1、單相異步電動機、步進電機單相異步電動機、步進電機 、伺服電動機、伺服電動機7.1三相異步電動機三相異步電動機 7.1.1三相異步電動機的結構和轉動原理三相異步電動機的結構和轉動原理 7.1.2三相異步電動機的轉矩與機械特性三相異步電動機的轉矩與機械特性 7.1.3三相異步電動機的銘牌與技術數據三相異步電動機的銘牌與技術數據 7.1.4三相異步電動機的使用三相異步電動機的使用7.2 單相異步電動機單相異步電動機 7.2.1 分相式單相異步電動機分相式單相異步電動機 7.2.2 罩極式單相異步電動機罩極式單相異步電動機7.3 直流電機直流電機 7.3.1 直流電機的結構及工作原理直流電機的結構及工

2、作原理 7.3.2 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性 7.3.3 直流電動機的調速直流電動機的調速 7.3.4 直流電動機的使用直流電動機的使用7.4 控制電機控制電機 7.4.1步進電機步進電機 7.4.2伺服電機伺服電機7.2 單相異步電動機單相異步電動機一、一、 單相異步電動機的工作原理單相異步電動機的工作原理結構：結構：定子放單相繞組（通定子放單相繞組（通220V單相交流電）單相交流電） 轉子一般用鼠籠式。轉子一般用鼠籠式。定子定子轉子轉子定子定子繞組繞組1it220V1i NS 當定子繞組產生的合成磁場增加時，根據右手螺旋定則當定子繞組產生的合成磁場增加時，根據右手螺旋定則和

3、左手定則，可知轉子導條左、右受力大小相等方向相反和左手定則，可知轉子導條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉矩。，所以沒有起動轉矩。在電流正半周在電流正半周在電流負半周在電流負半周？轉子借助其它力量轉動后，外力去除后仍按原方轉子借助其它力量轉動后，外力去除后仍按原方 向繼續轉動。向繼續轉動。其原理分析如下：其原理分析如下： 定子繞組產生的脈動磁場（定子繞組產生的脈動磁場（ ），可用），可用正、反兩個正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即：旋轉磁場合成而等效。即：- + -t m = + -= m/2脈動磁場的分解脈動磁場的分解 - + + - 02s121ss1T2T正反向旋轉磁場的合成轉矩特

4、性正反向旋轉磁場的合成轉矩特性合成轉矩合成轉矩s起動轉矩起動轉矩為零。為零。01s22s21s（正向）（正向）（反向）（反向）正正轉轉轉轉反反電容分相式起動電容分相式起動二、單相異步電動機的起動二、單相異步電動機的起動KDU1I2ICWSTW: 主繞組（工作繞組）主繞組（工作繞組）ST：啟動繞組：啟動繞組K：離心開關：離心開關AXAXWSTAXAXKDU1I2ICWSTU1I2I12接近接近90電容分相式單相異步電容分相式單相異步 電動機起動原理電動機起動原理1it2iKDU1I2ICWSTAXAXWSTAXAXt=t0 NS1it2it=t0WSTAXAXNSt=t1 磁場逆時針磁場逆時針方

5、向旋轉方向旋轉WSTAXAX NSt=t0t=t11it2it=t0啟動時開關啟動時開關K閉合，使兩繞組電流相位差約閉合，使兩繞組電流相位差約為為90，從而產生旋轉磁場，電機轉起來；，從而產生旋轉磁場，電機轉起來；轉動正常以后離心開關被甩開，啟動繞組被轉動正常以后離心開關被甩開，啟動繞組被切斷，而電機仍按原方向繼續轉動。切斷，而電機仍按原方向繼續轉動。工作原理工作原理KDU1I2ICWSTAXAX罩極式單相電機罩極式單相電機定子定子磁極磁極轉子轉子短路短路環環 定子通入電流以后，部分磁定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環，并在其中產生通穿過短路環，并在其中產生感應電流。短路環中的電流阻感應電流

