第八章微电机

第8章微电机8-1单相异步电动机8-2伺服电动机8-3测速发电机8-4步进电动机8-5自整角机8-6微电机的应用化学工业出版社8-1单相电动机第8章微电机化学工业出版社

单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下。8-1单相异步电动机电容运转单相机制冷压缩机单相异步电动机产品图洗衣机电动机电风扇电动机8-1单相异步电动机*一、单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。定子转子定子绕组220V~NS

当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周？8-1单相异步电动机在电流负半周？转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。其原理分析如下：

定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：

+

-tm=

+

-=

m/28-1单相异步电动机脉动磁场的分解④⑥⑧⑧③⑦⑦⑨⑨⑥⑤②①

+-①-

+

+

-

②③④⑤8-1单相异步电动机正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反8-1单相异步电动机....F鼠笼式转子导条及电流

当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。AA'8-1单相异步电动机

为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不同。(一)电容分相式异步电动机

电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组A–A'，另一个是起动绕组B–B',两个绕组在空间相隔90º。起动时，B–B'绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90º，即可获得所需的旋转磁场。8-1单相异步电动机二、单相异步电动机的起动电容分相式起动~KDCWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXA'X'WSTAXA'X'8-1单相异步电动机~KDCWST接近90°电容分相式单相异步电动机起动原理i28-1单相异步电动机~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0NS8-1单相异步电动机t=t0WAXA'X'NSWAXA'X'NSt=t1磁场逆时针方向旋转t=t0t=t18-1单相异步电动机

启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理:~KDCWSTAXA'X'8-1单相异步电动机（二）罩极式单相异步电机~~i12定子绕组鼠笼式转子短路环极掌(极靴)8-1单相异步电动机

当电流i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2。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得2在相位上滞后1，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。

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；电容分相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。8-1单相异步电动机

三相异步电动机在运行过程中，若其中一相与电源断开，就成为单相电动机运行。此时电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流，时间一长，会使电动机烧坏。这种情况往往不易察觉，在使用电动机时必须注意。如果三相异步电动机在起动前就断了一线，则不能起动，此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大，时间长了，也会使电动机烧坏。三、三相异步电动机的单相运行8-1单相异步电动机8-2伺服电动机第8章微电机

用在自动控制系统和计算机装置中作为执行元件，用来驱动控制对象，又称执行电机。

一功能：接收电信号→输出电动机轴上的角位移或角速度。按电源性质分类交流伺服电动机直流伺服电动机

二分类8-2伺服电动机

交流伺服电动机是一种两相交流异步电动机。定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。

空心杯式转子通常用铝合金或铜合金制成空心的薄壁圆筒，与转轴一起转动，可看成由无数并联的导体组成。

转子有两种：笼型、空心杯式。

空心杯式转子伺服电动机的结构

三结构8-2伺服电动机励磁绕组控制绕组杯形转子，为了减小转动惯性内定子，为了减小磁路的磁阻空心杯式转子伺服电动机的结构8-2伺服电动机i1UVi2C+-u2u1-+

四接线原理图

适当选择C的大小，使i1、i2的相位差接近90。分相电容励磁绕组控制绕组

同时加交流电源u1、u2时，i1、i2的相位差近于90º，产生两相旋转磁场，转子便能转动起来。u2反相，旋转磁场转向改变，转子便反转。8-2伺服电动机

五特点1.转子电阻较大，机械特性软，起动转矩大，因此起动迅速，反应灵敏，稳定运行范围变宽，有利于转速调节。2.u1不变，u2从额定值U2下降时，机械特性曲线近于平行下移。OT优点：运行平稳，噪音小。缺点：转速变化与控制电压是非线性关系。

常用于小功率系统中，输出功率一般为0.1～100W。8-2伺服电动机8-3测速发电机第8章微电机

测速发电机是用来测量和调节转速的发电机，也可以将他的输出电压反馈到放大器的输入端达到稳定转速的目的。测速发电机有交流和直流两种，由于杯形转子测速发电机应用较广，这里只介绍杯形转子交流测速发电机。他的结构与前述伺服电动机相似，定子上有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组；另一个输出电压，称为输出绕组，两个绕组在空间相差900。转子轴与被测机械的轴连在一起。8-3测速发电机

杯形转子交流测速发电机的工作原理如图所示。将励磁绕组接到交流电源uj上，则在励磁绕组的轴线方向上便产生单相脉动磁通Фj，如图（ａ）所示。

当发电机静止时，由于这脉动磁通与输出绕组的轴线垂直，故输出绕组中无感应电动势，输出电压为零。

当发电机被驱动而旋转时，转子导体切割磁场Фj，在转子中产生感应电动势eq，由此引起的转子电流iq产生的交变磁通Фq，其轴线与输出绕组的轴线重合，于是Фq在输出绕组中产生感应电势如图（b）所示，其数值与转子转速成正比关系，频率等于励磁电压的频率。通常，测速发电机和伺服电动机同轴相连，通过发电机的输出电压就可以测量或调节电动机的转速。

交流测速发电机原理图8-3测速发电机8-4步进电动机第8章微电机8-4步进电动机

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，改变方向。

种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。

应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。

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。

（一）结构

步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组8-4步进电动机

一、反应式步进电动机结构及工作原理

定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。ABC定子转子IAIBIC8-4步进电动机

注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC8-4步进电动机（二）工作方式

步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1.三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相C相B相

