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文档简介

第8章直流电动机及其他8.1

直流电机的构造8.2

直流电机的基本工作原理8.4步进电机的构造8.3

直流电动机的实际构造模型8.5步进电机的工作原理8.5其他电机简介8.6自动控制8.1

直流电机的构造直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂,维修也不便,但由于它的调速性能较好和起动转矩较大,因此,对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。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:轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。

NS············NS8.1.1

直流电动机的构造极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。2.转子(电枢)

由铁心、绕组(线圈)、换向器组成。1.磁极永磁式:

由永久磁铁做成。励磁式:

磁极上绕线圈,线圈中通过直流电,形成电磁铁。励磁:

磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称为励磁。电枢铁心:由硅钢片叠装而成。电枢绕组:由结构、形状相同的线圈组成用来在电机中产生磁场。1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。8.1.2直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联,由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_If他励IaUM+_If+_IE并励4.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在同一电源上。3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa这是一个方形导线框,在线端头焊接两片半圆周的铜片。

8.2

直流电机的基本工作原理两片半圆周的铜片构成换向器,两个弹性铜片靠在换向器两侧是电刷。

电源通过电刷向导线框供电,线框中就有电流通过。

在线框两侧放一对磁极,形成磁场,线框处在磁场中。

当线框通有电流时,两侧导线就会受到磁场的作用力,这个力称为洛伦兹力,方向依左手定则判断,图中紫红色箭头表示电流方向、绿色半透明箭头是受力方向。

受到磁场作用力的线框会旋转,当旋转90度后,换向器改变了线框电流的方向,于是导线框会连续旋转下去,这就是直流电动机的工作原理。

8.3直流电动机的实际构造模型直流电动机的定子有一对主磁极,安装在机座上,机座也叫磁轭,是主磁极磁力线的通路。磁极与磁轭都是用导磁良好的钢铁制成。

在主磁极上安装有励磁绕组,绕组通电后就会在两个主磁极间产生主磁场。

直流电机转子也称为电枢,电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成,铁芯圆周均匀分布18个槽,用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。

定子铁芯与转子铁芯的磁路图,浅蓝色箭头线表示磁力线把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内,每个绕组都有一对引出线。

换向器有18个铜制换向片,排成圆筒形,固定在一个绝缘套筒上,换向片间留有缝隙,相互绝缘。此图用两个角度展示换向器的外观。

把换向器安装在电枢转轴上,把电枢绕组的引出线按规律焊接在换向片上。

为散去电机发出的热量,还要在电枢转轴上安装风扇。

电枢绕组通过电刷供电,电刷的主要成份是石墨,导电良好又润滑。电刷固定在刷握内,由弹簧片压向换向器。

有两个主磁极,故有两个电刷组,每个电刷组由两个电刷构成。电刷组固定在电刷座上,构成电刷装置。

电刷装置与换向器的位置关系如图所示,根据电枢绕组的常用绕法的线端头与换向器焊接位置,当磁极在上下方时两个电刷组分布在换向器上下两侧。

把电枢插入定子主磁极之间,见图

在电机前后两侧装上端盖(剖面),端盖上有轴承,支持电枢的旋转。电刷装置也固定在端盖上。

在电机端盖上有散热通风孔,在机座上有出线盒。

8.4

步进电动机的构造特点:

(1)来一个脉冲,转一个步距角。

(2)控制脉冲频率,可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序,可改变转动方向。

步进电机是利用电磁铁的作用原理,将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲,步进电机转动一定角度,带动机械移动一小段距离。由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求,因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈,依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应式步进电机的应用最广泛,它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。种类:励磁式和反应式两种。

步进电动机的应用非常广泛,如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用:数控装置步进电动机电位器放大器液压缸机械手电液伺服阀步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的动触电转动,使其偏离中点产生电位差,经放大后控制伺服阀的开口量,压力油经阀口进入油缸,使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。步进电动机的运转状态与普通电动机不同,它随供给电源的脉冲一步一步的转动,是一种数字电动机。步进电动机能随供给的电源脉冲数转动相应步数,而每一步的角度是固定的,所以步进电动机能按控制转动所需的圈数、角度,广泛应用在数控机床、自动化设备、仪器仪表等行业。本节介绍应用最广的反应式步进电动机。

反应式步进电动机是根据磁阻性质产生转矩工作的,遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理,由磁拉力形成转矩。前面介绍的开关磁阻电动机也可视为步进运行,因每切换一组线圈电源时转子就转动一定角度,只要停止切换转子就停止不动了,只不过每一步的角度是30度,应用在数控设备显然过于粗糙。实际应用的步进电动机步进角度较小,下面介绍的步进电动机模型每步为3度。

图1是步进电动机的定子铁心,在内周有六个磁极,每个磁极上有5个小齿,齿中心距为9度,齿宽与齿间隔大小一样,径向的两个磁极组成一对磁极,定子铁心由冲制的硅钢片叠制而成。

图2是步进电动机的转子铁心,转子上没有线圈,但在外圆周有40个小齿,齿中心距为9度,齿宽与齿间隔大小一样,转子铁心也由冲制的硅钢片叠制而成。

由于定子磁极上的小齿的齿宽与齿间隔与转子上的小齿一样,所以当定子的一对磁极小齿与转子小齿对齐时,另两对磁极小齿与转子小齿角度相差3度或-3度。图4是绕有线圈的定子与装有转轴的转子组装图。

