第4章2电动机

1、第第 4 章章 问题：问题：。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍倍 电动机的起动电动机的起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。起动。星形星形-三角形三角形(Y ) 换接起动换接起动自耦降压起动自耦降压起动(3) 转子串电阻起动转子串电阻起动以下介绍降压起动和转子串电阻起动。以下介绍降压起动和转子串电阻起动。ZUIll3:Y 星形联结时星形联结时ZUIll3 三三角角形形联联结结时时：31Y llII31YlIZlU+U1U2V1V1W1W2 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2Z

2、L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1动触点动触点Y动触点动触点静触点静触点L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1UPU1+Ul+U2V1V2W1W2 工作工作L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2Ul+U1V1V2W1W2lUU31P (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )(2StUT (b) Y 起动起动 ststTIY 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合SYtst31TT UlU1W2V2W1

3、+U2V1UP+Ul+U1W2V2W1U2V1L1L3L2FUQQ2R 12220220)(st2IIRXREIRR滑环滑环电刷电刷定子定子转子转子起动电阻起动电阻 R2 Tst 22022212stXRURKT 22RR stTTOn0nmaxT2R2R stT M3M3A2849230880380310453. 1)NNN3N2Ncos310 UPI 一台一台Y225M-4型的三相异步电型的三相异步电 动机，定子动机，定子绕组绕组型联结，其额定数据为：型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V， N=92.3%，cos N=0.88， Ist/IN=7

4、.0, Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：，求： 2）由由nN=1480r/min，可知，可知 p=2 （四极电动机）（四极电动机）minr 15000/n 013. 015001480150000N nnns 3）mN 429014804595509550NN2N .nPTmN 9638429022)(NNmaxmax .TTTTmN 8551429091)(NNstst .TTTT 在在上例中上例中(1)如果负载转矩为如果负载转矩为 510.2Nm, 试问在试问在U=UN和和U =0.9UN两种情况下电动机能否起动？（两种情况下电动机能否起动？（2）采用采用Y- 换接起动时

5、，求起动电流和起动转矩。换接起动时，求起动电流和起动转矩。 又又当负载转矩为起动转矩的当负载转矩为起动转矩的80%和和50%时，电动机能否时，电动机能否起动？起动？ (1) Tst = 551.8Nm 510.2 N. m mN2510mN 4478551902st .T (2) Ist =7IN=7 84.2=589.4 AA519645983131st stY.II 在在U = 0.9UN 时时132329183%8042909183%80NstY .TT121459183%5042909183%50NstY .TT起动起动mN918385513131ststY.TT(3) pfsnsn1

6、06011 f=50HzM3 +变频调速方法变频调速方法恒转距调速（恒转距调速（f1f1N）变频调速方法可实现无级平滑调速变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2A1A2X1X2NNSSA1X1A2X2iiP=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1A2X1X2SN

7、Tn0no22RR2R2R(变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nnTLTLs sTs2R2Ro制动方法制动方法机械制动机械制动电气制动电气制动能耗制动能耗制动反接制动反接制动发电反馈制动发电反馈制动 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作入直流电流，直流电

8、流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。使转子迅速停止转动。nF转子转子T n0=0 +-运转运转制动制动RP运转运转nFT n0 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。距变为制动转距。同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。电网。nF转子转子T n0n n0 磁极数磁极数( 极对数极对数

9、 p = 2 )例如：例如： Y 132 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座长度代号机座中心高（机座中心高（mm）三相异步电动机三相异步电动机教材表教材表4.8.1中列出了各种电动机的系列代号。中列出了各种电动机的系列代号。异步电动机产品名称代号异步电动机产品名称代号接线盒接线盒。通常。通常联结联结电机容量电机容量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4U2U1W2V1V2W1U1U2W2U2V2V1W1U1W1V1W2V2例如：例如：380/220V、Y/ 是指线电压为是指线电压为 380V 时采用时采用 Y联结联结；线电压为

10、；线电压为 220V 时采用时采用 联结联结。 表示星形表示星形联结联结下电下电机的线电流为机的线电流为 6.73A；三角形；三角形联结联结下线电流为下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为。两种接法下相电流均为 6.73A。12PP cos3NN1IUP 鼠笼电机鼠笼电机 =7293电动机在额定运行时定子绕组的电动机在额定运行时定子绕组的额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率，它不等于从电源吸取的电功率 P1。PN 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载

11、时约为为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有。空载时功率因数很低，只有0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。额定负载时，功率因数最高。 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cos O 0N0Nnnns 额额定定转转差差率率指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为为A、E、B、F、H五级，五级，A级最低级最低(105C)，H级最高级最高(180C)。 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。因过载而损坏。1. 对于连续运行的电动机，所选功率

12、应等于或略对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。大于生产机械的功率。2. 对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。的功率。 一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。电动机。根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。式、防护式、

13、封闭式电动机。根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。定。Y系列鼠笼电动机的额定电压只有系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率一个等级。大功率电动机才采用电动机才采用3000V和和6000V。转子一般用鼠笼式转子一般用鼠笼式定子定子定子定子绕组绕组转子转子AA NSiAABBA iBtIi sinAmA )90sin(BmB tIi 正弦波形如图所示。正弦波形如图所示。iBiAmIit O 45t 0 t ABBAo0 t ABBA 90t 0 t ABBA两相旋转磁场两相旋转磁场450900iBiAmIit OABBi

14、AiBA 12 将开关将开关S合在位置合在位置1，电容，电容C与与B绕组串联，电流绕组串联，电流 iB较较iA超前近超前近90 ；当；当将将S切换到位置切换到位置2，电容，电容C与与A绕组串联，电流绕组串联，电流iA 较较iB 超超前近前近90 。这样就改变了旋转磁。这样就改变了旋转磁场的转向，从而实现电动机的场的转向，从而实现电动机的反转。反转。i 1 2定子绕组定子绕组鼠笼式转子鼠笼式转子短路环短路环极掌极掌(极靴极靴) 当电流当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁通流过定子绕组时，产生了一部分磁通 1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成