8-4步进电动机

工作过程：化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A34128-4步进电动机CA'BB'C'A3412同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C'342CA'BB'A8-4步进电动机

这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。8-4步进电动机2.三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A34128-4步进电动机所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A34128-4步进电动机总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。8-4步进电动机3.三相双三拍三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电8-4步进电动机以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A34128-4步进电动机*二、小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。8-4步进电动机转子的齿距等于360/40=9

，齿宽、齿槽各4.5。

为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。8-4步进电动机工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含

120/9=齿

A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。8-4步进电动机若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。8-4步进电动机f：电脉冲的频率

转速

步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数如：Zr=40,m=3时步距角8-4步进电动机8-5自整角机第8章微电机

自整角机属于自动同步化的电机，用于感应同步连接系统中做自整角发送机和自整角接收机。感应自动同步装置发送角位移或借助于自整角主机（角度发送）和自整角接收机之间的内部电的联系，把相隔一定距离的直线运动转变为角位移。这种自整角发送机与自整角接收机之间的电的联系称为数据传输线。利用这个系统能做到同步、同相和无极地复现角位移。用于感应同步系统的自整角机可分为：三相功率自整角机和单相自整角机。三相自整角机用于电轴系统，此系统中要求两台相隔很远的电动机保持同步，同相地旋转。此时，自整角机既做发送机又做接收机运行。

单相自整角机有两种基本的应用形式。（1）指示型：当发送机受外力旋转时，接收机借助于内部的同步化转矩使发送机的运动得到再现；（2）变压器型：当发送机受外力旋转时，接收机产生随时调角（角误差）而变化的电压。8-5自整角机

每一种形式可能采取下列系统的一种：①由一台发送机和一台接收机组成的自整角发送—接受系统；②由一台发送机和几台接收机组成的复式系统；③由两台发送机和一台接收机组成的差动系统。单相自整角机可以是滑环式或磁转差式的，后者一般称为无触点自整角机。滑环式自整角机由定子和转子组成，如图所示。定子（或转子）装有同步化绕组SW。可做成三相形式，三相绕组互隔1200并接成星形，以保证绕组中的感应电动势和每个线圈中的电流在时间上同相。8-5自整角机

自整角机的极对数必须等于1（P=1），以保证在旋转一周内实现同步化。励磁绕组FW建立交变磁通，他穿过自整角机的磁路切割同步化绕组，并在该绕组中感应出随转子旋转角度变化的电动势。有的自整角机还装有阻尼绕组DW，他的位置与励磁绕组垂直。8-5自整角机

滑动式接触使滑动式自整角机的可靠性大为降低。目前更多地采用磁转差自整角机（无触点自整角机），最常用的是定子侧用单极给转子励磁的磁转差自整角机，如图所示，他的励磁电流不是通过滑环和电刷加到转子上。磁转差自整角机的工作原理，可以用观察磁通的路径的方法来理解。假设电流流过励磁绕组3，如图所示，磁通方向由左向右，当磁通离开A点之后，被非磁性隔块阻挡改变方向，穿过空气隙δ1，到达磁路1的叠片铁心。在此铁心内沿圆周方向磁通穿过1800的路径，经空气隙δ2到达转子右侧叠片铁心，然后磁通经过空气隙δ3和右侧环形铁心4，再经过外磁路5的叠片铁心到达左侧环形铁心4，然后穿过空气隙δ4到达左端叠片铁心回到。磁路经过主磁路1之后，励磁磁通还与同步化绕组相连，并在此绕组中感应电动势。第8章微电机8-6微电机的应用8-6微电机的应用

一、位置控制如图所示是一种利用伺服电动机的操作，将某装置的位置控制在设定的目标位置上的负反馈回环。就是说，在按基本的比例动作考虑时，系统将产生以目标位置为基准点的回复力，位置偏离该点时，产生的回复力与偏离的程度成正比，系统始终处于将被控制装置拉到基准点的状态。伺服电动机还常用于控制机械、仪表设备、医疗器械、机械手、心电图仪、VCD和照相机等设备中。检测器放大器转速检测器电动机控制评分M位置反馈转速反馈伺服电动机位置基准输入++--位置控制系统8-6微电机的应用

二、雷达天线的驱动装置如图所示为雷达天线的等速旋转系统，驱动系统包括：一台伺服电动机SMdc带动天线A旋转；感应测速发电机ITG与SMdc联在同一轴上；一台电子放大器EA和一台功率放大机，主控元件是分压器R，他由交流电源供电。系统的运转情况如下：所需速度由参考电压的数值确定，控制电压经过EA和功率放大机，加在伺服电动机的控制绕组上。电动机开始旋转并带动天线A和ITG的转子旋转，测速发电机的输出电压在C中与参考电压比较，在电子放大器的输出端产生由误差电压确定的恒定电压。此时，SMdc的转子和天线继续以恒定转速旋转。测速发电机常用于无线电装置、速度计、调速系统和自动计算器等设备中。SMdcITGEA电机放大机R~u~u~uIw~ucont~ue~ug~urCATSRU1STMSMSTSRYYACERU2+-8-6微电机的应用雷达天线的驱动装置用步进电动机转换成电码脉冲调制信号8-6微电机的应用

三、用做程序控制机床部件的步进电动机步进电动机常用做金属切削机床进给驱动，该机床装有磁带或穿孔纸带的程序数字控制