电机与拖动第八章

电机与拖动第八章1．工作绕组单独通电时的情况由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电动机会被加速到接近转动而不致停止。其原理可解释如下：工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩，对应的转差率

曲线如图8-1中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率图8.1单相异步电动机的曲线

曲线如图8.1中的曲线2所示.合成电磁转矩与S的关系曲线如曲线3所示。可见时，无启动转矩，而在外力作用下，使S+或S-不为1时，合成转矩不等于零，如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。

2．两相绕组通电时的机械特性

如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁通势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产生的基波合成磁通势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆形的旋转磁通势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁通势。设正转磁通势的幅值F+大于反转磁通势的幅值F-，则Fe-S+曲线和Fe-S-曲线分别如图8-1中的曲线1和曲线2所示。由合成曲线3可见，S=1时，起动转矩大于0，能自行起动，正向运行。如果F+<F-，则将反向起动运行。

起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关S，当转速上升到同步转速的时自动断开。图8.2两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线二．单相异步电机的主要类型和起动方法（一）电阻分相式启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，电流超前一个电角度，从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。由于两个绕组的电路都是感性的，两者电流的相位差不大，所以起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动的场合。（二）电容分相式起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电流接近，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩和较小的起动电流。电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头对调即可。（三）罩极式电动机

罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-2所示，定子磁极极面的约1/3处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为短路环，把磁极的小部分罩在环中。图8.3罩极式异步电动机的结构示意图

当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩部分的，另有一部分磁通欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动势，产生电流和磁通，使实际过被罩部分的磁通过，如图8-4所示。图8.4罩极式单相异步电动机磁通向量图第二节电磁调速感应电动机电磁调速感应电动机亦称滑差电动机，从原理上看，它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的普通鼠笼式感应电动机，其原理如图8.5(a)所示。(a)电子离合器连接(b)电枢和磁极图8.5电磁离合器原理图

电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者之间无机械联系，各自能独立旋转。电枢为一由铸钢制成的空心圆柱体，与感应电动机的转子直接联接，由感应电动机带动旋转，称为主动部分。磁极由直流电源励磁，并与生产机械直接联接，称为从动部分。当感应电动机带动离合器电枢以n的速度旋转时，若励磁电流等于零，则离合器中无磁场，也无电磁感应现象产生，因此磁极部分不会旋转。当有励磁时，电枢便切割磁场产生涡流，涡流的方向如图8.5b所示。电枢中的涡流与磁极磁场相互作用产生电磁力和电磁转矩。电枢受到的力的方向可用左手定则判定，如图8-5b所示。由此而产生的电磁转矩的方向与旋转方向相反，因此对电枢而言，是个制动力矩，需要依靠感应电动机的输出力矩克服此制动力矩，从而维持电枢的转动。根据作用与反作用大小相等、方向相反，

离合器磁极所受到的力的方向与相反，由所产生的电磁转矩，驱使磁极转子并带动生产机械沿电枢转向以的速度旋转，显然。电磁滑差离合器的工作原理和感应电动机的相同，电磁力矩的大小决定于磁极磁场的强弱和电枢与磁极之间的转差。因此在一定的负载转矩时，若改变励磁电流的大小，为使电磁力矩不变，磁极的转速必将发生变化，这就达到了调速的目的。电磁离合器的具体结构形式有很多种，目前我国生产铰多的是电枢为圆筒形铁芯(也称力杯形铁芯)。磁极为爪形磁极。磁极为爪形磁极。

图8.6为组合式结构的电磁调速感应电动机。其中测速发电机是用来构成一个反馈系统以保证机械特性的硬度。

图8.6电磁调速感应电动机1-电动机2-主动轴3-法兰端盖4-电枢5-工作气隙6-励磁线圈8-测速机定子9-测速机磁极10-永久磁铁11-输出轴12-刷架13-电刷14-集电环第三节伺服电动机

伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程中。因此对伺服电动机的性能有如下要求：1．无“自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行停转。2.具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。3.具有线性的机械特性和调节特性。4.快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。一直流伺服电动机

直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的转子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺服电动机(例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服电动机时的性能进行分析。直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改变电枢绕组电压Ud的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向实现对转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。

