电机与拖动（第4版）特种电机

[知识目标]1．掌握伺服电动机、测速发电机、步进电动机、直线电动机、微型同步电动机等常用特种电机的结构和分类。2．掌握几种常用特种电机的工作原理和工作特性。3．了解伺服系统和步进控制系统的组成。4．熟悉各特种电机在生产领域中的应用。[能力目标]1．具备拆装与简单修理常用特种电机的能力。2．能完成交流伺服电动机的机械特性和调节特性的试验。3．具备简单计算特种电机各运行参数的能力。[素质目标]1．坚定信念、锲而不舍的探索精神。2．克服困难的毅力和积极进取的人生态度。3．勇于担当、甘于奉献的情怀。学习目标内容导入特种电机通常是指结构、性能、用途或原理等与常规电机不同，且体积和输出功率较小的微型电机或特种精密电机，一般其外径不大于130mm，分为驱动用特种电机和控制用特种电机两大类。不同的特种电机有什么结构特点，工作原理与工作特性与普通直流电机和交流电机又有什么不同，自动控制系统或精密控制系统为什么要采用特种电机作为驱动电机或测量及执行元件使用。学习导图自动控制系统对伺服电动机的性能要求：（1）无自转现象。在控制信号到来之前，伺服电动机转子静止不动；在控制信号来到之后，转子迅速转动；当控制信号消失时，伺服电动机转子应立即停止转动。控制信号为零时，电动机继续转动的现象称为自转现象，消除自转是自动控制系统正常工作的必要条件。（2）空载始动电压低。电动机空载时，转子不论在什么位置，从静止状态开始起动至连续运转的最小控制电压称为始动电压。始动电压越小，表示电动机的灵敏度越高。（3）机械特性和调节特性的线性度好。能在宽广的范围内平滑稳定地调速。（4）快速响应性好。6.1.1直流伺服电动机1．直流伺服电动机的分类与结构直流伺服电动机根据磁路系统、电枢结构、电刷和换向器的结构可分为：普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、杯形直流伺服电动机、无槽电枢直流伺服电动机等。（1）普通型直流伺服电动机。结构和普通的他励直流电动机的结构相同，由定子和转子两部分组成。根据励磁方式又分为电磁式和永磁式，一般为永磁式。（2）盘形电枢直流伺服电动机。盘形电枢直流伺服电动机的电枢直径远大于长度。定子由永久磁铁和前后磁轭组成，形成轴向的平面气隙。电枢是印刷绕组或绕线式绕组，形成径向电流，径向电流和轴向磁场作用，使伺服电动机换转。6.1.1直流伺服电动机（3）杯形直流伺服电动机。杯形直流伺服电动机结构6.1.1直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机结构6.1.1直流伺服电动机2．直流伺服电动机的运行特性6.1.1直流伺服电动机（1）机械特性。6.1.1直流伺服电动机电枢控制的直流伺服电动机的机械特性（2）调节特性直流伺服电动机的调节特性6.1.2交流伺服电动机1．交流伺服电动机的工作原理永磁式同步和异步交流伺服电动机。交流伺服电动机和单相异步电动机的结构相似，为两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差

90°电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。

Sn1（0）

“自转”的产生：

自转现象

Sn1（0）

1、转子电阻设计得很大。电机正转时，Tem为负（第四象限）；电机反转时，Tem为正（第二象限）。2、采用空心杯转子，减少转子惯量。消除“自转”的方法：

AB2．交流伺服电动机的控制方式交流伺服电动机的控制方式有3种：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。（1）幅值控制。只改变控制电压幅值（2）相位控制。改变控制电压和励磁电压相位差，0°～90°（3）幅值—相位控制。改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差幅值—相位控制6.1.2交流伺服电动机6.1.3伺服驱动器（1）位置控制。位置控制是伺服中最常用的控制。一般应用于定位装置。（2）速度控制。通过控制驱动器输出频率来对电动机进行调速，因此可通过模拟量的输入或脉冲的频率实现对转动速度的控制。（3）转矩控制。转矩控制是通过外部模拟量的输入或直接的地址赋值来设定电动机轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。1．伺服驱动器的结构6.1.3伺服驱动器交流伺服驱动器结构原理6.1.3伺服驱动器2．伺服系统的组成6.1.3伺服驱动器3．伺服驱动器的端子及接线一般由控制电源输入端、电机接线端口、编码器信号端、I/O

