第7章特种电机

1、第第7章章 特种电机特种电机 河北科技大学河北科技大学石家庄铁道大学石家庄铁道大学电机学电机学7.1 单相串励电动机单相串励电动机n7.1.1 单相串励电动机的用途与特点单相串励电动机的用途与特点n单相串励电动机又称单相串激电动机，是单相串励电动机又称单相串激电动机，是一种交直流两用的有换向器的电动机。一种交直流两用的有换向器的电动机。n单相串励电动机主要用于要求转速高、体单相串励电动机主要用于要求转速高、体积小、重量轻、起动转矩大和对调速性能积小、重量轻、起动转矩大和对调速性能要求高的小功率电气设备中。例如电动工要求高的小功率电气设备中。例如电动工具、家用电器、小型机床、化工、医疗器具、家用

2、电器、小型机床、化工、医疗器械等。械等。1. 单相串励电动机的优点单相串励电动机的优点1 1）转速高、体积小、重量轻。单相串励电）转速高、体积小、重量轻。单相串励电动机的转速不受电动机的极数和电源频率动机的转速不受电动机的极数和电源频率的限制。的限制。2 2）调速方便。改变输入电压的大小，即可）调速方便。改变输入电压的大小，即可调节单相串励电动机的转速。调节单相串励电动机的转速。3 3）起动转矩大、过载能力强。）起动转矩大、过载能力强。2. 单相串励电动机的主要缺点单相串励电动机的主要缺点n（1 1）换向困难，电刷容易产生火花。）换向困难，电刷容易产生火花。n（2 2）结构复杂，成本较高。）结

3、构复杂，成本较高。n（3 3）噪声较大，运行可靠性较差。）噪声较大，运行可靠性较差。7.1.2 单相串励电动机的基本结构单相串励电动机的基本结构n单相串励电动机主要由定子、电枢、换向器、电刷、刷架、机壳、轴承等几部分组成。其结构与一般小型直流电动机相似。12331换向片；2塑料壳体；3云母片 7.1.3 单相串励电动机的工作原理单相串励电动机的工作原理当电流为正半波时转子的旋转方向 当电流为负半波时转子的旋转方向 7.1.4 单相串励电动机的调速单相串励电动机的调速n1. 改变电源电压调速改变电源电压调速n利用串联单向或双向晶闸管调压调速。改变利用串联单向或双向晶闸管调压调速。改变晶闸管的导通

4、角，就可以改变施加到单相串晶闸管的导通角，就可以改变施加到单相串励电动机的端电压，调节电动机的转速。励电动机的端电压，调节电动机的转速。n使用电抗器的抽头可进行有级调速 M M串联双向晶闸管调压调速 串联电抗器调速 2. 改变励磁磁通调速改变励磁磁通调速n增大励磁磁通，电机转速下降，减小励磁磁增大励磁磁通，电机转速下降，减小励磁磁通，转速上升。通，转速上升。n将两个串励绕组由串接（并接）改为并接（串接）将两个串励绕组由串接（并接）改为并接（串接） M M1fW2fW1fW2fW串励绕组改接调速 （改变励磁磁通）励磁绕组分级抽头调速 n励磁绕组上有3个抽头，电源接至不同抽头位置，励磁绕组的匝数不

5、同，改变励磁绕组匝数，即改变了励磁磁势和主磁通 M3. 串电阻调速串电阻调速n在单相串励电动机回路中串入电阻，加到电机的端电压将减小，实现降低转速的目的 M7.2 无刷直流电动机无刷直流电动机n无刷直流电动机采用半导体功率开关器件无刷直流电动机采用半导体功率开关器件（晶体管、（晶体管、MOSFET、IGBT等），用霍等），用霍尔元件、光敏元件等位置传感器代替有刷尔元件、光敏元件等位置传感器代替有刷直流电动机的换向器和电刷，以电子换相直流电动机的换向器和电刷，以电子换相代替机械换向，从而提高了可靠性。代替机械换向，从而提高了可靠性。无刷直流电机的组成n无刷直流电动机是由电动机本体、位置检无刷直流

