电工电子第十章

第十章电机

10.1三相异步电动机的结构和工作原理10.2三相异步电动机的运行特性10.3三相异步电动机的起动10.4三相异步电动机的调速、反转和制动10.5三相异步电动机的选择、使用和维修10.6单相异步电动机10.7直流电动机10.8控制电机10.9本章小结按照电机功能分类可分为发电机和电动机两大类。发电机是利用电磁感应原理将机械能转变成电能的装置。分交流发电机和直流发电机。电动机是用来将电能转换或机械能的装置。分为交流电动机和直流电动机。交流电动机又有三相和单相之分，同步和异步之分。第一节三相异步电动机的结构和工作原理

一、三相异步电动机的结构

组成：固定部分——定子；转动部分——转子。a）b）图10-1三相异步电动机的结构a）外形b）内部结构a）

b）

图10-2绕线式转子

a）外形b）外接变阻器的等效电路

异步电动机只有定子绕组与交流电源联接，转子则是自行闭合的。虽然定子绕组和转子绕组在电路上是相互分开的，但两者却在同一磁路上。二、旋转磁场

图10-3异步转动示意图

1．旋转磁场的产生把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。iU=ImsinωtiV=Imsin（ωt-120°）iW=Imsin（ωt+120°）图10-4三相异步电动机定子绕组连接示意图a）内部绕组示意图b）接线原理图绕组中电流的实际方向，可由对应瞬时电流的正负来确定。为此，我们规定：当电流为正时，其实际方向从首端流入，从末端流出；当电流为负时，其实际方向从末端流入，从首端流出。凡电流进入端标以，流出端标以⊙。2．旋转磁场的转速与转向（10-1）

旋转磁场的转速n1决定于电流的频率f1和电动机磁极对数P。又我国的电源频率为f1=50HZ旋转磁场的转速n1也称为“同步转速”。三、转动原理图10-8异步电动机转动原理

旋转磁场切割转子上的导体产生感应电势和电流，此电流又与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，使转子跟随旋转磁场同向转动，其原理与图10-3所示的情况相同。四、运行过程与转差率（10-2）

电动机在额定情况运行时，一般转差率S=0.02~0.06，用百分数表示则为S=2%~6%。如前所述，转子的转速n永远小于旋转磁场的转速（既同步转速）n1，转子总是紧跟着旋转磁场以n＜n1的转速同方向旋转。若旋转磁场的方向反转，转子也将反向转动。习题1-31-41-5第二节三相异步电动机的运行特性

三相异步电动机的运行特性主要是指三相异步电动机在运行时电动机的功率、转矩、转速相互之间的关系。一、电磁转矩

异步电动机的电磁转矩是由于具有转子电流I2的转子绕组在磁场中受力而产生的，电磁转矩的大小与转子电流I2和反映磁场强度的每极磁通成正比。因此电动机的电磁转矩与转子电流的有功分量成正比。异步电动机电磁转矩的物理表达式（10-3）

KT称为异步电机的“转矩常数”，它与电机本身结构有关。T=U12

T=KT

I2cos2

（10-4）

若定子电路的外加电压U1及其频率f1为定值，则R2和X20均为常数，因此，电磁转矩仅随转差率S而改变。把不同的S值（0~1之间）代入式（10-4）中，便可绘出转矩曲线，如图10-9所示，转矩曲线又称T—S曲线。图10-9转矩特性曲线

异步电动机的最大转矩以及最大转矩的转差率Sm，可用数学求最大值的方法（略）求得Sm=

（10-5）

把式（10-5）的最大转差率代入式（10-4）Tmax

（10-6）

结论:异步电动机产生的最大转矩Tmax和转子电阻R2的大小无关，但Sm与R2增大，Sm也增大，转矩曲线向右偏移；反之则向左偏移。如图10-10所示。最大转矩图10-10不同R2时的转矩特性曲线

