1、第五章 常用電動機,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 第二節(jié) 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性 第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動二 第四節(jié) 三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù) 第五節(jié) 其他用途電動機,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 異步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，這兩部分由氣隙隔開。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，分成籠型和繞線型兩種。圖5-1為三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)。 1.定子 定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成 定子鐵芯是電機磁路的一部分，它由厚0. 5mm、兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，在其內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，如圖5 -2所示，槽內(nèi)嵌放三相

2、對稱繞組。定子繞組是電機的電路部分，它用銅線纏繞而成，三相繞組根據(jù)需要可接成星形()和三角形()，由接線盒的端子板引出。機座是電動機的支架，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。,下一頁,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 2.轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三部分組成。 轉(zhuǎn)子鐵芯也是由厚0. 5 mm、兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成，在其外圓沖有均勻分布的槽，如圖5 -3所示。 轉(zhuǎn)子鐵芯各槽內(nèi)都嵌有鑄鋁導條(個別電機有用銅導條的)，端部有短路環(huán)短接，形成一個短接回路。去掉鐵芯，形如一籠子，如圖5 -4(a)所示。 繞線型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)與定子繞組相似，在槽內(nèi)嵌放三相繞組，通常為形連

3、接，繞組的三個端線接到裝在軸上一端的三個滑環(huán)上，再通過一套電刷引出，以便與外電路相連，如圖5 -5所示。轉(zhuǎn)軸由中碳鋼制成，其兩端由軸承支撐著，它用來輸出轉(zhuǎn)矩。,下一頁,上一頁,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,二、三相異步電動機的工作原理 為便于分析，異步電動機的三相繞組用三個線圈U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，它們在空間互差120電角度，并接成Y形連接，如圖5 -6所示，圖(a)為對稱三相繞組，圖(b)為Y形連接。把三相繞組接到三相交流電源上，三相繞組便有三相對稱電流流過。假定電流的正方向由線圈的始端流向末端，流過三相線圈的電流分別為 其波形如圖5 -7所示。,下一頁,上一頁,

4、第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,二、三相異步電動機的工作原理 由于電流隨時間而變，所以電流流過線圈產(chǎn)生的磁場分布情況也隨時間而改變，現(xiàn)研究幾個瞬間，如圖5-8所示。 由此可見，三相繞組通入三相交流電流時，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。若滿足兩個對稱(即繞組對稱、電流對稱)，則此旋轉(zhuǎn)磁場的大小便恒定不變(稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁場)，否則將產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(磁場大小不恒定)。 由圖5 -8可看出，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與相序方向一致，如果改變相序，則旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)方向也就隨之改變。三相異步電動機的反轉(zhuǎn)正是利用這個原理。,下一頁,上一頁,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,二、三相異步電動機的工作原理 進一步分析

5、還可得到其轉(zhuǎn)速 式中，f1為電網(wǎng)頻率;p為磁極對數(shù) 我國電網(wǎng)頻率為50 Hz，故n1與p的關(guān)系如表5-1所示,下一頁,上一頁,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,二、三相異步電動機的工作原理 2.三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理 圖5 -9是三相異步電動機的工作原理示意圖 (1) 電生磁:定子三相繞組U、V、W，通三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)向與相序一致，為順時針方向，轉(zhuǎn)速為 假定該瞬間定子旋轉(zhuǎn)磁場方向向下。 (2)(動)磁生電:定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，其方向由“右手螺旋定則”確定。 (3)電磁力(矩):這時轉(zhuǎn)子繞組感應電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生電磁力，其方向

6、由“左手螺旋定則”判斷，如圖5 -9所示。,下一頁,上一頁,第一節(jié) 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,二、三相異步電動機的工作原理 2.三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理 我們定義異步電動機的轉(zhuǎn)速差(n1-n)的與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1的比率，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示,上一頁,返 回,第二節(jié) 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性,一、三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 由上節(jié)工作原理可知，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由與轉(zhuǎn)子電動勢同相的轉(zhuǎn)子電流(即轉(zhuǎn)子電流的有功分量)和定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的，可見電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流有功分量(I2cos2)及定子旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通(0)成正比，即 可以算出電磁轉(zhuǎn)矩與電動機參數(shù)之間的關(guān)系:,下一頁,第