反应式步进电机多为三相线圈,本模型的三对磁极可绕三组线圈组成三相绕组。由脉冲信号发生器按照给定的设置不断向步进电机驱动器发送控制脉冲信号,驱动器又根据转动方向与运转状态向三相线圈供电(每输入一个脉冲信号切换一次供电状态),每一个控制脉冲电信号转子转动一步,每步转的角度称为步距角。

三相线圈分为A、B、C三个线圈,图5是用三个开关晶体管向三个线圈供电的连接图:三个线圈的一端与电源正极相连,另一端分别与驱动器内三个开关晶体管连接,构成星形连接。每个时期仅有一个开关晶体管导通一个线圈通电,这是一种基本的也是常用的工作方式。

如图是步进电机的模型正视图,其展示了三相线圈的组合与连接,黄色线圈是A相线圈、绿色线圈是B相线圈、红色线圈是C相线圈。

8.5步进电机的工作原理图7是BG1导通A相线圈通电,此时转子被磁力吸引静止不动。

第一个控制脉冲来时,BG1截止BG2导通,B相线圈通电,磁通按最近的路径闭合,在磁力拉动下,转子开始向逆时针方向转动开关晶体管BG1连接A相线圈,开关晶体管BG2连接B相线圈,开关晶体管BG3连接C相线圈。下面的几个图片显示在控制脉冲作用下驱动器对三相线圈轮流接通电源拉动转子旋转的状态。

在磁力拉动下,转子向逆时针方向转动,图9是转到1.5度时的位置。

在磁力拉动下,转子向逆时针方向转动到3度,见图10,如果不来控制脉冲,转子将停止在这个角度不动,这样一个控制脉冲驱动转子转了一步,一个步距角为3度。

如果再来一个控制脉冲,开关晶体管BG2截止BG3导通,C线圈通电,转子在磁拉力作用下开始继续转动。

在磁力拉动下,转子向逆时针方向转动到6度,见图12,如果不来控制脉冲,转子将停止在这个角度不动,这样第二个控制脉冲驱动转子又转了一步,总共转了6度,两个步距角。

如果再来一个控制脉冲,开关晶体管BG3截止BG1导通,A线圈通电,转子在磁拉力作用下开始继续转动。

在磁力拉动下,转子向逆时针方向转动到9度,见图14,此时状态与初始位置图7相同,转子一共转了3个步距角共9度,也就是转子的一个齿距的角度—9度。

如果需要继续转动就继续发控制脉冲,就重复图8开始的过程。不停的发控制脉冲电机就会不停的旋转,脉冲一停电机就停止转动。需要反转就改变三相切换顺序,例如前面的过程是按A-B-C顺序导通转子逆时针转动,改为C-B-A顺序导通转子则按顺时针转动。

控制脉冲频率高则转子转速高、频率低则转子转速低,可以非常低或静止固定在指定位置。但转子开始转动与停止转动时驱动器都要适当降低切换频率,以防因负荷与转子惯量引起的失步。

前面介绍的交流电动机、直流电动机等都是作为动力使用的,其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务:如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象;测速发电机将转速转换为电压,并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。

控制电机的主要任务是转换和传递控制信号,能量的转换是次要的。

控制电机的种类很多,本章只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。

对控制电机的主要要求:动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。8.5其他电机伺服电动机可分为两类:伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度,驱动控制对象。交流伺服电动机直流伺服电动机8.5.1

伺服电动机伺服电动机可控性好,反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组:励磁绕组和控制绕组,其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组励磁绕组+++–––1励磁绕组串联电容C,是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小,可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。交流伺服电动机的接线图和相量图(a)接线图1(b)相量图控制电压与电源电压频率相同,相位相同或反相。放大器检测元件控制信号+–+–控制绕组交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。励磁绕组固定接在电源上,当控制电压为零时,电机无起动转矩,转子不转。

若有控制电压加在控制绕组上,且励磁电流和控制绕组电流不同相时,因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下,转子便转动起来。交流伺服电动机的特点:不仅要求它在静止状态下,能服从控制信号的命令而转动,而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零,电动机立即停转。但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似,电动机一经转动,即使控制等于零,电动机仍继续转动,电动机失去控制,这种现象称为“自转”。加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变),由于旋转磁场的旋转方向发生变化,使电动机转子反转。加在控制绕组上的控制电压大小变化时,其产生的旋转磁场的椭圆度不同,从而产生的电磁转矩也不同,从而改变电动机的转速。

不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服电动机的机械特性如图所示。在励磁电压不变的情况下,随着控制电压的下降,特性曲线下移。在同一负载转矩作用时,电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W,电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛,如用在各种自动控制、自动记录等系统中。应用:8.5.2

测速发电机

测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中,它被用来测量旋转装置的转速,向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。

交流测速发电机交流测速发电机又分为同步式和异步式两种,这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似,它的定子上有两个绕组,一个是励磁绕组,一个是输出绕组。••••1转子定子励磁绕组输出绕组输出绕组+–励磁绕组+–值得注意的是,由于直流电机中存在着电枢反应现象,使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差。RL越小、n越大,误差越大。因此,在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求。测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号,在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中,测速发电机将速度转换为电压

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