电机及拖动系统 课件 第6章 控制电机

6.1单相异步电动机

6.2伺服电动机

6.3同步电动机

6.4测速发电机

6.5步进电动机

6.6直线电动机

6.7无刷直流电动机

6.8开关磁阻电机

6.9超声波电动机第六章

控制电机6.1单相异步电动机

单相异步电动机是用单相交流电源供电的异步电动机，具有结构简单，成本低廉、噪声小等优点，常用在功率不大的家用电器（如电风扇、洗衣机、电冰箱等）和小型动力机械（如手电钻、医疗器械、小型风机等）中。单相电容起动异步电动机单相电阻起动异步电动机6.1单相异步电动机6.1.1基本结构6.1单相异步电动机6.1.1基本结构转子：均采用普通鼠笼型结构；定子绕组：一个工作绕组（也称主绕组），用来产生主磁场并从电源输入电功率；一个起动绕组（也称副绕组）；二者在空间相差90o电角度。两种工作方式：起动绕组只在起动时接入电源，起动结束后就断开电源；

两个绕组在起动、运行中都接入电源，两个绕组都是工作绕组。6.1单相异步电动机6.1.2工作原理

6.1单相异步电动机6.1.2工作原理

图6-1单相异步电动机一相通电时的T-S曲线6.1单相异步电动机6.1.2工作原理

6.1单相异步电动机6.1.3单相异步电动机的起动单相绕组产生的是脉振磁场，导致单相异步电动机不能产生起动转矩；需要再气隙中产生旋转磁场，也即需要在定子两相绕组中通入不同相位的电流；将定子绕组中的电流相位分开即“分相”；6.1单相异步电动机6.1.3单相异步电动机的起动1.分相式起动电容分相式起动是在起动绕组中串入一适当容量的电容，通过离心式开关与工作绕组并联；起动绕组中的电流在时间相位上近似超前于工作绕组中的电流90度；空间相位上相差90度的两个绕组分别流过在时间相位上相差90度的电流，在气隙中建立圆形的旋转磁场；图6-2电容分相式单相异步电动机6.1单相异步电动机6.1.3单相异步电动机的起动2.罩极式起动罩极式单相异步电动机的定子铁心多制成凸极式，每极上装有工作绕组；极靴表面处开凹槽，把凸极分为两部分，较窄的部分（称为罩极）套一个很粗的短路铜环，该铜环称为罩极绕组；脉振磁通的大部分不穿过铜环，小部分则穿过铜环。二者在空间和时间上都存在着相位差，产生椭圆形旋转磁场图6-3罩极式单相异步电动机6.2

伺服电动机伺服电动机是把输入的电压控制信号转换为伺服电动机轴的角位移或角速度输出，是自动控制系统中的执行机构，也称为执行电动机。按使用电源的性质不同，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机1.杯形电枢内、外两个定子，外定子通常由永久磁铁组成，内定子由软磁材料做成，仅起磁轭作用；空心杯电枢直接安装在电机轴上，在内、外定子之间的气隙中旋转；转子内、外侧都需要有足够的气隙，所以磁阻大，磁动势利用率低。通常采用高磁能积永磁材料作磁极；多用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中，如电视摄像机，录音机，机床控制系统等方面。图6-4杯形电枢直流伺服电动机6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机2.盘形电枢盘形电枢通常无铁心，仅由导体制成圆盘型；绕组的有效导体在空间沿径向呈辐射状分布，电枢直径远大于其长度；定转子间的气隙为轴向平面气隙，主磁通沿轴向通过气隙；绕组中电流沿径向流过圆盘表面，与主磁通相互作用产生电磁转矩；适用于低速和起动、反转频繁，要求薄型安装尺寸的系统，功率较大的电机主要用于数控机床、工业机器人、雷达天线驱动等伺服系统6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机图6-5印制式绕组盘形伺服电动机结构6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机图6-6绕线式绕组盘形伺服电动机结构6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机3.无槽电枢电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，电枢绕组直接排列在转子铁心表面上；气隙比普通直流电动机大十倍以上；不存在齿部磁通密度饱和的问题，气隙磁通密度高；主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面；图6-7无槽电枢直流伺服电动机结构6.2

