电机的工作原理及特性

1、 主磁极 电枢 换向器 电刷装置 剖面图：电枢1； 主磁极2；换向 极4；机座6 电枢铁心冲片 换向器：换向片3； 连接片4；云母环2 发电机电动机 ta tki - 一对磁极的磁通(wb); n-电枢转速(r/min); ke -与结构有关的常数. 式中:e-电动势(v); -一对磁极的磁通(wb); ia-电枢电流(a); kt-与结构有关的常数. 式中: t-电磁转矩(nm); nke e aa uei r e ekn e a ee ru ni kk 0 2 a eet ru ntnn kk k 上式为直流电动机机械特性的一般表达式 式中,ra为电枢电阻.以 代入得: ta tki 由将

2、ia值再代入,得: 额定负载时,转速降 落不多,是硬特性; 金属切削机床,冷轧 机,造纸机等宜于选 用硬特性的电动机. 0 2 a eet ru ntnn kk k n 0 500 751 nn a nnn pu r u ii nna en n ui r k n 0 n en u n k 9 55 n n n p t n (1)电枢电阻ra的估算: (2)理想空载转速no计算: (3)额定转矩nn的计算: no,tn,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运 行点(tn,nn),通过这两点作出自然机械特性. 0 500 751 nn a nnn pu r u ii =0.71 nna en

3、 n ui r k n =0.132 n o en u n k =1667r/min 9 55 n n n p t n =35nm 附加电阻rad越大,机械特性越软. nnt kk rr k u n te aad e n 0 2 0 2 a eet ru ntnn kk k n o en u n k 随u的变化而变化 0 2 a eet ru ntnn kk k 0 2 a eet ru ntnn kk k 空载运行-飞车 事故. 特性. ; 反接制动; 能耗制动. 3)特点: (1)利用位能转矩带动电动机发 电,将机械能变成电能,向电源馈 送. (2)重物下放时电动机的转速仍 高于理想空载转

4、速,运行不太安全. t kk rr k u n te ada e 2 为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接 制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上. 反接制动 t kk rr k u n te ada e 2 1)应用: 起重机,卷扬机; 2)缺点:机械特性软,实现无级调 速困难; 3)注意:串电阻调速与起动特性相 似,但起动电阻与调速电阻不同. 1)特点:容易实现无级调速; 机械特性是一组平行线,硬度 不变;不需用其他起动设备. 2)应用;适用于恒转矩负载, 组成scr-m系统，在工业生 产中广泛应用.第11章将重点 学习. 1)特点:可以实

5、现无级调速; 机械特性软;调速范围不大. 2)应用:适用于恒功率负载. 一般与调压配合使用. 3)注意:在额定转速以上调节 -弱磁增速. 1500 2200 55. 955. 9 n n n n p tt 13. 0 1500 7 . 14 .12220 n ann ee n riu kk 24. 113. 055. 955. 9 et kk 16. 024. 113. 0 2 t kk e 123614 16. 0 7 . 1 13. 0 180 2 n te a e t kk r k u n 1962n (1)此时,u=180v,ra=1.7欧 =14 99. 055. 9 et kk 0

6、99. 0 2 tek k (2)此时,u=un=220v,ra=1.7欧 min/196214 099. 0 7 . 1 1 . 0 220 ( 2 rt kk r k u n n te a e n (3)此时,u=una=220v;电枢电路总电阻 r=ra+rad=1.7+2=3.7 13. 0 e k 24. 1 t k16. 0 2 tek k 136814 16. 0 7 . 3 13. 0 220 2 n te ada ne n t kk rr k u n (以上转速单位为r/min) 1 . 08 . 0 nee kk 5.定子铁心定子铁心,6.定子绕组定子绕组,7.转轴转轴,8

7、.转子转子,9.风扇风扇,11.轴承轴承,12.机座机座 0 0 n nn s 此时的合成磁场如图此时的合成磁场如图(d)(d)所示。合成磁场从所示。合成磁场从t=0t=0瞬间所在瞬间所在 位置顺时针方向旋转了位置顺时针方向旋转了。按以上分析可以证明：当三。按以上分析可以证明：当三 相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不 断旋转，这样就产生了旋转磁场。断旋转，这样就产生了旋转磁场。 t=t/2t=t/2时，时，t=t/2=,it=t/2=,ia a=0=0；i ib b为正；为正；i ic c为负。为负。 p f n 60 0 式中式中

