第4章电工基础

1、第第4 4章章 电机电机根据电磁感应原理进行电能与机械能互相转换的旋转机械称为电机。把机械能转换为电能的电机称为发电机，把电能转换为机械能的电机称为电动机。电动机分类: 1.按电源的种类分:交流电动机和直流电动机。 2.按外壳尺寸或功率的大小分:大、中、小型和微型电动机。 大型电动机:1000kW以上 中型电动机:1001000kW 小型电动机:0.6100kW 微型电动机:数百毫瓦到数百瓦。 241三相异步电动机411 基本结构 三相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子，按转子结构的不同又分为笼型异步电动机和绕线式异步电动机两类。3定子绕组是用绝缘铜线或铝线绕制而成，对称三相定子绕组U1

2、U2、V1V2、W1W2按一定规律嵌放在槽中，六个接线端都引到机座外的接线盒中，以便将其作星形或三角形联结.41. 定子 转子主要由转轴、转子铁心和转子绕组等组成。 按转子绕组结构不同，转子分为笼型转子和绕线转子两种。 52. 转子（1）笼型铸铝转子：中小型异步电动机的转子常用铸铝转子，即采用离心铸铝法将熔化了的铸铝在转子铁心槽内成为一个整体，连两端的短路环和风扇叶片一起铸成，如图4.6。6（2）笼型铜条转子：即在转子铁心槽内放置没有绝缘的铜条，铜条的两端用短路环焊接起来，形成一个笼子的形状，如图4.7所示。主要用于功率较大的异步电动机上。7 三相异步电动机一接上电源，转子就会转动，这是什么原

3、因呢? 在一个可以转动的马蹄形磁极中间，放一个可以自由转动的笼型转子.当用手摇动马蹄形磁极使之转动时，发现转子也随磁极一起转动。 如果三相异步电动机通入三相交流电后能产生旋转磁场，则转子也会转动。84.1.2 工作原理1. 旋转磁场 当三相对称电流通入三相异步电动机定子的三相对称绕组时，就在定子内建立起一个在空间连续旋转的磁场，此磁场称为旋转磁场。9 （1）旋转磁场的产生 图4.9,定子铁心有六个槽，三相绕组U1U2、V1V2、W1W2在空间互差120，末端U2、V2、W2形成星形联结，绕组的首端U1、V1、W1分别接在三相对称电源U、V、W相上，绕组中便有三相对称电流通过。波形如图4.10。

4、11 在正半周时，电流从绕组的首端流进，末端流出；在负半周时，电流从末端流进，首端流出。 当t=0o时，合成磁场按右手螺旋定则画出，如图4.10(a) 。磁场是两极的，即磁极对数p=1。 当t=120o时，如图4.10(b) ，仍有p=1，但合成磁场在空间的位置已按顺时针方向旋转了120。 同理，可画出t=240o和t=360o时的合成磁场如图4.10(c)、(d)所示，合成磁场在空间的位置已分别按顺时针方向旋转了240和360。 由此可见: 当三相异步电动机定子绕组通入三相对称电流后，在电动机中所产生的合成磁场是一个在空间旋转的磁场。12(2) 旋转磁场的旋转方向 由图，当电流相序为UVW时

5、，旋转磁场是按顺时针方向旋转，由UVW；当电流相序为UWV，发现旋转磁场将按逆时针方向旋转。 所以：旋转磁场的旋转方向总是同通入定子三相绕组中电流的相序一致。（3) 旋转磁场的转速 旋转磁场的磁极对数与三相定子的结构有关。若电流的频率为f1 ，则旋转磁场每分钟的转速：13旋转磁场的转速n0也称为同步转速。14 2.转动原理 当异步电动机定子绕组接通三相电源以后，定子绕组便有三相对称电流通过，在空间产生一个旋转磁场，如图4.11所示。 转子和旋转磁场之间有相对运动，旋转磁场的磁感线将切割转子导体，使之产生感应电动势。 感应电动势感应电流 电磁力 电磁转矩转子便在T的作用下顺着旋转磁场的旋转方向转

