié)移相器在90之間變化， 與 的相位差發(fā)生變化時，交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速就隨之,圖1

18、0.6 幅值控制的原理圖,圖10.7 相位控制的原理圖,10.1 伺服電動機,發(fā)生變化。設(shè) 與 的相位差為，在90范圍內(nèi)變化。根據(jù)的取值可得出氣隙磁場的變化情況。當(dāng)=0時，控制電壓與勵磁電壓同相位，氣隙總磁動勢為脈動磁動勢，伺服電動機轉(zhuǎn)速為零，不轉(zhuǎn)動；當(dāng)=90時，氣隙磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，伺服電動機轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也為最大；當(dāng)=090變化時，氣隙磁動勢從脈動磁動勢變?yōu)闄E圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢最終變?yōu)閳A形旋轉(zhuǎn)磁動勢，伺服電動機的轉(zhuǎn)速由低向高變化。值越大越接近圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。 3) 幅值-相位控制 幅值-相位控制是指對幅值和相位差都進行控制，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來控制伺服電動

19、機的轉(zhuǎn)速。勵磁繞組串聯(lián)電容器后接交流電源，控制繞組通過電位器接至同一電源，原理圖如圖10.8所示?？刂齐妷?與電源同頻率、同相位，但其幅值可以通過電位器Rp來調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來改變電動機的轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁繞組中的電流隨之發(fā)生變化，勵磁電壓也會發(fā)生變化。這樣， 與 的大小和相位都會發(fā)生變化，所以稱這種控制方式為幅值-相位控制方式。,10.1 伺服電動機,圖10.8 幅值-相位控制的原理圖,幅值-相位控制的機械特性和調(diào)節(jié)特性不如幅值控制和相位控制，但由于其電路簡單，只需要電容器和電位器，不需要復(fù)雜的移相裝置，成本較低，因此在實際應(yīng)用中用得較多。 最后將直流伺服電動機和

20、交流伺服電動機做一下對比。直流伺服電動機的機械特性是線性的，特性硬，控制精度高，穩(wěn)定性好；交流伺服電動機的機械特性是非線性的，特性軟，控制精度要差一些。直流伺服電動機無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象；交流伺服電動機如果,參數(shù)選擇不當(dāng)，如轉(zhuǎn)子電阻不是足夠大或制造不良，有可能產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電動機轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，只能適用于小功率控制系統(tǒng)；功率大的控制系統(tǒng)宜選用直流伺服電動機。當(dāng)然直流伺服電動機有電刷和換向器，工作可靠性和穩(wěn)定性要差一些，電刷和換向器之間的火花會產(chǎn)生無線電干擾?？傊瑧?yīng)根據(jù)具體使用情況，合理選用直流伺服電動機或交流伺服電動機。,10.2 步進電動機,步進電動機能將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸

21、出軸的角位移或直線位移。這種電動機每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉(zhuǎn)動一定的角度或前進一步，因此被稱為步進電動機或脈沖電動機。步進電動機輸出軸的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，不受電壓及環(huán)境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差，控制輸入的脈沖數(shù)就能準(zhǔn)確地控制輸出的角位移量，因而用數(shù)字能夠精準(zhǔn)地定位；而步進電動機輸出軸的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準(zhǔn)確地控制步進電動機的轉(zhuǎn)速，可以在寬廣的范圍內(nèi)精確地調(diào)速。由于步進電動機的這一特點正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，同時電子技術(shù)的發(fā)展也解決了步進電動機的電源問題。因此，隨著數(shù)字計算機的發(fā)展，步進電動機的應(yīng)用也日益廣泛。目前，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、

22、軋鋼機、軍事工業(yè)、數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置以及自動化儀表等方面。 自動控制系統(tǒng)對步進電動機的基本要求是： (1) 在一定的速度范圍內(nèi)步進電動機都能穩(wěn)定運行，輸出軸轉(zhuǎn)過的步數(shù)必須等于輸入脈沖數(shù)，既不能多走一步，也不能少走一步，即不能出現(xiàn)所渭的“失步”現(xiàn)象。 (2) 每輸入一個脈沖信號，輸出軸所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，該值要小而且精度要高，這樣才能使工作臺的位移量小而且準(zhǔn)確和均勻，從而可以提高加工精度。,10.2 步進電動機,(3) 允許的工作頻率高，這樣才能動作迅速，減少輔助工時，提高生產(chǎn)率。,一、步進電動機的結(jié)構(gòu)和分類,步進電動機的種類很多，按其工作方式的不同可分為功率式和伺服式兩種。功率式步進電動機的輸出

