《汽车电工电子技术》课件第4章

第4章电机和控制电器4.1三相异步电动机

4.2三相异步电动机的启动、调速与制动4.3三相异步电动机的铭牌4.4单相异步电动机4.5直流电动机4.6直流电动机的启动、调整、转向与制动4.7步进电动机的工作原理4.8常用控制电器介绍4.9三相异步电动机的转向、行程及时间控制习题

4.1三相异步电动机

4.1.1三相异步电动机的结构

三相异步电动机主要由两个基本部分组成，其固定不动部分称定子，转动部分称转子。

图4.1是它的外形结构图。

图4.1三相异步电动机的外形结构

三相异步电动机的定子最外面是机座，它是由铸造铁或铸钢制成的。在机座内，装有0.5mm厚的互相绝缘的硅钢片叠成的圆筒形铁芯，

硅钢片的外形如图4.2所示。

图4.2定子的硅钢片

铁芯的内壁均匀地分布着很多的平行槽，槽内安放着三个与铁芯绝缘的绕组，这就是三相定子绕组。三相绕组有三个起端和三个末端，从机座的接线盒内引出，如图4.3所示，其中，图4.3(a)的三相绕组接成Ｙ形，而图4.3(b)的三相绕组连接成△形。三相定子绕组空间接成Ｙ形还是△形，取决于电动机每相绕组的额定电压和额定电流。

图4.3三相定子绕组的接法

三相异步电动机的转子是由转子铁芯、转子绕组、转轴、轴承等组成的。转子铁芯是由硅钢片叠成的圆柱形，其圆柱表面有很多均匀分布的平行槽，槽内装入转子绕组，然后固定在转轴上。

硅钢片如图4.4所示。

图4.4转子铁芯的硅钢片

根据转子绕组结构不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式的转子绕组像一个鼠笼，如图4.5所示。转子铁芯的平行槽内装有铜条，两端用端环短接。目前，100kW以下的鼠笼式异步电动机的转子绕组端环及作冷却的叶片一起用铝铸造成一体，

其外形如图4.6所示。

其制作方法简便，应用较广。

图4.5鼠笼式转子

(a)笼型绕组；

(b)转子外形

图4.6铸铝鼠式转子

绕线式转子绕组与定子绕组相仿，也有三相绕组，它的三个末端连在一起，三个起端与固定在转轴上的三个铜滑环相连，铜滑环与转轴绝缘，通过电刷与外加变阻器相连。当电动机刚启动时，串入电阻，随着转子转速的增加，电阻逐渐减少，在正常运转时，外加电阻一般转到零位，如图4.7所示。图4.7绕线式转子与外加变阻器的连接

4.1.2三相异步电动机的工作原理

1.旋转磁场图4.8所示为三相异步电动机最简单的定子绕组。其三相绕组在空间彼此相隔120°，三个绕组的末端U2、V2、W2连在一起，三个首端U1、V1、W1分别接入三相电源，成Ｙ形连接，图中标出各相电流的参考方向，其电流波形如图4.9所示。

图4.8三相定子绕组的布置

图4.9三相对称电流的波形

下面，选择几个时刻来分析三相定子绕组通入三相对称电流后的合成磁场的分布情况。（1）t=0时刻：iU＝0，iV为负，说明电流实际从V2流进，从V1流出；IW为正，即实际电流从W1流进，从W2流出。应用右手螺旋定则，可判别出其合成磁场方向为自上而下，如图4.10（a）所示。（2）时刻：iU为“正”，电流从U1流进，从U2流出;iV＝0；iW为“负”，电流从W2流进,从W1流出。再用右手螺旋定则，可确定其合成磁场沿顺时针方向转了120°，如图4.10（b）所示。

(3）时刻:用类似的方法同样可以判别出合成磁场又顺时针转了120°，如图4.10（c）所示。（4）

t=T时刻:合成磁场又顺时针转了120°，即回复到原先t=0时刻的位置，如图4.10（d）所示。图4.10三相电流产生的旋转磁场（p=1）

上述的旋转磁场具有一对磁极（p=1），电流变化一周，旋转磁场在空间也正好转了一周。如果要合成一个两对磁极的旋转磁场，则必须把每相绕组的数目增加一倍，各线圈的始末端在空间彼此相隔60°，通入三相对称电流，就可产生两个Ｎ极和两个S极，即p=2。假设三相交流电的频率为f1，则旋转磁场的转速n1：在p=1时，n1＝60f1r/min；p=2时， 。依此类推，若存在p对磁极，则极旋转磁场的转速 并可发现电流变化一周，合成磁场在空间只转了1／p周。