6、动起来。U1U2V1V2W1W2+转子转子定子定子磁场转速磁场转速n0n 转子总是以 的转速,与旋转磁场沿同一方向旋转。因此，这种电动机称为异步电动机。 显然，旋转磁场的转速与转子转速的差值 是异步电动机运行的必要条件。此差值与同步转速之比，称为转差率，用s表示，即16 在电动机起动瞬间， ；随着n的上升，s不断下降；当电动机在额定负载下运行时，电动机的额定转速接近同步转速，它的额定转差率sN 很小，一般为1%8%。式(4.3)也可以为 要改变电动机的转动方向，只需改变三相电源的相序，把接到定子三相绕组首端上的任意两根电源线对调即可，如图4.12所示。例4.1有一台三相异步电动机，其额定转速n

7、N=1430r/min，求电动机的极数和额定转差率。解: nN=1430r/min，与其最接近的同步转速为:n0=1500r/min 由表4.1可知，电动机的磁极对数 ， 故电动机为4极电动机。额定转差率为 184.1.3 电磁转矩与机械特性1. 电磁转矩 电动机能转动是由于电磁转矩驱动转子转动的结果，电磁转矩决定了电动机拖动生产机械的能力。 (1) 电磁转矩 异步电动机转子导体中的电流，在旋转磁场磁通的作用下产生电磁力，电磁力对转轴形成电磁转矩T。异步电动机的电磁转矩为 式中，kT是一个取决于电动机结构的常数，转子电流I2、转子电路的功率因数cos2、旋转磁场每相磁通19(2) 转矩特性 异

8、步电动机的转矩特性是指在电源电压为定值时，电动机的电磁转矩与转差率之间的关系， 如图4.13。 可以看出，s在0与1之间。当电动机接通电源,转子尚未转动的瞬间，s=1，其对应的转矩T称为起动转矩Tst。如果起动转矩大于负载转矩，则电动机转子将升速，转差率s随之减小。当s=sm时，电动机可产生一个最大转矩Tm。20 2. 机械特性机械特性是指在电源电压不变的情况下，电磁转矩T与转速n之间的变化关系，即 曲线，如图。 曲线上的两个区域和三个重要转矩 (1) 稳定区和不稳定区 以最大转矩Tm为界，分为稳定运行区(ac段)和不稳定区(cd段)。 当电动机工作在稳定区上某一点(如b点)时，保持匀速转动。

9、如果负载转矩TL变化，电磁转矩T 将随之变化达到新的平衡而稳定运行。21 例如由于某种原因负载转矩突然增加(如切削机床的进刀量加大)，则在该瞬间TTL，于是转速n下降，电磁转矩自动增大，直到增大到T=TL时，n不再降低,将有: TL(TTL)nTT=TL 反之，若负载转矩由于某种原因突然减小，将有: TL(TTL)nTT=TL 电动机将在较高的转速下稳定运行。 可见: 在TL不超过Tm的情况下，电动机轴上输出转矩必定随负载而变化，最后达到平衡并稳定运行。22 如果电动机工作在不稳定区，则电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，因而不能稳定运行。 (2) 三个重要转矩 额定转矩TN额定转矩:电动机在

10、额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，其轴上输出的转矩。电动机转轴上的功率等于角频率和转矩T的乘积，即P=T， 故:式中的单位为rad/s，PN的单位为kW，n的单位为r/min，TN的单位为Nm。为了避免电动机出现过热现象，一般不允许电动机在超过额定转矩的情况下长期运行，但允许短期过载运行。23例4.2 有Y160M-4及Y180L-8型三相异步电动机各一台，额定功率都是11kW，前者额定转速1460 r/min，后者额定转速730 r/min，分别求它们的额定输出转矩。解：对Y160M-4型电动机而言 对Y180L-8型电动机而言 由此可见:输出功率相同的异步电动机如极数多,则转速就

11、低,输出转矩就大; 极数少,转速高,则输出转矩就小。24 最大转矩Tm 最大转矩Tm:电动机能够提供的极限转矩。 电动机运行中的机械负载不可超过最大转矩，否则 导致堵转。堵转时电流达到额定电流的47倍。 为了描述电动机允许的瞬时过载能力，通常用最大转矩与额定转矩的比值Tm/TN来表示，称为过载能力m，即 一般三相异步电动机的过载能力为1.82.2。 起动转矩Tst 电动机在接通电源被起动的最初瞬间，n=0，s=1，这时的转矩称为起动转矩Tst。 如果起动转矩小于负载转矩，即TstTL，则电动机不能起动。这时与堵转情况一样，电动机的电流达到最大，容易过热。 如果起动转矩大于负载转矩，即Tst T