电枢控制是励磁电压Uf不变，控制电枢电压Ud的控制方式。在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为（1）直流伺服电动机的机械特性由图可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压Ud的增加，直线的斜率保持不变，机械特性向上平移。当控制电压Ud不变时，转矩Te增大时，转速n降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。直流伺服电动机的这种机械特性是十分理想的。（2）直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速与控制电压之间的关系。根据机械特性表达式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。二交流伺服电动机

交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间互成电角度。一相绕组为励磁绕组f，一相为控制绕组k，转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压Uk的幅值或相位就可以实现转速控制。

作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，则电动机不转。但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。

（1）交流伺服电动机的特性要求（2）交流伺服电动机的伺服特性对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在范围内，单相电机的转矩，转子将继续沿原转向旋转，如图a所示。

信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这种情况。为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻使，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。

从图b中所示的单向相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁转矩特性曲线上，时的临界转差率，与对称。因此电机总的电磁转矩特性通过零点，即无启动转矩；在时，，而是制动性转矩；时，，也是制动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到显然只要，就能避免自转现象。（3）控制方式与运行特性

交流伺服电动机运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能为脉振磁动势。而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速n也随之变化。这就是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。1.幅值控制及特性

幅值控制接线如图8-11所示。励磁绕组f直接接至交流电源，电压Uf的大小为额定值。控制绕组所加的电压为Uk，Uk在时间上落后于励磁绕组电压Uf90°，且保持90°不变，Uk的大小可以改变。调节时，Uk的大小可以表示为，其中,UKN为控制绕组额定电压，又称为有效信号系数。当有效信号系数时，控制电压，此时交流伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁动势。图8.11交流伺服电动机的幅值控制当有效信号系数时，控制电压，此时交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形旋转磁动势。越小，椭圆度越大，越接近脉振磁动势。

当有效信号系数时，控制电压，励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势大小等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势。由此可以获得不同值的机械特性如图8.12所示

图8.12交流伺服电动机的机械特性

采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直线，从而获得一定转矩下转速与之间的关系曲线，即调节特性，如图8.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节特性。图8.13交流伺服电动机的调节特性2相位控制

保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.14所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，UK

的幅值不变，但UK

与Uf

的相位差可以通过调节移相器在～90°之间变化，UK

与Uf

的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之发生变化。

图8.14交流伺服电动机的相位控制3．幅值——相位控制及特性

交流伺服电动机采用幅值——相位控制时的接线如图8.15所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。图8.15交流伺服电动机的幅值——相位控制交流伺服电动机采用幅值——相位控制机械特性与幅值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。

第六节

步进电动机一般电动机是连续转动，而步进电动机是一步一步转动的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就前进一步，因此被称为步进电动机。常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步进电动机的基本运行原理。一、步进电动机的原理三相六极反应式步进电动机的运行原理如图8.21所示。从结构上看步进电机与开关磁阻电机类似，也是凸极结构。不同的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开有若干个齿槽。因此，步进电机输出步距角的精度主要取决于自身的结构。

图8.21反应式步进电动机的运行原理(a)相通电(b)相通电(c)相通电从图8.21可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组。当A相绕组通电时，由于磁力线有力图通过磁阻最小路径的特性，转子在磁阻转矩的作用下，l—3号齿与定子A相绕组轴线重合，如图8.21（a)所示；当A相断电而B相定子绕组通电时，转子按逆时针方向转过30°机械角，转子的2—4号齿与定子B相绕组轴线重合，如图8.21(b)所示；同样，当B相断电而C相定子绕组通电时，转子再转过30°机械角，1—3号齿与定子C相绕组轴线重合，如图8.21(c)所示。可见，定子绕组按照ABCA顺序通电，转子一步步沿逆时针方向旋转。若改变通电顺序，使之按ACBA顺序通电，则转子将一步步沿顺时针方向旋转。二、步进电动机的结构

步进电动机的种类繁多，结构各异。其中，反应式步进电动机自身又有单段式和多段式之分。上面介绍的反应式步进电动机只是单段式结构。下面对除单段反应式步进电动机以外的各类步进电动机的结构与特点分别作简单介绍。（1）多段反应式步进电动机图8.22为两段式步进电机结构的示意图。多段反应式步进电动机的每段铁芯沿圆周方向开有数量、形状相同的齿槽，并且各段定子(或转子)铁芯沿圆周方向依次错开1/m齿距。每段绕组组成单独一相，m段组成m相步进电动机。多段反应式步进电动机步距角较小，故起动和运行频率较高。其缺点是：铁芯错位工艺复杂，精度不易保证，且功率消耗较大，断电时无定位转矩。

