1、,第6章 电动机,主讲：彭静,商船学院航海系通信导航教研室,6.1 三相异步电动机的结构与工作原理6.2 三相异步电动机的机械特性6.3 三相异步电动机的使用6.4 单相异步电动机,内容,交流电动机,电动机,直流电动机,他励、异励、串励、复励,电动机的分类,6.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,异步,2. 线圈比磁场转得慢,三相异步机的结构,转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。,三相定子绕组：产生旋转 磁场。,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,
2、X,合成磁场方向：向下,同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：,旋转方向：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相。,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的转速大小,极对数（P）的概念,极对数（P）的改变,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,极对数,极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期磁场转过的空间角度,同步转速,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速:,转差率 的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,6.1.2 三相异步机的起动,三相异步机的起动方法：,（1） 直接起动。二三
3、十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。,（3）转子串电阻起动。,Y 起动：,转子串电阻起动,起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。,转子串电阻起动的特点：,（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以增加起动力矩。,6.1.3 三相异步电动机的调速,3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速,（绕线式，常用于起重机）,3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速（cont.）,此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,制动方法： 1. 抱闸：加机械抱闸； 2. 反接制动：停车时，将电动机接电源的意两相反接，使电动机由
4、原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,6.1.4 三相异步电动机的制动,4.发电反馈制动： 令电机转子的转速超过 旋转磁场的同步转速，便 会产生制动转矩。,3. 能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩；,6.5 三相异步机铭牌与技术数据,1. 型号 Y 132M4,转差率,3. 联接方式 ： Y/ 接法,4. 额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压.,说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。,例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法； 当线电压为220V时采用接法。,电压波动对电动机的影响,5. 额定电流：定子绕组在指定接法下
5、的线电流。,如：,表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。,6. 额定功率： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（ ），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的 关系为：,其中,额定负载时一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。,注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马” 拉“小车”的现象。,7. 功率因数(cos1)：,P2,PN,cos 1,6.2 单相异步电动机,6.2.1 单相异步电动机的工作原理,结构：定子放单相绕组（其中通单相交流电）； 转子一般用鼠笼式。,定子中通入单
6、相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。,单相异步电动机的特点：,（1）自身没有起动转矩,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,（2）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动。其原理分析如下：,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,（正向）,（反向）,T,S,电容分相式起动,6.2.2 单相异步电动机的起动,罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短
7、路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。（风扇，吹风机）,单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。,6.2.3 单相电机的使用,6.2.4 三相异步电动机的单相运行,三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。
8、使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。,同步电动机是一种交流电动机， 它的主要特点是转子转速等于同步转速， 即,同步发电机在电力工业中有着很广泛的应用：火力发电、 水力发电、 原子能发电等，几乎全部应用三相同步发电机同步电动机虽然不像异步电动机那样应用广泛，但由于它的功率因数可以调节，并且大多调节在容性状态下运行， 这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流，从而提高电力网的功率因数。 同步电动机常用在中等功率(50kW)以上，不需调速且转速要求恒定的生产机械中，如大型的空压机、水压
9、机等。,6.3 同步电动机, 同步电动机按其结构可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转磁极式电动机由于特点突出，在生产实际中有着广泛的应用。 旋转磁极式同步电动机的定子与三相异步电动机的定子相似，而其转子为磁极，在磁极的铁心上绕有激磁绕组， 该绕组通过电刷、滑环与直流电源相连。转子有两种结构型式，a为凸极式 b隐极式,1. 同步电动机的基本结构,1.恒速性当定子绕组中通入三相电流后，便产生了旋转磁场，其转速为n1。旋转磁场的磁极对转子的异性磁极产生较强的吸力，吸住转子，使其按旋转磁场的转向并以同步转速而旋转。在规定的负载范围内，同步电动机的转速为恒定值 。,2. 同步电动机的基本原理,2.功率
10、因数可调: 如在一定的负载下，调节直流激磁电流时， 可以引起定子电流的相位和大小发生变化，所以，同步电动机的功率因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节。有时，同步电动机不带负载，专门用来改善电网的功率因数，这样运行的同步电动机称为同步补偿机。,（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。,直流电机：,（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速 范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。,应用：,6.4 直流电动机,转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是直流电动机
