第1章 电机与拖动基础

1、 第第1章章 电机及拖动基础电机及拖动基础图图1-1 三相异步电动机的结构图三相异步电动机的结构图1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-散热筋；5-定子铁心；6-定子绕组； 7-转轴；8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座笼型异步电动机笼型异步电动机的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状象个笼子，如图象个笼子，如图1-2所示，因此叫笼型转子。对于中小

2、功率，所示，因此叫笼型转子。对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。多采用铝离心浇铸而成。绕线式异步电动机绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如图图1-3 所示。所示。 图图1-2 三相异步电动机的结构图三相异步电动机的结构图a）笼型绕组；b）转子外形图图1-3 绕线式异步电动机定转子绕组绕线式异步电动机定转子绕组及外加电阻的接线方式及外加电阻的接线方式2

3、. 异步电动机异步电动机的简单的简单工作原理工作原理： 如图如图1-4所示。当定子接三相电源后，电动机内便形成所示。当定子接三相电源后，电动机内便形成圆形旋转磁场。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁圆形旋转磁场。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁场有相对运动，导条中有感应电动势场有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时。电流方向有电流，不考虑电动势与电流的相位差时。电流方向同电动势方向。转子受力，产生转矩同电动势方向。转子受力，产生转矩T，即为电磁转，

4、即为电磁转矩，方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转矩，方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转起来。起来。图图1-4 异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理 3. 异步电动机的铭牌数据：异步电动机的铭牌数据：铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助我们正确地中有关技术参数的作用和意义，可以帮助我们正确地选择、使用和维护它。图选择、使用和维护它。图1-5是我国使用最多的是我国使用最多的Y系列系列三相感应电动机铭牌的三相感应电动机铭牌的个实例。个实例。图图1-5 Y系列三相感应电动机铭牌系列三相感应电动机铭牌

5、 图图1-6 异步电动机型号异步电动机型号图图1-7 三相异步电动机的引出线三相异步电动机的引出线a) 出线端的排列 b) 丫连接 c) 连接图图1-8 Y/降压起动的接线图降压起动的接线图 图图1-9 电动机的固有机械特性电动机的固有机械特性 图图1-9改变定子电源频改变定子电源频率时的人为机械特率时的人为机械特性性 图图1-10转子电路串电转子电路串电阻的人为机械特性阻的人为机械特性 图图1-11改变电源电压改变电源电压时人为机械特性时人为机械特性 图图1-12定子电路外定子电路外接电阻或电抗时的接电阻或电抗时的人为机械特性人为机械特性 5. 异步电动机异步电动机一般调速方法：一般调速方法

6、： 异步电动机实际转速异步电动机实际转速n与电动机输人定子电源频率与电动机输人定子电源频率转差率转差率s和电动机磁极对数和电动机磁极对数P的关系式为：的关系式为：n=60 * f1/P *（1-s）。可以看出，异步电动机的调速可通）。可以看出，异步电动机的调速可通过改变磁极对数过改变磁极对数P、调节转差率、调节转差率s、及改变定子频、及改变定子频率率f1三种方式。常用的异步电动机调速方法及其比三种方式。常用的异步电动机调速方法及其比较如下表所示，由表中的对比可以看出，较如下表所示，由表中的对比可以看出，PWM变变频调速是最理想的调速方式。下图为常用的异步频调速是最理想的调速方式。下图为常用的异

7、步电动机调速方法及其比较表电动机调速方法及其比较表 ： 1.2 直流电动机的工作原理和运行特性直流电动机的工作原理和运行特性 直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，

8、广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。图图1-13 直流电动机的基本构成团直流电动机的基本构成团 图图1-14 直流电动机的截面图直流电动机的截面图1-主极；2-励磁绕组；3-附加极；4附加极绕组；5-极掌；6-极心；7-电枢；8-通份槽；9-电枢绕组；10-空气隙；11-轭3. 直流电动机的一般调速方法直流电动机的一般调速方法 ：在直流电动机中，根据励磁绕组连接方式的不同，在直流电动机中，根据励磁绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四类电动机、而在调可分为他励

