1、第 4 章 电动机,4.1 三相异步电动机的构造,4.11 直流电动机,4.10 单相异步电动机,4.12 控制电动机,4.3 三相异步电动机的电路分析,4.2 三相异步电动机的工作原理,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.5 三相异步电动机的起动,4.6 三相异步电动机的调速,4.9 三相异步电动机的选择,4.7 三相异步电动机的制动,4.8 三相异步电动机的名牌数据,退出,异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、 起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的作用是将
2、交流电能转换成机械能, 电动机分交流电动机和直流电动机两大类。,1. 交流电动机按电机定子相数分 三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。,2. 按电机的转子结构分 笼型异步电动机、绕线型异步电动机,4.1 三相异步电动机的构造,电动机的外形,4.1 三相异步电动机的构造,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,端盖,机座,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步
3、电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,三 相异步电动机的基本结构 示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,转子,轴承,端盖,机座,1. 定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定子绕组,机座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。,定子硅钢片,绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,2. 转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而
4、成。,转 子 硅 钢 片,2. 转子,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成， 在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条 连接起来。,笼 型 转 子,2. 转子,笼型转子的电动机称笼型电动机。,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组 星接,定子绕组 角接,端子,A,Z,B,X,C,Y,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组,+,+,+,定子绕组与转子绕组,定子绕组,转子绕组,A,Z,B,X,C,Y,+,+,+,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,返回,iA,iB,iC,A,B,C,X,Y,Z,iA =
5、 Imsin t,iB = Imsin( t 120 ),iC = Imsin( t + 120 ),iA,iB,iC,相序 A-B-C-A,对称三相电流流入对称三相绕组。,4.2 三相异步电动机的工作原理,4.2.1 旋转磁场,iA,t = 0, t,i,A,Z,B,X,C,Y,iA = 0 iB 为负值 iC 为正值,设：电流的流入端用 + 表示,iB,iC,电流的流出端用 表示,4.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,O,t,t = 60,i,A,Z,B,X,C,Y,60,iC = 0 iB 为负值 iA 为正值,iA,iB,iC,O,4.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,t
6、= 90,A,Z,B,X,C,Y,90,iA 为正值 iB 为负值 iC 为负值, t,i,iA,iB,iC,O,4.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,t = 180,A,Z,B,X,C,Y,iA = 0 iB 为正值 iC 为负值, t,i,iA,iB,iC,O,4.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,1. 旋转磁场的产生,空间相差 120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360)。,综上分析可以得出：, t,i,iA,iB,iC,O,90,60,0,相序 A-C-B-A,2.