2.三相异步电动机的转动原理

三相异步电动机的定子绕组接入三相对称电流后，在定子空间产生了一个旋转磁场。如其以n1转速顺时针方向旋转，如图4.11所示，与静止的转子产生相对运动，根据相对运动的原理和右手定则，产生出如图中标出方向的感应电流。载流的转子导体在磁场中又受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判别，如图4.11中所示，则一对电磁力对转轴形成转矩T，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致，因此，转子就顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。图4.11异步电动机转子转速n总比旋转磁场转速n1慢，即n＜n1

。因此，这种电动机称为异步电动机。如果n1=n时，则转子与旋转磁场之间无相对运动，因而也不存在感应电流，转子转矩即为零。n1与n的相对转速n1-n与n1的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即（4-1）

转差率S是分析异步电动机运行的一个重要参数。当电动机启动时n=0，S＝1；当n=n1,S=0时，称为理想空载情况。一般S值在2％～8％之间。例4-1有一台三相异步电动机，其额定转速n＝2900r/min，试求电动机在额定负载时的转差率（电源频率f1=50Hz）。解由于异步电动机的额定转速接近而小于旋转磁场转速，根据旋转磁场转速得p=1,即因此，额定转差率

4.2三相异步电动机的启动、调速与制动

4.2.1三相异步电动机的启动

1.直接启动

直接启动是定子绕组直接加上额定电压来启动的方法。这种启动方法，设备简单启动快，但启动电流较大。在低压（500V以下）公用电网供电的系统中，电动机容量不超过10kW时，容许直接启动。而专用变压器供电系统中，单台电动机容量不超过变压器容量的20％～30％时，也允许直接启动。

2.降压启动这种方法是在电动机启动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速升高接近稳定时，再加上全部额定电压，以正常运行的方法。由于降低了启动电压，故而启动电流较小，但由于启动转矩也随之减小，因此这种启动方法只适用于轻载和空载下启动。

常用的降压启动方法有以下几种：（1）定子绕组串接入电阻启动。这种启动方法如图4.12所示。启动时，先合上开关QS1，启动电流经限流电阻Ｒ到三相绕组，故而启动电流减小，电机开始运转，转速逐渐上升，待转速稳定时，再合上开关QS2。其作用是将电阻Ｒ短接，使三相绕组获得全部的电源电压。这种启动方法，会使启动电流在电阻Ｒ上损耗一定的电能。

（2）Ｙ—△换接启动。这种启动方法只适用于正常工作时定子绕组是三角形连接的，而且只在启动时将它接成Y形，如图4.13所示。启动时，将转换开关QS2投向下方启动位置，此时三相定子绕组接成Ｙ形，然后合上开关QS1。待转速上升至稳定状态，再将转换开关QS2投向上方，使三相定子绕组接成△形。经计算，Ｙ—△换接启动，启动电流仅为直接启动电流的1/3，当然其启动转矩也仅为直接启动转矩的1/3，因此只能轻载或空载时启动。图4.12串接电阻启动线路

图4.13

Y—△换接启动线路

（3）自耦变压器降压启动。这种启动方法是将三相定子绕组接到三相变压器的副边，利用变压器降压作用，将启动电压减小来达到减小启动电流的目的，如图4.14所示。启动时合上开关QS1，将转换开关QS2放在启动位置，这时定子绕组接在变压器副边，此时降低了的电源电压使启动电流减小，待转速逐渐上升到稳态时，再将转换开关QS2放在工作位置，自耦变压器被切除，

定子绕组直接接至电源电压。

图4.14自耦变压器降压启动线路

4.2.2三相异步电动机的调速

有些生产机械需要有各种转速工作，这就需要电动机能够调速。调速是指用人工的办法，在同一负载下，使电动机由某一转速值变为另一转速值。由电动机转差率 及 的旋转磁场转速公式可得

(4-2)因此，异步电动机的转速可以由以下几种方法调速。

1.改变定子绕组的电流频率f1

这是一种比较先进的方法，能够实现平滑无级调速。随着电力电子技术的发展，其越来越广泛地被用于自动化生产中的电动机调速，甚至某些家用电器。由于我国的工频电源频率是50Ｈｚ，要改变它需要有一套专用装置，如交流-直流-交流变频装置和交流-交流变频装置等。