9、、并励、串励和复励四类电动机、而在调速系统中用得最多的是他励电动机。图速系统中用得最多的是他励电动机。图1-15为为直流他直流他励电动机励电动机与与直流并励电动机直流并励电动机的原理图。的原理图。图图1-15 直流他励电动机与直流并励电动机的原理图直流他励电动机与直流并励电动机的原理图 调节串入电枢回路的外加电阻调节串入电枢回路的外加电阻Rad，(调阻调速法或电阻调阻调速法或电阻控制法控制法) 调节电动机的电枢供电电压调节电动机的电枢供电电压U (调压调速法或电压控制法调压调速法或电压控制法)调节电动机的主磁通调节电动机的主磁通 (调磁调速法或励磁控制法调磁调速法或励磁控制法)图图1-16 具

10、有三段附加电组的他励电动机控制电路具有三段附加电组的他励电动机控制电路 图图1-17 改变电枢电压调速的特性改变电枢电压调速的特性图图1-18 弱磁调速的特性弱磁调速的特性 1.3 伺服控制电动机的工作原理和运行特性伺服控制电动机的工作原理和运行特性1.3.1 步进电动机的工作原理和运行特性步进电动机的工作原理和运行特性 1. 步进电动机的步进电动机的分类分类 ：反应式反应式 转子用高导磁系数的材料制造，做成齿型，无线转子用高导磁系数的材料制造，做成齿型，无线圈，靠定子和转子之间的感应电磁力产生力矩并维圈，靠定子和转子之间的感应电磁力产生力矩并维持相互间的位置。持相互间的位置。永磁式永磁式 转

11、子用永久磁钢制成，产生转矩时兼有吸引力和转子用永久磁钢制成，产生转矩时兼有吸引力和排斥力。在无励磁情况下能保持转矩，每步转角不排斥力。在无励磁情况下能保持转矩，每步转角不能做得很小。能做得很小。混合式混合式 转子由永久磁钢制成，同时也做成齿状；定子也转子由永久磁钢制成，同时也做成齿状；定子也与反应式定子相似。它具有反应式和永磁式两种方与反应式定子相似。它具有反应式和永磁式两种方式的优点，但结构复杂。式的优点，但结构复杂。 2. 反应式反应式步进步进电动机电动机的的工作原理工作原理 ：步进电动机由定子和转子组成，定子上的磁极和转步进电动机由定子和转子组成，定子上的磁极和转子都有齿，定子磁极上的磁

12、宽和磁槽必须和转子上的子都有齿，定子磁极上的磁宽和磁槽必须和转子上的磁宽和磁槽相等。图磁宽和磁槽相等。图1-19为径向反应式步进电动机结构为径向反应式步进电动机结构原理示意图，它的定子上有原理示意图，它的定子上有6 个磁极，极距角为个磁极，极距角为60、每图每图1-19径向反应式步近电动机结构原理示意图个磁极径向反应式步近电动机结构原理示意图个磁极都看作是一个齿。每个磁极上都装有控制绕组，形成都看作是一个齿。每个磁极上都装有控制绕组，形成A、B、C三相绕。三相绕。图图1-19 径向反应式步近电动机结构原理示意图径向反应式步近电动机结构原理示意图 3混台式步进电动机工作原理混台式步进电动机工作原

13、理 ：混合式步进电动机由混合式步进电动机由定子定子和和转子转子组成。定于铁心与组成。定于铁心与反应式步进电动机相同，每个极上有小齿和控制绕组。反应式步进电动机相同，每个极上有小齿和控制绕组。转子的结构与水久磁钢的电磁减速式同步电动机相同。转子的结构与水久磁钢的电磁减速式同步电动机相同。以两相混合式步进电动机为例，其结构原理如图以两相混合式步进电动机为例，其结构原理如图1-20所所示。示。转子为对称的两段磁钢，轴向充电后，转子为对称的两段磁钢，轴向充电后，段是段是N极，极，另一段是另一段是S极。定子对应转子也分两段，但实际上按一极。定子对应转子也分两段，但实际上按一段处理，两段定子铁心上装有同一

