单元五(1)电动机

单元五电机及低压电器控制电路

5.1三相异步电动机

5.2步进电机

5.3直流电动机

电动机的分类：电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机单元五电机及低压电器控制电路实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。机械能电能发电机电动机直流电动机的特点：优点：优良的调速性能起动转矩也比较大缺点：生产成本较高需要使用直流电源维护要求较高应用：龙门刨床等主传动机构某些电力牵引和起重设备电车及电力机车

异步电动机的特点：构造简单、价格便宜、工作可靠、使用维护方便应用：金属切削机床、起重机、传送带、功率不大的水泵、通风机广泛使用三相异步电动机5.1三相异步电动机一、三相异步电动机的构造（笼型电机）

由两个基本部分组成：定子和转子定子铁心：由内周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成。U1----U2V1----V2W1----W2三相绕组机座：铸铁或钢板焊接，支撑铁心和固定电机硅钢片装有三相绕组的定子1、定子定子绕组：接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结2、转子笼型绕线式

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流,再产生旋转力矩，是电动机的旋转部分。转子的组成：

（1）转子铁心:固定在转轴上，可绕轴旋转（2）转子绕组：0.5mm的硅钢片叠压转子绕组有两种结构形式：笼型转子(1)笼型转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体，或铸铝形成转子绕组。(2)

绕线式转子三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的三相变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。绕线式转子绕组与外接变阻器的连接

二、三相异步电动机的工作原理AXBYCZo1、旋转磁场的产生o规定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入

三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（动画1，动画2）tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况：合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600o900AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序（1）旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。AXYCBZAXYCBZ

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC2、旋转磁场的极对数P极对数动画C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'03、旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2时0旋转磁场转速n1与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n1

与频率f1和极对数p有关。可见:小结：转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF4、转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s

例1：一台三相异步电动机，其额定转速

n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场转速的关系可知：n1=1000r/min,即p=3额定转差率为：三、三相异步电动机铭牌数据1、型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机2.电压例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用

联结。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。3.电流电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。例如：Y/6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下的线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。1、起动方法◆直接起动

7.5千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。◆降压起动：星形-三角形(Y－)

换接起动自耦降压起动（适用于笼型电动机）◆转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）四、异步电动机的运行与控制起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：n=0，s=1,接通电源。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

（1）异步电动机的直接起动（2）降压起动

1)Y－换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V2W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W2设：电机每相阻抗为(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－

起动Y－

换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-换接起动应注意的问题正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V12)自耦变压器降压起动L1L3L2FUQ

Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。

Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

（3）绕线式电动机转子电路串电阻起动•

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点：（1）变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法2、三相异步电动机的调速（2）变极调速

(有级调速)

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii••P=1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要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SNTo（3）转子回路串接电阻调速

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。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nn'••TLTLs

´s••Tso3、三相异步电动机的制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动nF转子Tn0=0M3~+-运转制动•RP（1）能耗制动

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。M3~运转制动•nF转子Tn0（2）反接制动停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转4、三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~1、直流电动机的构造5.2直流电动机一、直流电机的构造与工作原理定子转子(电枢)机座、端盖主磁极、换向磁极、电刷装置等铁心、绕组、换向器作用是产生磁场和作电机的机械支撑产生感应电动势实现能量转换的关键部分。定子由机座、主磁极、换向磁极、端盖和电刷装置等部分构成直流电动机的主要结构直流电动机的转子

直流电动机的转子习惯上称为电枢，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。（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。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+_IMIa3、直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。直流电动机的转动原理图(a)初始位置；(b)转过180°后的位置

直流电动机接通直流电源之后，电刷两端加了一个直流电压，A刷为正，B刷为负，换向片1与A刷相接触，直流电流Ia从A刷流入，经换向片1、线圈abcd、换向片2和电刷B流出，形成一个回路。利用左手定则，可以判断电枢绕组的ab边和cd边都受到电磁力的作用，ab边受到的力向左，cd边受到的力向右，这一对力对电枢产生电磁力矩，使得电枢沿逆时针方向转动起来。

电枢转了180°之后，ab边在下，cd边在上，因为电刷不动，换向片与电枢一起转动，所以此时换向片1转到下方与B刷相接触，换向片2转到上方与A刷相接触，电源电流Ia从正极性端到A刷，经换向片2、线圈dcba、换向片1，从电刷B流出，形成一个回路，此时，电枢绕组中的电流已经反向，根据左手定则可以判断，电枢的电磁转矩不变，仍然是逆时针方向，所以转轴旋转方向不变。以上分析表明，电刷和换向器的作用是将电源的直流电及时转换成交流电送给电枢绕组，以保证电枢的电磁转矩方向不变，电动机按一定方向旋转。直流电动机的转动原理图(a)初始位置；(b)转过180°后的位置二、直流电动机的可逆性和能耗制动2、直流电动机的能耗制动1、直流电动机的可逆性

从原理上讲，一台电动机既可用作直流发电机，又可用作直流电动机直流电动机的制动也与交流电动机相似，有机械制动和电气制动两种方式。电气制动是指通过某种方法，让电动机的电磁转矩与电机的转向相反，从而形成制动转矩的一种方法，分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。电气制动制动转矩大，操作方便，无噪声，所以应用场合较多。电气制动时，一般保持励磁方向不变，改变电枢电流的方向以获得制动转矩。

制动时，把电枢绕组从电源端切断，迅速打向制动电阻侧，开始能耗制动。电机的励磁电流不变，由于惯性，电机继续旋转，电枢绕组仍然切割磁力线，电动机处于发电状态，仍产生感应电动势，其方向如图所示，该感生电动势将削减原来的电枢电流（当然，电流不能突变），使电枢电流迅速减弱到零并反向（反向后的Ia如图标示）。能耗制动

由于励磁方向不变，所以磁场对该电流的电磁转矩方向与电机的转向相反，成为制动转矩。制动过程中，电动机的动能转化成电能，全部消耗在制动电阻上，故称为能耗制动。能耗制动的线路比较简单，制动过程中不需吸收电功率，比较经济,安全可靠，但制动时间较长。5.3步进电动机原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号

转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。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，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.步进电动机

前面介绍的异步电动机、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。

这节介绍的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，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。以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。3）感应子式(混合式)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。一、步进电机的种类：下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子1.工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组

轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'A

B、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