第5章 控制电机及其他用途电动机

1、第第5章章 控制电机及他用途电动机控制电机及他用途电动机范国伟范国伟安徽工业大学安徽工业大学5.1 测速发电机测速发电机l测速发电机是用来测量转速的电磁装置。测速发电机是用来测量转速的电磁装置。测速发电机能够把机械旋转量转变为相应测速发电机能够把机械旋转量转变为相应的电压信号，也可以将其输出电压传递到的电压信号，也可以将其输出电压传递到输入端作为反馈信号以稳定转速。测速发输入端作为反馈信号以稳定转速。测速发电机有两种类型，即交流的测速发电机和电机有两种类型，即交流的测速发电机和直流测速发电机。直流测速发电机。5.1.1. 交流测速发电机交流测速发电机l交流测速发电机分为同步和异步两类。异交流测

2、速发电机分为同步和异步两类。异步测速发电机又有笼型转子和杯形转子两步测速发电机又有笼型转子和杯形转子两种。种。l目前用得最广泛的一种是杯形转子异步测目前用得最广泛的一种是杯形转子异步测速发电机。速发电机。5.1.2. 直流测速发电机直流测速发电机l直流测速发电机在结构上与普通小型直流直流测速发电机在结构上与普通小型直流发电机相同。按励磁方式可分为他励式和发电机相同。按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。永磁式的定子用永磁钢制成。永磁式两种。永磁式的定子用永磁钢制成。按电枢结构又可分为有槽式电枢和无槽式按电枢结构又可分为有槽式电枢和无槽式电枢等。常用的为有槽式我结构。电枢等。常用的为有槽式我结构。

3、5.2 伺服电动机伺服电动机l伺服电动机的作用是将输入电压信号转换伺服电动机的作用是将输入电压信号转换为轴上的角位移或角速度输出。在自动控为轴上的角位移或角速度输出。在自动控制系统中伺服电动机常作为执行元件使用。制系统中伺服电动机常作为执行元件使用。伺服电动机有两种类型，即交流伺服电动伺服电动机有两种类型，即交流伺服电动机和直流伺服电动机。机和直流伺服电动机。5.2.1. 交流伺服电动机交流伺服电动机l交流伺服电动机的定子与一般单相异步电交流伺服电动机的定子与一般单相异步电动机的定子相似。定子绕组多制成两相，动机的定子相似。定子绕组多制成两相，两相绕组在空间相差两相绕组在空间相差90电角度。其

4、转子结电角度。其转子结构有笼型和非磁性杯形两种。笼型转子的构有笼型和非磁性杯形两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同；结构与一般笼型异步电动机的转子相同；非磁性杯形转子与杯形转子异步测速发电非磁性杯形转子与杯形转子异步测速发电机的转子相似。笼型伺服电动机应用最为机的转子相似。笼型伺服电动机应用最为广泛。广泛。5.2.2. 直流伺服电动机直流伺服电动机l在直流伺服系统中常用的是电磁式（他励在直流伺服系统中常用的是电磁式（他励式）和永磁式直流伺服电动机。其结构与式）和永磁式直流伺服电动机。其结构与普通他励式和永磁式直流电动机没有根本普通他励式和永磁式直流电动机没有根本区别。所不同的是，

5、伺服电动机电枢电流区别。所不同的是，伺服电动机电枢电流很小，换向并不困难，因此，都不装换向很小，换向并不困难，因此，都不装换向极，并且转子做得细长，气隙较小。极，并且转子做得细长，气隙较小。5.3 步进电动机步进电动机l步进电动机是一种把电脉冲信号转变步进电动机是一种把电脉冲信号转变成角位移或直线位移的装置。每输入一个成角位移或直线位移的装置。每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步。因此，其脉冲，步进电动机就前进一步。因此，其位移与脉冲数成正比；线或转速与脉冲频位移与脉冲数成正比；线或转速与脉冲频率成正比。它们用于数控机床、绘图机、率成正比。它们用于数控机床、绘图机、轧钢机的自动控制及自动记录仪