在电动机起动时，n=0、S=1，由式（10-4）起动转矩（10-7）

随着转子电路中电阻R2的增加，起动转矩Tst也逐渐增加。由式（10-6）和式（10-7）影响最大转矩Tmax和起动转矩Tst的最突出因素是电源电压U1，它们都与U1的平方成正比。二、转矩与功率的关系

电动机稳定运行时:T=TC

T=TL+T0≈TL

T=TL=

T=9550（10-8）

[例10-1]一台三相异步电动机，定子绕组接到频率

f1=50HZ的三相对称电源上，已知它在额定转速

nN=960r/min下运行，求:（1）该电动机的磁极对数P为多少？（2）额定转差率是多少？解：（1）求磁极对数（2）额定转差率根据额定转速（960r/min）来估算旋转磁场的同步转速n1=1000r/min[例10-2]有一Y225M-4型三相异步电动机，由铭牌上知UN=380V，PN=45Kw，nN=1480r/min，起动转矩与额定转矩之比Tst/TN=1.9，试求：（1）额定转差率；（2）起动转矩；（3）如果负载转矩为510N·m，问在U1=UN和U’1=0.9UN两种情况下电动机能否起动？由额定转速1480r/min可推算出同步转速n0=1500r/min解：（1）（2）Tst=1.9TN=1.9×290.4N·m=551.8N·m

（3）Tst=551.8N·m＞510N·m可以起动。

当U1=UN时:当U1=0.9UN时：

Tst=(.09)2×551.8=447N·m＜510N·m

所以不能起动。

三、三相异步电动机机械特性

它反映了电动机电磁转矩和转速之间的关系。电动机的“机械特性”:图10-11三相异步电动机的机械特性

AB区段：电动机的转速n较高，S值较小。BC区段：电动机的转速较低，S值较大。机械特性曲线除包含上述两个区段外，还有三个特殊点，既Tst、Tmax、TN三点。过载能力，就是最大转矩与额定转矩的比值m

（10-9）

过载能力一般取m=1.8~1.6为了反映电动机起动性能，把它的起动转矩与额定转矩之比称为“起动能力”S

（10-10）

起动能力一般为S=1.1~1.8电动机从空载到满载转速下降很少，这样的特性称为“硬特性”结论：1）异步电动机具有硬的机械特性，负载的变化在工作区引起的转速变化很小；2）异步电动机具有较大的过载能力；3）异步电动机的最大转矩和转子电路中的电阻R2无关，而达到最大转矩时的转差率Sm则与R2成正比；4）异步电动机的电磁转矩与加在定子绕组上电源电压的平方成正比。因此，电源电压的变动对异步电动机转矩的影响较大。[例10-3]已知一台三相50HZ线绕式异步电动机，额定功率为PN=100kW，额定转速nN=950r/min，过载能力m=2.4，求该电机的额定转矩和最大转矩。解：m习题2-32-42-5第三节三相异步电动机的起动

一、起动性能

异步电动机的起动性能，包括起动电流、起动转矩、起动时间和起动设备的经济性、可靠性等，其中最主要的是起动电流和起动转矩。电动机在起动时既要把起动电流限制在一定数值内，同时又要有足够大的起动转矩，以便缩短起动过程，提高生产率。二、笼形电动机的起动

1．直接起动图10-12笼形电动机直接起动电路

直接起动是在定子绕组上直接加上额定电压来起动的，又叫全压起动。起动简单，起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。适用于电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％。2．降压起动降压起动是在起动时利用起动设备，使加在电动机定子绕组上的电压U1降低此时磁通随U1成正比地减小，其转子电动势E2、转子起动电流I2st和定子电路的起动电流I1st也随之减小。常用的降压起动方法有下列几种：降压起动时，减小了起动电流，但起动转矩也减小了。1）定子电路串接电阻起动需要串接较大的电阻才能得到一定的电压降，消耗了大量电能。图10-13笼形电动机定子串电阻起动电路图10-14笼形电动机Y–△起动电路2）Y-△起动起动设备的费用小，在起动过程中没有电能损失。3）用自耦变压器起动图10-15自耦变压器起动电路容量较大的（尤其是大容量而且在正常工作时作Y连接的）笼形电动机采用自耦变压器起动。三、线绕式电动机的起动线绕式电动机是在转子电路中接入电阻来进行起动的.图10-16线绕式电动机转子串电阻起动电路

