特种电机完整版本

学习目标:第四章特种电机掌握伺服电动机、测速发电机、步进电机、直线电机和微型同步电动机等特种电机的结构、性能和工作原理。了解特种电机在生产领域中的实际应用。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。第四章特种电机定义：控制用特种电机驱动用特种电机分类：驱动各种机构、仪表以及家用电器等。在自动控制系统中传递、变换和执行控制信号的小功率电机第一节：伺服电动机案例1：数控机床伺服系统是以机床移动部件的机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也称位置随动系统，它接收来自插补器的步进脉冲，经过变换放大后转化为机床工作台的位移。高性能的数控机床伺服系统还由检测元件反馈实际的输出位置状态，并由位置调节器构成位置闭环控制。伺服电动机外形图调速范围宽。机械特性和调节特性为线性。无“自转”现象。快速响应。在自动控制系统中，对伺服电动机的性能要求：交流伺服电动机直流伺服电动机分类：输出功率较大输出功率较小一、直流伺服电动机（一）结构结构和原理与普通直流电动机的结构和原理没有根本区别。电磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机按照励磁方式分类：不需要励磁绕组和励磁电源一般采用他励结构无槽电枢直流伺服电动机空心杯形转子直流伺服电动机按照转子结构分类：力能指标较低散热好、力能指标高、快速性好（二）控制方式电枢控制恒压励磁控制电压电枢控制中回路电感小，响应快，在自动控制系统中多采用电枢控制。

UfUc（二）控制方式磁场控制恒压控制电压UCUf机械特性表达式:磁路一般不饱和，不考虑电枢反应，认为主磁通Φ大小不变。

特性分析Tm2>Tm1>Tem机械特性调节特性始动电压线性度好，调整范围大，起动转矩大，效率高UC1>UC2>UC3电枢电流较大；电刷和换向器维护工作量大；接触电阻不稳定；电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生干扰。缺点：始动电压越高，死区越大。负载越大，死区越大，伺服电机不灵敏，所以不可带太大负载。二、交流伺服电动机（一）结构非磁性空心杯形转子笼型转子结构形式:体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。转动惯量小且具有较大的电阻。响应快、运行平稳的优点，但结构复杂，气隙大，空载电流大，功率因数较低。

二、交流伺服电动机（一）结构机壳外定子绕组外定子内定子转轴空心杯转子励磁绕组控制绕组空间相差90º电角度空心杯转子交流伺服电动机结构示意图（二）工作原理两个绕组共同作用在电动机内部产生了一个旋转磁场，使转子转动。“自转”当转子转动起来以后，断开起动绕组，电动机仍然能够转动。“自转”的消除：增加伺服电动机的转子电阻转子电阻较小（临界转差率Sm<1）时的机械特性转子电阻较大（临界转差率Sm≥1）时的机械特性电磁转矩的方向与转速的方向相同，电动机仍然能够转动。电磁转矩的方向与转速的方向相反，电动机迅速停转。（三）控制方法改变加在控制绕组上的电压的大小和相位，能够改变电动机转速的大小和方向。1.幅值控制改变控制电压的幅值来控制电机的转速，而的相位始终保持不变。UC=0，则转速为0，电动机停转.2.相位控制改变控制电压的相位,从而改变控制电流与励磁电流之间的相位角来控制电动机的转速。与之间的相位角为00时，则转速为0，电动机停转。3.幅相控制移相电容同时改变控制电压的幅值及与之间的相位角来控制电机的转速UC改变时，If也跟着改变第二节测速发电机案例2：雷达天线跟踪系统输出电压与速度保持严格的线性关系，且不随外界条件的改变而变化；剩余电压（转速为零时的电压）小；输出电压对转速的变化反应灵敏，测速发电机输出特性的斜率要大；惯性小、反应快、使用可靠。将机械转速转换为相应的电压信号，在自动控制系统中常用作测量转速的信号元件。交流测速发电机直流测速发电机分类：测速发电机作用：自动控制系统对测速发电机的主要要求：一、直流测速发电机（一）结构与小型普通直流发电机的结构相同。永磁式他励电磁式按励磁方式分类：工作时励磁绕组发热会引起励磁绕组电阻的变化，从而引起励磁电流的变化，会造成一定的测量误差结构简单，受温度变化引起的误差也小，应用广泛（二）工作原理E0=CeФn