6、表中。轧钢机的自动控制及自动记录仪表中。l步进电动机的种类很多。按运动方式步进电动机的种类很多。按运动方式可分为旋转运动、直线运动和平面运动等可分为旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原理可分反应式、永磁式和几种；按工作原理可分反应式、永磁式和永磁感应式等几种。永磁感应式等几种。5.4 自整角机自整角机l自整角机（自整角机（selsyn）的功能是将转角）的功能是将转角变换成电压信号，或将电压信号变换成转变换成电压信号，或将电压信号变换成转角，通过两台或两台以上的组合使用，实角，通过两台或两台以上的组合使用，实现角度的传输、变换和接收。现角度的传输、变换和接收。l例如，要使两根相距很远的轴

7、同步偏例如，要使两根相距很远的轴同步偏转或旋转，很难用机械联结的方式来实现。转或旋转，很难用机械联结的方式来实现。若是利用自整角机来完成这一任务，就很若是利用自整角机来完成这一任务，就很方便。这种利用自整角机使两根或两根以方便。这种利用自整角机使两根或两根以上无机械联系的轴保持同步偏转或旋转的上无机械联系的轴保持同步偏转或旋转的系统称为同步联接系统。系统称为同步联接系统。5.4.1. 力矩式自整角机力矩式自整角机l利用力矩式自整角机组成的同步联接利用力矩式自整角机组成的同步联接系统的电路如图系统的电路如图5-12所示。其中自整角机所示。其中自整角机a放在需要发送转角的地方，称为自整角放在需要发

8、送转角的地方，称为自整角发送机；自整角机发送机；自整角机b放在接受转角的地方，放在接受转角的地方，称为自整角接收机。它们的定子绕组又称称为自整角接收机。它们的定子绕组又称同步绕组，用导线对接起来转子绕组又同步绕组，用导线对接起来转子绕组又称励磁绕组，接在同一交流电源上。称励磁绕组，接在同一交流电源上。5.4.2. 控制式自整角机控制式自整角机l控制式自整角机电路如图控制式自整角机电路如图5-13所示。它与所示。它与力矩式自整角机系统不同之处是：控制式力矩式自整角机系统不同之处是：控制式自整角机中的接收机并不直接带负载转动，自整角机中的接收机并不直接带负载转动，转子绕组不是接在交流电源上而是用来

9、转子绕组不是接在交流电源上而是用来输出电压故又称输出绕组。由于该接收输出电压故又称输出绕组。由于该接收机是从定于绕组输入电压，从转子绕组输机是从定于绕组输入电压，从转子绕组输出电压，它工作在变压器状态，故称自整出电压，它工作在变压器状态，故称自整角变压器。当自整角发送机与自整角变压角变压器。当自整角发送机与自整角变压器的定、转子绕组处于图器的定、转子绕组处于图5-14所示位置，所示位置，即它们的转子绕线互相垂直时，它们所处即它们的转子绕线互相垂直时，它们所处的位置称为控制式自整角肌的协调位置。的位置称为控制式自整角肌的协调位置。5.5 旋转变压器旋转变压器l旋转变压器旋转变压器(rotary

10、transformer)的功能的功能是将转子转角变换成与之有函数关系的电是将转子转角变换成与之有函数关系的电压信号。压信号。l旋转变压器从原理上说，相当于一台二次旋转变压器从原理上说，相当于一台二次绕组可以转动的变压器。从结构上说，相绕组可以转动的变压器。从结构上说，相当于一台两相绕线型异步电动机。旋转变当于一台两相绕线型异步电动机。旋转变压器的定、转子铁心由优质硅钢片或高镍压器的定、转子铁心由优质硅钢片或高镍合金片叠成。合金片叠成。5.5.1. 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器l种旋转变压器的特点是：输出电压是转子转角的正种旋转变压器的特点是：输出电压是转子转角的正弦和余弦函数。弦和余弦函数

11、。l电路如图电路如图5-15所示，所示，D1D2和和D3D4是定子绕组，它是定子绕组，它们的有效匝数为们的有效匝数为kw1N1。Z1Z2和和Z3Z4是转子绕组，它是转子绕组，它们的有效匝数为们的有效匝数为kw2N2。定子绕组。定子绕组D1D2称为励磁绕组，称为励磁绕组，工作时，加上大小和频率一定的交流励磁电压工作时，加上大小和频率一定的交流励磁电压Uf以产生以产生工作时所需要的磁场。定子绕组工作时所需要的磁场。定子绕组D3D4称为补偿绕组，称为补偿绕组，其作用稍后再讨沦。转子绕组其作用稍后再讨沦。转子绕组Z1Z2为余弦输出绕组，为余弦输出绕组，Z3Z4为正弦输出绕组。当定子绕组为正弦输出绕组。