图10-17线绕式电动机转子串电阻的机械特性

[例10-4]一台笼形三相异步电动机，已知：PN=60kW，UN=380V，IN=136A，nN=1450r/min，起动电流倍数KI=6.5，S=1.1，求直接起动时的起动电流Ist和起动转矩Tst。解：直接起动时的起动电流Ist=KIIN=6.5×136A=884A起动转矩Tst=STN=1.1×9550×N·m=434.69N·m

习题3-23-3第四节三相异步电动机的调速、反转和制动

一、异步电动机的调速

S=（n1-n）/n1

转差率:可以通过改变:1．改变电源频率f1

2．改变转差率3．改变定子绕组的磁极对数P

二、异步电动机的反转

把接到电动机上的三根电源线中的任意两根对调一下，电动机便会反向旋转。三、异步电动机的制动

1.反接制动反接制动设备简单，制动迅速，但制动时有冲击，制动过程中能量消耗较大。图10-18三相异步电动机反接制动

a）反接制动电路b）反接制动原理

需要直流电源设备，制动准确、平稳，能量消耗小。2．能耗制动图10-19三相异步电动机能耗制动

a）能耗制动电路b）能耗制动原理

两种制动方法相比，各有其优缺点。反接制动:优点是:制动力强，制动迅速，无需直流电源。缺点是:制动过程中冲击强烈，易损坏传动零件，频繁地反接制动，会使电动机过热而损坏。能耗制动:优点是：制动力较强且平稳，无冲击。缺点是：需要直流电源，在电动机功率较大时直流制动设备价格较贵，低速时制动转矩较小。四、三相异步电动机铭牌

图10-20三相异步电动机的铭牌

1）型号2）额定频率指加在电动机定子绕组上的允许频率，国产异步电动机的额定频率为50HZ。3）额定电压：指定子三相绕组规定应加的线电压值。一般应为380V。4）额定功率：电动机在额定转速下长期持续工作时，电动机不过热，轴上所能输出的机械功率。N·m

（10-11）

额定转矩5）额定电流：当电动机轴上输出额定功率时，定子电路取用的线电流。6）额定转速：指电动机在额定负载时的转子转速。7）绝缘等级：指电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级。表10-1绝缘材料耐热性能等级

习题4-14-2第五节三相异步电动机的选择、使用和维修

一、异步电动机的选择

1．类型的选择异步电动机有笼形和线绕式两种。笼形电动机结构简单、维修容易、价格低廉，但起动性能较差，一般空载或轻载起动的生产机械方可选用。线绕式电动机起动转矩大，起动电流小，但结构复杂，起动和维护较麻烦，只用于需要大起动转矩的场合，如起重设备等；此外还可以用于需要适当调速的机械设备。2．转速的选择异步电动机的转速接近同步转速，而同步转速（磁场转速）是以磁极对数P来分档的，在两档之间的转速是没有的。电动机转速选择的原则是使其尽可能接近生产机械的转速，以简化传动装置。3．容量的选择电动机容量（功率）大小的选择，是由生产机械决定的，也就是说，由负载所需的功率决定的。二、异步电动机的运行与维修

1）电源条件电源电压、频率和相数应与电动机铭牌数据相等。电源电压为对称系统、电压额定值的偏差不超过±5%（频率为额定值时）；频率的偏差不得超过±1%（电压为额定值时）。2）环境条件电动机运行地点的环境温度不得超过40℃，适用于室内通风干燥等。运行条件：3）负载条件电动机的性能应与起动、制动、不同定额的负载以及变速或调速等负载条件相适应，使用时应保持负载不得超过电动机额定功率。正常运行中的维护应注意以下几点：1）电动机在正常运行时的温度不应超过允许的限度。2）监视电动机负载电流。3）监视电源电压、频率的变化和电压的不平衡度。4）注意电动机的气味、振动和噪声。5）经常检查轴承发热、漏油情况，定期更换润滑油，滚动轴承滑脂不宜超过轴承室容积的70%。6）对绕线型转子电动机，应检查电刷与集电环间的接触、电刷磨损以及火花情况，如火花严重必须及时清理集电环表面，并校正电刷弹簧压力。7）注意保持电动机内部清洁，不允许有水滴、油污以及杂物等落入电动机内部。电动机的进风口必须保持畅通无阻。习题10.6单相异步电动机