伺服电动机6.2.1直流伺服电动机3.无槽电枢电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，电枢绕组直接排列在转子铁心表面上；气隙比普通直流电动机大十倍以上；不存在齿部磁通密度饱和的问题，气隙磁通密度高；主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面；图6-7无槽电枢直流伺服电动机结构6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机1.基本结构定子绕组：定子上嵌有励磁绕组和控制绕组，两者在空间上互差900电角度;转子：高电阻率导条的笼型转子非磁性空心杯转子铁磁性空心转子6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机（1）高电阻率导条的笼型转子与普通鼠笼式异步电动机的转子类似，但为了减少转子的转动惯量，消除自转现象，做得细而长。图6-8笼形转子异步伺服电动机6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机（2）非磁性空心杯形转子外定子铁心槽中放置空间相差90o电角度的两相分布绕组，内定子不放绕组;空心杯形转子用非磁性铝或铝合金制成，放在内、外定子铁心之间;一般用在要求运转非常平稳的特殊场合（如积分电路等）;图6-9非磁性杯形转子异步伺服电动机6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机（3）铁磁性空心转子转子采用铁磁材料制成,不需要内定子铁心;转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组;转动惯量较非磁性空心杯转子要大得多，快速响应性能也较差;图6-10铁磁性空心转子6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机2.工作原理（1）圆形旋转磁场的产生两相对称绕组中通入两相对称电流，用数学公式表示为下式：图6-11两相对称电流6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机图6-12两相绕组产生的圆形旋转磁场6.2

伺服电动机6.2.2交流伺服电动机

6.2

伺服电动机6.2.3应用举例1.在轮式机器人驱动系统中的应用图6-13轮式机器人驱动系统的原理图

6.2

伺服电动机6.2.3应用举例

图6-14简单的位置控制系统6.2

伺服电动机6.2.3应用举例

图6-15钢板厚度测量装置示意图6.3

同步电动机

6.3

同步电动机6.3.1磁阻式同步电动机1.基本结构定子：定子和普通的同步电动机或异步电动机相同，在定子槽中嵌有三相或两相绕组，或是罩极式的单相绕组；转子：形式多种多样，但转子直轴和交轴方向的磁阻必须不同；图6-16磁阻同步电动机的转子结构6.3

同步电动机6.3.1磁阻式同步电动机

图6-17磁阻同步电动机的工作原理6.3

同步电动机6.3.2永磁同步电动机1.基本结构定子：定子和普通的同步电动机的定子相同，定子槽中嵌有三相对称交流绕组，通入三相对称交流电时，产生圆形旋转磁场;转子：转子铁心、永久磁铁、鼠笼绕组等，有多种结构形式；1—永磁体；2—鼠笼导条；3—转轴；4—转子铁心图6-18几种典型的转子结构图6.3

同步电动机6.3.2永磁同步电动机

图6-19永磁同步电动机的工作原理图6.3

同步电动机6.3.3磁滞同步电动机1.基本结构定子：定子和普通的异步电动机的定子相似，槽中可嵌三相或单相绕组；转子：一般采用环形硬磁材料，里面有套筒；图6-20磁滞同步电动机的转子结构6.3

同步电动机

图6-21磁滞同步电动机的工作原理图6.3.3磁滞同步电动机6.3

同步电动机1.在电梯驱动系统中的应用位置控制器根据位置指令输出满足速度和转向要求的速度指令，在反馈作用下，永磁同步电动机按照指令带动轿厢运行；图6-22直驱式电梯主驱动系统总体结构框图6.3.4应用举例6.3

同步电动机2.在化纤纺丝机中的应用图6-23纺丝卷绕机电气传动结构图6.3.4应用举例6.4测速发电机测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置，其转轴和被测对象的转轴连接在一起，可把机械转速信号转换成电压信号输出，测量旋转体转速。一般作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。6.4测速发电机6.4.1直流测速发电机1.直流测速发电机的输出特性直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。