7、 改变旋转磁场的转向,改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的转向；改变了旋转磁场的转向，也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,综上分析可以得出：,旋转磁场的磁极对数 p 与三相定子绕组的连接方式有关,电源的频率, 磁极对数,若 f1 = 50 Hz ，p = 1， n0 = 3 000 r/min；,p = 2， n0 = 1 500 r/min；,p = 3，n0 = 1 000 r/min。,3. 旋转磁场的磁极对数 p,4. 旋转磁场的转速 n0,n0 的单位：转/每分,n0,n,e(i ),转子 导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用
8、下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,4.2.2 电动机的转动原理,n = (1 s) n0,转差率,0 s ,sN = 0.015 0.06,转子转速,4.2.3 转差率 s,例 1 已知 n = 975 r/m，f1 = 50 Hz。求：p、s、f2。,解,p = 3,返回,4.3 三相异步电动机的电路分析,Z1 = R1 + jX1,定子的内阻抗：,U1 E1= 4.44 f1N1,： 旋转磁场每极磁通 N1：每相定子绕组匝数 f1： 定子电流频率,4.3.1 定子电路,忽略 Z1,4.3.2 转子电路,1. 转子频率 f2,Z2 = R2+ jX2,转子内阻抗：,E2 = 4.4
9、4 f2N2= 4.44 f1N2 s = E20s,2. 转子电动势 E2,转子电动势：,3. 转子感抗 X2,转子电路,R2,jX2,转子电路,R2,jXS2,4. 转子电路电流,5. 转子电路的功率因数 cos2,I2,cos 2,1,返回,电磁转矩 T = KT I2cos 2,电磁转矩是由旋转磁场 和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以,常数,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.4.1 转矩公式,s,T,1,O,a,b,c,转矩特性 T = f (s),4.4.2 机械特性曲线,Tst,d,T2 = TN (在 d 点),机械特性曲线 n = f (T),1. 额定转矩
10、TN,P2：电动机轴上的输出功率,P2 单位：瓦(W),N 单位：转每分(r/min),T 单位：牛米(N m),不同电源电压的转矩特性,由 dT/ds = 0, 得,取正值,sm 称为临界转差率,代入 T 的表达式, U12,求得最大转矩 Tmax,2. 最大转矩 Tmax,n,O,n0,T,a,Tst,d,U1,d. sm= R2 / X20,不同转子电阻的转矩特性,结论：,a. Tmax U12,b. Tmax 与 R2 无关,c. 过载系数, Tmax / TN, 1.8 2.2,sm与 U1无关,2. 最大转矩 Tmax,n,0,n0,T,a,R2,起动瞬间 n = 0，s = 1,
11、U1 Tst ,R2 Tst,负载转矩 T2 Tst ，不能起动, 可空载或轻载起动。,负载转矩 T2 Tst ，可带负载起动。, st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,起动转矩倍数,3. 起动转矩 Tst,例 1 已知 PN = 4.5 kW，nN = 950 r/min， N = 84 .5%，U1 = 380 V，Y 接，f1 = 50 Hz， = 2， st = 1.7。求：(1) 磁极对数 p；(2) sN；(3) TN； (4) 输入功率 P1；(5) Tmax；(6) Tst。,解,(1) p = 3,(5) Tmax = TN = 2 45.24 = 90.48 Nm
12、,(6) Tst= st TN = 1.7 45.24 = 76.91 Nm,返回,4.5.1 起动性能,起动初始瞬间，n = 0，s = 1,(1) 起动电流 Ist 大，5 7 IN。频繁起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大 的电压降落，影响邻近负载的正常工作。,(2) 起动转矩 Tst 不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低, 不能满载起动。,电磁转矩 T = KT I2cos 2,4.5 三相异步电动机的起动,1. 直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大 4 7 倍；影响同一电网上
13、其他负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机。,2. 降压起动,起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,4.5.2 起动方法,(1) 星形三角形(Y-)换接起动,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子 绕组,只适用于电动机在工作时定子绕组为 连接。,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子 绕组,起动电流和起动转矩都降 低到直接起动时的三分之一。, 型,Y 型,(1) 星形三角形(Y-)换接起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,S1,S2,起动,三相自耦变压器,M 3 ,(2)