2.改变定子绕组的磁极对数p改变电动机定子绕组的接法可改变其磁极对数，从而改变电动机转速。由于极对数是成倍变化的，故而这种调速方法不能无限调速。采用这种方法的电动机的每相绕组必须是由两个相同的部分组成的，如图4.15(a)、(b)所示。U相绕组U1U2和可以接成串联，也可接成并联。串联时，空间分布磁场极对数p=2，而并联时，极对数p=1，从而达到调速的目的。鼠笼式异步电动机大多数采用这种方法调速，但一般不超过4速。双速电动机应用最广。图4.15改变磁极对数p的调速

3.改变转差率S调速这种方法适用于绕线式电动机。将电动机中的转子电路串入电阻，只要调节电阻值大小，便可调速。这种调速方法能获得平滑的调速，但由于调节电阻的能量损耗较大，故而不太经济，仅适用于起重设备等恒转矩的负载。

4.2.3三相异步电动机的制动

1.反接制动

将电动机电源切断后，再将其接到电源的三根相线中的任意两根对调位置，此时电动机便有反转旋转磁场产生，但转子由于惯性仍按原方向转动，因此产生的反转电磁通量转矩迫使电动机迅速减速，如图4.16所示。当转速接近于零时，再将反接电源切断，从而达到制动的目的。这种制动方法，设备简单，制动迅速，但机械冲击较大，制动时，电源的电流很大，

一般用于不经常制动的场合。

图4.16反接制动

2.能耗制动

将电动机三相电源切断，同时通入直流电，如图4.17所示，这时，在定子和转子间产生了一个固定的不旋转的磁场，但转子由于惯性仍按原转向转动，转子导线切割磁力线产生了一个与原转向相反的电磁转矩，

使电动机迅速停转。

图4.17能耗制动

4.3三相异步电动机的铭牌

表4-1异步电动机的铭牌

1.型号

Y160M-6Y——三相异步电动机。160——机座中心高（mm）。M——机座长度代号(L为长机座；M为中机座；S为短机座)。6——磁极数。此外有：YR——绕线式异步电动机；YZ——起重冶金用异步电动机；YB——防爆型异步电动机；YQ——高启动转矩异步电动机。

2.(额定)频率

(额定)频率是加在电动机定子绕组上的交流电源频率。我国的工频规定为50Hz。

3.(额定)电压

(额定)电压是电动机在额定运行状态时加到定子绕组上的电源线电压值。

4.(额定)功率

(额定)功率是电动机在(额定)电压、(额定)频率下，额定负载运行工作状态下电动机轴上的输出机械功率，又称为电动机容量。根据电动机的(额定)功率、(额定)转速，可求出电动机的额定转矩

（4-3）

式中，pN单位为kW，nN的单位为r/min。

5.(额定)电流

(额定)电流是电动机在额定运行状态下，定子绕组上的线电流值。

6.(额定)转速

(额定)转速是电动机在额定运行状态下的转子转速,单位为转/分（r/min）。

7.接法

接法指电动机在额定电压作用下的三相定子绕组的连接方式。由于电动机的额定电压为定值，若电源的线电压不同，则电动机定子绕组的接法就不同。如电动机定子绕组额定电压UN=220V，而电源线电压为220V时，则电动机三相定子绕组应接成△形；如电源线电压为380V，则电动机应接成Y形。故而有些电动机铭牌上标为220V/380V，

△/Y即为此意。

当然额定电流也有××A/××A两种。

8.绝缘等级

绝缘等级是指电动机定子绕组所用绝缘材料允许的最高温度等级。有A、E、B、F、H、C几种等级。它们的极限工作温度分别是105℃、120℃、130℃、155℃、180℃和大于180℃。

9.工作方式

工作方式指电动机正常连续使用时，允许连续运转的时间，一般分连续、短时和断续三种工作方式。

※4.4单相异步电动机

4.4.1单相异步电动机的工作原理当单相交流电流流入单相定子绕组时（见图4.18），就在电动机绕组轴线ＹＹ上产生一个交变的脉动磁场，其方向垂直向上或垂直向下，其磁场的磁通按正弦规律分布（见图4.19），