6.4测速发电机6.4.1直流测速发电机图6-24直流测速发电机的输出特性

6.4测速发电机6.4.1直流测速发电机2.直流测速发电机的误差及其减少的方法温度影响：励磁绕组电阻随温度变化，引起励磁电流及励磁磁通的变化；电枢反应影响：电枢反应有去磁效应；延迟换向去磁：换向过程中会产生换向电动势，生成的磁通对主磁通有去磁作用，称为延迟换向去磁；纹波影响：电枢槽数及电枢元件数有限，输出的电动势有脉动；电枢接触压降影响：电刷与换向器的接触电阻不是一个常数6.4测速发电机6.4.2交流测速发电机

6.4测速发电机6.4.2交流测速发电机

图6-27异步测速发电机的工作原理6.4测速发电机6.4.2交流测速发电机

图6-27异步测速发电机的工作原理6.4测速发电机6.4.2交流测速发电机

图6-28电压幅值特性图6-29电压相位特性6.4测速发电机6.4.3应用举例1.位置伺服控制系统的速度阻尼及校正图6-30模拟式随动系统原理图6.4测速发电机6.4.3应用举例

6.4测速发电机6.4.3应用举例

6.4测速发电机6.4.3应用举例2.转速自动调节系统图6-31转速闭环调节系统的原理图6.4测速发电机6.4.3应用举例2.转速自动调节系统在转速闭环调节系统中，测速发电机作为测速元件构成转速负反馈闭环调节系统;测速发电机耦合在电动机轴上，其输出电压与转速成正比，使转速给定电压和测速反馈电压的差值减小，直到电动机转速达到要求转速；只要系统转速给定电压不变，由测速发电机输出电压的反馈作用，都能自动调节电动机转速到所要求的转速；6.5步进电动机步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，是一种将离散的电脉冲信号变换成阶跃的角位移或者直线位移的控制电机；步进电动机驱动系统由脉冲信号源、脉冲分配器、功率放大器三个基本环节构成；6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构1.反应式步进电动机的结构图6-32反应式步进电动机的典型结构图6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构1.反应式步进电动机的结构定子铁芯由硅钢片叠压而成;定子磁极为凸极式，极面开有齿距相等的小齿并装有控制绕组;径向相对的两个磁极的控制绕组串联成一相控制绕组，磁极A和A’为A相绕组通电时的两个极性相反的磁极；转子没有绕组，沿圆周有均匀小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距相等；6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构2.永磁式步进电动机的结构图6-33永磁式步进电动机的典型结构6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构2.永磁式步进电动机的结构定子上有两相或多相绕组；转子为一对或几对极的星形磁钢，转子极数与定子每相极数相同图6-33画的是定子为两相集中绕组（AO，BO），每相为两对极，转子磁钢也是两对极；6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构3.混合式步进电动机的结构图6-34两相混合式步进电动机的结构原理图6.5步进电动机6.5.1步进电动机的基本结构3.混合式步进电动机的结构定子铁芯与反应式步进电动机相同；定子磁极为凸极式，磁极上有小齿和控制绕组；定子控制绕组与永磁式步进电动机相同，两相集中绕组，每相两对；转子铁芯分为两段，分别装在磁钢的两端；转子铁芯上有小齿，其齿距和齿形与定子小齿相同；装配时，定子两段铁芯的小齿沿轴向对齐，转子两段铁芯相互错开半个齿距；6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理反应式步进电动机是利用凸极转子上横轴磁阻与直轴磁阻的不同所引起的磁阻转矩而转动。BF反应式步进电动机三相反应式步进电机6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理图6-35三相单三拍通电方式对应的转子平衡位置和磁场1.三相单三拍通电方式定子绕组依次按U→V→W→U→…或U→W→V→U→…的顺序通电，任意时刻只有一相绕组通电，每三拍完成一次通电循环。6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理1.三相单三拍通电方式U相绕组通电时，转子在磁阻转矩的作用下转动，直到转子大齿位于U相绕组轴线上,如图6-35a所示；若U相绕组不断电，转子将一直停留在这个位置，称为“自锁”；V相绕组通电，转子转过30o,如图6-35b所示；W相绕组通电，转子再转过30o，如图6-35c所示；一次通电循环转子转过一个齿距角的角度，也即90o。绕组每一次通电切换，转子转过30o；6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理2.三相双三拍通电方式