12、当定子绕组D1D2与转子绕组与转子绕组Z1Z2轴线一致时，称为旋转变压器的基准位置。下面轴线一致时，称为旋转变压器的基准位置。下面逐步来分析正余弦旋转变压器的工作原理。逐步来分析正余弦旋转变压器的工作原理。5.5.2. 线性旋转变压器线性旋转变压器l这种旋转变压器的特点是在一定的转角范围内，输出电这种旋转变压器的特点是在一定的转角范围内，输出电压与转子转角成正比。压与转子转角成正比。l由于由于很小，且用弧度为单位时，很小，且用弧度为单位时，sin。因此，一般。因此，一般的正余弦旋转变压器在转子转角很小时即为线性旋转变的正余弦旋转变压器在转子转角很小时即为线性旋转变压器。但是当压器。但是当=14

13、0.244.35 rad时，时，sinl4=0.241 92，误差已达，误差已达1。因此，若要求在更。因此，若要求在更大的转角范围内得到与转角成线性关系的输出电压时，大的转角范围内得到与转角成线性关系的输出电压时，简单地直接使用正余弦旋转变压器就不能满足要求了。简单地直接使用正余弦旋转变压器就不能满足要求了。为此，线性旋转变压器采用了图为此，线性旋转变压器采用了图5-19所示的接线方式。所示的接线方式。定子定子D1D2绕组与转子绕组与转子Z1Z2绕组串联后加上交流励磁电绕组串联后加上交流励磁电压压Uf。转子正弦输出绕组。转子正弦输出绕组Z3Z4接负载接负载ZL，作输出绕组。，作输出绕组。定子定

14、子D3D4绕组短路作补偿绕组。绕组短路作补偿绕组。5.5.3. 比例式旋转变压器比例式旋转变压器l从原理上说，比例式旋转变压器与正余弦从原理上说，比例式旋转变压器与正余弦旋转变压器一样，不同之处是比例式旋转旋转变压器一样，不同之处是比例式旋转变压器的转轴上装有调整齿轮和调整后可变压器的转轴上装有调整齿轮和调整后可以固定转子的机构，使用时，可将转子转以固定转子的机构，使用时，可将转子转到需要的角度后加以固定。到需要的角度后加以固定。l比例式旋转变压器可以用来求解三角函数、比例式旋转变压器可以用来求解三角函数、调节电压和实现阻抗匹配等。调节电压和实现阻抗匹配等。5.5.4. 数据传输用旋转变压器数

15、据传输用旋转变压器l数据传输用旋转变压器的工作原理和用途与控制式自整数据传输用旋转变压器的工作原理和用途与控制式自整角机相同，但精确度要比控制式自整角机高。电路如图角机相同，但精确度要比控制式自整角机高。电路如图5-21所示。左边的旋转变压器称为旋变发送机，右边的所示。左边的旋转变压器称为旋变发送机，右边的旋转变压器称为旋变变压器。它们的定子绕组对应相接，旋转变压器称为旋变变压器。它们的定子绕组对应相接，旋变发送机的转子绕组旋变发送机的转子绕组Z1Z2加上交流励磁电压加上交流励磁电压Uf，Z3Z4绕组短路作补偿用。旋变变压器的转子绕组绕组短路作补偿用。旋变变压器的转子绕组Z3Z4作输出绕组，作

16、输出绕组，Z1Z2绕组短路作补偿用。与控制式自整绕组短路作补偿用。与控制式自整角机一样，当旋变发送机的励磁绕组角机一样，当旋变发送机的励磁绕组Z1Z2与旋变变压与旋变变压器的输出绕组器的输出绕组Z3Z4处于垂直的协调位置时，输出绕组处于垂直的协调位置时，输出绕组没有输出电压。当旋变发送机的转子转过一个没有输出电压。当旋变发送机的转子转过一个角时，角时，旋变变压器的输出绕组便有电压输出。旋变变压器的输出绕组便有电压输出。5.6 单相异步电动机单相异步电动机l由单相电源供电的异步电动机称为单相异由单相电源供电的异步电动机称为单相异步电动机。其基本原理是建立在三相异步步电动机。其基本原理是建立在三相