U2=E0,所以输出电压与转速成正比。接入负载电阻RL

输出电压仍与转速n成线性关系没有接触压降时的输出特性有接触压降时的输出特性实际输出特性失灵区或无信号区二、交流测速发电机（一）结构同步式异步式分类：杯形转子笼型转子快速性好，灵敏度高，转动惯量小。转子电阻比伺服电动机的转子电阻更大一些，通常采用电阻率大、湿度系数小的硅锰青铜或锡锌青铜制成，杯壁厚为0.2～0.3mm。定子构成：内定子外定子嵌放有空间位置上相差90º电角度的两相绕组一相绕组作为励磁绕组，另一相绕组作为输出绕组.在机座号较小的测速发电机中，两相绕组均嵌放在内定子上；而机座号在36号（外径36mm）以上测速发电机中，励磁绕组嵌放在外定子上，输出绕组嵌放在内定子上，以便调整两相绕组的相对位置，使剩余电压最小。（二）工作原理转子不动时转子转动时转子电流产生的磁通Φrd与励磁绕组产生的磁通方向相反，所以合成磁通Φd的方向仍沿d轴方向.输出绕组中的电压为0转子切割直轴磁通Φd产生一个旋转电动势Erq，其方向由给定的转子转向，用右手定则判断，其有效值为：（二）工作原理Erq

转子绕组中将产生交流电流Irq

Erq与

Irq基本同相Irq产生φQ即第三节步进电动机案例3：步进电动机驱动数控机床分类：电脉冲信号转换成相应角位移的电动机，每当一个电脉冲加到步进电动机的控制绕组上时，它的轴就转动一定的角度，角位移量与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，又称为脉冲电动机。永磁式磁阻式（反应式）按励磁方式分类：混磁式单相两相三相多相一、模型结构示意图定子转子转子齿二、工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用U相控制绕组通电，V、W两相控制绕组不通电转子齿1和3与定子U相磁级轴线对齐，转子停止转动二、工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用V相控制绕组通电，U、W两相控制绕组不通电转子齿2和4与定子V相磁级轴线对齐，转子停止转动二、工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用W相控制绕组通电，U、V两相控制绕组不通电转子齿1和3与定子W相磁级轴线对齐，转子停止转动结论：按U－V－W－U的顺序轮流给各相控制绕组通电转子在磁阻转矩的作用下按U－V－W相序方向一步一步的转动转速:取决于绕组变换通电状态的频率，即输入脉冲的频率。旋转方向:取决于控制绕组轮流通电的顺序。几个概念：“一拍”控制绕组从一种通电状态变换到另一种通电状态。步距角θb

每一拍转子转过的角度。三相步进电动机的控制方式三相单三拍、三相双三拍、三相单、双六拍控制方式。转子转过一个齿距需要的拍数为N

转子齿数

三相单三拍控制方式每次只有一相控制绕组通电，切换三次为一个循环。

运行不稳定，很少采用。切换瞬间，转子失去自锁能力，容易失步（即转子转动步数与拍数不相等），在平衡位置也容易产生振荡三相单三拍控制方式每次有两相绕组同时通电，如UV－VW－WU－UV，每一循环也需要切换三次，步距角与三相单三拍控制方式相同，也为30º三相单三拍控制方式通电顺序如：U－UV－V－VW－W－WU－U，步距角只有三相单三拍和双三拍的一半，为15º在切换过程中始终保证有一相持续通电，力图使转子保持原有位置，工作比较平稳转速：

脉冲电源的频率

为满足生产中小位移量的要求，须减小步距角，实际中转子和定子磁极都加工成多齿结构：如图Zr=40改变步距角的方法①齿距角为9º，采用三相单三拍通电时各量的计算：采用三相六拍通电时：Zr=40的步进电动机的计算：改变步距角的方法②增加相数也可以增加拍数从而减小步距相数增多，所需驱动电路就越复杂常用的步进电动机除了三相以外，还有四相、五相和六相。三、主要技术指标和运行特性

（一）步距角步距角与定子绕组的相数、转子的齿数和通电方式有关。目前我国步进电动机的步距角为0.36º～90º，常用的有7.5º/15º、3º/6º、1.5º/3º、0.9º/1.8º、0.75º/1.5º、0.6º/1.2º、0.36º/0.72º等几种

。（二）最大静转矩

静转矩是指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。在稳定状态下，如果在转子轴上加上负载转矩使转子转过一定角度θ，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度θ即为失调角。对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩。

（三）矩频特性步进电动机的动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。

动态转矩：步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔大于电机机电过渡过程所需的时间，步进电动机进入连续运行状态，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。

（四）起动频率和连续运行频率

起动频率fst

一定负载转矩下能够不失步起动的最高脉冲频率。fst的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角θb越小，负载越小，则起动频率越高。