单相异步电动机的容量一般在750W以下，与同容量的三相异步电动机相比，它的体积较大，运行性能较差，但是它结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便，通常广泛应用在小容量的场合，如电扇、洗衣机、油泵、砂轮机、空调等。电容分相单相异步电动机、电阻分相单相异步电动机单相罩极式电动机。单相异步电动机根据运行原理的不同分为:一、电容分相单相异步电动机

转子多为笼形，定子绕组有所不同，它是由两套绕组组成。由定子、转子、机座和端盖几大部分组成。一套是工作绕组U1U2（或称主绕组），一套是起动绕组Z1Z2（或称辅助绕组），这两套绕组在空间位置上相差90°。起动绕组与一电容串联后与工作绕组并联接单相交流电源，如图10-22所示。图10-22电容分相单相异步电动机a）结构示意图b）电路原理图

接通电源后，由于起动绕组Z1Z2串有电容，将使起动绕组中电流i2被移相，如果电容C选择适当可使i2在相位上超前工作绕组电流i1相位90°，这就叫“分相”。两个电流可分别表示为:i1=I1msinωti2=I2msin（ωt+90°）

电容运行单相异步电动机和电容起动单相异步电动机根据起动绕组是否参与正常运行:对掉电源两根接线是不可以改变电动机旋转方向的。注意:它们的波形如图10-23a所示。图10-23两相旋转磁场的产生a）分相电流波形b）两相旋转磁场

二、电阻分相单相异步电动机将电容起动单相异步电动机中的电容换成电阻，就构成了电阻起动单相异步电动机，如图10-24所示。图10-24电阻分相单相异步电动机原理图

电阻分相单相异步电动机起动转矩不大，宜于空载起动。三、单相罩极电动机

单相罩极电动机是一种结构非常简单的电动机，按照磁极形式的不同分为凸极式和隐极式两种，其中凸极式应用较多,旋转方向不易改变。图10-25凸极式单相罩极电动机的结构示意图

图10-26罩极电动机磁极中的磁通

习题6-1第七节直流电动机

与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。

直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。一、直流电动机的结构

图10-28直流电动机的内部结构

它是由固定和转动两大部分组成，固定部分称为定子，转动部分称为电枢。定子主要包括机座、主磁极、换向磁极和电刷装置等。

机座一般是由铸钢或钢板焊接而成，起着支承其它部件的作用，同时其中一部分传导磁通，叫做磁轭，它是电动机磁路的一部分。

主磁极是由固定在机座上的铁心及套在铁心上的励磁绕组组成，当励磁绕组中通入直流电流时，在铁心中就产生磁场，若改变励磁电流的方向，就改变了磁场的方向，即改变了主磁极的极性。在直流电动机中主磁极是成对的，可以是一对、两对或更多。对于小型直流电动机主磁极也可采用永久磁铁。

换向磁极简称换向极，它的体积比主磁极小，它也是由铁心和套在铁心上的绕组组成，换向极安装在两个主磁极之间，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极的作用是改善换向性能，使电动机在运行中，电刷与换向器之间的火花尽量小，减少换向器与电刷的烧烛。

电刷装置是由电刷和安装电刷的机构组成。直流电源是通过固定的电刷与旋转的换向器的滑动接触进入电动机的电枢绕组，电刷装置必须使电刷对换向器保持合适的压力和接触面积。电刷的个数与主磁极个数相同。电枢主要包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等。