定子绕组依次按UV→VW→WU→UV→…或UW→WV→VU→UW→…的顺序通电，任意时刻有两相绕组通电，每三拍完成一次通电循环。图6-36三相双三拍对应的转子平衡位置和磁场6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理2.三相双三拍通电方式

U相和V相绕组通电，转子磁阻转矩的作用下转动，直到转子各个齿上受到磁阻转矩的和为零，如图6-36a所示;V相和W相绕组通电，转子转过30o,如图6-36b所示；W相和U相绕组通电，转子再转过30o,如图6-36c所示；一次通电循环转子转过一个齿距角的角度也即90o。绕组每一次通电切换，转子转过30o；6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理3.三相单双六拍通电方式

定子绕组依次按U→UV→V→VW→W→WU→U→…或U→UW→W→WV→V→VU→U→…的顺序通电，一相绕组和两相绕组间隔轮流通电,每六拍完成一次通电循环。每个通电状态对应的转子平衡位置和磁场如图6-37所示绕组每改变一次通电状态，转子按逆时针方向旋转15o；每完成一次通电循环，转子转过了一个齿距角的角度，即90o；6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理图6-37三相单双六拍对应的转子平衡位置和磁场6.5步进电动机6.5.2步进电动机的工作原理图6-38A相绕组通电时定、转子齿的相对位置4.小步距角的步进电动机四相单四拍运行，即通电方式为U→V→W→X→U→…；每改变一次绕组的通电状态，转子转过1/4齿距角，即1.8O。一次通电循环，转子转过一个齿距角，即7.2O；6.5步进电动机6.5.3

应用举例图6-39步进电动机驱动数控机床工作台1.步进电动机在数控机床中的应用数控装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转化为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构带动工作台移动。6.5步进电动机6.5.3

应用举例图6-40黄金电脑灯示意图2.在舞台黄金电脑灯中的应用图形的变换可以由步进电动机经齿轮箱带动花盘旋转来完成，光线的动态效果可有另外两台在空间上呈垂直正交的步进电动机带动反光镜变换位置实现。6.6直线电动机直线电动机是一种不需要中间转换装置，直接作直线运动的电动机械。目前在交通运输、机械工业以及仪器仪表工业中，直线电机已得到推广应用。按工作原理可分为直线直流电动机、直线异步电动机和直线同步电动机(包括直线步进电动机)三种。平板型直线电机圆柱型直线电机6.6直线电动机直线电动机优点：简化了机械结构，提高了精度，减少了振动和噪音；不存在传动机构的惯量和阻力矩的影响，加速和减速时间短，可快速起动和正反向运行；仪表用直线电动机，可省去电刷和换向器等易损零件，提高了仪表的可靠性，延长了仪表的使用寿命；散热面积大，易冷却，所以允许较高的电磁负荷，可提高电动机的容量定额；装配灵活性大，往往可将电动机和其它机件合成一体；6.6直线电动机6.6.1

直流直线电动机图6-41双极电磁式直线直流电动机的结构图直线直流电动机主要有两种类型：永磁式和电磁式。永磁式直线直流电动机多用在功率较小的自动记录仪表中；电磁式直线直流电动机用在驱动功率较大的机构中；6.6直线电动机6.6.2

直线异步电动机1.

主要类型和结构直线异步电动机主要有三种型式：扁平型、管型和圆盘型。扁平型直线异步电动机可以看作是由普通的旋转异步电动机演变而来。图6-42

直线异步电动机的形成6.6直线电动机6.6.2

直线异步电动机实际应用中必须把初、次级做得长短不等，以扩大其运动范围，根据初、次级间相对长度，扁平型直线异步电动机分成短初级和短次级两类。图6-43

单边直线感应电机原理图6.6直线电动机6.6.2

直线异步电动机单边型电机除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较大的法向力，这在某些应用中是不希望的。为了更好地利用次级和消除法向力，在次级的两侧都装上初级，这种结构形式称为双边型。图6-44双边形直线异步电动机6.6直线电动机6.6.2

直线异步电动机2.