23、轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大的負載。伺服式步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能直接帶動較小的負載，對于大負載需通過液壓放大元件來傳動。按運動方式可分為旋轉(zhuǎn)運動、直線運動和平面運動等幾種；按工作原理可分為反應(yīng)式(磁阻式)、永磁式和永磁感應(yīng)式等幾種。在永磁式步進電動機中，它的轉(zhuǎn)子是用永久磁鋼制成的，也有通過滑環(huán)由直流電源供電的勵磁繞組制成的轉(zhuǎn)子，在這類步進電動機中，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生勵磁；在反應(yīng)式步進電動機中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子的齒也稱為顯極，在這種步進電動機的轉(zhuǎn)子中沒有勵磁繞組。它們產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理雖然不同，但其動作過程基本上是相同的，反應(yīng)式步進電動機有力矩慣性比高、步進頻率高、頻率響應(yīng)快、可雙向旋

24、轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單和壽命長等特點。在計算機應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用的是反應(yīng)式步進電動機。本節(jié)以反應(yīng)式步進電動機為例介紹步進電動機的原理及結(jié)構(gòu)。,10.2 步進電動機,二、反應(yīng)式步進電動機的工作原理,1. 結(jié)構(gòu)特點 三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)原理圖如圖10.9所示。其定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片或其他軟磁材料做成凸極結(jié)構(gòu)。定子磁極上套有集中繞組，起控制作用，作為控制繞組。相對的兩個磁極上的繞組組成一相，如U和組成U相，V和V、W和W分別組成V相及W相。獨立繞組數(shù)稱為步進電動機的相數(shù)。除三相以外，步進電動機還可以做成四、五、六等相數(shù)。同相的兩個繞組可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)，以產(chǎn)生兩個極性相反的磁場。一般的情況是，若繞組相

25、數(shù)為m，則定子磁極數(shù)為2m，所以三相繞組有6個磁極。轉(zhuǎn)子上 沒有繞組，只有齒，其上無繞組，本身亦無磁性。圖 中轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr=4。轉(zhuǎn)子相鄰兩齒軸線之間的夾角定義 為齒距角r， ，當(dāng) 時， 。 每輸入一個脈沖時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角s 。,圖10.9 三相反應(yīng)式步進電動機原理圖,10.2 步進電動機,2. 工作原理 設(shè)電動機空載，工作時驅(qū)動電源將脈沖信號電壓按一定的順序輪流加到定子三相繞組上。按其通電順序的不同，三相反應(yīng)式步進電動機有以下3種運行方式； 1) 三相單三拍運行方式 “三相”指步進電動機定子繞組是三相繞組，“單”指每次只能一相繞組通電，“一拍”指定子繞組每改變一次通電方式，“三拍”指

26、通電3次完成一個通電循環(huán)。也就是說，這種運行方式是按UVWU或相反的順序通電的。 當(dāng)步進電動機的U相繞組通電，V相和W相繞組不通電時， 電動機內(nèi)建立以U-U為軸線的磁場，由于磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣反應(yīng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子齒1、3分別與定子磁極U、U對齊，如圖10.10(a)所示。由于V相與U相繞組軸線間的夾角為，對齒距角而言，相當(dāng)于4/3個齒距角，所以當(dāng)U、U分別與轉(zhuǎn)子齒1、3對齊時，V相繞組軸線領(lǐng)先轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線1/3齒距。 當(dāng)U相和W相斷電，改為V相通電時，磁場軸線為VV，領(lǐng)先齒2和4的軸線1/3齒距。轉(zhuǎn)子上雖然沒有繞組，但是轉(zhuǎn)子是由硅鋼片做成的，定子磁場對轉(zhuǎn)子齒的吸引力會產(chǎn)

27、生沿轉(zhuǎn)子切線方向的磁拉力，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為反應(yīng)轉(zhuǎn)矩(或稱磁阻轉(zhuǎn)矩)，帶動轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)，直至齒2、4分別與磁極V、V,10.2 步進電動機,對齊。當(dāng)它們對齊時，磁場對轉(zhuǎn)子只有徑向方向的吸引力，而沒有切線方向的拉力，將轉(zhuǎn)子鎖住。顯而易見，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了1/3齒距，即轉(zhuǎn)過了30，所以步距角s =30，如圖10.10(b)所示。,圖10.10 反應(yīng)式步進電動機工作原理圖,同樣，當(dāng)W相通電，U、V相斷電時，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子再逆時針轉(zhuǎn)過30空間角度，轉(zhuǎn)子齒1、3對準(zhǔn)磁極、W，如圖10.10(c)所示。 依此類推，當(dāng)U相繞組再一次通電，V、W兩相斷電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30，轉(zhuǎn)子齒4、2分別對準(zhǔn)磁極U、U，此時，控制