可见该磁场在空间是不旋转的。

图4.18最简单的单相异步电动机图4.19

ＹＹ位置脉动磁场的磁感应强度随时间的变化曲线

图4.20合成转矩

4.4.2电容分相式异步电动机

在实际工作中，是如何形成外力（启动转矩）使单相异步电动机转子转起来的呢？电容分相原理是可以解决启动转矩的问题的。这种异步电动机的定子绕组有两组：一组称为主绕组Ｌ1（又称工作绕组），另一组称为辅助绕组Ｌ2（又称启动绕组）。它们在定子铁芯中空间位置相隔90°。辅助绕组Ｌ2与电容Ｃ相串联,经离心开关S（或直接）与主绕组并联，接于单相交流电源上，

如图4.21所示。

图4.21电容分相式异步电动机线路(a)电容启动式；

(b)电容运转式

只要适当地选取电容Ｃ，就能使通入绕组Ｌ2的电流i2导前90°于绕组Ｌ1的电流i1，如图4.22所示，这就称为电容分相法。此时，电动机定子电流就能产生一个如图4.23所示的旋转磁场（过程自行分析）。在这个旋转磁场的作用下，鼠笼式转子上就受到了一个同向的电磁转矩，跟着转起来。当转子转速接近额定转速80％时，离心开关S打开，切断了辅助绕组(见图4.21（a))，称为电容启动式电动机。如果不装离心开关，启动后，辅助绕组中始终有电流流过(见图4.21(b))，称为电容运转式电动机。图4.22两相绕组中的电流波形

图4.23单相异步电动机的旋转磁场

如果要电动机反转只要换接任意一组绕组的电源接线端即可，如图4.24所示。其中S为换接开关，当S接到2位置时，电容Ｃ与绕组A串联，即A为辅助绕组；当S接到1位置时，B为辅助绕组。若S接1时电动机正转的话，那么S接2时，电动机应反转（过程请自行分析）。当S在1、2间转换时，即实现异步电动机的正、反转控制。一般家用洗衣机的异步电动机的正、反转就是用此方法来控制的。图4.24电容分相式异步电动机正、反转控制线路

4.4.3罩极式异步电动机

罩极式异步电动机如图4.25（a）所示。在凸出的磁极上有一凹槽，把磁极分成两部分p1和p2。在p2上嵌有短路铜环，相当于一个副绕组，称为被罩部分。当磁极的激磁绕组通入交流电流后，产生磁通，分为两部分Φ1和Φ2，如图4.25（b）所示。由于短路铜环的作用，产生的感应电流阻碍其磁通Φ2的变化，所以被罩部分的磁极p2中的磁通Φ2在相位上滞后磁极p1中的磁通Φ1，即磁通在空间部分分成两束。由于Φ1和Φ2在空间的位置不同，时间上又有相位差，这样就产生一个合成移动磁场。在这移动磁场的作用下，转子就沿着磁极p1向磁极p2方向转动起来了。图4.25罩极式单相异步电动机的基本结构和磁通分布（a)基本构造；

(b)磁通分布

4.5直

流

电

动

机

4.5.1直流电动机的工作原理直流电动机由固定的磁极和旋转的电枢所组成，如图4.26所示。图中，有一对固定Ｎ、S磁极（一般由励磁绕组通入直流电产生）。在电枢铁芯上，安装着一个与铁芯绝缘的线圈，其两个端点与两个半圆形的铜换向片连接，两个固定的电刷A和B紧压在两个换向片上，并与直流电源相接。电流从电刷A流入，经换向片与直流电源相接。电流从电刷A流入，经换向片与线圈的上面一段导线1相连，导线1电流流入用表示，而线圈的下面一段导线2电流流出用⊙表示，再从电刷B流回电流。载流导体1和2在磁场中要受到电磁力的作用。力的方向可用左手定则确定。对转轴产生了一个逆时针转向的电磁转矩，使电枢按逆时针方向旋转起来。

图4.26直流电动机当电枢转过90°时，两个线圈导线1、2处于水平位置。此时，导线中没有电流流过，电磁转矩也消失，但由于惯性的作用，电枢仍能转过一个角度。这时，电刷A、B分别与导线2、1相连，线圈中又有电流流入，此时,电流流向为：电源正极→电刷A→导线2→导线1→电刷B→电源负极，即所谓“换向”，但Ｎ、S极下导线中的电流流向不变，故而电磁转矩方向不变，电枢仍按逆时针方向旋转。由于一个线圈的电磁转矩太小，故而实际直流电动机是由多个线圈与换向器相连的。经数学计算，