12、L ，则转速n越来越高，电磁转矩T增大，随着n的升高，T又逐渐减小，直到T=TL时，电动机就以某一转速稳定运行。 26 异步电动机的起动能力通常用起动转矩与额定转矩的比值Tst/TN来表示，称为起动能力st，即 一般三相笼型异步电动机的起动能力不大，st约为1.02.2。例4.3 有一台三相笼型异步电动机，其额定功率为30kW，额定转速为1470r/min，st=1.2，m=2，额定效率N=0.88，求额定转矩TN、起动转矩Tst、最大转矩Tm及额定输入功率P1N。 解：由式4.6可知，电动机的额定转矩为 27起动转矩为Tst=1.2TN=1.2194.9 Nm =233.9Nm最大转矩为Tm

13、 =2TN=2194.9 Nm =389.8Nm额定输入功率为 kW4.1.4 铭牌数据、使用与维护1铭牌数据 电动机的外壳上都有一块铭牌，标志着这台电动机的主要规格，如型号、额定数据、使用条件等项目，它对于电动机的正确使用、维护、维修都是必不可少的。（1） 型号 表示电动机的品种、规格，由字母和数字组成，其含义如下： Y系列电动机为全封闭自冷式笼型三相异步电动机。 优点:高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠等. 适用范围：驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如金属切削机床、水泵、风机、运输机、搅拌机、农业机械、食品加工机械等。异步电动机常见型号及其含义如表4.2所示。30 (2

14、) 功率和效率 功率：电动机在铭牌规定条件下正常工作时电动机转轴上的额定输出功率，也称容量，用PN表示。 效率： PN与P1N之比，用表示。（P1N：电动机从电源取用的功率称为输入功率P1N）(3) 额定电压 额定电压：电动机在额定状态下运行时加到定子绕组上的线电压。 (4) 额定电流 额定电流：电动机在额定电压下轴上输出额定功率时定子绕组的线电流。 (5) 额定转速 额定转速：电动机在额定状态下运行时转子的速度。31(6) 额定频率 我国的工频为50Hz，额定频率是指加在电动机定子绕组上的电源频率。(7) 功率因数 功率因数：电动机输出额定功率时定子绕组相电压与相电流之间相位差的余弦。 三相

15、异步电动机的功率因数很低，在额定负载时为0.70.9，而在轻载或空载时更低，空载时只有0.20.3。 (8) 接法 指电动机三相绕组六个线端的连接方法。 星形(Y)联结 ， 三角形()联结。32例4.4 Y112M-4型电动机的参数如铭牌数据所列,求此电动机的效率。解：输入功率 输出功率 PN=4kW 效率 (9) 温升 在稳定状态下，电动机温度与环境温度之差，叫电动机温升。而环境温度规定为40，如果温升为60，表明电动机温度不能超过100。 (10) 绝缘等级 指电动机绕组所用绝缘材料按它的允许耐热程度规定的等级。 3334 (11) 工作方式 电动机的工作方式分为以下三种。 连续工作方式：

16、可以按铭牌上规定的功率长期连续使用。 短时工作方式：每次只允许在规定的时间内按额定功率运行，如果连续使用，会使电动机过热。 断续工作方式：电动机以间歇方式运行。2. 选择 根据生产机械的需要和工作条件合理地选用电动机的种类、结构型式、电压和转速、功率。选择电动机的原则是可靠、经济与安全。 (1) 种类的选择 三相笼型异步电动机具有构造简单、价格便宜、运行可靠、硬机械特性、有一定过载能力、维护及控制方便等优点。 凡额定功率小于100kW，而且不要求调速的生产机械，如水泵、风机、运输机、压缩机、金属切削机床等设备，都广泛使用三相笼型异步电动机。 (2) 结构型式的选择 电动机外型结构的选择，一方面

17、要保证安全可靠地工作，另一方面要考虑经济节约。 353637(3) 电压和转速的选择 功率小于100kW的Y系列笼型电动机的额定电压只有380V一个等级，只有大于100kW的才可在允许的条件下选用3kV、6kV或10kV的高压电动机。 功率相同的电动机，同步转速愈高，极对数愈少，体积就愈小，价格也愈便宜。 因此，转速高的电动机具有较高的经济指标。一般选用1500r/min较多，即四极异步电动机。 (4)功率(容量)的选择 选择电动机，首先要考虑的是电动机的功率(容量)的选择。合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。38 正确选择电动机功率除应满足生产机械的转矩及转速的要求外，还必须符合下列三点