28、繞組通電方式經(jīng)過一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒。若按照UVWU的通電順序往復(fù)下去，則步進電動機的轉(zhuǎn)子將按一定速度延順時針方向旋轉(zhuǎn)，步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于三相控制繞組的通、斷電源的頻率。若改變通電順序，按照UWVU的通電順序通電時，步進電動機的轉(zhuǎn)動方向?qū)⒏臑槟鏁r針。,10.2 步進電動機,三相單三拍運行時，只有一相繞組通電，容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置來回擺動，產(chǎn)生振蕩，運行不穩(wěn)定。 2) 三相雙三拍運行方式 這種運行方式是按UVVWWUUV或相反的順序通電的，即每次同時給兩相繞組通電。其工作原理圖如圖10.11所示。,圖10.11 三相雙三拍運行方式,當(dāng)U、V兩相繞組同時通電時，由于U、V兩相的磁極對轉(zhuǎn)于齒

29、都有吸引力，故轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到圖10.11(a)所示位置。當(dāng)U相繞組斷電，V、W兩相繞組同時通電時，同理轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到圖10.11(b)所示位置。而當(dāng)V相繞組斷電，WU兩相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到圖10.11(c)所示位置?？梢?，當(dāng)三相繞組按UVVWWUUV順序通電時，轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)。改變通電順序，使其按,10.2 步進電動機,UWWVVUUW順序通電時，即可改變轉(zhuǎn)于旋轉(zhuǎn)的方向。通電一個循環(huán)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360，而轉(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)了一個齒距角，所以步距角仍然是30。 3) 三相單、雙六拍運行方式 這種運行方式是按UUVVVWWWUU或相反的順序通電的，即需要六拍才完成一個循環(huán)。當(dāng)U相繞組單獨通電時，

30、轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到圖10.10(a)所示位置，當(dāng)U和V相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到圖10.11(a)所示位置，以后情況依此類推。所以采用這種運行方式時，經(jīng)過六拍即完成一個循環(huán)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360，轉(zhuǎn)子仍只轉(zhuǎn)了1個齒距角，但步距角卻因拍數(shù)增加1倍而減小到齒距角的1/6，即等于15。 可以看出，如果拍數(shù)為N，則控制繞組的通電狀態(tài)需要切換N次才能完成一個通電循環(huán)，當(dāng)定子相數(shù)為m時，若單拍運行，則拍數(shù)N=m；若單雙拍運行，則N=2m。每經(jīng)過一個通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過1個齒。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr時，步進電動機的步距角s為,(10.7),10.2 步進電動機,上述的反應(yīng)式步進電動機，轉(zhuǎn)子只有4個齒，步距角為30，太

31、大，不能滿足要求。要想減小步距角，由式(10.7)可知，一是增加相數(shù)，即增加拍數(shù)；二是增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。由于相數(shù)越多，驅(qū)動電源就越復(fù)雜，所以常用的相數(shù)m為2、3、4、5、6，不能再增加，以免驅(qū)動電路過于復(fù)雜。因此為了得到較小的步距角，較好的解決方法是增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 既然轉(zhuǎn)子每經(jīng)過一個步距角相當(dāng)于轉(zhuǎn)了l(ZsN)圈，若脈沖頻率為f則轉(zhuǎn)子每秒鐘就轉(zhuǎn)了f /(ZsN)，故步進電動機每分鐘轉(zhuǎn)速為 步進電動機的典型結(jié)構(gòu)如圖10.12所示，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)增加了很多(圖中為40個齒)，定子每個極上也相應(yīng)地開了幾個齒(圖中為5個齒)。當(dāng)U相繞組通電時，U相磁極下的定、轉(zhuǎn)子齒應(yīng)全部對齊，而V、W相下的定、轉(zhuǎn)子齒應(yīng)依

32、次錯開1/m個齒距角(m為相數(shù))，這樣在U相斷電而別的相通電時，轉(zhuǎn)子才能繼續(xù)轉(zhuǎn)動。,(10.8),10.2 步進電動機,圖10.12 典型的三相反 應(yīng)式步進電動機,反應(yīng)式步進電動機在脈沖信號停止輸入時，轉(zhuǎn)子不再受到定子磁場的作用力，轉(zhuǎn)子將因慣性而可能繼續(xù)轉(zhuǎn)過某一角度，因此必須解決停車時的轉(zhuǎn)子定位問題。反應(yīng)式步進電動機一般是在最后一個脈沖停止時，在該繞組中繼續(xù)通以直流電，即采用帶電定位的方法。永磁式步進電動機因轉(zhuǎn)子本身有磁性，可以實現(xiàn)自動定位，不需采用帶電定位的方法。,三、反應(yīng)式步進電動機的特性,1. 反應(yīng)式步進電動機的靜特性 步進電動機的靜特性是指步進電動機的通電狀態(tài)不發(fā)生變化，電動機處于穩(wěn)定