电枢产生的电磁转矩可由下式决定：

式中,CT为电机常数（与电动机构造有关，对于某台电动机，CT为定值）；Φ为每极磁通量；IS为电枢电流。

直流电动机旋转后，线圈的上、下两边导线1、2不断切割磁力线而被感应出电动势，感应电动势的方向可用右手定则判别，其方向与电枢电流的流向相反，故而被称为反电动势。

其大小由下式表示：

E反=CTΦn

（4-5）

式中,CT为电机常数；Φ为每极磁通量；n为电枢转速。因此，

直流电动机的电压平衡方程式为

U=E反+ISRS

式中，RS为电枢电阻。

4.5.2直流电动机的分类

励磁式电机根据励磁绕组的接法不同可分为四类。

(1)他励式直流电动机：这种电机的励磁绕组和电枢绕组各自分开。励磁电流由另外单独的直流电源提供，如图4.27所示。由于这种电机的励磁电流仅取决于他励电源，而不受电枢端电压的影响，

因而称为他励式。

图4.27他励式电动机

图4.28并励式电动机

(2)并励式直流电动机：这种电机的励磁绕组和电枢绕组并联，如图4.28所示。电子励磁绕组承受了电枢两端的全部电压，为了减小绕组的铜损耗，励磁电流越小越好，故绕组的匝数较多，导线较细。

(3)串励式直流电动机：这种电机的励磁绕组和电枢绕组串联，如图4.29所示。为了减小励磁绕组的电压降和铜损耗，绕组应具有较小的电阻，因此它一般用截面较大的导线，且匝数较小。图4.29串励式电动机

(4)复励式直流电动机：这种电机有两个励磁绕组，一个同电枢并联，一个同电枢串联，如图4.30所示。

永磁式直流电动机在电路中符号如图4.31所示。

图4.30复励式电动机

图4.31永磁式电动机

4.5.3直流电动机的结构

直流电动机由静止不动的定子和会转动的电枢所组成，图4.32是其外形结构，其定子由磁极、励磁绕组、机座、电刷装置等组成（永磁式直流电动机磁极由永久磁铁组成，没有励磁绕组）。磁极的极心用1～1.5mm厚的钢片由铆钉铆合而成，励磁绕组套在极心上，然后用螺栓固定在机座上，如图4.33所示。机座由铸钢或铸铁制成，它是磁路的一部分，用于固定磁极、电刷架、端盖等部件。

图4.32直流电动机外形结构

图4.33磁极和励磁绕组

图4.34电枢图4.35换向器的外形图直流电动机的电枢由电枢铁芯、电枢绕组、换向器组成，图4.34(a)为电枢铁芯中的硅钢片外形，把它叠成图4.34(b)所示的圆筒形，上面的凹槽内放置电枢绕组。绕组按一定的规则和换向器上的换向片相连。

图4.35为换向器外形图。电刷一般由石墨组成，安装在刷架上，用弹簧将它压紧在换向器上。

4.6直流电动机的启动、调整、转向与制动

4.6.1直流电动机的启动

直流电动机刚接入电源启动时，因为电动机转速等于零，电枢上的反电动势为零，故而外加电压全部加到电枢电阻上，而电枢电阻一般都较小，此时电动机的电枢电流会很大，即启动电流

例如，一台直流电动机的额定电压为220V，电枢电阻为0.4Ω，其额定电流为50A，则直接启动时的电流

这样大的启动电流（为额定电流的11倍），会使直流电动机的换向器形成火花而烧坏。因此启动时，必须在电枢电路中串入电阻或降低电源电压，以限制其启动电流，但又要考虑启动转矩不因启动电流减小太多而影响启动能力，一般限制在1.5～2.5倍额定电流。如图4.36所示为并励式直流电动机的启动线路图。启动时将启动变阻器RSt放到最大位置，随着电动机转速的逐渐升高，逐步减小启动变阻器RSt,最后使它短接，而此时磁场变阻Rf调到最小，增加磁通Φ，使电动机的电磁转矩增大，

增加启动能力。

汽车启动机采用串励式直流电动机，即励磁绕组与电枢绕组串联，如图4.37所示。启动时，可使电流达到最大（约100多安培），此时电枢的输出转矩也最大，使汽车很容易启动。而汽车启动机允许短时间超载工作。串励式比并励式直流电动机的启动转矩要大得多。

图4.36并励式电动机启动线路

图4.37串励式电动机的线路

4.6.2直流电动机的调速

直流电动机的调速一般有以下三种方法。以并励式直流电动机为例，根据式（4-5）和（4-6）可得到电动机转速为

我们可以通过改变Φ、RS和U来进行调速。

1.改变磁极磁通Φ改变磁通Φ值的大小，可以改变转速n。为此在励磁电路中串接一只磁场变阻Rf，如图4.38所示。如把磁场变阻器阻值增加，则激磁电流减小，磁通也随之减小，电动机的转速升高；反之，磁场变阻器阻值减小，则电动机的转速降低。