15、了磁通 2 。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得 2在相位上在相位上滞后滞后 1 ，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。 罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向不能改变，常用于电风扇、吹风机中；不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相电容分相式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，故常用于洗衣机等电器中。故常用于洗衣机等电器中。 解：解：电动机电磁转

16、矩电动机电磁转矩T U12 ，当电源电压下降低，当电源电压下降低时，电磁转矩减小，使转速下降，转差率增加，转时，电磁转矩减小，使转速下降，转差率增加，转子电流和定子电流子电流和定子电流都会增大。稳定时电磁转矩等于机械负载转矩，但都会增大。稳定时电磁转矩等于机械负载转矩，但转矩降低了，定、转子电流却增大了。过程如下：转矩降低了，定、转子电流却增大了。过程如下： TIISnUTU12211)(使使T =TC 。 例：例： 三相异步电动机在一定的负载转矩下运行三相异步电动机在一定的负载转矩下运行时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速有无变化？有无变化

17、？v伺服电机原理伺服电机原理:v伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。伺服电机主要靠脉精度决定于编码器的精度（线数）。伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1

18、个个脉冲，就会旋转脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位

19、，可以达到动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。v伺服电机特点：伺服电机特点：当信号电压为零时无自转现象，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。转速随着转矩的增加而匀速下降。v一般分类如下：一般分类如下：1. 直流伺服电机（直流伺服电机（DC）（线圈在转子上）（线圈在转子上） 优点：接上直流电源就可运转。改变电压或电流优点：接上直流电源就可运转。改变电压或电流即可成比例的控制转速和转矩。即可成比例的控制转速和转矩。 缺点：转子上有电刷和换向器，需维护。缺点：转子上有电刷和换向器，需维护。2. 交流伺服电机（交流伺服电机（AC） 优点：不需维护。优点：不需维护。 缺

20、点：电路复杂，成本高。缺点：电路复杂，成本高。 交流伺服电机分为同步和异步。交流伺服电机分为同步和异步。（1）同步电机）同步电机 转子由永磁体构成，线圈在定子上。特点：电源转子由永磁体构成，线圈在定子上。特点：电源频率一定时，其转速是恒定的，多用在长期连续频率一定时，其转速是恒定的，多用在长期连续工作且转速不变的场合。工作且转速不变的场合。（2）异步电机）异步电机 转子有绕组形成的电磁铁构成，转子和定子上都转子有绕组形成的电磁铁构成，转子和定子上都有线圈，定子绕组叫一次绕组，转子绕组叫二次有线圈，定子绕组叫一次绕组，转子绕组叫二次绕组。绕组。(绕组即多组线圈缠绕的意思绕组即多组线圈缠绕的意思)

21、v异步电机包括感应电机、双馈异步电异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。下，一般可称感应电机为异步电机。异步电机主要用于日常生活，用途很异步电机主要用于日常生活，用途很广，异步电机是一种交流电机，其负广，异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。是恒定关系。v3. 步进电机步进电机v步进电机原理步进电机原理:通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组通常电机的转子为永磁体，当电流流

22、过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转

23、。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。的通电顺序来控制步进电机的转动。v步进电机也叫脉冲电机。可直接用数字信号控制，步进电机也叫脉冲电机。可直接用数字信号控制，与计算机接口方便。可以通过控制脉冲频率来控与计算机接口方便。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。的。v步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高

24、于该值，电机不能正常启动，可如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。率应更低。v步进电机缺点：能量利用率低，有失步（输入脉步进电机缺点：能量利用率低，有失步（输入脉冲而电机未转动）和越步（也叫过冲即多走步数）冲而电机未转动）和越步（也叫过冲即多走步数）错误。失步和越步多出现在启动和停止时。而且错误。失步和越步多出现在启动和停止时。而且容易发生低频振动现象。容易发生低频振动现象。v步进电机的主要特性：步进电机的主要特性： 1、步进电机必须加驱动才可以运转，、步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号驱动

25、信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。成正比。 2、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。性。 3、改变脉冲的顺序，、改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方可以方便的改变转动的方向。向。 4、步进电机只有周期性的误差而无累积误差、步进电机只有周期性的误差而无累积误差! 因此，目前打印机，绘图仪，机器人等等设因此，目前打印机，绘

26、图仪，机器人等等设备都以步进电机为动力核心。备都以步进电机为动力核心。v步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种开环控制的装置，它和现代数字步进电机是一种开环控制的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电制的发

27、展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。现就二者的使用性能作一比较。v一、控制精度不同一、控制精度不同v两相混合式步进电机步距角一般为两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相，五相混合式步进电机步距角一般为混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生

28、产的一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。v交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，

29、对于带标准证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于。对于带带17位编码器的电机而言，驱动器每接收位编码器的电机而言，驱动器每接收2的的17次方即次方即131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.00275。是步距角为。是步距角为1.8的步进电的步进电机的脉冲当量的机的脉冲当量的1/655。v二、低频特性不同二、低频特性不同v步进电机在低速时易出现低频振动现象。振

30、动频率与负载情况和步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术用细分技术(在步进电机上加拨码开关实现在步进电机上加拨码开关实现

31、)等。等。v交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，），可检测出机械的共振点，便于系统调整。便于系统调整。v三、矩频特性不同三、矩频特性不同v步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM(rotation per minute )。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为为2000RPM或或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。速以上为恒功率输出。v四、过载能力不同四、过载能力不同v步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强步进电机一般不