6、。短路環中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環礙磁通的變化，致使有短路環部分和沒有短路環部分產生的部分和沒有短路環部分產生的磁通有了相位差，從而形成旋磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，使轉子轉起來。轉磁場，使轉子轉起來。 圖中電機的轉動方向：順時針圖中電機的轉動方向：順時針旋轉。因為沒有短路環部分的磁通比有短路環部分的旋轉。因為沒有短路環部分的磁通比有短路環部分的磁通領先。磁通領先。 單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手

7、電鉆）、醫用器械、自動化儀表等。工具（如手電鉆）、醫用器械、自動化儀表等。 三、單相電機的使用三、單相電機的使用 單相電機的反轉（用于洗衣機、手電鉆等）單相電機的反轉（用于洗衣機、手電鉆等） （1）用開關切換電容串接的位置）用開關切換電容串接的位置 （2）用開關改變工作繞組（或起動繞組）的極性）用開關改變工作繞組（或起動繞組）的極性2. 單相電機的調速（有級調速，用于電風扇）單相電機的調速（有級調速，用于電風扇）（1）電源中串接電抗器）電源中串接電抗器（2）繞組抽頭）繞組抽頭三相異步電動機的單相運行三相異步電動機的單相運行 三相異步電動機在運行過程中，若其中一相和電三相異步電動機在運行過程中，

8、若其中一相和電源斷開，則變成單相運行。此時和單相電機一樣，源斷開，則變成單相運行。此時和單相電機一樣，電機仍會按原來方向運轉。但若負載不變，三相供電機仍會按原來方向運轉。但若負載不變，三相供電變為單相供電，電流將變大，導致電機過熱。使電變為單相供電，電流將變大，導致電機過熱。使用中要特別注意這種現象；三相異步電動機若在啟用中要特別注意這種現象；三相異步電動機若在啟動前有一相斷電，和單相電機一樣將不能啟動。此動前有一相斷電，和單相電機一樣將不能啟動。此時只能聽到嗡嗡聲，長時間啟動不了，也會過熱，時只能聽到嗡嗡聲，長時間啟動不了，也會過熱，必須趕快排除故障。必須趕快排除故障。 前面介紹的異步電動機

9、、直流電動機等都是作為前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務是能量轉換，例如將電能動力使用的，其主要任務是能量轉換，例如將電能轉換為機械能。本章介紹控制電機。轉換為機械能。本章介紹控制電機。 7.4 控制電機控制電機如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速；如：伺服機將電壓信號轉換為轉矩和轉速； 步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。步進機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。 控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號。控制電機的主要功能是轉換和傳遞信號。控制電機的種類很多，本節主要介紹控制電機的種類很多，本節主要介紹步進電機和伺服電步進電機和伺服電機。機。 對控制電機的主要要求：對

10、控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、動作靈敏、準確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。7.4.1 步進電機步進電機機理機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉換成線位移或角位移的電機。每來一個轉換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移 動一小段距離。動一小段距離。特點特點： (1)來一個脈沖，轉一個步距角。來一個脈沖，轉一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變

11、方向。電子表中的“步進電機”紐扣電池電路板石英晶體振蕩器電磁鐵（步進電機）齒輪機構種類種類： 有永磁式和反應式兩種：有永磁式和反應式兩種： 永磁式永磁式轉子用永久磁鐵轉子用永久磁鐵 反應式反應式轉子用硅鋼片疊成轉子用硅鋼片疊成應用：應用： 步進機的應用非常廣泛。如：在數控機床、自動步進機的應用非常廣泛。如：在數控機床、自動 繪圖儀等設備中都得到應用。繪圖儀等設備中都得到應用。 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。工作原理。一一 結構結構 步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構

12、成，其上分別有六個、四個磁極由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極 。定子定子轉子轉子定子繞組定子繞組反應式步進機反應式步進機 定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯接和組數的區別。的聯接和組數的區別。ABC定子定子轉子轉子IAIBIC二二 工作方式工作方式 步進電機的工作方式可分為：步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單三相單三拍、三相單雙六拍、三