由于并励式电动机的励磁电流较小，而在调速过程中能量耗损也较小，故而实际使用中应用较广。

串励式直流电动机也可采用改变磁通Φ来调速，不过此时磁场变阻Rf必须与激磁绕组并联，如图4.39所示。磁场变阻器阻值减小，通过变阻器的电流增大，而激磁绕组的电流减小，磁通Φ减小，电动机转速升高；反之，则转速降低。

以改变磁极磁通Φ来调速，电动机的转速能在其额定转速以上平滑调节。但转速增高受到电枢机械强度的制动，一般不超过额定转速的20％。

图4.38并励式电动机改变Φ的调速线路

图4.39串励式电动机改变Φ的调速线路

2.改变电枢电路中的电阻

在电枢电路中串联一个可调变阻器RSC，如图4.40所示。当阻值RSC增大时，电枢电流ISC减小，则转速降低，反之，RSC减小时，电动机转速将升高。由于电枢电流一般较大，故而调速电阻RSC要消耗大量的能量，不太经济。另外，还会使电动机的机械特性变软。采用这种调速方法，只能使电动机的转速在额定值以下作比较平滑的调节。图4.40电枢电路中串接电阻调速

3.改变电源电压U

由公式 ，若保持激磁电路中磁通Φ不变，则改变电动机的直流电源电压U，可以实现平滑调节。但应注意U不能超过额定电压。改变直流电源电压，过去采用直流发电机，现在大多数采用晶闸管整流电源。4.6.3直流电动机的转向

改变直流电动机的转向，由直流电动机的工作原理可知，只要改变其电枢电流方向或者改变励磁电流方向即可。但两者只能取一，通常是采用改变电枢电流方向的方法。因为励磁电路的电感较大，故而反接时会产生很高的感应电动势而击穿励磁绕组。

4.6.4直流电动机的制动

为了使直流电动机切断电源后能迅速停止转动，需要对电动机采取制动方法。如图4.41所示即为其中的一种称为能耗制动的方法。当转换开关S由1转至2时，电动机电枢电路与电源脱离，而与某一电阻元件Ｒ相连形成回路。如图4.42（a）所示，由于电动机的电枢具有惯性，继续旋转，而电动机励磁电路仍在继续工作，因此电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，并且方向也不变。不过此时电动机变为发电机状态向电阻元件Ｒ供电，其电流方向与感应电动势方向一致，而此方向与原来电动机的工作状态正好相反(见图4.42（b）)。此时电流在磁场中产生的一对制动电磁力FB对转轴产生的制动转矩TB与电动机电枢转向相反，因而电动机迅速停转。

图4.41能耗制动的线路

图4.42制动电磁力F的产生示意图

(a)电动机运行时；

(b)发电机运行时

※4.7步进电动机的工作原理

图4.43反应式步进电动机工作示意图

1.单三拍

当A相绕组单独先通入脉冲直流电，定子与转子的气隙间即产生一个磁场，其磁场方向与A相绕组轴线重合一致。这时转子被磁化。根据磁力线力图通过磁阻最小路径的性质，转子转到与A相绕组轴一致，如图4.43所示位置。接着B相绕组单独通入脉冲直流电，定子与转子间的气隙磁场方向又与B相绕组轴线一致，则转子就又要转到B相绕组轴线处，使转子在空间转了60°,接着Ｃ相单独通入脉冲直流电，转子又在空间转了60°。如果定子绕组按A-B-Ｃ-A……顺序分别通电，转子就会沿着顺时针60°一次转一个角度，持续旋转下去。我们将转子在空间每旋转一个角度，称为前进了一步。这个角度称为步进角θ。而将从一相通入脉冲信号换接到另一相通电称为一拍。反应式步进电动机每经一拍，转子就前进一步。上述的通电方式称为“单三拍”。所谓“单”指的是每次只有1个绕组单独通电。

2.六拍

如果A相不断电的情况下又接通B相，此时定子A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场共同作用，使转子不能顺时针旋转60°，只能旋转30°，故步进角将减小一半。此后如果按A-AB-B-BC-C-CA方式顺序通电断电，则转子将按θ/2步进角以顺时针方向旋转。