14、个两相对称控制绕段处理，两段定子铁心上装有同一个两相对称控制绕组，如图组，如图1-20b所示。所示。图图1-20 混合式步进电动机结构原理图混合式步进电动机结构原理图a)S极性转子径向剖面图 b)轴向视图 c)N极性转子段径向剖面图图图1-21 两相绕组接线图两相绕组接线图 步距角及步距误差步距角及步距误差 静态矩角特性和最大静转矩静态矩角特性和最大静转矩最大起动转矩最大起动转矩最大起动频率最大起动频率连续运行频率连续运行频率图图1-22 步进电动机距角特性步进电动机距角特性 图图1-23 步进电动机最大起动转矩步进电动机最大起动转矩 一般单相异步电动机有以下几种类型：一般单相异步电动机有以下

15、几种类型： 图图1-24 主绕组通电时的机械特性曲线主绕组通电时的机械特性曲线 图图1-25 单相异步电动机的起动特性单相异步电动机的起动特性 图图1-26 单相电阻分相起动异步电动机接线图和矢量图单相电阻分相起动异步电动机接线图和矢量图 图图1-27 单相电容分州起动异步电动机接线图和矢量图单相电容分州起动异步电动机接线图和矢量图 图图1-29 单相电容运转单相电容运转异步电动机异步电动机 图图1-30 单相电容起动单相电容起动与运转异步电动机与运转异步电动机 图图1-31 单相罩极式异步电动机的结构及矢量图单相罩极式异步电动机的结构及矢量图 图图1-32 直流伺服电动机的特件直流伺服电动机

16、的特件a) 机械特性 b) 调节特性图图1-33 交流伺服电动机自转现象的避免交流伺服电动机自转现象的避免 交流伺服电动机利用控制信号电压交流伺服电动机利用控制信号电压UK的大小的大小和相位的变化，控制转速随之变化和相位的变化，控制转速随之变化.改变改变UK的的大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，控制方法主要有三种：控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制幅值控制、相位控制和和幅值幅值相位相位控制。控制。图图1-34 交流伺服电动机帽值控制交流伺服电动机帽值控制(a)控制接线图 (b) Ff最大瞬间图图1-35 幅值控制时的机械特性与调节特性幅值控制时

17、的机械特性与调节特性(a)机械特性 (b) 调节特性 图图1-36 相位控制相位控制 图图1-37 幅值幅值-相位控制相位控制 1.4 力矩电动机力矩电动机图图1-38 直流力矩电动机直流力矩电动机 a）分装式 b）内装式1.5 微型同步电动机微型同步电动机微型同步电动机微型同步电动机与与交流同步电动机交流同步电动机一样，转子转速恒一样，转子转速恒为同步转速为同步转速n0，使用在转速要求恒定的装置中例如，使用在转速要求恒定的装置中例如电唱机、录音机、电视设备、电钟、时间机构、记录电唱机、录音机、电视设备、电钟、时间机构、记录仪表装置、陀螺仪等。仪表装置、陀螺仪等。 微型同步电动机微型同步电动机

18、的定子结构与异步电动机定子是一样的定子结构与异步电动机定子是一样的，有单相的也有三相的，定子绕组通电后建立气隙的，有单相的也有三相的，定子绕组通电后建立气隙旋转磁通势。转子的极数与定子极数相同，依据转子旋转磁通势。转子的极数与定子极数相同，依据转子不同的类型，微型同步电动机分成永磁式、反应式和不同的类型，微型同步电动机分成永磁式、反应式和磁滞式几种。磁滞式几种。1. 永磁式微型同步电动机永磁式微型同步电动机 ：永磁式微型同步电动机的转子是一个永永磁式微型同步电动机的转子是一个永久磁铁，久磁铁，N、S极沿着圆周方向交替排列。当极沿着圆周方向交替排列。当电动机运行时，定子产生转速为电动机运行时，定子产生转速为n0的旋转磁的旋转磁通势，转子则以通势，转子则以n0转速随之同步旋转，图转速随之同步旋转，图1-38为永磁式微型同步电