控制信号端口、与计算机连接的通信端口等组成松下MINASA6N系列A型伺服驱动器外部端子及连接6.1.3伺服驱动器4．伺服驱动器的显示操作与参数设置伺服驱动器可以与个人计算机连接后通过调试软件设置参数，也可以在驱动器的面板上设置。作用：在自动控制系统中用于检测或自动调节电动机转速，在随动系统中用来产生电压信号，以提高系统的稳定性和精度，在计算解答装置中作为微分和积分元件。它还可以检测各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，并可以代替测速计直接测量转速。对测速发电机的要求：（1）线性度要好，输出电压要和转速成正比。（2）转动惯量要小，以保证测速的快速性。（3）灵敏度要高，即输出特性的斜率要大，较小的转速变化能够引起输出电压变化。（4）正、反转两个方向的输出特性要一致。6.2.1直流测速发电机根据励磁方式分为永磁式和电磁式两种。常用的是永磁式测速发电机1．直流测速发电机的输出特性2．直流测速发电机的误差及减小误差的方法（1）电枢反应。电枢反应使得主磁通随负载的电流变化，特性曲线下弯。解决办法：除了在结构上采取措施外，尽量增加负载电阻，减小负载电流对电枢反应的影响，还可以提高测速发电机的灵敏度，即增大斜率。（2）电刷接触电阻。电刷和换向器之间存在接触电阻，将会分得一部分电压，从而使输出电压处出现死区，并且接触电阻的变化与转速的变化呈现非线性关系。（3）纹波影响。由于换向片的数量有限，实际输出电压是一个脉动的电流，对高精度系统影响很大。为消除影响可采用滤波电路。6.2.1直流测速发电机6.2.2交流异步测速发电机交流测速发电机分为同步和异步两类。同步测速发电机就是永磁转子的单相同步发电机，由于输出的频率随转速变化，故应用很少；应用最广泛的是异步测速发电机。1．结构与原理异步测速发电机转子有笼形和空心杯形两种。前者的转动惯量大、性能差，后者用得最广泛。空心杯形转子异步测速发电机的基本结构与空心杯形交流伺服电动机相同。转子是空心杯形，用电阻率较大、厚为

0.2～0.3mm

的铝或铜制成，属非磁性材料。其定子有内、外定子之分。小容量测速发电机的励磁绕组和输出绕组都装在外定子槽中，而容量较大的测速发电机则分装在内、外定子中。6.2.2交流异步测速发电机

.交流测速发电机的工作原理n

.

.即输出绕组的感应电动势的幅值正比于电机的转速，而频率与转速无关，为励磁电源的频率。

6.2.2交流异步测速发电机2．工作特性输出幅值特性和输出相位特性6.2.2交流异步测速发电机（1）n

=

0时测速发电机不转。（2）n

≠

0时测速发电机旋转。3．异步测速发电机的误差异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差。（1）幅值及相位误差。产生原因：励磁绕组存在漏电感，产生线性误差。减小该误差的方法：增大转子电阻和在励磁绕组中接入适当的电容加以补偿。（2）剩余电压误差。产生原因：加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。减小剩余电压误差的方法：绕组采用4极，选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。6.2.2交流异步测速发电机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电动机可以分为反应式、永磁式和感应式。反应式步进电动机的结构比较简单，在计算机应用系统中应用最为广泛。6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理1234ABCB’C’A’XXXXXX定子转子绕组接收电脉冲信号三相反应式步进电动机结构6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理1234ABCB’C’A’XXNSA相通电产生磁场，在磁场作用下（磁拉力），转子1/3号齿与定子齿对齐。1234ABCB’C’XXNSB相通电：产生磁场，在磁场作用下（磁拉力），转子2/4号齿转动到与定子齿对齐。转过的角度为30o6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理ABCB’C’XXNSC相通电：产生磁场，在磁场作用下（磁拉力），转子1/3号齿转动到与定子齿对齐。转过的角度为30o12346.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理NSXXABCB’C’1234NSXXABCB’C’1234按A-B-C顺时针通电6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理ABCB’C’1234NSXXABCB’C’1234按B-A-C逆时针通电XX6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理A-B-C通电变化一个周期，转子齿转过一个齿的角度。这种控制方式称为三相单三拍。三相步进电动机除三相单三拍控制方式外还有三相单、双六拍控制方式和三相双三拍控制方式。三相单、双六拍：A-AB-B-BC-C-CA三相双三拍：AB-BC-CA改变通电相序即可改变转子转向。改变通电频率即可改变转子转速。1234ABCB’C’A’6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理小步距角三相反应式步进电动机结构6.3.1反应式步进电动机的结构和工作原理6.3.2反应式步进电动机的特性1．步进电动机的基本概念（1）齿距角。转子相邻齿间的夹角称为齿距角。（2）步距角。步进电动机每改变一次通电状态（一拍）转子转过的角度称为步距角。m—步进电动机的相数；C—通电状态系数，单拍或双拍工作时C