13、相雙三拍等。雙六拍、三相雙三拍等。（一）（一） 三相單三拍三相單三拍（1 1）三相繞組聯接方式：）三相繞組聯接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序為：）三相繞組中的通電順序為：A 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相相 ABC（3）工作過程）工作過程化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁通經轉子形成閉合回路。通經轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸線方向若轉子和磁場軸線方向原

14、有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場的作用下，轉子被磁場的作用下，轉子被磁A A 相通電使轉子相通電使轉子1 1、3 3齒和齒和 AA 對齊。對齊。CABBCA3412三相單三拍三相單三拍CABBCA3412B相通電，轉子相通電，轉子2、4齒和齒和B相軸線對齊，相對相軸線對齊，相對A相相通電位置通電位置順時針順時針方向轉方向轉30 ；1C342CABBACABBCA3412C相通電再轉相通電再轉30 A相通電相通電B相通電相通電C相通電相通電 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相而且，一個循環周

15、期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點：三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過）每來一個電脈沖，轉子轉過 30 。此角稱為步距角，。此角稱為步距角，用用 S表示。表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向。電順序即可改變轉向。AB C A 順時針方向旋轉AC BA 逆時針方向旋轉ABC（二）（二） 三相單雙六拍三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。1 2 3 4 5 6 1ABC1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

16、 ABC1 2 3 1 2 3三相單三拍三相單三拍三相單雙六拍（續）三相單雙六拍（續）三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A相通電相通電轉子轉子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。CABBCA3412CABBCA3412AB相通電相通電ABAB齒對轉子都有拉力齒對轉子都有拉力所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉子轉了通電，轉子轉了15。（1）BB 磁場對磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉子順時針方向轉動。轉子順時針方向轉動。A、B相同時通電相同

17、時通電（2）AA 磁場繼續對磁場繼續對1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉子轉子2、4齒和齒和B相對齊，又轉了相對齊，又轉了15 。CABBCA3412A、B相同時通電相同時通電 AABBBCCCAA 順時針方向旋轉順時針方向旋轉 AACCCBBBAA 逆時針方向旋轉逆時針方向旋轉（三）（三） 三相雙三拍三相雙三拍三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CA

18、BBCA3412CABBCA3412BC通電通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉，轉子也是轉30 ，即，即 S = 30 。CA通電通電CABBCA3412三三 小步距角的步進電動機小步距角的步進電動機 實際采用的步進電機的步距角多為實際采用的步進電機的步距角多為3度和度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。度，步距角越小，機加工的精度越高。為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉

19、為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁極上也有五個齒個磁極，但每個磁極上也有五個齒轉子有轉子有40齒齒定子定子6個極，每極個極，每極有有5個齒個齒CC BB AA 轉子的齒距轉子的齒距等于等于360 / 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.5 。 為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同。齒寬和齒槽和轉子相同。CC BB AA 120含有31139/120齒 這樣，這樣，A通電后，通電后，A磁極上的齒與轉子上磁極上的齒與轉子上的齒對齊。但是，的齒對齊。但是， B磁極上

20、的齒與轉子上磁極上的齒與轉子上的齒錯開的齒錯開1/3齒距，即齒距，即相差相差3 A斷電斷電B通電后，通電后，轉子只需順時針轉動轉子只需順時針轉動3 ，B磁極上的齒就可與轉磁極上的齒就可與轉子上的齒對齊。子上的齒對齊。工作原理：工作原理：假設是單三拍通電工作方式。假設是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時，定子相通電時，定子A 相的五個小齒和轉子對相的五個小齒和轉子對齊。此時，齊。此時，B 相和相和 A 相空間差相空間差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齒齒 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 個個齒。所以，齒。所以，A

21、相的轉子、定子的五個小齒對相的轉子、定子的五個小齒對齊時，齊時，B 相、相、C 相不能對齊，相不能對齊，B相的轉子、相的轉子、定子相差定子相差 1/3 1/3 個齒（個齒（3 3 ），），C相的轉子、定相的轉子、定子相差子相差2/32/3個齒（個齒（6 6 ）。）。31133226若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉子只轉轉子只轉 1.5 。步進機的轉動方向仍由相序決定。步進機的轉動方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉相通電再轉3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉子只需轉過相通電后，轉子只需轉過1/3個個 齒（齒（3 ），使）