这种通电方式称为六拍。

上述最简单的步进电动机的步进角太大，在实际中不适用。图4.44所示是一种实际的三相反应式步进电动机示意图。在每个定子磁极上和转子表面增加了小齿，定子与转子的齿距相同，齿数适当，使得在一对磁极下的定子与转子的小齿一一正对应，如图中A相绕组，而下一相绕组（如B相）的定子与转子的小齿，正好错开齿距（设为t）的相数（设为m）分之一（即为t/m），而再下一相绕组（如Ｃ相）的定子与转子的小齿又错开了2t/m。依次推算下去，在定子绕组磁场作用下，步进电动机每运行一拍，转子则转过相当于t/m齿距的角度θ

即有式中：z为转子齿数；N为转子转过一个齿距的运行节拍数。

图4.44三相反应式步进电动机工作示意图

因此，步进电动机通电N拍，转子则转过Nθ的角度，相当于一个齿距。如目前常见的三相反应式步进电动机定子有6个磁极，每个磁极上有5个齿，转子有40个齿，此种电动机按单三拍通电，θ=3°，若按六拍通电,θ=1.5°。4.8常用控制电器介绍

4.8.1开关

开关的作用是切断和闭合电路。根据实际生产的需要，开关分为闸刀开关、铁壳开关、行程开关、转换开关、组合开关等。下面介绍其中常用的一种组合开关，如图4.45所示为其结构图。它有三对静触片、三对动触片。静触片固定在绝缘垫板上，一端与接线柱相连，以便与负载或电源线相接。三对动触片固定在中间绝缘转轴上，转轴通过手柄，每旋转90°，实现动、静触片接通或断开一次。

图4.45组合开关结构(a)外形；

(b)符号

4.8.2按钮按钮是在电力拖动中，发出主令的电器。如图4.46所示为其结构剖面图及符号。它有一对固定的静触头，中间动触头连在绝缘杆上。当按下按钮帽时，上面一对常闭触头，动断时先被打开，而下面一对常开触头，动合时后被接通。放开按钮帽时，在弹簧作用下，动断触点复位闭合，动合触点复位打开。

图4.46按钮(a)剖面图；

(b)图形符号

4.8.3接触器

接触器是为了能频繁启动或实现远距离控制而设计的一种自动开关，其工作原理是通过通电线圈产生电磁吸力来实现开关功能的。其按取用的电源不同而分为交流接触器和直流接触器。接触器的主要组成部分有电磁铁和触点。如图4.47所示为常用的ＣＪ10型交流接触器的外形、

结构示意图及符号。

图4.47CJ10型交流接触器(a)CJ10-10；

(b)CJ10-20；

(c)结构示意图；

(d)图形符号

一组动合触点经连杆与电磁铁的动铁芯绝缘地连在一起，而一组静触点固定在绝缘壳体上，当电磁铁吸引线圈尚未通电时，互相分开的触点称为动合触点，又称常开触点。而互相闭合的触点称为动断触点，又称常闭触点。当吸引线圈加上额定电压后，电磁铁产生吸力，将动铁芯吸合，带动连杆，使动合触点接通，而动断触点打开。当吸引线圈断电时，由于弹簧的作用，将动铁芯释放，恢复成原来的状态。因此，只要控制吸引线圈的通电或断电，即可控制触点的接通与断开，从而达到控制电路通断的目的。

交流接触器的额定电压有36V、110V、220V和380V，额定电流有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A等。在实际使用中，则按电源电压和负载大小而定。

4.8.4熔断器

熔断器俗称保险丝，它是一种短路保护电器。它有管式、插入式、螺旋式等，如图4.48所示。其中的熔丝、熔片用电阻率较高的易熔合金制成。当正常工作时，流过熔体的电流小于它的额定电流，熔体不熔断，而一旦电路发生短路或严重过载时，熔体便立即熔断，从而切断了电源，保护了电器。

图4.48熔断器外形(a)管式；

(b)插入式；

(c)螺旋式

熔丝或熔片的选择应根据电路的具体情况而定。在照明、电热线路中，熔丝的额定电流应等于或稍大于负载的额定电流。若负载是电动机，

应根据下式选择：

频繁启动的电动机，上式分母取1.6～2.0。

4.8.5热继电器继电器是一种传递信号的电器，按照输入信号切断和闭合电路。它的输入信号可以是温度、速度、压力等非电量，也可以是电流、电压，而输出的是触点通断信号。热继电器是利用电流的热效应而动作的电器，其通常用来保护电动机过载。如图4.49所示为其结构示意图。