17、异步电动机的基础上，但在结构、特性等方面电动机的基础上，但在结构、特性等方面与三相异步电动机有很大的差别。与三相异步电动机有很大的差别。单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法l从上述可知，单相异步电动机的转动原理从上述可知，单相异步电动机的转动原理和三相异步电动机类似，但单相异步电动和三相异步电动机类似，但单相异步电动机无起动转矩，所以首先必须解决它的起机无起动转矩，所以首先必须解决它的起动问题。单相异步电动机的起动方法通常动问题。单相异步电动机的起动方法通常有分相起动和罩极起动两种。这里主要介有分相起动和罩极起动两种。这里主要介绍电容分相式电动机。绍电容分相式电动机。（1）电容分相

18、式电动机的基本结构）电容分相式电动机的基本结构l在单相异步电动机的定子槽中，除嵌有一在单相异步电动机的定子槽中，除嵌有一套主绕组外，还增加了一套起动绕组。图套主绕组外，还增加了一套起动绕组。图5-24表示一台最简单的带有起动绕组的单表示一台最简单的带有起动绕组的单相异步电动机结构，在起动绕组中串联的相异步电动机结构，在起动绕组中串联的电容器称分相电容。电容器称分相电容。 （2）电容分相式电动机的工作原理）电容分相式电动机的工作原理l由于起动绕组中串接了电容器，所以在同由于起动绕组中串接了电容器，所以在同一单相交流电源中，起动绕组中通过的电一单相交流电源中，起动绕组中通过的电流与主绕组通过的电流

19、是不同相位的。起流与主绕组通过的电流是不同相位的。起动绕组的电流超前于主绕组电流某一角度。动绕组的电流超前于主绕组电流某一角度。若电容器的容量合适，则起动绕组的电流若电容器的容量合适，则起动绕组的电流超前于主绕组电流约超前于主绕组电流约 90相位角，如图相位角，如图5-25所示。因为这种电动机将单相电流分所示。因为这种电动机将单相电流分为两相电流，故称为分相式电动机。为两相电流，故称为分相式电动机。 因因此，在两相电流作用下，这种电动机便可此，在两相电流作用下，这种电动机便可产生两相旋转磁场，如图产生两相旋转磁场，如图5-26所示，原理所示，原理分析同三相异步电动机。分析同三相异步电动机。5.

20、7 无刷直流电动机无刷直流电动机l无刷直流电动机克服了普通直流电动机设无刷直流电动机克服了普通直流电动机设置换向器的缺点，在现代的空调器普遍采置换向器的缺点，在现代的空调器普遍采用，达到降低电能损耗的目的。用，达到降低电能损耗的目的。l普通直流电动机的电枢在转子上，而定子普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动

21、电动机不断旋转。驱动电动机不断旋转。5.8 直流力矩电动机直流力矩电动机l直流力矩电动机是一种能够长期处于堵转直流力矩电动机是一种能够长期处于堵转状态下工作的低转速、大转矩的电动机。状态下工作的低转速、大转矩的电动机。目前主要采用永磁式电枢控制方式。在结目前主要采用永磁式电枢控制方式。在结构尺寸和比例上与直流伺服电动机不同，构尺寸和比例上与直流伺服电动机不同，后者为了减小转动惯量大多做成细长圆后者为了减小转动惯量大多做成细长圆筒形，而直流力矩电动机为了能在相同的筒形，而直流力矩电动机为了能在相同的体积和电枢电压下产生较大的转矩和较低体积和电枢电压下产生较大的转矩和较低的转速一般都做成扁平形。的转速一般都做成扁平形。5.9 直线电动机直线电动机l直线电动机就是把电能直接转换成直线运直线电动机就是把电能直接转换成直线运动的机械能的电动机。当然旋转电动机也动的机械能的电动机。当然旋转电动机也可以通过转换装置，将旋转运动转变为直可以通过转换装置，将旋转运动转变为直线运动，带动负载作直线运动。但由于有线运动，带动负载作直线运动。但由于有中间转换装置，使得这种拖动系统效率低、中间转换装