33、的狀態(tài)下所表現(xiàn)出的性質(zhì)。步進電動機的靜特性包括矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩。,10.2 步進電動機,1) 矩角特性 步進電動機在空載條件下，控制繞組通入直流電流，轉(zhuǎn)子最后處于穩(wěn)定的平衡位置稱為步進電動機的初始平衡位置，由于不帶負載，此時步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為零。如只有相繞組單獨通電的情況，初始平衡位置時U相磁極軸線上的定、轉(zhuǎn)子齒必然對齊。這時若有外部轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上，迫使轉(zhuǎn)子離開初始平衡位置而偏轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子齒軸線發(fā)生偏離，偏離初始平衡位置的電角度稱為失調(diào)角，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，也稱靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，用來平衡外部轉(zhuǎn)矩。在反應(yīng)式步進電動機中，轉(zhuǎn)子的一個齒距所對應(yīng)的電角度為2 。 步進電動機的矩角特性是指在不改變通

34、電狀態(tài)的條件下，步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系。矩角特性用T=f()表示，其正方向取失調(diào)角增大的方向。矩角特性可通過式(10.9)計算。,(10.9),式中 k轉(zhuǎn)矩常數(shù)； I控制繞組電流； 失調(diào)角。,從上式可以看出，步進電動機的靜轉(zhuǎn)矩T與控制繞組的電流I的二次方成正比(忽略磁路飽和)，因此控制控制繞組的電流即可控制步進電動機的,10.2 步進電動機,靜轉(zhuǎn)矩。矩角特性為一正弦曲線，如圖10.13所示。,圖10.13 步進電動機的矩角特性,由矩角特性可知，在靜轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子有一個平衡位置。在空載條件下，轉(zhuǎn)子的平衡位置可通過令T = 0求得，當(dāng)= 0時T = 0，當(dāng)因某種原因使轉(zhuǎn)子偏離=

35、0點時，電磁轉(zhuǎn)矩T都能使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到= 0的點，因此= 0的點為步進電動機的穩(wěn)定平衡點；當(dāng)= 時，同樣也可使T = 0，但當(dāng) 或 時，轉(zhuǎn)子因某種原因離開= 時，電磁轉(zhuǎn)矩卻不能再恢復(fù)到原平衡點，因此= 為不穩(wěn)定的平衡點。兩個不穩(wěn)定的平衡點之間即為步進電動機的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定區(qū)域為 + 。,2) 最大靜轉(zhuǎn)矩 矩角特性中，靜轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。當(dāng)= /2時，T有最大值Tsm，由式(10.9)可知，最大靜轉(zhuǎn)矩 。 2. 反應(yīng)式步進電動機的動特性 步進電動機的動特性是指步進電動機從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電,10.2 步進電動機,狀態(tài)時所表現(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

36、矩頻特性等。 1) 動穩(wěn)定區(qū) 步進電動機的動穩(wěn)定區(qū)是指使步進電動機從一個穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。動穩(wěn)定區(qū)如圖10.14所示，設(shè)步進電動機的初始狀態(tài)的矩角特性為圖中曲線1，穩(wěn)定點為A點，通電狀態(tài)改變后的矩角特性為曲線2，穩(wěn)定點為B點。由矩角特性可知，起始位置只有在a點與b點之間時，才能到達新的穩(wěn)定點B，ab區(qū)間稱為步進電動機的空載穩(wěn)定區(qū)。用失調(diào)角表示的區(qū)間為 。,圖10.14 步進電動機的動穩(wěn)定區(qū),穩(wěn)定區(qū)的邊界點a到初始穩(wěn)定平衡點A的角度，用 表示，稱為穩(wěn)定裕量角，穩(wěn)定裕量角與步距角 之間的關(guān)系為,(10.10),10.2 步進電動機,穩(wěn)定裕量角越大，步進電動機運行越穩(wěn)定，當(dāng)穩(wěn)

37、定裕量角趨于零時，電動機不能穩(wěn)定工作。步距角越大，裕量角也就越小。顯然，步距角越小，步進電動機的穩(wěn)定性越好。 2) 起動轉(zhuǎn)矩 反應(yīng)式步進電動機的最大起動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系 式中 Tst最大起動轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩大于最大起動轉(zhuǎn)矩時，步進電動機將不能起動。 3) 起動頻率 起動頻率是指在一定負載條件下，步進電動機能夠不失步地起動的脈沖最高頻率。因為步進電動機在起動時，除了要克服靜負載轉(zhuǎn)矩以外，還要克服加速時的負載轉(zhuǎn)矩，如果起動時頻率過高，轉(zhuǎn)子就可能跟不上而造成振蕩。因此，規(guī)定在一定負載轉(zhuǎn)矩下能不失步運行的最高頻率叫做連續(xù)運行頻率。由于此時加速度較小，機械慣性影響不大，所以連續(xù)運行頻率要