图8.22两段反应式步进电动机的结构（2）永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子采用永久磁钢，永久磁钢的极数与定子每相的极数相同，如图8.23给出了永磁式步进电动机的典型结构。注意：相绕组只画出了一部分。图中，定子采用两相绕组，每相包括两对磁极。转子则采用两对极的星形磁钢。由该图不难看出，当采用二相四拍通电方式，定子绕组按照AB(－A)(一B)A顺序轮流通电时，转子将按顺时针方向旋转，步距角为45°。图8.23永磁式步进电动机的结构示意图

永磁式步进电动机的缺点是：步距角大，起动和运行频率较低，需要正、负脉冲供电。但这种步进电机消耗的功率小，断电时具有自锁能力。（3）混合式步进电动机

混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的特点。其定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子则由环形磁铁和两段铁芯组成。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯上的小齿彼此错开1/2齿距。

混合式步进电动机的步距角较小，起动和运行频率较高，消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式和永磁式步进电动机的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制造复杂。三、步进电动机的控制方式

步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距角。（1）三相单三拍运行方式

A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式。其中“单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角。（2）三相双三拍通电方式

三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，其通电顺序为ABBCCAAB，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为ACCBBAAC。三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即对于三相六极步进电动机，步距角仍为。三相双三拍通电方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、运行稳定。（3）三相单、双六拍通电方式

三相单、双六拍通电方式是指：三相绕组中，单相、两相定子绕组轮流通电，其顺序为AABBBCCCAA，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为AACCCBBBAA。由于六拍为一通电循环周期，因此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即。（4）小步距角反应式步进电机通电方式为了减小步距角，在步进电动机的定、转子均采用多齿结构，如图8.24所示。三相小步距角步进电动机定子仍采用三对磁极，在同一直径的磁极绕组构成一相。所不同的是定子极靴与转子铁芯上均开有多个小齿槽，而且定、转子的齿宽与槽宽均相等。

图8.24小步距角三相反应式步进电动机

反应式步进电动机由于同一直径上的相对磁极为一相，这两个磁极上定、转子齿槽相对位置完全相同；并且当某一相两个极下定、转子齿槽完全对齐时，要求相邻磁极下定、转子齿的轴线应错开1/m个转子齿距t，见图8.25。只有这样，才能确保经过一个通电周期后，转子转过一个齿距。图8.25小步距角三相反应式步进电动机展开图

满足以上条件的转子齿数为式中，2p为定子绕组通电时在圆周上形成的磁极个数；m为定子相数；K为正整数。反应式步进电动机经过一个通电周期后转子转过一个齿距，一个通电周期由N拍组成，即转过一个齿距需要N拍，则每拍(或每个电脉冲)作用下转子所转过的角位移即步距角为

上式表明，步距角与转子齿数和拍数N有关。而拍数N又与步进电动机定子绕组的相数和通电方式有关。要想减小，除了在步进电机本体选择时尽量考虑使用定子相数和转子齿数较多的步进电动机外，也可以通过增加拍数N达到减小步距角的目的。

步进电动机转子转速与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例步关系。若通电脉冲的频率为f(拍／秒)，则经过一个通电周期(即N个电脉冲)后转子转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为N/f秒，转子每转过一周所用的时间为秒。因此，转子的转速为第六章

同步电机

同步电机基本结构*同步电机基本原理*三相同步电动机运行特性第一节三相同步电动机

一．异步电动机的同步化和三相同步电动机的工作原理1．异步电动机的同步化将三相异步电动机转子绕组供电方式加以改变，直接由直流电源供电，使其由原先流过低频交流电流改变为直流电流，所形成的磁通势及其磁场的极对数与定子旋转磁场的极对数一致，三相异步电动机就可变成三相同步电动机而稳定运行（见图6-1）图6-1异步电动机同步运行的接线图