7、二節(jié) 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性,二、三相異步電動機的機械特性 對于某一臺確定的電動機而言，當電壓一定時，Tem=f(s)之間的關(guān)系曲線稱為Tem-s曲線，如圖5-10所示 由n=(1-s)n1關(guān)系，可將Tem-s關(guān)系改為，n=f(Tem)關(guān)系，此即為異步電動機的機械特性，如圖5-11所示。因n與Tem均屬機械量，故稱此特性為機械特性，它直接反映了當電動機轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速的變化情況,下一頁,上一頁,第二節(jié) 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性,二、三相異步電動機的機械特性 1.額定轉(zhuǎn)矩TN 它是電動機額定運行時的轉(zhuǎn)矩，可由銘牌上的PN和nN 求取: 2.最大轉(zhuǎn)矩Tm 可以得到改變電源電壓

8、U1和R2的機械特性，如圖5-12所示,下一頁,上一頁,第二節(jié) 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性,二、三相異步電動機的機械特性 3.啟動轉(zhuǎn)矩Tst 只有當啟動轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電動機才能啟動。啟動轉(zhuǎn)矩越大，啟動就越迅速。由此引出電動機的另一個重要性能指標啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst,上一頁,返 回,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,一、三相異步電動機的啟動 電動機接上電源，轉(zhuǎn)速由零開始運轉(zhuǎn)，直至穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程，稱為啟動過程 對電動機啟動要求是:啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短。 1.直接啟動 把電動機三相定子繞組直接加上額定電壓的啟動方法叫直接啟動，如圖5 -13所示。 條件：,下一頁

9、,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,一、三相異步電動機的啟動 2.降壓啟動 降壓啟動的主要目的是限制啟動電流，但問題是在限制啟動電流的同時，啟動轉(zhuǎn)矩也受限制，因此它只適用于在輕載或空載情況下啟動。最常用的啟動方法有Y-換接啟動和自耦補償器啟動。 Y-換接啟動只適用于定子繞組為連接，且每相繞組都有兩個引出端子的三相籠型異步電動機，原理接線如圖5-14所示,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,一、三相異步電動機的啟動 2.降壓啟動 由三相交流電路知識可推得:Y連接啟動時的啟動電流為連接直接啟動時的1/3，其啟動轉(zhuǎn)矩也為后者的1/3，即 對容量較大或正常運行時接成Y連接

10、而不能采用啟動的籠型電動機常用自禍補償器啟動。其原理接線如圖5-15所示。它是利用自禍變壓器降壓原理啟動。,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,二、三相異步電動機的調(diào)速 1.變頻調(diào)速 由于頻率f1能連續(xù)調(diào)節(jié)，故可在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，它屬無級調(diào)速，其調(diào)速性能好，但它需有一套專用變頻設(shè)備。 2.變極調(diào)速 當電源頻率f1一定時，轉(zhuǎn)速n近似與磁極對數(shù)成反比，磁極對數(shù)增加一倍，轉(zhuǎn)速近似減小一半。 通常用改變定子繞組的接法來改變極對數(shù)，籠型轉(zhuǎn)子的極對數(shù)能自動地保持與定子極對數(shù)相等，所以這種方法只適用于籠型異步電動機。,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,二

11、、三相異步電動機的調(diào)速 3.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 在繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子回路里串可調(diào)電阻，由圖5-12 (b)可知，在恒轉(zhuǎn)矩負載下，轉(zhuǎn)子回路電阻增大，其轉(zhuǎn)速n下降 這種調(diào)速方法優(yōu)點是有一定的調(diào)速范圍，設(shè)備簡單，但能耗較大，效率較低，廣泛用于起重設(shè)備。,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,三、三相異步電動機的制動 1.反接制動 異步電動機反接制動接線如圖5-16 ( a)所示。制動時將電源開關(guān)Q由“運轉(zhuǎn)”位置切換到“制動”位置，把它的任意兩相電源接線對調(diào)。由于電壓相序反了，所以定子旋轉(zhuǎn)磁場方向反廠，而轉(zhuǎn)子由于慣性仍繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，這時轉(zhuǎn)矩方向與電動機的旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖5-16