图4.49热继电器结构示意图

4.9三相异步电动机的转向、行程及时间控制

4.9.1三相异步电动机的直接启动、点动及正反转控制

1.直接启动控制线路

如图4.50所示是异步电动机直接启动控制线路图。接通电源开关QS，按下启动按钮SB1，

则电流路径为：

接触器ＫＭ吸引线圈得电，使所有动合触点闭合，电动机得电而开始向一个方向旋转启动。当放开SB1按钮时，由于并联在其两端的接触器ＫＭ一对辅助动合触点已闭合，故而不影响接触器ＫＭ吸引线圈得电，电动机正常运转。接触器ＫＭ这一对辅助动合触点的作用称为自锁，而这对辅助动合触点亦称为自锁触点。如欲使电动机停转，只要按下停止按钮SB2，便可切断接触器吸引线圈的通电回路，失电而使动合触点断开，电动机失电停转。图4.50异步电动机直接启动控制线路图

该电路具有三种保护作用：①短路保护作用——熔断器FU担任。②欠压保护——接触器KM吸引线圈担任。当电源电压低于额定电压值时，吸引线圈因电源电压过低而不能克服弹簧作用吸引动铁芯，故而不能使动合触点闭合，从而避免了电源电压过低而造成电动机转矩下降，从而影响电动机的正常运转。

③过载保护——热继电器FR担任。当电动机过载时造成电流过大，从而使热继电器通过发热元件而使双金属片动作，打开FR的常闭触点，切断了接触器吸引线圈的供电，打开动合触点KM，电动机失电停转，从而避免了电动机的损坏。

2.点动控制线路

生产实际中，有时需要点动控制，如车床夹件的调整状态，要求按下按钮，电动机转动；而放开按钮，电动机便要停止。按要求只要将上述线路中自锁回路切断即可。

如图4.51所示即为三相异步电动机的点动或连续控制线路图。

图4.51三相异步电动机的点动或连续控制线路图

此电路既能点动控制，又能直接连续控制。按下点动按钮SB，其动断、动合触点联动（如图中虚线连接），接触器KM吸引线圈经SB动合触点通电后，电动机运转，此时SB动断触点切断接触器KM的自锁回路。释放SB按钮后，接触器KM吸引线圈失电而使电动机停转。若按下按钮SB1，便可连续工作。

3.正反转控制线路

在生产上，许多机械都要有正、反两个方向的运动。这就要求拖动的电动机能够实现正转和反转。从三相异步电动机工作原理中知道，只要换接定子绕组三相电源进线中的任意两根线即可实现反转。

如图4.52所示即为其控制线路。

图4.52电动机正、

反转控制线路

其过程是：先合上电源开关QS，再按以下步骤操作：①正转。按下正转按钮SB1，电流路径为：

B相→停止钮SB3→SB2钮动断触点→SB1钮动合触点→接触器KM2辅助动断触点→接触器KM1吸引线圈→热继电器FR动断触点→C相→辅助动合触点KM1闭合→自锁→接触器KM1吸合→主动合触点KM1闭合→电动机得电正转→辅助动断触点KM1断开

②停止。按下停转按钮SB3，切断接触器KM1吸引线圈回路，使接触器KM1释放，电动机失电而停转。③反转。按下反转按钮SB2，电动机便反转，其工作过程请自行分析。在电动机正、反转电路中，接触器KM1和KM2是不允许同时接通的，否则会造成电源短路、接触器主动合触点烧坏等事故。为了保证电路能正常工作，电路采用了互锁保护，即接触器KM1吸合时，不允许接触器KM2得电吸合；而接触器KM2吸合时，也不允许接触器KM1得电吸合。电路中采用了以下两重互锁保护电路：

①接触器互锁。分别将接触器的辅助动断触点接入另一接触器的控制回路。当接触器KM1得电吸合时，其辅助动断触点打开，切断了接触器KM2吸引线圈的电路，保证KM2不能吸合。同样,接触器KM1的吸引线圈也串入接触器KM2的辅助动断触点，实现互锁。

②按钮互锁。正、反转按钮将各自联动的动断触点串入对方控制线路，当按下正转按钮SB1时，其动断触点先切断了反转控制电路，然后动合触点再接通正转控制电路（见按钮结构图）。同理，反转按钮SB2按下时，先切断了正转控制电路，再接通反转控制电路而实现了互锁。按钮互