2.同步电动机的工作原理

可以看出：同步电动机的定子绕组与异步电动机的定子绕组完全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间的相互吸引而产生电磁转矩．同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按电动机方式运行，也可按发电机方式运行图5同步电机的物理模型a发电机运行

b理想空载

c电动机运行

二.同步电机的基本结构

1.定子:同异步电机没什么区别.2.转子:显(凸)极式，可用于同步电动机;隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机图a)显极式图b)隐极式1凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。三同步电机的额定值同步电机的额定值有：1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。2）额定电流：流过定子绕组的线电流。3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率。A：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是KW。4)相数m：一般m=3。5)额定频率:我国额定工业频率规定=50Hz.6)额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。四.电动势平衡方程式及相量图转子的磁场:定子的电势:五．运行特性

同步电动机的运行特性包括工作，调速和起动三个方面,由于同步电机调节输出功率以及调节励磁电流都会引起运行情况的改变，因此宜用励磁电流和输出功率作为参数来分析同步电机的运行特性．即：功角特性：同步电动机在励磁电流不变的条件下，输出有功功率或电磁功率改变时的特性.同步电机的负载变化，即机械负载转矩的变化不会引起转速的变化。所以同步电动机电磁功率与相应的电磁转矩随负载而变化的情况不能用与转速的关系去表征，要用所谓功角特性去描述V形曲线：表明同步电动机在有功功率输出不变或电磁功率不变的条件下，改变励磁电流引起电枢电流及功率因数如何变化的曲线

(一)功角特性和V形曲线同步电动机的功率平衡方程转距方程忽略定子电阻的相量图(6-14)(6-15)(6-16)(6-17)忽略定子铜损后的电磁功率:(6-18)将(6-14)代入(6-16)式,得:１功角特性当电源电压U＝UN，励磁电流If＝常数以及φo

及Eo均为常数时，同步电动机的电磁功率Pem（或电磁转矩Tem）与功率角θ的关系：Pem[或Tem＝f(θ)]如（图6-10），被称为同步电动机的功角特性（或矩角特性）即：图6-10同步电动机的功角特性见图6-11和图6-12解释(6-19)(6-20)2V形曲线

是U=UN,f=fN且在恒功率时，变励磁If的条件下，将定子电流I与对应的励磁电流If描成曲线，由于形似“V”字，故得所谓V形曲线:I=(If).输出功率不变,就是有功功率(有功电流)不变的情况下调节电机的无功功率(无功电流)看图(6-13)：

图6-13对应一定功率，有一条V形曲线，如此可得一簇曲线（见图6-14）图6-14同步电动机的V形曲线(二).转速特性及起动步骤

同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转速恒定的条件下，其转速必为同步转速n0，是不可调节的，而平均电磁转矩却为零，即

Temav=Tem(t)dt=0因为同步电机仅在运行时才有平均电磁转矩，而起动过程是非同步运行状态，所以同步电动机不能自行起动，可采用异步起动启动（见图6-16）图6-16同步电动机异步起动时的线路图

同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：（1）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速；（2）加直流励磁，使转子拉入同步。由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很容易拉入同步。甚至在未加励磁的情况下，有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起动性能，同步电动机绝大多数采用凸极式结构。注意：当同步电动机按感应电机方式起动时，励磁绕组绝对不能开路！必须短路！第八章单相异步电动机及控制电机第一节单相异步电动机

单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到几百瓦。一、单相异步电动机的工作原理单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕组同时相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁通势一般为椭圆形旋转磁通势。第一节伺服电动机

伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。

(一)工作原理交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。如图7.4所示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组f，接到交流励磁电源Uf上，另一相为控制绕组C，接入控制电压Uc，两绕组在空间上互差90°电角度，励磁电压Uf和控制电压Uc频率相同。图7-1交流伺服电动机原理图

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。当交流伺服电动机的励磁绕组接到励磁电压Uf上，若控制绕组加上的控制电压UC为0V时（即无控制电压），所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控制电压UC≠0V，且产生的控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场（若IC与If相位差为90°时，则为圆形旋转磁场），于是产生起动力矩，电机转子转动起来。如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。从单相异步电动机理论可知，单相绕组通过电流产生的脉振磁场可以分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场，正向旋转磁场产生正转矩T+，起拖动作用，反向旋转磁场产生负转矩T-，起制动作用，正转矩T+和负转矩T-与转差率S的关系如图7-2虚线所示，电机的电磁转矩T应为正转矩T+和负转矩T-的合成，在图中用实线表示。

(a)

(b)

(c)