18、选择准则： 电动机工作时，其发热应接近许可的温升，不得超过； 电动机必须具有一定的过载能力，以保证短时过载时能正常运行； 电动机应具有生产机械所需要的起动转矩。 39表4.5列出了电动机的种类、主要性能特点及典型选用实例。403. 维护与使用 电动机在运行前要注意检查以下几点： （1）电动机的紧固螺钉是否齐全，电动机的固定情况是否良好。 （2）电动机的传动机构运转是否灵活，工作是否可靠。 （3）绕线转子异步电动机的电刷与滑环之间是否清洁，有无灼伤痕迹。 （4）电动机和电源引入线的接头处有无松散和灼伤现象。 （5）电动机金属外壳上的接地线是否牢固。 （6）检查电动机各绕组之间、绕组与机壳(大地)

19、之间的绝缘电阻。低压电动机的绝缘电阻通常要求在0.5M以上，若绝缘电阻达不到要求，应将电动机烘干再用。维护时测量绝缘电阻一般应该使用电压等级为500V的兆欧表。41 （7）电动机运行中的监测：电动机在运行中，应注意它的各部分温度是否超过允许值，有无不正常的振动和噪音，有无绝缘漆被烧焦的气味。如发现有故障，应停止运行，及时检查修理。 4.2 单相异步电动机 单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电机。被广泛采用于办公场所、家用电器等方面，在工业、农业生产及其他领域也使用着不少单相异步电动机，如电钻、电风扇、小型鼓风机、小型车床、医疗器械等。42 单相异步电动机，其定子上放置有空间互

20、差90电角度的两相绕组，一相为主绕组（工作绕组），另一相为副绕组（起动绕组），在这两相定子绕组通入在时间上互差90的两相电流将产生旋转磁场。4.2.1 基本结构 单相异步电动机的结构，主要由定子、转子、端盖、轴承、外罩等组成。 431. 定子 单相异步电动机的定子铁心由硅钢片叠压而成，其定子绕组由两套独立的、在空间相差90电角度的对称分布绕组组成，一套是主绕组（工作绕组），另一套是副绕组（起动绕组），如图4.16所示为其原理结构图。442. 转子 单相异步电动机的转子与三相异步电动机相同，转子铁心用硅钢片叠压而成，套装在转轴上。转子铁心槽内装有笼型转子绕组。 4.2.2. 工作原理1工作特点

21、当定子单相绕组内通入单相交流电流后，则在定子铁心、转子铁心和空气隙中产生磁场。磁场的变化规律与正弦交流电流的变化规律一样，为4546 由此可见: 当单相异步电动机的定子绕组内通入单相交流电流后，产生的磁场大小及方向在不断变化，但磁场的轴线在空间保持固定的位置，磁场在空间只是脉动而不转动，称这种磁场为脉动磁场。 如果单相异步电动机的转子原来静止不动，则在脉动磁场作用下，转子导体因与磁场之间没有相对运动而不产生感应电动势和电流，也就不存在电磁力作用，因此转子仍然静止不动。 要使单相异步电动机能真正起动而旋转，必须使磁场能够旋转起来。472. 起动方法 从上可知，单相异步电动机不能自行起动，需附加起

22、动设备，使电动机获得起动转矩。常用的起动方法有电容分相式和罩极式两种。 （1）电容分相式电动机 电动机的定子绕组，除了工作绕组U以外，还有一个与工作绕组U在空间相隔90电角度的起动绕组V。绕组V与电容器相串联。在接入单相电源后，两个绕组中电流的相位差接近90电角度，这就是分相。即两相电流为48 这样，在空间相隔90电角度的两个绕组中，分别通入时间上相位差为90的两相电流，就可在空间产生旋转磁场。在这个旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿磁场旋转的方向转动起来，如图4.19所示。49 电容分相式电动机常用于机床、电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、通风机、冷冻机、录音机、电子仪表仪器及医疗器械等各种