制动频率

起动频率

步进电动机的工作频率连续运行频率

负载转矩相同时，正、反向的起动频率和制动频率一样

连续运行频率f

步进电动机起动后，当控制脉冲连续上升时，能不失步运行的最高频率，负载越小，连续运行频率越高。在带动相同负载时，步进电动机的连续运行频率比起动频率高得多。第四节直线电动机案例4：磁悬浮列车：采用磁力悬浮车体，应用直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行。第四节直线电动机分类：直线感应电动机直线直流电动机

一、直线感应电动机（一）主要类型和基本结构1．扁平型直线感应电动机演变过程长一次侧

短一次侧

为了保证在所需的行程范围内，一次侧和二次侧之间的电磁耦合始终不变，实际应用时，必须把一次侧和二次侧制造成不同长度

单边型：一次侧和二次侧之间存在着较大的法向吸力

双边型：二次侧的两边都装上一次侧，法向吸力就可以互相抵消

铁心：硅钢片绕组：单相、两相、三相或者多相

栅型结构

：尤如旋转电动机的笼形结构。实心结构：即采用整块均匀的金属材料，它又分成非磁性二次侧和钢二次侧

2．圆筒型（管型）电机还可以做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电动机，旋转直线的运动体既可以是一次侧，也可以是二次侧圆筒型直线感应电动机的形成3．圆盘型圆盘型直线感应电动机二次侧做成扁平的圆盘形状并能够绕经过圆心的轴自由转动。

使圆盘受切向力作旋转运动

（1）力矩与旋转速度可以通过多台一次侧组合的方式或通过一次侧在圆盘上的径向位置来调节。（2）无需通过齿轮减速箱就能得到较低的速度，因而电动机的振动和噪声很小。与普通旋转电动机相比的优点：（二）基本工作原理通入对称正弦交流电时，产生气隙磁场。分布情况与旋转电动机相似，沿着直线方向按正弦规律分布，但它不是旋转而是沿着直线平移，因此称为行波磁场。

行波磁场移动速度行波磁场切割二次侧导条，将在导条中产生感应电动势和电流

磁场和电流相互作用，产生电磁力（二）基本工作原理如果一次侧是固定不动的，那么二次侧便在这个电磁力的作用下，顺着行波磁场的移动方向作直线运动

转差率s：0<s<1二次侧的移动速度：改变电源频率改变极距改变二次侧移动的速度：

改变一次侧绕组中通电相序

改变二次侧移动的方向：

一、直线感应电动机电磁式永磁式分类：多用于驱动功率较小的场合多用于驱动功率较大的场合（一）永磁式直线直流电动机动铁型动圈型分类：实际中用得较多改变绕组中直流电流的大小和方向，即可改变电磁力的大小和方向。移动绕组中通入直流电流时，便产生电磁力

（二）电磁式直线直流电动机电磁式动圈型直线直流电动机结构示意图

励磁绕组通电后产生磁通与移动绕组的通电导体相互作用产生电磁力，克服滑轨上的静摩擦力，移动绕组便作直线运动。

三磁极式直线直流电动机

磁绕组通电时，产生磁通，径向穿过气隙和电枢绕组，在铁心中由径向过渡到轴向，形成闭合回路，如图中虚线所示。径向气隙磁场与通电的电枢绕组相互作用产生轴向电磁力，推动磁极作直线运动电流只在电枢绕组的工作段流过第五节微型同步电动机作用：将不变的交流信号变换为转速恒定的机械运动，在自控系统中作执行元件结构：定子结构与异步电动机的定子是一样的。转子的极数与定子极数相同，转子上无绕组，不需要直流励磁，因而没有电刷与滑环，所以结构简单，维护方便。反应式（磁阻式）永磁式分类：磁滞式一、永磁式微型同步电动机定子产生的旋转磁场吸牢转子一起旋转，转速为定子旋转磁场的转速，亦即同步转速n1

一、永磁式微型同步电动机负载转矩增大时，定子磁场磁极轴线与转子磁极轴线之间的夹角相应增大；负载转矩减小时，夹角相应减小，转速则始终恒定不变负载转矩超出一定限度（最大同步转矩），电动机停转的现象。“失步”在转子上加装笼式绕组，利用异步电动机的原理使转子转起来，当转速接近同步转速时，定子旋转磁场会将转子牵入同步，与定子旋转磁场一起同步旋转异步起动法二、反应式微型同步电动机转子冲片由铁磁性材料制成，本身没有磁性，但是必须有直轴和交轴之分，直轴的磁阻小，交轴的磁阻大凸极结构外反应式圆形内反应式内外反应式工作原理：定子绕组通电时，气隙中建立圆形或椭圆形旋转磁场转子，产生磁阻转矩或称反应转矩，