38、比起動頻率高得多。 起動頻率的大小與以下幾個因素有關(guān)：起動頻率 與步進電動機的步距角 有關(guān)。步距角越小，起動頻率越高；步進電動機的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，起動頻率越高；轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角小，起動頻率高；電路時間常數(shù)大，起動頻率降低。,(10.11),10.2 步進電動機,對于使用者而言，要想增大起動頻率，可增大起動電流或減小電路的時間常數(shù)。,4) 矩頻特性 步進電動機的主要性能指標(biāo)是矩頻特性。步進電動機的矩頻特性曲線的縱坐標(biāo)為電磁轉(zhuǎn)矩T，橫坐標(biāo)為工作頻率f。典型的步進電動機矩頻特性曲線如圖10.15所示。從圖中可看出，步進電動機的轉(zhuǎn)矩隨頻率 的增大而減小。步進電動機的矩頻特性曲線和許多因 素有關(guān)，這

39、些因素包括步進電動機的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子 鐵心有效長度、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進電動機內(nèi) 部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、控制 線路的電壓等。很明顯，其中有的因素是步進電動機 在制造時已確定的，使用者是不能改變的，但有些因 素使用者是可以改變的，如控制方式、繞組工作電壓、 線路時間常數(shù)等。 選用步進電動機時要根據(jù)在系統(tǒng)中的實際工作情 況，綜臺考慮步距角、轉(zhuǎn)矩、頻率以及精度是否能滿 足系統(tǒng)的要求。,圖10.15 步進電動機的矩頻特性,10.3 測速發(fā)電機,測速發(fā)電機能把機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號，可以用作檢測元件、解算元件、角速度信號元件，廣泛地應(yīng)用于自動控制、測量技術(shù)和計算技術(shù)等

40、裝置中。 自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的要求是： (1) 線性度好，即輸出電壓要嚴格與轉(zhuǎn)速成正比，并不受溫度等外界條件變化的影響。 (2) 靈敏度高，即在一定的轉(zhuǎn)速下，輸出電壓值要盡可能大。 (3) 不靈敏區(qū)小。 (4) 轉(zhuǎn)動慣量小，以保證測速的快速性。 按電流種類的不同，測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。直流測速發(fā)電機又有永磁式和電磁式之分；交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機。,10.3 測速發(fā)電機,一、直流測速發(fā)電機,直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和原理都與他勵直流發(fā)電機基本相同，也是由裝有磁極的定子、電樞和換向器等組成。按照勵磁方式的不同，可分為永磁式和電磁式兩種。永

41、磁式直流測速發(fā)電機采用矯頑力高的磁鋼制成磁極，結(jié)構(gòu)簡單，不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，應(yīng)用較廣。電磁式直流測速發(fā)電機由他勵方式勵磁。 直流測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系U=f(n)稱為輸出特性。 第1章中已分析過，當(dāng)定子每極磁通為常數(shù)時，發(fā)電機的電樞電動勢為 式中 Ce電勢常數(shù)。 此時，輸出電壓U為 式中 Ra電樞回路電阻；RL負載電阻。,(10.12),(10.13),(10.14),式中 常數(shù)，即輸出特性的斜率。,10.3 測速發(fā)電機,此時，輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比，如圖10.16所示。當(dāng)負載增加時，由式(10.14)可知，k將減小，輸出特性下移。曲線1

42、為空載時的輸出特性，曲線2為負載時的輸出特性。 實際運行中，直流測速發(fā)電機的輸出電壓與 轉(zhuǎn)速之間并不能保持嚴格的正比關(guān)系，實際輸出 特性如圖10.16中的曲線3所示，實際輸出電壓與 理想輸出電壓之間產(chǎn)生了誤差。產(chǎn)生誤差的原因 主要有以下幾個方面。,圖10.16 直流測速發(fā)電機的輸出特性,1. 電樞反應(yīng) 產(chǎn)生誤差的主要原因是電樞反應(yīng)的去磁作用。電樞反應(yīng)使得主磁通發(fā)生變化，式(10.12)中的電動勢常數(shù)Ce將不是常值，而是隨負載電流變化而變化的，負載電流升高則電動勢系數(shù)Ce略有減小，特性曲線向下彎曲，如圖10.16中的曲線3所示。轉(zhuǎn)速愈高，Ea愈大，Ia也愈大，電樞反應(yīng)的去磁作用就愈強，誤差也愈大

43、。為消除電樞反應(yīng)的影響，除在設(shè)計時采用補償繞組進行補償，結(jié)構(gòu)上加大氣隙削弱電樞反應(yīng)的影響外，使用時應(yīng)使發(fā)電機的負載電阻阻值等于或大于,10.3 測速發(fā)電機,負載電阻的規(guī)定值，并限制測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不能太高。這樣可使負載電流對電樞反應(yīng)的影響盡可能小。此外增大負載電阻還可以使發(fā)電機的靈敏性增強。 2. 電刷接觸電阻的影響 電刷接觸電阻為非線性電阻，當(dāng)測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低，輸出電壓也低時，接觸電阻較大，電刷接觸電阻壓降在總電樞電壓中所占比重大，實際輸出電壓較??；而當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時接觸電阻變小，接觸電阻壓降也變小。因此在低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速與電壓間的關(guān)系由于接觸電阻的非線性影響而有一個不靈敏區(qū)?？紤]電刷接觸電阻影響