14、 自耦降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,S1,S2,运转,起动,三相自耦变压器,M 3 ,(b) 自耦降压起动,绕线式电动机起动时，可在转子绕组中串电阻，以减小起动电流。,(3) 转子串电阻起动,例 1 已知：TN = 260 Nm，IN = 75 A，N = 84.5%，UN = 380 V， 接，f1 = 50 Hz，Ist/ IN = 7， st= 1.2。求：(1) 负载转矩为 280 Nm ，在 U = UN 和 U = 0.9UN 两种情况下电动机能否直接起动；(2) 采用 Y 起动求起动电流及起动转矩；(3) 当负载转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 Y
15、 - 起动，电动机能否起动？,解 (1) U = UN,Tst = 1.2TN = 1.2 260 = 312 Nm 280 Nm 可以起动。,U = 0.9UN,Tst= 0.92Tst= 0.92 312 = 252.7 Nm 280 Nm 不能起动。,解,Tst = Tst = 1 .2 TN = 312 Nm,例 1 已知：TN = 260 Nm，IN = 75 A，N= 84 .5%，UN = 380 V， 接，f1 = 50 Hz，Ist/ IN =7， st = 1.2。求： (1)负载转矩为 280 Nm ，在 U = UN 和 U= 0.9 UN 两种情况下电动机能否直接起动
16、；(2) 采用 Y 起动，求起动电流及起动转矩；(3) 当负载转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 Y 起动，电动机能否起动？,例 1 已知：TN = 260 Nm，IN = 75 A，N= 84 .5%， UN = 380 V， 接，f1 = 50 Hz，Ist/ IN =7， st = 1.2。求： (1)负载转矩为 280 Nm ，在 U = UN 和 U= 0.9 UN 两种情况下电动机能否直接起动；(2) 采用 Y 起动，求起动电流及起动转矩；(3) 当负载转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 Y 起动，电动机能否起动？,(3) T = 50%TN = 0.5
17、 260 = 130 Nm 104 Nm,电动机 不能起动。,T= 30%TN = 0.3 260 = 78 Nm 104 Nm,电动机能起动。,解 TN = 260 Nm,TstY = 104 Nm,返回,调速方法,4.6 三相异步电动机的调速,4.6.1 变频调速,变频调速装置,两种变频调速方式：,又电磁转矩 T = KT I2cos2，T 也近似不变，是恒转矩调速。,由 U1 = 4.44 f1N1 知，在减小 f1 同时 减小。,4.6.1 变频调速,整流器,逆变器,M 3,f = 50 Hz,+,f1、U1可调,变频调速装置,又电磁转矩 T = KT I2cos 2， T 也减小，是
18、恒功率调速。,(2) f1 f1N，高于额定转速调速，应保持 U1 U1N，,改变极对数 p 调速,有级调速,4.6.2 变极调速,p = 2,改变极对数 p 调速,有级调速,4.6.2 变极调速,p = 1,在绕线式电动机转子绕组中串入电阻 R , 可改变转差率 s 和转速 n。,A. 小范围无级调速,特点,B. R2 大 特性变软,4.6.3 变转差率调速,返回,制动时定子接入直流电源产生固定磁场,i2 受到阻转矩；当 n0, i20,T0。,制动: 将动能电能热能。,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转。,缺点：需要另外加直流电源。,e2(i2),4.7 三相异步电动机的制动,4.7.
19、1 能耗制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使 M 停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为 (n1+ n) I2 I1。,必须在笼型电动机的定子或 绕线式电动机的转子中串入电阻 R，以防止烧坏绕组。,4.7.2 反接制动,返回,1. 功率 PN 额定运行时，轴上输出的机械功率。,2. 电压 UN 额定运行时，定子绕组上应加的线电压。,3. 电流 IN 在 UN、 PN 时，流入定子绕组的线电流。,4. 转速 nN 在 UN、 PN、 IN 时，电动机转子的转速。,4.8 三相异步电动机的铭牌数据,输入功率 P1 = PN / =,返回,4
20、.9 三相异步电动机的选择,4.9.1 功率的选择,对于连续运行的电动机其额定功率等于或稍大于生 产机械的功率。,如车床的切削功率为,上式中，F 为切削力(N)，,v 为切削速度(m/s)。,则电动机的功率为,上式中，1 为传动机构的效率。,4.9.2 种类和型式的选择,1. 种类的选择,三相笼型异步电动机：结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便。但调速困难，功率因数较低，起动性能差。适用于通风机、运输机、传送带、及小型机床。,绕线型电动机：起动性能好，可在不大的范围内平滑调速，但价格较贵，维护亦较不方便。适用于起重机、卷扬机、锻压机及重型机床。,2. 结构形式的选择,(1) 开启式