22、，使 B 相轉子、定子對齊。相轉子、定子對齊。 步進機通過一個電脈沖步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度轉子轉過的角度,稱為稱為步距角。步距角。如：如：ZR=40 , m=3 時時3340360Sm: 一個周期的運行拍數一個周期的運行拍數Zr：轉子齒數：轉子齒數mZSR360步距角步距角如：如：ZR=4 , m=3 時時3034360S步進電機轉速ABCT設每步時間為T，則步進速率為：Tf1 轉速轉速:36060sfn轉子轉過一圈所用時間為：TRmT轉子轉速為：(r/min)36060(r/min) 36060(r/s) 1ssRffmTZnmZSR360步距角步距角7.4.2 伺服電動機伺服

23、電動機 交流伺服電動機和直流伺服電動機。交流伺服電動機和直流伺服電動機。伺服電動機分類伺服電動機分類： 伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機的轉動速度和方向也跟著和極性改變時，電動機的轉動速度和方向也跟著變化變化。伺服電動機的作用伺服電動機的作用一一 交流伺服電動機交流伺服電動機 原理原理與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個與兩相交流異步電機相同，定子上裝有兩個繞組繞組 勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組。勵磁繞組和控制繞組在空間相隔勵磁繞組

24、和控制繞組在空間相隔90 。控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組轉子轉子勵磁繞組中串聯電容勵磁繞組中串聯電容C的目的是為了產生兩相旋的目的是為了產生兩相旋轉磁場。轉磁場。接線：接線：勵磁繞組的接線勵磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測測元元件件控制信號控制信號2U2IU 適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近相位差接近9090 ，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁，因此便產生旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。場的作用下，轉子便轉動起來。 1UCU1I1U例：選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電例：

25、選擇電容，可使交流伺服電機電路中的電壓電流的相量關系如圖所示。流的相量關系如圖所示。勵磁繞組的接線勵磁繞組的接線UCU1I1U放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測測元元件件控制信號控制信號2U2IU 工作時兩個繞組中產生的電流工作時兩個繞組中產生的電流 和和 的相的相位差近位差近90，因此便產生旋轉磁場。在旋轉磁場因此便產生旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子轉動起來。的作用下，轉子轉動起來。1I2I控制電壓控制電壓 與與電源電壓電源電壓 兩兩者頻率相同，相者頻率相同，相位相同或反相。位相同或反相。2UU（1）U2= 0 = 0 時，轉子停止。時，轉子停止。這時，雖然這時，雖然U2 =

26、 =0V，U1仍存在，似乎成單仍存在，似乎成單相運行狀態，但和單相異步機不同。相運行狀態，但和單相異步機不同。若單若單相電機啟動運行后，出現單相后仍轉。伺相電機啟動運行后，出現單相后仍轉。伺服電機不同，單相電壓時設備不能轉。服電機不同，單相電壓時設備不能轉。交流伺服電動機的特點：交流伺服電動機的特點：原因：原因：交流伺服電機交流伺服電機 R2設計得較大。所以設計得較大。所以在在U2=0時，交流伺服電機的時，交流伺服電機的T=f(s)曲線如下曲線如下頁圖：頁圖： 當當U2= =0V時，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生時，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生的轉距的轉距T 、T 的合成轉矩的合成轉矩 T 與單相異步機不同。合與單相異步機不同。合成轉矩的方向與旋轉方向相反，所以電機在成轉矩的方向與旋轉方向相反，所以電機在U2=0V時，時，能立即停止，體現了控制信號的作用能立即停止，體現了控制信號的作用( (有控制電壓時有控制電壓時轉動，無控制電壓時不轉轉動，無控制電壓時不轉) )，以免失控。，以免失控。交流伺服電動機的交流伺服電動機的T=f(s)T=f(s)曲線（曲線（U U2 2=0=0時）時）sT210sTTT021反轉反轉正轉正轉（3 3）控制電壓）控制