44、后的特性曲線如圖10.17所示。為減小電刷接觸電阻的影響，使用時可對低輸出電壓進行非線性補償。,圖10.17 直流測速發(fā)電動機實際輸出特性,3. 紋波影響 由于換向片數(shù)量有限，實際輸出電壓是一個脈動的直流，雖然脈動分量在整個輸出電壓中所占比重不大(高速時約為1%)，但對高精度系統(tǒng)是不允許的。為消除脈動影響可在電壓輸出電路中加入濾波電路。,10.3 測速發(fā)電機,二、交流測速發(fā)電機,交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩種。同步測速發(fā)電機的輸出頻率和電壓幅值均隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此一般用作指示式轉(zhuǎn)速計，很少用于控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量。異步測速發(fā)電機的輸出電壓頻率與勵磁電壓頻率相同而與轉(zhuǎn)

45、速無關(guān)，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速n成正比，因此在控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 1. 交流異步測速發(fā)電機 異步測速發(fā)電機分為籠型和空心杯型兩種，籠型測速發(fā)電機不如空心杯型測速發(fā)電動機的測量精度高，而且空心杯型測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量也小，適合于快速系統(tǒng)，因此目前應(yīng)用比較廣泛的是空心杯型測速發(fā)電機?？招谋蜏y速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與空心杯型伺服電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。它由外定子、空心杯型轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子等三部分組成。外定子放置勵磁繞組，接交流電源；內(nèi)定子上放置輸出繞組，這兩套繞組在空間相隔90電角度。為獲得線性較好的電壓輸出信號，空心杯形轉(zhuǎn)子由電阻率較大和溫度系數(shù)較低的非磁性村料制成，如磷青銅、錫鋅青銅、硅錳青銅等，杯厚0.

46、2 mm0.3mm。,10.3 測速發(fā)電機,圖10.18為空心杯型異步測速發(fā)電機的原理圖。在圖中定子兩相繞組在空間位置上嚴格相差90電角度，在一相上加恒頻恒壓的交流電源，使其作為勵磁繞組產(chǎn)生勵磁磁通；另一相作為輸出繞組，輸出電壓U2與勵磁繞組電源同頻率，幅值與轉(zhuǎn)速成正比。 發(fā)電機勵磁繞組中加入恒頻恒壓的勵磁電壓時，勵磁繞組中有勵磁電流流過，產(chǎn)生與電源同頻率的脈動磁動勢Fd和脈動磁通 。磁動勢Fd和磁通 在勵磁繞組的軸線方向上脈動，稱為直軸磁動勢和磁通。,圖10.18異步測速發(fā)電機工作原理圖,電動機轉(zhuǎn)子和輸出繞組中的電動勢及由此而產(chǎn)生的反應(yīng)磁動勢，根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速可分兩種情況 1) n=0 電動

47、機不轉(zhuǎn) 當(dāng)n=0時，即轉(zhuǎn)子不動時，直軸脈振磁通在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為變壓器電動勢。由于轉(zhuǎn)子是閉合的，這個變壓器電動勢將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流、根據(jù)電磁感應(yīng)理論，該電流所產(chǎn)生的磁通方向應(yīng)與勵磁繞組所產(chǎn)生的直軸磁通,10.3 測速發(fā)電機,相反，所以二者的合成磁通還是直軸磁通。由于輸出繞組與勵磁繞組互相垂直，合成磁通也與輸出繞組的軸線垂直，因此輸出繞組與磁通沒有耦合關(guān)系故不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出電壓U2為零。 2) n0電動機旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子切割脈動磁通 ，產(chǎn)生切割電動勢Er，切割電動勢的大小可通過式(10.14)計算。 式中 Cr轉(zhuǎn)子電動勢常數(shù)； 脈動磁通幅值。 可見，轉(zhuǎn)子電動勢的幅值與轉(zhuǎn)速成正比

48、。轉(zhuǎn)子電動勢的方向可用右手定則判斷。轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)生短路電流IS，考慮轉(zhuǎn)子漏抗的影響，轉(zhuǎn)子電流要滯后轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢一定的電角度。短路電流IS產(chǎn)生脈動磁動勢Fr，轉(zhuǎn)子的脈動磁動勢可分解為直軸磁動勢Frd和交軸磁動勢Frq，直軸磁動勢將影響勵磁磁動勢并使勵磁電流發(fā)生變化，交軸磁動勢Frq產(chǎn)生交軸磁通 。交軸磁通與輸出繞組交鏈感應(yīng)出頻率與勵磁頻率相同，幅值與交軸磁通 成正比的感應(yīng)電動勢E2。 由于 FrqFrErn，所以E2 n，即輸出繞組的感應(yīng)電動勢的幅值正比于測速發(fā)電動機的轉(zhuǎn)速，而頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)為勵磁電源的頻率。,(10.15),10.3 測速發(fā)電機,定、轉(zhuǎn)子中的電流、電動勢及空