电枢铁心是用来放置电枢绕组的，并且构成电机磁路的一部分。电枢铁心是由硅钢片叠成的圆柱体，它的外表有均匀分布的平行槽，槽内安放电枢绕组，装在轴上的电枢铁心如图10-29所示。图10-29直流电动机的电枢铁心

电枢绕组是由许多结构完全相同的线圈组成。这些线圈都嵌放在电枢铁心的槽里，每个线圈的两端分别按照一定的规律接在换向器上的两个换向片上，通过换向片把这些独立的线圈互相连接在一起。电枢是处在主磁极的磁场中，若电枢绕组通过电流，将产生电磁转矩，使电枢旋转，把电能转换为机械能。可见电枢在电动机中是起着能量转换的枢纽作用，所以称之为电枢。

换向器是由许多楔形铜片（换向片）叠成，构成一个圆桶形，相邻两换向片之间都垫有云母绝缘，每个换向片尾端有一个凸起部分，上面有一个小槽，电枢绕组每个线圈的端部就焊接在这个小槽里，换向器的外形如图10-30所示。换向器安装在转轴上，通过电刷使转动的电枢绕组与外部的直流电源连接，产生电枢绕组电流。图10-30直流电动机的换向器二、直流电动机工作原理

图10-31直流电动机工作原理图

直流电流I通过电刷A、换向片1、线圈ab边和cd边，最后经换向片2及电刷B回到电源负极。载流导线ab和cd在磁场中要受到电磁力F的作用，其方向可用左手定则确定.电流的方向:有效边在N极下时电流总是一个方向，在S极下时又总是另一个方向。三、直流电动机的励磁方式

直流电动机的励磁方式有:他励、并励、串励和复励。1．他励电动机他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个单独电源供电，它们在电路上没有联系.图10-32他励电动机a）结构示意图b）电路图

2．并励电动机并励电动机的励磁绕组同电枢并联。励磁电流不仅与励磁电路的电阻有关，而且还受电枢电压的影响。并励绕组承受着电枢两端的全部电压，其值较高，相应的并励绕组中的电阻值也较高。图10-33并励电动机a）结构示意图b）电路图3．串励电动机串励电动机的励磁绕组与电枢串联。为了减少串励绕组的电压损失及功率损耗，串励绕组应有较小的电阻。串励绕组的电阻在1以下。图10-34串励电动机a）结构示意图b）电路图

4．复励电动机磁极上有两个励磁绕组，一个同电枢绕组并联，另一个则同电枢绕组串联。图10-35复励电动机a）结构示意图b）电路图并励电动机、串励电动机、复励电动机若用原动机拖动即可用作发电机运行，其励磁电流都是由它们自己供给，又统称为自励发电机。四、他励电动机的机械特性

直流电动机的电磁转矩和转速n之间的关系，称为电动机的机械特性。图10-36他励直流电动机电路

F=BLI

T=CTIa

（10-12）

CT为电动机转矩系数电枢旋转后，绕组的线圈边又因切割磁力线而产生感应电动势。用右手定则判断，它的方向与绕组中的电流方向是相反的。起着阻碍电枢电流的作用，故称反电动势，用符号Ea表示Ea=Cen

（10-13）

Ce为电势系数电枢绕组中的电流Ia为（10-14）

（10-15）这是直流电动机电枢回路的电压平衡方程式，该式表示，电枢电压除了克服反电动势Ea的反抗外，还需克服电枢电流Ia在电枢电阻Ra上的压降。因此U＞E。上式等号两边乘以电流Ia，即得功率平衡方程式：（10-16）

UIa项为直流电源供电的电功率；为电枢绕组的铜损耗；EaIa项称为电磁功率，它转化为电动机的机械功率，如果不计摩擦损耗，它就是电动机输出的机械功率。将式（10-13）代入式（10-15），得电动机的转速为（10-17）