6、电动机是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的电动机，位测器、逆变器和控制器组成的电动机，位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生连续转矩。绕组，使电动机产生连续转矩。 7.2.2 无刷直流电动机的分类无刷直流电动机的分类n1）从气隙磁场波形分，无刷直

7、流电动机）从气隙磁场波形分，无刷直流电动机有方波磁场和正弦波磁场。方波磁场电动有方波磁场和正弦波磁场。方波磁场电动机绕组中的电流也是方波；正弦波磁场电机绕组中的电流也是方波；正弦波磁场电动机绕组中电流也是正弦波。方波磁场电动机绕组中电流也是正弦波。方波磁场电机比相同有效材料的正弦波电机的输出功机比相同有效材料的正弦波电机的输出功率大率大10以上。以上。n2）按结构分，无刷直流电动机有柱形和）按结构分，无刷直流电动机有柱形和盘式之分。柱形电动机为径向气隙，盘式盘式之分。柱形电动机为径向气隙，盘式电动机为轴向磁场。电动机为轴向磁场。7.2.3 无刷直流电动机的特点无刷直流电动机的特点n与有刷直流电

8、动机相比较，无刷直流电动机具有以下特点：与有刷直流电动机相比较，无刷直流电动机具有以下特点：n（1）经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，）经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，宽调速范围。宽调速范围。n（2）需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器。）需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器。n（3）由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，具）由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，具有较高的可靠性，寿命长，无需经常维护，机械噪音低，无线电干有较高的可靠性，寿命长，无需经常维护，机械噪音低，无线电干扰小。可工作于真空、不良介质环境。

9、扰小。可工作于真空、不良介质环境。n（4）功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率。）功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率。n（5）必须有电子控制部分，总成本比普通直流电动机的成本高。）必须有电子控制部分，总成本比普通直流电动机的成本高。n（6）与电子电路结合，有更大的使用灵活性（比如利用小功率逻辑）与电子电路结合，有更大的使用灵活性（比如利用小功率逻辑控制信号可控制电动机的起动、停止、正反转）。适用于数字控制，控制信号可控制电动机的起动、停止、正反转）。适用于数字控制，易与微处理器和微型计算机接口。易与微处理器和微型计算机接口。与异步电动机相比，无刷直流电动机具有以下特点：n（1）由

10、于采用高性能钕铁硼永磁材料，无刷直）由于采用高性能钕铁硼永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。n（2）由于无转子损耗，无需转子励磁电流，所）由于无转子损耗，无需转子励磁电流，所以无刷直流电动机具有较高的效率。以无刷直流电动机具有较高的效率。n（3）由于转子没有发热，无刷直流电动机也无）由于转子没有发热，无刷直流电动机也无需考虑转子冷却问题。需考虑转子冷却问题。n（4）尽管变频调速感应电动机系统应用较为普）尽管变频调速感应电动机系统应用较为普遍，但由于其非线性

11、本质，控制系统极为复杂。遍，但由于其非线性本质，控制系统极为复杂。无刷直流电动机则将其简化为离散六状态的转子无刷直流电动机则将其简化为离散六状态的转子位置控制，故无需坐标变换。位置控制，故无需坐标变换。与永磁同步电动机相比，无刷直流电动机具有明显优点：n（1）在电动机中产生矩形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦变化的电动势容易，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。n（2）对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。n（3）永磁同步电动机需要采用正弦波供电，而无刷直流电动机只需采用方波直流供电。产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，因此无刷直流电动机控制简单、控制器成本较低。7.2.4 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构n主要由电动机本体、位置传感器和电子开主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。无刷直流电动机在结关线路三部分组成。无刷直流电动机在结构上是一台反装的普通直流电动机。构上是一台反装的普通直流电动机。 7.2.5 无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电