49、間磁動勢與磁通間的關(guān)系如圖10.18所示。 交流異步測速發(fā)電動機的輸出特性U2 =f(n)如圖10.19所示。,圖10.19 交流異步測速發(fā)電動機的輸出特性,當(dāng)忽略勵磁繞組的漏阻抗時，只要電源電壓Uf恒定，則 為常數(shù)，由上述分析可知，輸出繞組的感應(yīng)電動勢E2及空載輸出電壓U2都與n成正比，理想空載輸出特性為直線，如圖10.19中的直線1所示。 測速發(fā)電動機實際運行時，由圖10.18可知，轉(zhuǎn)子切割 而產(chǎn)生的磁動勢Frd是起去磁作用的，使合成后d軸上總的磁通減少，輸出繞組感應(yīng)電動勢E2減少，輸出電壓U2隨之降低，所以實際的空載輸出特性如圖10.19中的曲線2所示。,當(dāng)測速發(fā)電機的輸出繞組接上負載阻

50、抗ZL時，由于輸出繞組本身有漏阻抗Z2，會產(chǎn)生漏阻抗壓降，使輸出電壓降低，這時輸出電壓為,(10.16),10.3 測速發(fā)電機,上式說明，負載運行時，輸出電壓U2不僅與輸出繞組的感應(yīng)電動勢E2有關(guān)，而且還與負載的大小和性質(zhì)有關(guān)。帶負載運行時的輸出特性如圖10.19中的曲線3所示。 交流測速發(fā)電機存在剩余電壓。剩余電壓是指勵磁電壓已經(jīng)供給，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時，輸出繞組產(chǎn)生的電壓。 剩余電壓的存在，使轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時也有輸出電壓，造成失控；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，它疊加在輸出電壓上，使輸出電壓的大小及相位發(fā)生變化，造成誤差。 產(chǎn)生剩余電壓的原因很多，其中之一是由于加工、裝配過程中存在機械上的不對稱及定子磁性材料性能的不

51、一致性，勵磁繞組與輸出繞組在空間不是嚴格地相差90電角度，這時兩繞組之間就有電磁耦合，當(dāng)勵磁繞組接電源，即使轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，電磁耦合會使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生剩余電壓。選擇高質(zhì)量的各方向特性一致的磁性材料，在機械加工和裝配過程中提高機械精度，以及裝配補償繞組可以減少剩余電壓。使用者則可通過電路補償?shù)姆椒ㄈコＳ嚯妷旱挠绊憽?10.3 測速發(fā)電機,2. 交流同步測速發(fā)電機 同步測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為永磁式，即采用永久磁鐵做磁極；定子上嵌放著單相輸出繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，輸出繞組產(chǎn)生單相的交變電動勢，其有效值，而其交變電動勢的頻率為f=pn/60。 輸出繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E，其大小與轉(zhuǎn)速成正比，但

52、是其交變的頻率也與轉(zhuǎn)速成正比變化就帶來了麻煩。因為當(dāng)輸出繞組接負載時，負載的阻抗會隨頻率的變化而變化，也就會隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，不會是一個定值，使輸出特性不能保持線性關(guān)系。由于存在這樣的問題，因此同步測速發(fā)電機不像異步測速發(fā)電動機那樣得到廣泛的應(yīng)用。如果用整流電路將同步測速發(fā)電機輸出的交流電壓整流為直流電壓輸出，就可以消除頻率隨轉(zhuǎn)速變化帶來的缺陷，使輸出的直流電壓與轉(zhuǎn)速成正比，這時用同步發(fā)電機測量轉(zhuǎn)速就有較好的線性度。,10.4 直線電動機,直線電動機就是把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能的電動機。當(dāng)然旋轉(zhuǎn)電動機也可以通過轉(zhuǎn)換裝置，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，帶動負載作直線運行。但由于有中間轉(zhuǎn)換裝