23、空载或轻载起动的机械上。（2） 罩极式电动机 结构特点:定子上有凸出的磁极，定子的主绕组就绕在这磁极上。在磁极上有一凹槽，将磁极分成大小两部分，在磁极较小的部分上套着一个短路环，它相当于一个副绕组，这部分叫被罩部分，其余叫未罩部分，如图4.20（b）所示。50 当定子绕组通入单相交流电后，产生脉动磁场，这个磁场在空间被短路环分为两部分，其中一部分磁通设为1，穿过极面未罩部分，另一部分磁通2穿过短路环被罩部分，这两部分磁通极轴位置不同，在空间差一个角。 这样，这两个空间位置不同，时间上又有一定相位差的交变磁通就形成了旋转磁场。 罩极式电动机的主要优点:结构简单、制造方便、成本低、运行噪声小、维护

24、方便。 主要缺点:起动性能及运行性能较差，效率和功率因数都较低，主要用于小功率空载起动的场合，在台式电风扇、仪用电风扇、电唱机上使用。51423 使用与维护 单相异步电动机的使用基本上与三相异步电动机相仿。在电动机的运行过程中也要经常注意电动机的转速是否正常，能否正常起动，温升是否过高，是否有焦臭味，在运行中有无杂音和振动等。524.3 直流电动机 在生产实际中,对调速要求较高的生产机械（如龙门刨床、轧钢机等）或者需要较大起动转矩的生产机械（如起动机械、电力牵引设备等）以前曾采用直流电动机。 随着三相异步电动机变频调速技术的快速发展，现已基本上被变频调速三相异步电动机取代。4.3.1 基本结构

25、 直流电动机和直流发电机统称为直流电机，两者的结构相同。 直流发电机是在原动机的拖动下，将机械能转换成电能；直流电动机是将输入的直流电能转换成轴上的机械能。541定子 定子主要有主磁极、附加磁极、机座、端盖、轴承和电刷等部件，是电机磁路的主要部分。 主磁极的铁心用硅钢片或钢板冲制而用螺钉固定在机座内壁上，其上套有电磁线圈，当直流电流通过线圈时便产生固定方向的主磁通。 附加磁极(又称换向极)，它的作用是产生大小随负载电流变化而方向不变的附加磁通，用于改善电流换向，减小电刷与换向片表面的接触火花。552. 转子 转子主要有电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和电刷装置等部件组成，是电机电路的主要部分。

26、 电枢铁心:固定电枢绕组，也是主磁通磁路的一部分。 电枢绕组:产生感应电动势和通过电流，是电机电路的主要部分，是实现能量转换的枢纽，它与电枢铁心一起称作电机的电枢。 换向器:由一定数量特殊形状的铜片组装而成。其作用是将输入电刷两端的直流电变为电枢绕组内的交流电，以保证在同一磁极下的电流方向一致，使电机产生方向不变的电磁转矩 。56 电刷装置是直流电压、电流引入或引出的导电装置，它包括电刷、刷握、刷杆座等组件。 直流电机的电枢、换向器和电刷装置如图4.22所示。574.3.2 工作原理及励磁方式1. 工作原理 直流电动机的工作原理是基于载流导体与磁场之间的相互作用。图4.23是最简单的直流电动机

27、原理图。58 (1) 转动原理 当外加直流电源加在电刷两端时，直流电流通入电枢线圈，线圈每个边的导体在磁场中受电磁力F的作用。 如图4.23(a) ，转矩的方向是逆时针方向，使电枢旋转。转到图4.23(b)，两线圈边受到同方向的电磁力作用，其电磁转矩仍是逆时针方向。 由此可见:线圈中产生的电磁转矩是同一方向，使电动机连续旋转。 （2）电磁转矩 直流电动机的电磁转矩T的大小为式中CT为转矩常数。这说明电磁转矩T与每极磁通和电枢电流Ia的乘积成正比。59 直流电动机的电磁转矩T与转速n及轴上输出的机械功率P的关系式为（3）电枢电动势和电流 电枢转动时，各导体均切割主磁通而产生反电动势。 在电枢电路

28、中(如图4.24所示)，加于电枢绕组两端的电压U等于电枢电阻Ra的电压降RaIa与反电动势E之和，即故电枢电流为 由于Ra一般很小，所以当电枢电压一定时， 电枢电动势E对电枢电流Ia起着决定性的作用。 U=E+RaIa (4.14)602.励磁方式 直流电动机按励磁方式的不同，可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机四种。(1)他励电动机 他励是指励磁电路与电枢电路各自由单独的直流电源供电，如图4.25（a）所示。 (2)并励电动机 电动机的励磁绕组和电枢绕组相并联，如图4.25（b）所示。并励电动机的励磁绕组一般匝数较多，导线较细，励磁电流If约为额定电枢电流的1%5%，采用与励