再把式（10-12）代入上式，（10-18）

必须注意，他励电动机在运转时切不可断开励磁电路，否则励磁电流等于零，磁极上仅有很小的剩磁，在空载时导致转速急剧增加，在负载时电机停转，电枢电流急剧增加，将引起严重后果。图10-37他励电动机机械特性

五、直流电动机的起动、调速和反转

1．起动Ist

直流电动机在直接起动时的电枢电流比其额定值大十几倍。这样大的电流会使换向器上产生强烈的火花，可能把换向器烧坏。起动时的具体方法：1）在电枢电路中串接起动变阻器，随着转速的上升再逐步将变阻器切除，起动结束时将电阻全部切除。这种方法适用于容量不大和不经常起动的直流电动机。2）降压起动，即先降低电枢电压来起动直流电动机，随着转速的上升将电枢电压逐渐提高到额定值。这种方法适用于容量较大的直流电动机。2．调速对于他励（或者并励）直流电动机的速度调节1）改变磁极的磁通磁通大小的改变，可调节励磁电路中串联的可变电阻器Rf的电阻值，如图10-38所示。图10-38并励电动机改变励磁调速由于电动机在设计时额定磁通N已接近饱和，所以磁通只能在N以下的范围内进行调节，此时转速在额定转速nN以上作匀速调节，故这种调速方法称为弱磁调速。2）改变电枢电路中的电阻压降在电枢电路中串联一个调速变阻器RS，如图10-39所示。图10-39电枢串联电阻调速

这种调速方法只能使电动机的转速在额定值以下作比较平滑的调节。3）改变电源电压电动机的电枢电压一般由直流电源直接供给，在保持励磁电流不变的情况，改变电源电压，电动机转速将得到改变。他励直流电动机的机械特性较硬，电压降低后其硬度不变，稳定性较好，调速的幅度也较大。如果电压能均匀调节，可得到平滑的无级调速。这些都是变压调速的优点。但这需要调节电压的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压或调磁来进行调速。3．反转1）保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流If的方向改变。2）保持励磁电流方向不变，把电枢绕组反接，使电枢电流Ia反向。六、直流电动机铭牌

1．型号型号表示直流电动机的类型。例如Z2—41Z—直流电动机2—第二次设计4—机座号（是电动机底脚到转轴中心的高度代号）1—铁心长度序号（1号为短铁心，2号为长铁心）直流电动机的型号还有其他表示方法，具体可查阅电工手册。其中2．额定电压指电动机额定工作状态下电动机的输入电压。3．额定电流指电动机长期连续运行时从电源输入的允许电流。4．额定转速指电动机工作在额定状态时的转速。5．额定功率指电动机在额定电压、额定电流和额定转速下，电动机轴上输出的机械功率。额定电压与额定电流的乘积为电动机的输入功率，额定功率与输入功率之比，称为电动机的额定效率，即6．额定励磁电流电动机工作在额定状态下，励磁绕组的电流。此外直流电动机铭牌上还有额定转矩、额定励磁电压、额定温升、励磁方式等。额定转矩:习题7-87-97-107-11第八节控制电机

控制电机主要是作为信号的测量、转换、传递及执行机构的驱动，它是具有可靠性高、精度高和反映灵敏的特点，广泛应用于自动控制系统和计算机装置中。一、伺服电动机

伺服电动机的功能是将电信号转换成与其大小相应的机械转速或角位移。常作为自动控制系统中的执行元件，其外形如图10-40所示。图10-40伺服电动机的外形

工作特点:有控制信号就旋转，无控制信号就停转，转向受控制信号的极性（相位）控制，转速与控制信号的大小成正比。伺服电动机分交流与直流两种，通常在自动控制系统中小功率的采用交流伺服电动机，稍大功率的采用直流伺服电动机。1．交流伺服电动机分为定子和转子两大部分。定子绕组为两相，一相为励磁绕组Lf，运行时接到交流电源上，电压记作Uf，另一相为控制绕组LC，接控制信号，控制信号电压记作UC。UC也是交流量与Uf同频率，一般为50HZ或400HZ。两相绕组在空间位置相差90°.图10-41交流伺服电动机原理图