12、( b)所示，成為制動轉(zhuǎn)矩。,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,三、三相異步電動機的制動 2.回饋制動 回饋制動發(fā)生在電動機轉(zhuǎn)速n大于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1的時候，如當起重機下放重物時，重物拖動轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)速n n1。這時轉(zhuǎn)子繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場方向與原電動狀態(tài)相反，則轉(zhuǎn)子繞組感應電動勢和電流方向也隨之相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向也反廠，即轉(zhuǎn)矩與電機旋轉(zhuǎn)方向由同向變?yōu)榉聪?，成為制動轉(zhuǎn)矩(如圖5-17所示)，使重物受到制動而勻速下降。實際上這臺電動機已轉(zhuǎn)人發(fā)電機運行狀態(tài)，它將重物的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏仞伒诫娋W(wǎng)，故稱回饋制動。,下一頁,上一頁,第三節(jié) 三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動,三、

13、三相異步電動機的制動 3.能耗制動 異步電動機能耗制動接線如圖5-18 ( a)所示。制動方法是在切斷電源開關(guān)Q1同時閉合開關(guān)Q2觸點，在定子兩相繞組間通入直流電流。于是定子繞組產(chǎn)生一個恒定磁場，轉(zhuǎn)子因慣性而旋轉(zhuǎn)切割該恒定磁場，在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電動勢和電流。由圖5-18 (b)可判得，轉(zhuǎn)子的載流導體與恒定磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，起制動作用，因此轉(zhuǎn)速迅速下降，當轉(zhuǎn)速下降至零時，轉(zhuǎn)子感應電動勢和電流也降至零，制動過程結(jié)束。制動期間，運轉(zhuǎn)部分所儲藏的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路的電阻上，故稱能耗制動。,上一頁,返 回,第四節(jié) 三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),銘牌的作用是向使

14、用者簡要說明這臺設(shè)備的一些額定數(shù)據(jù)和使用方法，因此看懂銘牌，按照銘牌的規(guī)定去使用設(shè)備，是正確使用這臺設(shè)備的先決條件。 如一臺三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)如表5-2所示。 1.型號 為了便于各部門業(yè)務(wù)聯(lián)系和簡化技術(shù)文件對產(chǎn)品名稱、規(guī)格、型式的敘述等而引用的一種代號，由漢語拼音字母、國際通用符號和阿拉伯數(shù)字三部分組成。 各類型電機的主要產(chǎn)品代號意義摘錄于表5-3中。,下一頁,第四節(jié) 三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),2.額定功率PN 指電動機在額定狀況下運行時，轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械功率，單位為kW 3.額定電壓UN 指電動機在額定運行情況下，三相定子繞組應接的線電壓值，單位為V 4.額定電流IN 指電動機在

15、額定運行情況下，三相定子繞組的線電流值，單位為A 三相異步電動機額定功率、電流、電壓之間的關(guān)系為,下一頁,上一頁,第四節(jié) 三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),5.額定轉(zhuǎn)速nN 指額定運行時電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min 6.額定頻率fN 我國電網(wǎng)頻率為50 Hz，故國內(nèi)異步電動機頻率均為50 Hz 7.接法 電動機定子三相繞組有Y連接和連接兩種，如圖5-19所示。Y系列電動機功率在4kW及以上均接成連接。繞組的接線標志如表5-4所示。,下一頁,上一頁,第四節(jié) 三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),8.溫升及絕緣等級 溫升是指電機運行時繞組溫度允許高出周圍環(huán)境溫度的數(shù)值。但允許高出數(shù)值的多少由該電機繞組所

16、用絕緣材料的耐熱程度決定，絕緣材料的耐熱程度稱為絕緣等級，不同絕緣材料，其最高允許溫升是不同的，中小電動機常用的絕緣材料分五個等級，如表5 -5，其中最高允許溫升值是按環(huán)境溫度40計算出來的。 9.工作方式 為廠適應不同的負載需要，按負載持續(xù)時間的不同，國家標準把電動機分成了三種工作方式:連續(xù)工作制、短時工作制和斷續(xù)周期工作制。 除上述銘牌數(shù)據(jù)外，還可由產(chǎn)品目錄或電工手冊中查得其他一些技術(shù)數(shù)據(jù)，如一臺Y160M-6電動機(表5 -6 ),上一頁,返 回,第五節(jié) 其他用途電動機,一、步進電動機 1.步進電動機的用途和基本要求 步進電動機或稱脈沖電動機，是一種將輸人脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移(或