29、磁绕组相串联的磁场变阻器来调节励磁电流。61 （4）复励电动机 这类电动机有两组励磁绕组，一组与电枢绕组相并联，另一组与电枢绕组相串联，两组绕组套装在同一个主磁极上，如图4.25(d)所示。 （3)串励电动机 电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，如图4.25（c）所示。因为通过励磁绕组的电流就是电枢电流，即If =Ia，所以励磁绕组一般匝数较少，并用较粗的导线绕制。624.3.3 并励电动机和串励电动机的机械特性1. 并励电动机的机械特性 在四种励磁方式中，以并励电动机应用最为广泛。例如大型车床、磨床、刨床和某些冶金机械等。 并励电动机的机械特性是指电动机转速n与电磁转矩T之间的关系。分析可得

30、n = no-n （4.16) 式中no为T=0时的转速，称为理想空载转速。nT是反映电动机随负载增加而产生的转速降，当负载转矩增加时，电动机的转速降随之增大，但Ra值甚小，故n的变化量是很小的。63 由此可见: 并励电动机当负载转矩增加时，电动机的转速是略有下降的，n的变化量仅为(3%8%)nN，其机械特性如图4.26(a)所示。 必须注意，运行中的并励电动机的励磁电路绝不可断开，否则励磁电流等于零，在空载的情况下，电动机的转速将剧增，发生“飞车”现象。如在有载情况下，断开励磁电路，则电动机有可能停转，导致电枢电流剧增，烧坏电机。64652. 串励电动机的机械特性 串励电动机由于励磁绕组和电

31、枢绕组相串联，励磁电流就是电枢电流，因而磁通的大小与电枢电流Ia成正比。 串励电动机的转速随负载的变化而迅速变化，它的机械特性是软特性。当负载转矩T变小时, Ia变小，减小，转速n升高。如电动机空载，Ia很小，则有可能因电动机转速n过高而造成设备损坏或人身安全事故。663串励电动机与并励电动机性能的比较（1）并励电动机:硬特性，主要用于负载发生变化时，转速要求比较恒定的场合。 串励电动机:软特性，主要用于起动转矩要求较大，能在大范围内调速的场合，如起重吊车、起锚机、电动起重机、电传动机车、城市电车、蓄电池搬运车等上面。（2）串励电动机在空载或轻载时，转速很高，对电机本身及操作人员都不安全。 串

32、励电动机绝对不允许空载起动，不允许用皮带或链条传动。并励电动机在运行中如果磁通很小，也可能造成电动机转速过高而发生意外。因此并励电动机的磁场绕组决不允许开路。674.3.4 调速与反转 1 调速 电动机带负载运行时，人为地改变电动机的转速称为调速。 直流电动机具有极其可贵的调速性能，可以在宽广的范围内进行平滑而经济地调速。 根据直流电动机的机械特性，改变电枢电阻Ra、磁极磁通或电枢电压U都可以改变其机械特性。例如他励电动机的三种调速情况如图4.27所示。6869 图4.27 (a)是在电枢电路内串接可变电阻使电动机的机械特性变软，当Ra增大时，在同样负载下转速便下降，但在轻载时得不到低速。这种

33、调速方法仅适用于调速范围不大和调速时间不长的小功率电动机。图4.27(b)是在励磁电路中串联可变电阻，或减小励磁电源的电压，使电动机的磁通小于原来的额定值，因而能使电动机转速升高，机械特性也有所变软。图4.27 (c)是用单独的可变直流电源给电枢电路供电，可从电动机的额定电压向下调，使机械特性平行下移，硬度不变。这种调速方法调速范围较大。 图4.28是与这三种调速方法相对应的电路图。在调速要求很高的设备中，也可同时采用改变电枢电压和改变励磁电压两种方法进行调速。7071 从性能上说，采用电枢电压调速，能保证原有的机械特性的硬度，且调速范围很宽，但转速只能从基本转速往下调，其缺点是需要电压可调的