图10-42杯形转子交流伺服电动机结构

转子结构形式主要有两种：鼠笼式转子与杯形转子。2）工作原理与机械特性图10-43交流伺服电动机机械特性励磁绕组和控制绕组在空间相隔90°，当两相绕组分别通过不同相位的电流时，就会在气隙中产生旋转磁场，使转子转动。当励磁电压不变，而改变控制电UC，则转速将随之变化。UC增大，转速增大；UC减小，转速减小；UC反相，旋转方向改变；UC为零，气隙中的磁场为单相脉动磁场，电动机停转。2．直流伺服电动机1）基本结构分为传统型和低惯量型两大类。传统型直流伺服电动机与普遍直流电动机在结构上相似，区别是功率小、电枢的体积小、重量轻、惯性小，起动、停止灵活。按励磁方式不同可分为电磁式和永磁式.低惯量型直流伺服电动机的特点是它通过电枢形式的改变使电枢体积更小、重量更轻、转动惯量更小，所以，它的控制容易，性能更稳定、灵敏度更高。低惯量直流伺服电动机的电枢形式可以分为盘型电枢式、空心杯电枢永磁式、无槽电枢式三类。2）工作原理属于他励直流电动机范畴，其工作原理与他励直流电动机一样。直流伺服电动机的控制方法有电枢控制和磁场控制。电枢控制就是电动机的励磁电压Uf固定即磁场恒定，电枢绕组接控制电压UC；磁场控制则与之相反。一般直流伺服电动机多采用电枢控制.图10-44直流伺服电动机的工作原理

图10-45直流伺服电动机机械特性

电动机的转速与控制电压UC成正比,改变UC的极性就可以改变旋转方向，UC为零时,电动机立即停止。

优点:机械特性是线性的,调速范围宽广平滑,利用电枢控制方式可实现线性的调速特性,起动转矩大,转矩和转速波动小,因而特别适合于精确定位和调速的控制系统.缺点:电动机存在换向器和电刷,有可能接触不良,产生火花等,影响电动机的性能稳定.二、步进电动机

步进电动机是一种把脉冲信号转换成直线位移或角度位移的执行元件。按相数可分为单相、两相、三相及多相步进电动机按其运方式可分为旋转运动型、直线运动型和平面运动型旋转型步进电动机又可分为反应式、永磁式和感应式。1．基本结构与工作原理图10-46三相反应式步进电动机工作原理图a）A相绕组通电b）B相绕组通电c）C相绕组通电

当A相绕组通电时,由于磁力线力图通过磁阻最小的途径,转子将受到磁阻转矩的作用,而必然转到其磁极轴线与A相绕组轴线重合.此时磁力线通过磁路的磁阻最小.因两轴线间的夹角为零,磁阻转矩为零,转子停止转动,如图10-46a所示.当A相断电,B相通电,由于同样原因,转子将逆时针方向转30°空间角,使其轴线与B相绕组轴线重合,如图10-46b所示.同样,B相断电,C相通电,如图10-46c所示.三相依次单相通电方式，称为“三相单三拍运行”.“三相”指三相绕组.“单”是指每次通电仅只有一相.“三拍”指三次通电为一“循环”，第四次通电重复第一次情况.此外，还有“双三拍”和“三相六拍”等。“双三拍”：AB-BC-CA-AB顺序通电，即每次有两相通电。不难看出，通电后所建立的磁场轴线与未通电的一相绕组轴线重合，因而转子磁极轴线与未通电一相的磁极轴线对齐，例如A、B相通电，与C-C极轴线对齐，按此方式运行“单三拍”相同，步距角不变。“三相单、双六拍”：按A-AB-B-BC-C-CA-A的顺序通电，相当于前述两种通电方式的综合，步距角为“三拍”方式的一半。图10-47三相反应式步进电动机结构

定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿。采用适当的齿数配合，使当A相磁极的小齿与转子小齿一一对正时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相磁极的小齿与转子小齿相互错开2/3齿距，如图10-48所示。图10-48定子和转子的齿配合