8、,f,f为电源频率为电源频率50hz;p50hz;p为电动机的磁极对数为电动机的磁极对数. . 电动机的磁极对数为电动机的磁极对数为1 1时时, ,同步转速为同步转速为3000r/min;3000r/min; 电动机的磁极对数为电动机的磁极对数为2 2时时, ,同步转速为同步转速为1500r/min;1500r/min; 电动机的磁极对数为电动机的磁极对数为3 3时时, ,同步转速为同步转速为1000r/min.1000r/min. 注意注意:三相绕组连接成星形三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压每相绕组承受相电压220v; 三相绕组连接成三角形三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线电压每相绕

9、组承受线电压380v. dt d ne 1 其有效值为其有效值为 : : 111 44.4nfe 定子和转子电路的感应电势定子和转子电路的感应电势 11 eu 其大小为其大小为: 11 eu 忽略忽略r1和和x1上的电压降上的电压降,有有: ) 1 ( 111 11eiiu xjr 考虑定子电流产生的漏磁考虑定子电流产生的漏磁 通通, ,用复数表示为用复数表示为: : 一相电路图一相电路图 dt d ne 22 222 44. 4nfe 12 sff 其中其中 212 44. 4nfe o 起动瞬间起动瞬间 o see 22 2120 2 l lfx o sxx 22 2 20 2 2 2 2

10、 2 2 2 2 2 )(sxr se xr e i o 2 20 2 2 2 2 )(sxr r cos n n n n p t9550 nnn n n iu p cos3 1111 cos3iup 1 1 1 2 p pp p p p2等于等于p1减去电动机的总损耗减去电动机的总损耗 电源输入的功率p1: 电动机的输出功率p2(铭 牌功率) vnfe1634023. 03205044. 444. 4 111 vnfeo102023. 0205044. 444. 4 212 hzfsf n 43. 1500285. 0 12 解解:1):1)由电势计算公式得由电势计算公式得 : : vnfe

11、 o 102023. 0205044. 444. 4 212 3)3)额定转速时额定转速时, ,转子电动势的频率转子电动势的频率 2)2)转子绕组开路时转子绕组开路时,f2=f1,f2=f1,得得 a xr e i st 5 .242 08. 002. 0 20 222 20 2 2 20 2 例例2:一台一台4极三相异步电动机极三相异步电动机,电源频率电源频率50hz, 额定转速额定转速 1440r/min,转子电阻转子电阻0.02欧欧,转子电抗转子电抗0.08欧欧,转子电动势转子电动势 e20=20v,求求: 1)电动机的同步转速电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电动机起动时的转子

12、电流电流. 解解;1)电动机为电动机为4极极,磁极对数磁极对数p=2, 有有n0=60f/p=3000/2=1500r/min 2)电动机起动时的转子电流电动机起动时的转子电流 22 cosikt t 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 )(sxr se xr e i o 2 20 2 2 2 2 )(sxr r cos 212 44. 4nsfe o 代入代入 用用 代入代入,合并上面几个式子得转矩又一公式合并上面几个式子得转矩又一公式: 2 20 2 2 2 2 )(sxr usr kt 注意注意,转矩与电压平方成正比转矩与电压平方成正比 n n n n p t9550 0 0

13、n nn s n n 2 20 2 2 2 2 xr ur ktst n st st t t 20 2 x r s m 20 2 2x u ktman n man m t t 解解(1)电动机额定功率与供电变压器容量之比为电动机额定功率与供电变压器容量之比为 75/320=0.2340.2 电动机不宜直接起动电动机不宜直接起动. (2)(2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为电动机的额定转矩和起动转矩分别为 tn=9550(pn/nn)=tn=9550(pn/nn)= 9550(750/1480)=484nm 9550(750/1480)=484nm tst=1.9tn=1.9x484=920n

14、mtst=1.9tn=1.9x484=920nm 如果采用如果采用y- y- 降压起动降压起动, ,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一则起动转矩仅为起动转矩的三分之一, ,即即 tsty=1/3x920=307200=tltsty=1/3x920=307200=tl 因此因此, ,可以采用可以采用y- y- 降压起动降压起动. . 2 cos 2 cos 2 cos 3 a xr e i st 87604 163. 00344. 0 146 222 20 2 2 20 2 206. 0cos 2 20 2 2 2 2 xr r 984. 0cos 2 得得 2 2 2 2 2 2 )( cos