34、专用电源，相对来说投资费用较高。目前广泛采用电子变流设备，亦可方便地获得高效直流电能。 从经济上说，无论从投资和耗能上分析，采用调磁的方法最为简便。虽机械特性的硬度略有下降，但在一定范围内变化较小，特性仍较硬。其转速只能上调，调速范围较小，通常用作辅助调速用。 电枢电阻调速法，由于在调速电阻中通过的是电枢电流，故耗能大，电阻的价格也贵，特性变软，转速只能下调，目前已较少采用。722 反转 直流电动机的旋转方向，取决于电枢电流的方向和励磁电流的方向，任意改变其中之一，即可使电动机反转。并励电动机通常采用改变电枢电流的方向使其反转，如图4.29所示。串励电动机一般采用改变励磁绕组的电流方向，实现反

35、转。734.3.5 铭牌数据与使用1. 铭牌数据 每台直流电动机的机座上都钉有铭牌，它标明该电动机的型号、规格及正确使用的条件，如不按铭牌数据使用，就会造成事故，甚至烧坏电机。74 (1) 型号 表示电动机的类别，其中汉语拼音代号的意义见表4.6所示。例如：75(2) 额定电流 连续运行时允许由电源输入电动机的最大电流。(3) 额定电压 正常工作时应加的电源电压，一般为110V、220V和440V。(4) 额定转速 工作在额定电压、额定电流和额定励磁条件下的电动机的转速。(5) 额定功率 电压、电流、转速都处于额定状态下，电动机轴上的输出机械功率。输出为额定功率时，输出功率与输入功率之比称为电

36、机的额定效率。即 通常中小型直流电动机的效率约在70%90%之间，大型电动机可达90%以上。76选择 根据直流电动机的机械性能特点来进行直流电动机的选择,选择如表4.7所示。77使用和维护(1) 使用前的准备和检查 熟悉电动机的铭牌数据，理解铭牌上各项数据的含义。 清扫电动机内外灰尘和杂物。 拆除与电动机连接的所有多余的接线。用兆欧表测量绕组对机壳的绝缘电阻，若小于0.5 ，应进行干燥处理。 检查换向器表面是否光洁，如发现有烧痕或机械损伤，应进行研磨或车削处理。 检查电刷与换向器的接触情况和电刷磨损情况，如发现接触不够紧密或电刷太短，应调整电刷压力或更换电刷。78 (2) 维护保养 直流电动机

37、最容易发生故障的部位是换向器和电刷。电动机运行时，电刷在换向器表面不断磨擦，换向器会产生微弱的火花，如果火花过大则应检查原因。 换向器表面应经常保持光滑无痕，发现有灼痕及电刷磨下的碳粉，应及时磨光及擦洗干净。 电刷在磨损到原高度的1/3时就需要更换，新换的电刷与原电刷标号要相同。79 控制电机是指用于自动控制系统的具有特殊性能的小功率电机，常被用来在控制系统和计算装置中作为执行、检测、放大、校正、传递或转换元件。 4.4控制电机 控制电机应用十分宽广，例如：计算机关联设备（ 打印机、绘图仪等），工业机器人的传动装置（如图4.30所示），数控机床控制系统，阀门及水位的遥控，炉温的自动调节，雷达的

38、自动定位,医疗设备,家用电器设备等等，都使用了各种控制电机。 控制电机品种繁多，这里主要介绍常用的伺服电动机和步进电动机。804.4.1 伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，具有一种服从控制信号要求而动作的功能。在信号到来之前，转子静止不动；信号到来之后，转子立即转动；当信号消失，转子能立即自动停转。 伺服电动机将输入的电压信号转换成机械信号（转轴的角位移或角速度）输出，以驱动控制对象，输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压可以改变伺服电动机的转向和转速。 伺服电动机必须具备以下基本特性：81 (1) 可控性好：当控制电压消失后，能立即自动停转，无“自转”现象。 (2) 稳定性高

39、：转速随转矩的增加而均匀下降。 (3) 适应性强：对控制电压的反应灵敏、快速，起动要快。 (4) 调速范围宽：能在宽广的调速范围内运行。 伺服电动机按其所用电源，可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机，其外观如图4.31所示。82 1交流伺服电动机 图4.32为测温系统原理图。该系统主要由热电偶、比较元件、变流器、放大器、交流伺服电动机及指示记录机构等组成。 不平衡电压U经变流器、放大器输出，去控制、驱动伺服电动机，而后由伺服电动机反馈使U达到平衡(U=0)，并指示相应的温度值。 伺服电动机将电信号U传递并转换成机械信号，且带动测温仪指针偏转等控制、执行作用。83 在定子上装有两个绕组，一个是励