图7-2

交流伺服电动机自转的消除

如果交流伺服电动机的电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么转子电阻较小，其机械特性如图7-2（a）所示，当电机正向旋转时，S+<1，T+>T-,合成转矩即电机电磁转矩T=T+-T->0，所以，即使控制电压消失后，即UC=0V，电机在只有励磁绕组通电的情况下运行，仍有正向电磁转矩，电机转子仍会继续旋转，只不过电机转速稍有降低而已，于是产生“自转”现象而失控。“自转”的原因是控制电压消失后，电机仍有与原转速方向一致的电磁转矩。消除“自转”的方法是消除与原转速方向一致的电磁转矩，同时产生一个与原转速方向相反的电磁转矩，使电机UC=0V在时停止转动。可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。增加转子电阻后，正向旋转磁场所产生的最大转矩

Tm+时的临界转差率Sm+随转子电阻的增加而增加，而反向旋转磁场所产生的最大转矩所对应的转差率

sm-=2-sm+相应减小，合成转矩即电机电磁转矩则相应减小，如图7-2（b）所示。如果继续增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，也使电机制动到停止，从而消除“自转”现象，如图7-2（c）所示。所以要消除交流伺服电动机的“自转”现象，在设计电机时，必须满足：≥1即

≥

增大转子电阻，使≥

不仅可以消除“自转”现象，还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。(二)基本结构交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，而转子主要有两种结构形式：1笼型转子这种笼型转子和三相异步电动机的笼型转子一样，但笼型转子的导条采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。2非磁性空心杯转子如图7-3所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。如图7-3所示，非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。由于非磁性空心杯转子的壁厚约为0.2～0.6mm，因而其转动惯量很小，故电机快速响应性能好，而且运转平稳平滑，无抖动现象。由于使用内外定子，气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大。

图7-3

非磁性空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖(三)控制方式如果在交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组上分别加以两个幅值相等、相位差90°电角度的电压，那么电机的气隙磁场是一个圆形旋转磁场。如果改变控制电压Uc的大小或相位，那么气隙磁场是一个椭圆形旋转磁场，控制电压Uc的大小或相位不同，气隙的椭圆形旋转磁场的椭圆度不同，产生的电磁转矩也不同，从而调节电机的转速；因此，交流伺服电动机的控制方式有三种：

１）幅值控制幅值控制通过改变控制电压

的大小来控制电机转速，

,那么控制信号的大小可表示Ｕc＝ＵcN

,称为有效信号系数，那么以Ｕcn为基值,控制电压的标么值为：2）相位控制这种控制方式通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，与的频率相同。而相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差,Sin称为相位控制的信号系数。改变与相位差的大小，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。3）幅值—相位控制:如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变:幅度—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。(四)机械特性和调节特性1

机械特性机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系在一个表征控制电信号的系数为一定值的条件，控制电机转矩和转速间的关系，这个系数对于:a.幅值控制方式ae=Uc/U's=Uc/U'f-->(式1)b.相位控制方式

ae=Ucsinb/U's=Ucsinb/Uc=sinb-->（式2）c.幅－相控制方式ae=Uco/U's-->(式3）具体机械特性见下图(四)机械特性和调节特性1

机械特性机械特性是指控制电信号一定时电磁转矩随转速变化的关系(1)幅值控制方式(2)相位控制方式Sin称为相位控制的信号系数。(3)幅－相控制方式见187页图7-4机械特性

1调节特性所谓调节特性，就是表示输出转矩一定的情况下，转速与控制电信号变化的关系

调节特性就是表示在不同的输出转矩下，电机转速随控制信号而改变的关系曲线的（见下图）图7-5调节特性a幅值控制

b相位控制

c幅－相控制二、

直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来，当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：a)若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；b)若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点（调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号），使用的场合很少。1.电枢控制时直流伺服电动机的特性

控制线路见图7-6

机械特性表达式Tem=CTFUc/ra-CeCTF2n/ra

或

T=Tem/TemB=a-n/nB=a-V

从上式可看出，直流伺服电动机的机械特性是线性的见下图

图7-6电枢控制线路图图7-7电枢控制时的机械特性第二节

测速发电机

测速发电机是一种检测元件，主要用途有1.产生加速或减速的信号2.在计算装置中作计算元件3.对旋转机械作恒速控制对测速发电机的要求:1.输出电压与转速成严格的线性关系;2.输出电动势斜率要大.测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比：U2=Cn测速发电机分直流和交流两大类。交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。1.交流异步测速发电机（1）结构及工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90°电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。