17、直線位移)的執(zhí)行元件。 由于步進電動機的工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，同時電子技術(shù)的發(fā)展也解決廠步進電動機的電源問題。因此，隨著數(shù)字計算機的發(fā)展，步進電動機的應用也日益廣泛。 圖5-20就是數(shù)控機床控制系統(tǒng)的示意圖,下一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,一、步進電動機 1.步進電動機的用途和基本要求 控制系統(tǒng)對步進電動機的基本要求是: 在一定的速度范圍內(nèi)步進電動機都能穩(wěn)定運行，愉出軸轉(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)所謂的“失步”現(xiàn)象 每輸入一個脈沖信號，愉出軸所轉(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確均勻，從而可以提

18、高加工精度 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,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,一、步進電動機 2.步進電動機的作用原理和基本結(jié)構(gòu) 步距角s與轉(zhuǎn)子齒數(shù)z及拍數(shù)N之間存在如下關(guān)系: 轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速為 典型結(jié)構(gòu)如圖5 -21所示，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)增加廠很多(圖中為40個齒)，定子每個極上也相應地開了幾個齒(圖中為5個齒)。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,二、伺服電動機 伺服電動機亦稱執(zhí)行電動機，它具有一種服從控制信號的要求而動作的職能，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;當信號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于這種“伺服”的性能，因此而命名。

19、 1. 直流伺服電動機 (1)基本結(jié)構(gòu) 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與普通小型直流電動機相同，不過由于直流伺服電動機的功率不大，也可由永久磁鐵制成，省去勵磁繞組。其勵磁方式兒乎只采取他勵式(永磁式亦認為是他勵式)。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,二、伺服電動機 1. 直流伺服電動機 (2)工作原理 直流伺服電動機的工作原理和普通直流電動機相同。只要在其勵磁繞組中有電流通過且產(chǎn)生廠磁通，當電樞繞組中通過電流時，這個電樞電流與磁通相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使伺服電動機投入工作。 (3)控制方式 交流伺服電動機的勵磁繞組與控制繞組均裝在定子鐵芯上，從理論上講，這兩種繞組的作用相互對換時，電動機的性能不會出

20、現(xiàn)差異。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,二、伺服電動機 2.交流伺服電動機 (1)工作原理 圖5-22是交流伺服電動機的原理圖，圖中f和k表示裝在定子上的兩個繞組，它們在空間上相差90電角度。繞組k是由定值交流電壓勵磁，稱為勵磁繞組;繞組k是由伺服放大器供電而進行控制的，故稱為控制繞組。轉(zhuǎn)子為籠型。 交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機相似，當它在系統(tǒng)中運行時，勵磁繞組固定地接到電源上，控制電壓為零時，氣隙內(nèi)磁場為脈振磁場，電動機無啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,二、伺服電動機 2.交流伺服電動機 (2)控制方法 伺服電動機不僅須具有啟動和停止的伺服

21、性，而且還須具有轉(zhuǎn)速的大小和方向的可控性。 交流伺服電動機的控制方法有以下三種: 幅值控制:即保持控制電壓Uk的相位不變，僅僅改變其幅值來進行控制。 相位控制:即保持控制電壓Uk的幅值不變，僅僅改變其相位來進行控制。 幅一相控制:即同時改變Uk的幅值和相位來進行控制。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,三、單相異步電動機 在只有單相電源或所需較小功率時，可選用單相異步電動機。 單相異步電動機結(jié)構(gòu)(如圖5-23所示)與三相籠型異步電動機相似，轉(zhuǎn)子也為籠型，所不同的是單相異步電動機的定子繞組有兩個，一個為工作繞組，它在全部運行中均接入電網(wǎng)，另一個為啟動繞組，它僅在啟動瞬間接入，當電動機轉(zhuǎn)速升至70%85%的同步轉(zhuǎn)速時，由離心開關(guān)將它切除(電容或電阻分相電動機)。,下一頁,上一頁,第五節(jié) 其他用途電動機,三、單相異步電動機 正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(與轉(zhuǎn)向相同)對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s+，它產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩Tem+，其機械特性為Tem+ =f(s+)。 反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(與轉(zhuǎn)向相反)對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率為