第二章电机电器及其控制技术

1、 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY电机的作用电机的作用控制电机控制电机阀门控

2、制阀门控制火炮控制火炮控制计算机计算机驱动各种机驱动各种机械和装备械和装备电动机电动机机床机床水泵水泵电能的生产、电能的生产、传输和分配传输和分配 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY18311831年年法拉第创造了第一部感应发电机的模型法拉第创造了第一部感应发电机的模型18341834年年雅可比发明了功率为雅可比发明了功率为15W15W的棒状铁芯电动机的棒状铁芯电动机18361836年年达文波特首先尝试用电动机驱动机械达文波特首先尝试用电动机驱动

3、机械18451845年年惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发电机惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发电机18661866年年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机18701870年年格拉姆制成了环形电枢自激发电机格拉姆制成了环形电枢自激发电机18781878年年出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一直沿用至今出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一直沿用至今18801880年年爱迪生制造了名为爱迪生制造了名为“巨象巨象”的大型直流发电机的大型直流发电机18851885年年费拉里斯提出旋转磁场原理，研制出两相异步电动机费拉里斯提

4、出旋转磁场原理，研制出两相异步电动机18881888年年俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1882年英国人费朗蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输电的概念英国人费朗蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输电的概念1882年英国人高登制造了大型两相交流发电机英国人高登制造了大型两相交流发电机1882年法国人高兰德和英国人约翰法国人高兰德和英国人约翰吉布斯成功研制了第一台实用变

5、压器吉布斯成功研制了第一台实用变压器1884年英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压输电成为现布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压输电成为现实实 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1、电机的分类、电机的分类按在应用中按在应用中的功能分类的功能分类变压器变压器变流机变流机变频机变频机移相机移相机控制电机控制电机按应用的按应用的电流种类电流

6、种类按运行速度分按运行速度分类类变压器变压器直流电机直流电机异步电机异步电机同步电机同步电机按功率分类按功率分类大型电机大型电机中小型电机中小型电机微型电机微型电机特种电机特种电机步进电机步进电机无刷电机无刷电机开关磁阻电机开关磁阻电机超声波电机超声波电机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2、发电机、发电机将机械能将机械能转变为电转变为电能的机械能的机械 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSI

7、TY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直流电机的结构直流电机的结构 1 1 定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括主定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括主磁极、换向极、机座和电刷装置。磁极、换向极、机座和电刷装置。2 2 转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩，实转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。

8、主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。转轴和风扇等。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2、发电机、发电机将机械能将机械能转变为电转变为电能的机械能的机械 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY；2、发电机、发电机将机械能将机械能转变为电转变

9、为电能的机械能的机械定子转子 （a）转子定子(b) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNO

10、LOGY在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高线速度极高，最大可达最大可达170170米米/ /秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成力，大型汽轮发电机都做成细长细长的隐极式的隐极式圆柱体圆柱体转子。考虑到转子冷却和强转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。 转子长度转子长度/ /直径直径=2.5=2.5 6.56.5，且容量愈大比值愈大。，且容量愈大比值愈大。 ANHUI UN

11、IVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY水轮发电机的水轮发电机的特点特点是：极数多，直径大，是：极数多，直径大，轴向长度短轴向长度短，整个转子在外形上与汽，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。转子转子：水轮发电机由于水轮机的：水轮发电机由于水轮机的转速较低转速较低，要发出工频电能，发电机的，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较

12、为简单。凸极式转子 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3、电动机、电动机将电能转将电能转变为机械变为机械能的机械能的机械转子定子铁心机座定子绕组 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（1）电机的可逆）电机的可逆原理：直流电机可原理：直流电机可作为发电机运行，作为发电机运行，也可作为电动机运也可作为电动

13、机运行。行。（2）换向器的作）换向器的作用是实现电枢线圈用是实现电枢线圈内的交流电动势、内的交流电动势、电流与电刷的直流电流与电刷的直流电压、电流之间的电压、电流之间的转化。转化。直流电动机直流电动机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直流电机的励磁直流电机的励磁 直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁（并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。（并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。 ANHUI

14、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 实现交流电能与机械能转换的装置被称为实现交流电能与机械能转换的装置被称为交流电动交流电动机机。 交流电机有两大类：交流电机有两大类：异步电动机异步电动机和和同步电动机同步电动机。 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系，异步电机则不然。应关系，异步电机则不然。 异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，

15、使转子绕组感生电流，产生电依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。磁转矩，实现机电能量转换。交流电动机交流电动机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理工作原理 三相异步电机的转子结构三相异步电机的转子结构三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。两端分别用铜环将它们连接成