40、磁绕组，另一个是控制绕组，它们在空间相隔90。转子结构型式主要有两种：笼型转子和空心杯型转子。 交流伺服电动机实质上就是两相异步电动机，其结构由两部分组成：定子和转子。（1） 基本结构84 图4.34是交流伺服电动机工作原理图，图中F为励磁绕组，C为控制绕组。 （2） 工作原理 起动 当交流伺服电动机控制绕组不加电压时，气隙内磁场为励磁绕组电流产生的脉动磁场，电动机无起动转矩，转子不转。也就是说，电动机静止时，没有控制电压信号，电动机不会起动。 当控制绕组加上控制电压，且控制绕组内电流与励磁绕组内电流不同相时，作为两相异步电动机，空间相差90电角度的两个绕组，通以不同相的电流，在气隙中建立一定

41、大小的旋转磁场，产生了起动转矩，转子就旋转起来。85 停转 如果伺服电动机的参数与单相异步电动机的参数相似，那么，伺服电动机起动旋转以后，即使控制电压消失，它也会连续旋转而不停止，即伺服电动机失去控制。伺服电动机的这种失控而自行转动的现象称为“自转”。 如何消除自转呢? 转子电阻愈大，则最大转矩对应的临界转差率sm愈大。交流伺服电动机的转子电阻R2设计得大，可使临界转差率sm 1。这样，伺服电动机在控制电压为零、励磁电压单独作用的脉动磁场下，获得一个具有自制动性质的合成转矩。合成转矩的方向与转动方向相反，从而形成制动转矩而使伺服电动机立即停转。86交流伺服电动机的特性如图，其中图4.35（c）

42、为在不同控制电压下伺服电动机的机械特性曲线。从图可以看出，在一定负载转矩下，控制电压愈高，则转速也愈高；在一定控制电压下，负载增加，转速下降。872直流伺服电动机 位置随动系统示意图，和为电位器R和R轴的角位移(旋转角度)，它们分别正比于电压Ug和Uf，是控制量，是被控量，被控机械与R的轴连接，差值电压Ud=Ug-Uf经放大后去控制伺服电动机，伺服电动机经过传动机构带动被控机械，使跟随而变化。88（1） 结构特点 直流伺服电动机励磁方式通常为他励式或永磁式。他励式直流伺服电动机的磁极是由磁极铁心套上励磁绕组组成，永磁式直流伺服电动机的磁极是用永久磁铁制成。（2） 工作原理 励磁绕组中流过电流所

43、产生的磁通与电枢绕组中通过的电流互相作用时即产生电磁转矩，使伺服电动机旋转。当这两个绕组中有一个断电时，伺服电动机能立即停转。89 直流伺服电动机的控制方式有两种: 电枢控制方式 励磁恒定，电枢电压作为控制信号，这时电枢绕组称为控制绕组，励磁电压称为控制电压。 磁极控制方式 电枢电压恒定，励磁绕组接受控制信号，这时励磁绕组称为控制绕组，励磁电压称为控制电压。 由于电枢控制的机械特性线性度好，在控制电压消失后，只有励磁绕组通电，损耗较小。另外，电枢回路电感小，响应迅速，所以大多数直流伺服电动机都采用电枢控制。90 由图可见，升高电枢电压（UC），电动机的转速随之升高，反之降低电枢电压，电动机的转

44、速随之降低，若电枢电压为0，则电动机就停转。当控制电压UC为不同值时，机械特性为一簇平行直线。91 3. 交直流伺服电动机的性能比较 在自动控制系统中，交、直流伺服电动机应用都很广泛。 (1) 机械特性 直流伺服电动机转矩随转速的增加而均匀下降，斜率固定。在不同控制电压下，机械特性曲线是平行的，即机械特性是线性的，而且机械特性为硬特性，负载转矩的变化对转速的影响很小。 交流伺服电动机的机械特性是非线性的，电容移相控制时非线性更为严重，而且斜率随控制电压的变化而变化，这会给系统的稳定和校正带来困难。92 (2) “自转”现象 直流伺服电动机无“自转”现象。交流伺服电动机若设计参数选择不当或制造工艺不良，在单相状态下会产生“自转”而失控。 (3) 体积、重量和效率 交流伺服电动机的转子电阻相当大，所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。 交流伺服电动机只适用于小功率系统，功率较大的控制系统普遍采用直流伺服电动机。93 (4) 结构 直流伺