11、磁路的组成部分。电枢绕组的端装有换向器，换向器由许多铜质换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向器是直流电动机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。,直流电动机也由定子和转子构成。,定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。,接通直流电压U时，直流电流为从a边流入，b边
12、流出，由于a边处于N极之下，b边处于S极之下，则线圈受到电磁力而形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。,当电枢转动半周后，a边处于S极之下，而b边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从b边流入，从a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在
13、同一电源上。,微控电机在本质上和我们前面所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已:普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。微控电机:由驱动微电机和控制电机构成简称为微控电机 .,6.5 控制微电机（微控电机）,驱动微电机:用来拖动各种小型负载,功率一般都在750W以下,最小的不到1W,因此外形尺寸较小,相应的功率也小,本章主要介绍单相异步电动机,微型同步电动机,直线电动机.控制电机:在自动
14、控制系统中对信号进行传递和变换,用做执行元件或信号元件.要求有较高的控制性能,如:反应快,精度高,运行可靠等等.本节主要介绍伺服电动机,步进电动机,旋转变压器,自整角机和测速发电机.,伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦（电罗经的随动系统）；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。,6.5.1 伺服电
15、动机,一、直流伺服电动机 1、简介：直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制（船用电罗经的随动系统）。,2：特性分析：1）机械特性：,2）调节特性：,二、交流伺服电动机： 伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。,一、定义：测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输
16、出的电压信号与转速成正比： U2=Cn测速发电机分直流和交流两大类。,6.5.2 测速发电机,一、直流测速发电机：,工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，因此： 当磁通=常数时，发电机的电动势为：E0=Ce0n1）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：U00，显然输出电压U0与n成正比。2）有负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为：,整理后得,C为直流测速发电机输出特性的斜率，当0、Ra及RL都不变时，输出电压U与转速成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出特性的斜率C不同，负载电阻
17、越小，斜率C也越小，,二、交流测速发电机：交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。以下仅介绍交流异步测速发电机。1、结构介绍： 在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图所示。,2、工作原理： 工作时，励磁绕组接频率为f的单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势D，1）当转子不动时，脉振磁动势D在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场D，也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。2） 当转子运动时，转子切割直轴磁通D，,在杯型转子中感应
18、产生旋转电势E r，其大小正比于转子转速n，并以励磁磁场D的脉振频率f交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势E r在杯型转子中产生交流短路电流I r，其大小正比于E r，其频率为E r的交变频率f，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流I r所产生的脉振磁通q的大小正比于E r，在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场q与输出绕组相交链而产生感应电势E，据上分析有：,输出绕组感应产生的电势E实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为励磁电源的频率f。当然，这里也存在着不可避免的误差。,一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的
19、理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。二、结构：如图所示，,6.5.3 步进电动机（脉冲电动机）,三、工作原理： 如图，在这里我们以三相单三拍的反应式电机为例来进行分析：,四、步进电机的应用 步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。 步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记
20、录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。在航海上主要应用于电罗经等通导设备中。,一、定义： 在自动控制系统中，常常需要指示位置和角度的数值，或者需要远距离调节执行机构的速度，或者需要某一根或多根轴随着另外的与其无机械连接的轴同步转动，这样，就出现了自整角机，即用来实现自动指示角度和同步传输角度的一类控制电机。例如雷达天线与显示器偏转线圈的同步旋转。,6.5.4 自整角机,二、结构： 自整角机通常是两台或两台以上组合使用，产生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的转角变换为电信号，接收信号的自整角机称为接收机，它将发送机发送的电信号变换为转轴的转角，从而实现角度的传输、变换
21、和接收。 在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送机，从动轴安装接受机，故而一台发送机带一台或多台接受机。主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角。,通常做成两极电机。自整角机的定子铁芯嵌有三相对称分布绕组，称为整步绕组，也叫同步绕组，联结为星形接法，转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸极结构，也可做成隐极结构，这两种方式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源。另外，也可把定子做成凸极式，转子做成隐极式，三相整步绕组嵌入转子铁芯槽内，并经集电环和电刷引出，而单相励磁绕组安装在定子凸极上。如图所示：,三、分类： 自整角机按自整角输出量可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两种。四、工作原理（以力矩式自整角机为例）：,力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动机的配合，两台力矩式自整角机就可进行角度传递，因而常用以转角指示。其工作原理如图 ： 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流电源上，三相整步绕组对应相接。假设三相整步绕组产生的磁势在空间按正弦规律分布，磁路不饱和，并忽略电枢反应，那么在分析时便可用迭加原理。,自整角机的应用： 自整角机的应用越来越广泛，常用于位置和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之中常用于角度位置、高度的指示，雷达系统中用于无线定位等等；另一方面常用于远距离控制系统中，如轧钢机轧辊控制和指示系统、核反应堆的控制棒指示等等。,