15、xrr rr 得得r=0.0732欧欧; 由由 2 2 2 2 2 2 )(xrr e i 由下式由下式 0196. 0 202 sxx5 .17 202 see 12. 0 600 528600 0 0 n nn s (3) 984. 0cos 2 2 2 2 2 2 n n xr r a xr e i n n n 160 2 2 2 2 2 2 006243. 0 202 xsx nn6 . 5 202 ese nn 0383. 0 600 577600 o no n n nn s (2) 0 0 n nn s p f n 60 0 )1 ( 60 s p f n 异步电动机的调速方法主要

16、有三种异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数变磁极对数p; 变转差率变转差率s;变频率变频率f. )1 ( 60 s p f n yy/ )1 ( 60 s p f n )1 ( 60 s p f n 1.3 控制电机简介 控制电机的主要作用是用来完成信息的传 递与交换,而不是进行能量转换. 1) 直流伺服电动机 1.基本结构:与普通他 激直流电动机相同.(有 换向器) 2.分类:电磁式(他激 式); 永磁式, 3.电气原理图:如右图. 其中(a)为电磁式(b)为 永磁式. 4.参数:输出功率1- 600w. 2).交流伺服电动机 (1)结构 (1)定子: 定子由硅钢片叠成; 在定子铁心的

17、内圆表面嵌 有两套相差90度电角度的绕 组:激磁绕组wf,控制绕组wc; 这两套绕组分别由两个电源 供电. 接线图 两相交流伺服电动机的结构 (2)转子: 分为鼠笼型和杯型两种. (1)鼠笼型转子作得细而长, 转子导体采用高电阻率的材 料.用于小功率的自动控制 系统.产品型号sl系列. (2)空心杯型转子作成薄壁 圆筒形,放在内外定子之间. 用于要求运行平滑的系统. 产品型号sk系列. 杯型转子伺服电动机结构图 激磁绕组1;控制绕组2;内定子3; 外定子4;转子5 (2).基本工作原理 两相绕组wf和wc分别通入频 率相同的交流电,产生旋转 磁场,使伺服电动机起动. 取消wc后,要防止自转.

18、(3).消除自转现象的措施 加大转子电阻.如: 采用薄壁杯形转子. 鼠笼条用高阻材料黄铜 转子电阻不同时的机械特性 (4).交流伺服电动机的特性和应用 控制方法;有三种. 幅值控制,相位控制,幅-相控制 幅值控制原理图:控制电压uc越 高,电动机转速越高. 不同控制电压下的机械特性 应用举例 (1)参数:交流伺服电动机输出功率为0.1-100w(再大则用 直流伺服电动机); 电源频率50-400hz. (2)应用:雷达天线的旋转控制;飞机驾驶盘的控制;流体阀 门开关控制, 应用方框图 2)步进电动机 是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的一种执行元件 (1)分类与结构 步进电动机分为反应式,永

19、 磁式,和混合式三种. 三相反应式步进电动机由 定子和转子两个部分构成. 右图中,定子有6个磁极,两 个相对的磁极组成一相;转 子上有均匀分布的4个齿. a b c a b c a b c a b c 1 24 3 a b c a b c 1 2 4 3 a b c a b c 1 24 3 a b c a b c 1 24 3 ( a )( b )( c )( d ) 由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电。设相序为abca。 当a相控制绕组通电， 而b、c相不通电时，步进电动机的气隙磁场与a相绕组轴线重合， 而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过， 故电动机转子受到一个反应转矩(静转

20、矩)的作用，在此转矩的作用下， 使转子的齿1和齿3旋转到与a相绕组轴线相同的位置上，如图(a)所示， (2)步进电动机的工作原理 然后b相通电如图(b)所示,转子在空间沿逆时针方向转过30度,转子前进一步. 同理,c相通电时,转子转到图所示位置;d相通电时,转子转到图(d)所示位置. 按a-b-c-a顺序不断地接通和断开控制绕组,电动机便一步一步地转动. (3)通电方式 控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一 拍转子所转过的角度称为一个步距角。步进电 动机的通电方式有三种。对于三相反应式步进电 动机来说，每次只有一相绕组单独通电，如 abca，控制绕组每换接三次构成一个循环， 这种方式称为三相单三拍；若每次有两相绕组同 时通电，如abbccaab，每次循环换接三次， 这种方式称为三相双三拍；若单相通电和两相通 电轮流进行，如aabbbcccaa，这种 方式被称为三相六拍。 (4)小步距角步进电动机 步进电动机无论采用哪种通电方