16、一个整体。 三相异步电机转子感应电动势和电流的产生三相异步电机转子感应电动势和电流的产生三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形成感转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形成感应电流。应电流。 三相异步电机转子产生转矩并形成旋转三相异步电机转子产生转矩并形成旋转导条内产生的感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟导条内产生的

17、感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。着旋转磁场旋转。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY异步电动机的调速异步电动机的调速 1 1 交流调速系统发展方向交流调速系统发展方向（1 1）一般性能的节能调速）一般性能的节能调速（2 2）高性能交流调速系统）高性能交流调速系统（3 3）特大容量和极高转速的交流调速）特大容量和极高转速的交流调速 2 2 异步电动机的调速异步电动机的调速（1 1）变极调速）变极调速（2 2）变频调速）

18、变频调速（3 3）变转差率调速）变转差率调速 1 1）改变定子端电压）改变定子端电压 2 2）改变转子电阻）改变转子电阻 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3电电动动机机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY永磁直线同步电机工作原理永磁直线同步电机工作原理旋转电机展开为直线电机示意图旋转电机展开为直线

19、电机示意图 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4、变压器、变压器将一种电将一种电压的电能压的电能变换为另变换为另一种电压一种电压的电能的的电能的装置装置 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECH

20、NOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成。绕在铁芯上的两个绕组组成。变压器原理图变压器原理图 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三相组式变压器三相组式变压器三相芯式变压器三相芯式变压器 ANHUI UNIVERSITY OF T

21、ECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特种电机、特种电机1）永磁无刷）永磁无刷电动机电动机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1934年，E.F.W. Alexanderson博士提出用开关器件替代有刷直流电动机的机械电刷的构想； 1955年，美国的D.Harrison首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械换向器的专利； 197

22、8年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOG

23、Y ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF

24、 TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 使用位置传感器及功率电子开关代替传使用位置传感器及功率电子开关代替传统直流电动机中的电刷和换向器，是一统直流电动机中的电刷和换向器，是一种集永磁电动机、电力电子技术、微机种集永磁电动机、电力电子技术、微机技术和现代控制技术为一体的装置。技术和现代控制技术为一体的装置。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOG

25、Y ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 新型无位置传感器检测方法与控新型无位置传感器检测方法与控制制 全数字、高性能控制系统全数字、高性能控制系统 应用研究应用研究(电动车、智能家电电动车、智能家电) 位置传感器是无刷电机的重要部件；位置传感器是无刷电机的重要部件； 无刷直流电机可以通过改变电压调速；无刷直流电机可以通过改变电压调速；通过改变相序转向。通过改变相序转向。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI U

26、NIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特种电机、特种电机2）直线电机）直线电机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI

27、UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYF定子定子NSIa2aI2aI电枢电枢FV直线直流电动机工作原理直线直流电动机工作原理电枢导体中的电流与主磁极磁场作用，产生电电枢导体中的电流与主磁极磁场作用，产生电磁力。动子在该电磁力作用下沿直线运动。磁力。动子在该电磁力作用下沿直线运动。总总电磁力：电磁力：Fem=NBliaN：总匝数；总匝数；B：气隙磁密；气隙磁密；l:导体有效长度；导体有效长度；ia：导体

28、电流导体电流 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直线直流电动机工作原理直线直流电动机工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 磁悬浮列车中直线电机的应用磁悬浮列车中直线电机的应用 高速切削与精密加工高速切削与精密加工 交通运输及传输机械交通运输及传输机械 ANHUI UNIVERSITY OF

29、TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 与旋转电机传动相比， 直线电机传动主要具有下列优点优点： (1) 直线电机由于不需要中间传动机械， 因而使整个机械得到简化， 提高了精度， 减少了振动和噪音； (2) 快速响应： 用直线电机驱动时， 由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响， 因而加速和减速时间短，

30、 可实现快速启动和正反向运行； (3) 仪表用的直线电机， 可以省去电刷和换向器等易损零件， 提高可靠性， 延长使用寿命； ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特种电机、特种电机3）步进电动）步进电动机机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利

31、用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。 步进电动机的机理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子

32、绕组定子绕组 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。成一相。这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线路同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

33、ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工作方式工作方式1吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁化，化，A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA341

34、2 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿齿和和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相通电位置转相通电位置转30 ；1C342CABBAC相通电再转相通电再转30 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工作方式工作方式2三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通

35、电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电

36、（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF T

37、ECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止。转动的速度和脉冲的频率成正比。 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特种电机、特种电机4）超导电机）超导电机 ANHUI

38、UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特种电机、特种电机5）超声波压）超声波压电电动机电电动机 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称为USM)，是利用压电材料的为激励，使定子弹性体在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上)，并通过定子和转子(或动子