53、置，使得這種拖動系統(tǒng)效率低、體積大、成本高。直線電動機不需要轉(zhuǎn)換裝置，自身能產(chǎn)生直線作用力，直接帶動負載作直線運動，因而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行效率和傳動精度均較高。 與旋轉(zhuǎn)電動機對應(yīng)，直線電動機也分為直線異步電動機、直線同步電動機、直線直流電動機。在直線電動機中，直線異步電動機應(yīng)用最廣泛。本節(jié)將以直線異步電動機為例，介紹直線電動機的結(jié)構(gòu)形式和工作原理。,一、直線電動機的結(jié)構(gòu)形式,直線異步電動機主要有平板型、圓筒型和圓盤型3種型式。 1. 平板型直線異步電動機 平板型直線異步電動機可以看成是從旋轉(zhuǎn)電動機演變而來的?？梢栽O(shè)想，有一臺極數(shù)很多的三相異步電動機，其定子半徑相當(dāng)大，定子內(nèi)表面的某一段可以認

54、為是直線，則這一段便是直線電動機。也可以認為把旋轉(zhuǎn)電動機的定子和轉(zhuǎn)子沿徑向剖開，并展開成平面，就得到了最簡單的平板型直線電動機，如圖10.20所示。,10.4 直線電動機,(a) 旋轉(zhuǎn)電動機 (b) 平板型直線異步電動機,圖10.20 直線異步電動機的形成,旋轉(zhuǎn)電動機的定子和轉(zhuǎn)子，在直線電動機中又稱為初級和次級(滑子)。直線電動機的運行方式可以是固定初級，讓次級運動，此時稱為動次級；相反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。為了在運動過程中始終保持初級和次級耦合，初級和次級的長度不應(yīng)相同，可以使初級長于次級，稱為短次級(短滑子)；也可以使次級長于初級，稱為短初級，如圖10.21所示。由于

55、短初級結(jié)構(gòu)比較簡單，制造和運行成本較低，故一般常用短初級。,10.4 直線電動機,圖10.21 平板型直線異步電動機(單邊型)結(jié)構(gòu)示意圖,圖10.21所示的平板型直線電動機僅在次級的一邊安裝有初級，這種結(jié)構(gòu)型式稱為單邊型。單邊型直線異步電動機除了產(chǎn)生切向力外，還會在初、次級間產(chǎn)生較大的法向力，這在某些應(yīng)用中是不希望的，為了更充分地利用次級和消除法向力，次級的兩側(cè)都安裝初級，這種結(jié)構(gòu)型式稱為雙邊型，如圖10.22所示。 平板型直線異步電動機的初級鐵心由硅鋼片疊裝而成，表面開有齒槽，槽中安放著三相繞組。最常用的次級結(jié)構(gòu)有3種形式： (1) 用整塊鋼板制成，稱為鋼次級或磁性次級，這時，鋼既起導(dǎo)磁作用

56、，又起導(dǎo)電作用；,圖10.22 平板型直線異步電動機(雙邊型)結(jié)構(gòu)示意圖,10.4 直線電動機,(2) 為鋼板上覆合一層銅板或鋁板，稱為覆合次級，鋼主要用于導(dǎo)磁，而銅或鋁用于導(dǎo)電； (3) 是單純的銅板或鋁板，稱為銅(鋁)次級或非磁性次級，這種次級一般用于雙邊型電動機中。 2. 圓筒型直線異步電動機 若將平板型直線異步電動機沿著與移動方向相垂直的方向卷成圓筒，即成圓筒型直線異步電動機，如圖10.23所示。,圖10.23 圓筒型直線異步電動機,10.4 直線電動機,3. 圓盤型直線異步電動機 若將平板型直線異步電動機的次級制成圓盤型結(jié)構(gòu)，并能繞經(jīng)過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動。使初級放在圓盤的兩側(cè)，使圓盤在

57、電磁力作用下自由轉(zhuǎn)動，便成為圓盤型直線異步電動機，如圖10.24所示。,圖10.24 圓盤型直線異步電動機,二、直線異步電動機的工作原理,直線異步電動機的定子繞組與籠型異步電動機的定子繞組一樣，都是三相繞組，只不過籠型異步電動機的定子三相繞組對稱地分布在定子圓周上，而直線異步電動機的定子三相繞組排列成一條直線，它們分別如圖10.25(a)和(b)所示。 對于圖10.25(a)所示的籠型三相異步電動機而言，在定子的三相對稱繞組U、V、W中通入對稱的三相交流電流時，所產(chǎn)生的氣隙磁場是在空間成正弦分布、且沿UVW方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，其同步轉(zhuǎn)速為n1。,10.4 直線電動機,旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體會產(chǎn)生切割電動勢，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子電流的作用會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子及負載以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。,(a) 籠型三相異步電動機 (b) 直線異步電動機,圖10.25 直線異步電動機的工作原理,1定子 2轉(zhuǎn)子 3旋轉(zhuǎn)磁場 1定子 2轉(zhuǎn)子 3行波磁場,對于圖10.25(b)所示的直線異步電動機而言，在定子的三相繞組U、V、W中通入對稱的三相交流電流時，同樣會產(chǎn)生在空間成正弦分布、沿UVW方向運動的氣隙磁場，只是由于定