就信号转换而言，交流侧其输出绕组中所感应产生的电动势E与转速n成正比E=4.44f1N2KCFdn/√2=C'n这样，异步测速发电机将转速信号变成电压信号，实现测速的目的2.主要误差（1）线性误差转子杯回路中除变压器电动势E'r2外，又出现旋转电动势End，引起Ir2及I1的变化，使U2＝C'n遭到破坏，从而造成线性误差（2）相位误差输出电压与励磁电压之间的相位误差是励磁绕组以及杯形转子内的漏阻抗压降引起的所谓相位误差是指在规定的转速范围内输出电压与励磁电压之间的相位的变化量（3）剩余误差交流异步测速发电机加上励磁电压以后，虽转子停止，往往还会有输出电压，使控制系统的准确度大为降低.其原因一是制作工艺不良，二是导磁材料不均匀以及非线性所致

二.直流测速发电机

1.结构和工作原理

直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，磁极由永久磁铁制成，励磁方式采用他励式

直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同(见下图）

感应电动势的公式为Eo＝pZFon/60a=CeFon（1）p－极对数Z－电枢绕组总导体数a－电枢绕组的并联支路对数在有负载时，输出电压为U=Eo-IRa=Eo-URa/RL（2）把式2代入式3可得

U=CdFon/(1+Ra/RL)

2.误差

直流测速发电机在无信号输入时，直流测速发电机中不会出现剩余电压，又无相位误差，而线性误差还是存在的，即输出特性不是严格的曲线关系，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：

（1）电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通Φ0减小，输出特性斜率

减小越明显，输出特性直线变为曲线。（2）温度的影响如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通

减小，输出电压减小，特性斜率

减小。（3）接触电阻电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻

第一节

自整角机

自整角机广泛应用于随动系统中，能对角位移或角速度的偏差进行自动地整步。自整角机通常是两台或两台以上组合使用，产生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的转角变换为电信号，接收信号的自整角机称为接收机，它将发送机发送的电信号变换为转轴的转角，从而实现角度的传输、变换和接收。在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送机，从动轴安装接受机，故而一台发送机带一台或多台接受机。主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角。自整角机的基本结构如图所示，通常做成两极电机。自整角机的定子铁芯嵌有三相对称分布绕组，称为整步绕组，也叫同步绕组，联结为星形接法。

图7-18自整角机基本结构示意图

1－定子

2－转子

3－阻尼绕组

4－电刷

5－接线柱

6－集电环转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸极结构，如图7-18a，也可做成隐极结构，如图7-18c，这两种方式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源。另外，也可把定子做成凸极式，转子做成隐极式，如图7.26b，三相整步绕组嵌入转子铁芯槽内，并经集电环和电刷引出，而单相励磁绕组安装在定子凸极上。(a)

(b)

(c)

图7-18

自整角机定子转子结构形式

二.工作原理

1.力矩式自整角机的工作原理

力矩式自整角机主要用在指示系统中，以实现角度的传输

接线图（见图7-19）

在随动系统中，不需放大器和伺服电动机的配合，两台力矩式自整角机就可进行角度传递，因而常用以转角指示。两台自整角机是相同的，左边的一台作发送机，右边的一台作接收机，两台电机的励磁绕组接到同一单相交流电源上，三相整步绕组对应相接。

同步绕组中出现差额电动势ΔE+及ΔE-，它们各自在同步绕组回路中产生对称的三相环流I+=ΔE+/2Z=-I'+I-=ΔE-/2Z=-I'--->（式1）Z为自整角机的短路阻抗由此产生的四个电磁转矩Tem+=CmE+I+cosΦ>0Tem-=CmE-I-cosΦ<0Tem'+=CmE'+I'+cosΦ<0Tem'-=CmE'-I'-cosΦ>0

-->（式2）在发送机中，Tem＋和Tem-促使同步绕组向缩小φ角方向转动；在接收机中，Tem'+和Tem'-促使同步绕组与励磁绕组产生偏转角，这样，四个电磁转矩都力图使两转子转到同一位置起整步作用2.控制式自整角机的工作原理把发送机和接收机的转子绕组互相垂直