39、)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机需由电磁效应获得转矩和转速的概念。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1948年，年，Williams和和Brown申请了历史上第一个申请了历史上第一个“压电压电马达马达“的专利，其结构如图的专利，其结构如图1所示。这一发明点燃了研究超所示。这一发明点燃了研究超声声电机的火花。电机的火花。超声电机技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI

40、UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1961年年，日本，日本Bulova公司利用音叉的往复位移驱动如公司利用音叉的往复位移驱动如图图2所示的钟表齿轮所示的钟表齿轮，这种钟表的工作，这种钟表的工作频率为频率为360Hz，其月，其月误误差只有一分钟差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，也是人类尝试，打破了那个时代的纪录，也是人类尝试利用弹性振动获得动力的开始。利用弹性振动获得动力的开始。超声电机技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI UNIVERSITY O

41、F TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1965年年，前苏联，前苏联Lavrinenco提出了如图提出了如图3所示的超声电所示的超声电机机，该电机利用压电板的振动来驱动转子。，该电机利用压电板的振动来驱动转子。LavrinencoLavrinenco申申请了国家专利请了国家专利，并归纳出了超声电机具有结构简单、成本，并归纳出了超声电机具有结构简单、成本低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性转换效率高等特性。超

42、声电机技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1973年年, , IBM公司的公司的Barth提出了如图提出了如图4所示的具有现代所示的具有现代超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角尖形的压电振子产生振动，通过压电振子的牛角尖端与转子尖形的压电振子产生振动，通过压电振子的牛角尖端与转子表面接触、摩擦来驱使转子转动。表面接触、摩擦来驱使转子转动。超声电机

43、技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 日本日本Sashida于于1982年提出年提出并制造并制造了如图了如图7所示的驻波型所示的驻波型压电超声电机压电超声电机，该电机使用，该电机使用Langevin振子振子，驱动频率为，驱动频率为27. 8 kHz，电输入功率为，电输入功率为90W，机械输出功率为，机械输出功率为50W，输出扭矩为输出扭矩为0. 25 Nm，输，输出转速出转速为为2000 r/min，效率，效率55

44、%。可以说可以说，Sashida研制的这个研制的这个压电超声压电超声电机电机，在性能上是，在性能上是第一次能够满足实际使用第一次能够满足实际使用的要求。的要求。由于该由于该电机的振动片电机的振动片与转子的接触是固定在一个位置上与转子的接触是固定在一个位置上，接触表面上存在着，接触表面上存在着严重的磨损问题。严重的磨损问题。超声电机技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 为了解决接触表面上存在着严重的磨损问题，为了解决

45、接触表面上存在着严重的磨损问题，Sashida又于又于1983年提出并制造了另一台超声电机年提出并制造了另一台超声电机行波型超声电行波型超声电机，并于机，并于1985年在美国申请了行波型超声电机的专利，其原年在美国申请了行波型超声电机的专利，其原理如图理如图8所示。该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变所示。该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦磨损。这种电机的研究成功，为压电超声电接触面上的摩擦磨损。这种电机的研究成功，为压电超声电机走向实用阶段开辟了道路。机走向实用阶段开辟

46、了道路。超声电机技术及其起源超声电机技术及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOL

47、OGY逆压电效应简介逆压电效应简介 压电效应是在压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应使晶体发生极化的现象

48、，称为正压电效应；反之，将一块晶；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应应，也称为电致伸缩效应。 超声电机工作原理超声电机工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY

49、OF TECHNOLOGY 超声波电机利用压电材料的超声波电机利用压电材料的逆压电效应逆压电效应产生超声波振动产生超声波振动, ,把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没有磁传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没有磁极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少振动体极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间加一层摩和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间加一层摩擦材料。当在振动体的压电陶瓷擦材料。当在振动体的压电陶

50、瓷(PZT)上施加上施加20KHz以上超以上超声波频率的交流电压时，逆压电效应能够在振动体内激发出声波频率的交流电压时，逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动，几十千赫的超声波振动，因此，超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和因此，超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。超声电机工作原理超声电机工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI

51、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。驱动作用。 右图所示当右图所示当定子产生超声振定子产生超声振动时，其上的接动时，其上的接触摩擦点（质点）触摩擦点（质点）A做周期运动，做周期运动，轨迹为一椭圆。轨迹为一椭圆。当当A

52、点运动到椭圆点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子旋转；当旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去，则对并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去，则对转子具有连续的定向拨动作用，从而使转子连续不断地旋转。转子具有连续的定向拨动作用，从而使转子连续不断地旋转。超声电机工作原理超声电机工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用 相位差相位差的取值就决定了椭圆运动的旋转方向。当的取值就决定了椭圆运动的旋转方向。当OO时，椭圆运动为顺时针方向，当时，椭圆运动为顺时针方向，当OIdIUdUUd ANHUI UNIVERSITY OF TECHNO