如果转子的齿数为40，则齿的间距角为360°/40=9°，1/3距角就是3°，也就是说此时步进电动机的步距角为3°。若采用三相单、双六拍通电方式运行即按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，同样步距角也要减小一半，即每一拍转子仅转动1.5°.一般情况下步距角b

ZR为转子的齿数，N为步进电动机的运行拍数。对于图10-47的步进电动机来说，ZR=40，三相单三拍时N=3，b

=3°；三相单、双六拍时N=6，b

=1.5°。（r/min）

2．驱动电源步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分如图10-49所示。图10-49步进电动机的驱动电源

三、测速发电机

测速发电机是一种将转速信号变换成电压信号的检测元件。它的输出电压与转速成正比。一类是交流测速发电机，一类是直流测速发电机。测速发电机可分为两大类:1．交流测速发电机交流测速发电机又有异步测速发电机与同步测速发电机之分。图10-50交流异步测速发电机的工作原理

图中N1表示励磁绕组,N2表示输出绕组.当频率为f1的电压U1加在励磁绕组以后,在发电机内的气隙中产生脉冲磁场d,脉动频率为f1,其轴线就是励磁绕组的轴线,与输出绕组N2轴线互相垂直.所以输出绕组N2不会产生感应电势,即测速发电机转速为零,输出电压信号为零.当转子以转速n旋转时,转子导体切割气隙磁通

d,在转子导条中又感应产生旋转电动势、电流和磁通q,其方向如图10-50所示.由此在输出绕组N2中感应产生电动势，由这个电动势产生的电压U2与转子转速成正比。转子转向相反时，输出电压相位也相反，这就是交流异步测速发电机基本工作原理。2．直流测速发电机分为两种，一种是他励式，一种是永磁式。结构与普通直流电动机相似，有定子和转子两部分。由于他励式需要一个恒定电源，故在实际应用中采用较少，采用较多的是永磁式。永磁式的定子用永久磁钢制成。一般为凸极式。按电枢结构，又可分为有槽式电枢和无槽式电枢，常用的为有槽式电枢结构。图10-51调速控制系统的原理图直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，转子上有电枢绕组和换向器，用电刷与外电路相连。习题８－３８－４８－６本章小结一、异步电动机的结构、工作原理、主要特性及铭牌数据

1．三相异步电动机主要由定子和转子构成，按转子结构的不同可分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机。鼠笼式结构简单、维护方便、价格便宜、应用最为广泛。绕线式可外接变阻器，起动、调速性能好。2．三相异步电动机的定子绕组通入三相交流电就产生旋转磁场，旋转磁场与转子导体之间的相对运行在转子导体内产生感应电动势与电流，此电流又与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力的作用产生转矩而旋转起来。异步电动机的转子导体与旋转磁场之间必须有相对运动，即转子的额定转速总是低于并接近旋转磁场的转速。旋转磁场的转速n1=60f1/p，与电源频率f1成正比，与电动机的磁极对数p成反比。旋转磁场的方向与三相定子电流的相序一致，将三根电源线中任意两根对调可使电动机反转。转差率s=（n1-n）/n1。3．三相异步电动机的转速n与转矩T的关系曲线n=f（T）称为电动机的机械特性曲线。三相异步电动机的额定转矩TN=9550PN/nN；最大转矩Tm=λmTN，λm为过载系数；起动转矩Tst=λsTN，λs为起动系数。三相异步电动机的转矩T∝U12，U1降低，n、T都降低。T还与R2有关，R2增加，机械特性变软。鼠笼式异步电动机具有硬机械特性，负载变化时转速变化不大。4．三相异步电动机的起动可分为直接起动和降压起动。直接起动时起动电流较大，对电网和其他用电设备有一定影响。降压起动的方法有：①电阻降压或电抗器降压；②星形—三角形起动；③自耦变压器起动等。降压起动时，减小了起动电流，但起动转矩也减小了。绕线式电动机