工作原理初级三相绕组中通对称三相交流电后产生行波磁场；行波磁场切割拉直的转子(次级)，在次级中产生感应电动势，进而产生电磁力；6.6直线电动机6.6.3

直线步进电动机直线步进电动机是旋转式步进电动机的演变，它利用定子和动子间气隙磁通的变化所产生的电磁力工作。通常分为反应式和永磁式两种。图6-45直线步进电动机结构及原理6.6直线电动机6.6.4

应用举例1.磁悬浮列车磁悬浮列车是利用直线电动机驱动的一种高速列车。将短一次侧装在车辆上，铁磁材料的轨道为长二次侧；调节电压和频率来控制车速，控制磁场作用力来控制推力方向；图6-46常导吸浮型直线电动机的结构6.6直线电动机6.6.4

应用举例2.自动绘图机

平面步进电动机组成绘图台，电动机的动子直接做平面运动，带动绘图笔（或刻刀、光源）做平面运动，实现高精度、高速度、高可靠性及耐久性的平面运动及定位。图6-47自动绘图机绘图台结构图6.7无刷直流电动机无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使其既有直流电动机的优良特性，又有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。在机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域得到了广泛应用。6.7无刷直流电动机6.7.1

基本结构无刷直流电动机是一种通过电子开关线路实现换相的新型电子运行电机，由电动机本体、电子开关线路（功率电子逆变电路）、转子位置传感器和控制器组成。图6-48无刷直流电机的原理框图6.7无刷直流电动机6.7.1

基本结构无刷直流电动机在结构上是一台反装式的普通直流电动机；转子上装有永磁体，产生气隙磁通；定子铁心嵌有多相对称绕组，各相绕组与电子开关中相应功率管连接；电刷和换向器被电子开关线路和转子位置传感器代替；图6-49无刷直流电机基本结构图6.7无刷直流电动机6.7.2

工作原理

图6-51无刷直流电动机工作原理示意图图6-50绕组与电子换向电路连接图6.7无刷直流电动机6.7.3

控制与应用无刷直流电动机是直流电动机的一个分支，除了不能采用变励磁调速方法（因转子采用永磁磁钢）外，其他一切直流电动机的转速控制方法均可用来控制无刷直流电动机。6.8开关磁阻电机开关磁阻电机驱动系统集开关磁阻电机本体、微控制器技术、功率电子技术、检测技术和控制技术于一体，是一种具有典型机电一体化结构的交流无级调速系统。6.8开关磁阻电机6.8.1

开关磁阻电动机的基本结构图6-528/6极开关磁阻电动机与驱动电路定子和转子都为凸极式并冲有齿槽，由硅钢片叠压而成;定子齿上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组构成一相绕组转子上没有绕组、换向器、集电环等定、转子极数（齿槽数）必须为偶数;某一相定子齿极和转子齿极轴线重合时，相邻相的定、转子齿极轴线应相互错开1/m个转子极距;6.8开关磁阻电机6.8.2

开关磁阻电动机的工作原理图6-53开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理与反应式步进电动机相似，遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理产生磁阻性质的电磁转矩。6.8开关磁阻电机6.8.2

开关磁阻电动机的工作原理U相绕组通电，因磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，扭曲磁力线的切向力带动转子旋转，最终使转子1-1’极轴线与定子U1-U2极轴线对齐;V相绕组通电，转子在切向磁拉力的作用下，逆时针旋转直到转子2-2’极轴线与定子V1-V2极轴线对齐；W相绕组通电，转子在切向磁拉力的作用下，逆时针旋转直到转子3-3’极轴线与定子W1-W2极轴线对齐；X相绕组通电，转子在切向磁拉力的作用下，逆时针旋转直到转子1-1’极轴线与定子U1-U2极轴线对齐；6.8开关磁阻电机6.8.3

应用举例1.在煤矿中的应用开关磁阻电动机驱动控制系统具有起动转矩大、起动电流小、可频繁重载起动、维护简单以及节能等优势，应用于采煤机、掘进机等煤矿机械。2.在油田抽油机中的应用开关磁阻电动机作为抽油机的动力源，适应频繁起、停的工况，同时能稳定保持较高的效率，即使工作于轻载的工况仍能保证约90%的效率。3.在洗衣机中的应用开关磁