=

1，单双拍混合方式工作时C

=

2；

ZR—步进电动机转子的齿数。当输入脉冲数为N时，步进电动机转过的角度为1234ABCB’C’A’XXNSA相通电转子齿与定子A-A’齿对齐。1234ABCB’C’XXNSB相通电转子齿转过30o与定子B-B’齿对齐。ABCB’XXNS1234C相通电转子齿再转过30o与定子C-C’齿对齐。(2）步距角。6.3.2反应式步进电动机的特性NSXXABCB’C’1234

M-步进电动机的相数；C-通电状态系数，单拍或双拍工作时C=1，单双拍混合方式工作时C=2；ZR-步进电机转子的齿数(2）步距角。(2）步距角。三相单、双六拍步距角15o三相双三拍步距角30o。NSXXABCB’C’12346.3.2反应式步进电动机的特性（3）步进电动机的输出转速

f—步进电动机每秒的拍数，称为步进电动机通电脉冲频率步距角是齿距角的6.3.2反应式步进电动机的特性2．反应式步进电动机的静特性6.3.2反应式步进电动机的特性在空载条件下步进电动机的通电状态不变，电动机处于稳定的状态下所表现的性质，包括矩角特性和最大静转矩。（1）矩角特性。k—转矩常数；I—控制绕组电流；

—失调角（2）最大静转矩。在矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当时，T有最大值Tsm，最大静转矩Tsm=kI2。3．反应式步进电动机的动特性6.3.2反应式步进电动机的特性指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电状态所表现出的性质，包括动稳定区、起动转矩、起动频率及频率特性。（1）动稳定区。动稳定区是指使步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。（2）起动转矩。反应式步进电动机的最大起动转矩与最大静转矩之间的关系（3）起动频率。步进电动机的起动频率是指在一定负载条件下，电动机能够不失步地起动的脉冲最高频率。（4）频率特性。根据步进电动机的工作频率及其对应转动力矩所作的曲线，就是频率特性曲线6.3.3步进驱动器1．对驱动器的基本要求6.3.3步进驱动器（1）驱动电源的相数、通电方式、电压和电流都应满足步进电动机的控制要求。（2）驱动电源要满足起动频率和运行频率的要求，能在较宽的频率范围内实现对步进电动机的控制。（3）能抑制步进电动机振荡。（4）工作可靠，对工业现场的各种干扰有较强的抑制作用。2．步进驱动器的组成6.3.3步进驱动器脉冲信号发生电路：产生基准频率信号供给脉冲分配电路脉冲分配电路：将控制信号分配到各相功率放大电路：对脉冲分配电路输出的控制信号进行放大，驱动各相绕组，使步进电动机转动。6.3.3步进驱动器3．步进驱动器控制方式恒压驱动。恒流驱动：通过控制驱动器主电路中MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压进而控制电动机绕组电流的目的。6.3.3步进驱动器4．步进驱动器接线共阴极接法共阳极接法6.3.3步进驱动器SC2340M驱动器信号与接线作用：把电能转换成直线运动的机械能分类：直线异步电动机直线同步电动机直线直流电动机其他直线电动机1．平板形直线异步电动机6.4.1直线异步电动机的分类和结构直线异步电动机的形成1．平板形直线异步电动机6.4.1直线异步电动机的分类和结构双边形直线异步电动机平板形直线异步电动机（单边形）2．圆筒形直线异步电动机6.4.1直线异步电动机的分类和结构圆筒形直线异步电动机的形成圆盘形直线异步电动机6.4.2直线异步电动机的工作原理短初级长次级行波磁场vv1行波磁场的移动速度转差率6.4.2直线异步电动机的工作原理6.4.3直线异步电动机的应用1．传送带双边形直线异步电动机的3种传送带方案初级固定，次级就是传送带本身2．高速列车直线异步电动机与磁悬浮技术相结合应用于高速列车上，可使列车达到高速而无振动噪声，成为一种先进的地面交通工具。列车的中间下方安放直线异步电动机，两边有若干个转向架，起磁悬浮作用的支撑电磁铁安装在各个支架上，它们可以保证直线异步电动机具有不变的气隙，并能转弯和上、下坡。电动机采用短初级结构，轨道的次级导电板选用铝材，磁悬浮是吸引式的。6.4.3直线异步电动机的应用永磁式微型同步电动机反应式微型同步电动机磁滞式同步电动机6.5.1永磁式同步电动机利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机；主要用于工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医