21、,(3) 封闭式,(2) 防护式,1. 电压的选择,4.9.3 电压和转速的选择,2. 转速的选择,返回,单相异步电动机的功率一般为几瓦到几百瓦常用于功率不大的电动工具(如电钻、搅拌器等)以及众多的家用电器(如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等)。,4.10 单相异步电动机,单相异步电动机： 定子只有一相主绕组的异步电动机。,单相异步电动机均采用笼型转子，但定子有所不同。,C,B,S,4.10.1 电容分相式异步电动机,A,iA,iB,A 为工作绕组，B 为起动绕组， 在空间相隔 90 。S 为离心力开关。,iA= IAmsint,iB= IBmsin(t + 90 ),iA= Imsint,
22、iB= Imsin(t + 90 ),iA,t,i,iB,O,两相绕组形成的旋转磁场,形成旋转磁场。,4.10.1 电容分相式异步电动机,C,B,S,A,iA,iB,1,2,改变电容 C 的串联位置，可使异 步电动机反转。,将 S 合向 1，iB 超前 iA,将 S 合向 2，iA 超前 iB,4.10.2 罩极式异步电动机,1 和 2 之间产生相位差， 形成一个向罩极部分移动的 旋转磁场。,若三相异步电动机运行时断了一根线，相当,若 n = 0，则不能起动，此时电流很大，时间,若 n 0，则能够继续转动, 但仍带额定负载，,一长，电动机将会被烧坏；,电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将
23、被烧坏。,三相异步电动机的单相运行,于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相 运行，或缺相运行。,返回,直流电动机 将直流电能变为机械能。,1. 直流电动机的构造,定子,转子,电枢铁心,电枢绕组,转轴,机座,主磁极,换向极,电刷,换向器 直流电机的特征,4.11 直流电动机,主磁极,励磁绕组,转子,转轴,定子,转子,电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组,电枢绕组 产生感应电动势,转轴 输入或输出机械功率,机座 起支撑作用; 作为部分磁路,主磁极 产生主磁通,换向极 产生附加磁场，改善换向,电刷 引入或引出直流电,换向器 与电刷一起，共同完成直流电和交流电的转换,换向极,换向绕组,2. 直流电动机的
24、工作原理,在两电刷之间加入直流电压 U，则在绕组中产生电流 i，通电导体又受到力的作用，产生电磁力矩。由于换向器的作用，在 N (S) 极下受力方向不变，使电枢旋转起来。,导体与磁场之间的相互作用，在电枢绕组中产生反电动势 e , 与电源电压相平衡。,3. 转矩、电动势和电压平衡方程式,电磁转矩,T = KT Ia,电动势,E = CE n,电压平衡方程式,外加电源电压 U = E + IaRa,E 与 Ia 反向,：每极磁通,Ia：电枢电流,E 为反电动势，,Rst ：限制起动电流,改变电枢电流或励磁电流方向实现电动机反转。,4. 调速,T = KT Ia,改变电枢电流或励磁电流方向，实现电
25、动机反转。,改变磁通 、电阻 Rf、改变电压 U 可达到调速的目的。,注意,直流电动机在起动和工作时，励磁电路 一定要接通。,返回,1. 交流伺服电动机,控制电机在自动控制系统中是必不可少的，其主 要任务是转换和传递控制信号。,4.12 控制电动机,4.12.1 伺服电动机,C,转子,两相定子绕组接线图,1. 交流伺服电动机,1,1 为励磁绕组，2 为控制绕组。,2,交流伺服电动机是两相异步电动机。,i1 与 i2 的相位差接近 90，,产生旋转磁场。,2. 直流伺服电动机,励磁电压 U1 一定，控制电压 U2 加在电枢上。,直流伺服电动机和一般他励直流电动机一样， 为了减小转动惯量而做得细长
26、。,改变电枢电压可改变转速， 改变电枢电压的极性可使电动机 反转。,+,U2,I2,U1,SM,+,+,直流伺服电动机,步进电机利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。通常用于数控机床、绘 图机、自动控制和记录仪表 等。,4.12.2 步进电机,定子,转子：只有铁心，无绕组,定子铁心 (硅钢片叠成),定子绕组,步进电机的结构,定子铁心,转子,定子绕组,通电顺序：AB CA,步进电机的工作原理,单三拍：每一次只有一相绕组通电，三次通电完成一个循环。,1. 单三拍,每一拍转子转过的角度称步距角。,反转通电顺序：A C B A,转子力图转到磁阻最小位置,通电顺序：AAB B BC C C
27、AA,反转通电顺序：ACA C BCBABA,2. 六拍,通电顺序：AB BC CA AB,反转通电顺序：AB CA BC AB,每次有两相绕组通电,3. 双三拍,步距角的大小与转子的齿数及通电的方式有关,步距角：,Z2：转子齿数；,N：循环的拍数。,定、转子齿距相等，且齿数配合要恰当。,实际需要步距角较小(1.5)的步进电机，所以其齿 数较多。,如：转子齿数 Z2 = 40，,步进电机的控制电路框图,脉冲 分配器,功率 放大器,步进 电动机,负载,输入脉冲,脉冲分配器：决定步进电机定子绕组通电顺序和电机转速的电路。,功率放大器：分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为励磁电流送到步进电机定子绕组。,返回,
