1、2019/1/7,机械工程学院,第六章 控制电机,本章要求了解机电传动控制系统中一些常用的控制电机 在了解其基本结构的基础上，重点掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性及特点、应用场所，以求正确选择和使用它们。,2019/1/7,机械工程学院,与一般电机的区别,动力电机：能量转换，要求力能指标高。 控制电机：控制信号的变换和传递，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。,2019/1/7,机械工程学院,控制电机简介,控制电机用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。 功率和体积都比普通电机小得多，一般功率从1w到几百w 分类：测量元件
2、、放大元件、执行元件和校正元件. 对控制电机的基本要求：精度高、响应快和性能稳定可靠。,2019/1/7,机械工程学院,学习本章主要考虑的问题,结构上的特殊性 原理上的特殊性 应用上的特殊性,2019/1/7,机械工程学院,61 交流伺服电动机,一、伺服电动机 也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。 有交流和直流两种，最大特点是可控。 转速和转向随输入电压信号的大小和方向的变化而变化。,2019/1/7,机械工程学院,伺服电动机的特点,1、可控性好； 2转子惯性小，响应快，转速的高低和方向随控制电压信号变化快反应灵敏； 3、 稳定性好。转速
3、能随转矩的增大均匀下降； 4、调速范围大。转速能根据电压信号的变化在较大范围内调节； 5、控制功率小、过载能力强，可靠性好，重量轻，体积小，耗电省。,2019/1/7,机械工程学院,伺服电动机的分类,直流伺服电动机：用于功率稍大的系统，输出功率为1w600w；交流伺服电动机：输出功率为0.1w100w, 功率较小,2019/1/7,机械工程学院,二、两相交流伺服电动机的结构和原理,控制绕组,励磁绕组,2019/1/7,机械工程学院,两相交流伺服电动机性能特点、应用范围,2019/1/7,机械工程学院,两相交流伺服电动机的基本工作原理,一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场，可以分解成两
4、个大小相等而方向相反的旋转磁场。,TL,2019/1/7,机械工程学院,基本原理及自转现象,脉动 磁场,圆形磁场,椭圆磁场,2019/1/7,机械工程学院,消除自转现象的措施：增大转子电阻,脉动磁场,椭圆磁场,脉动磁场合成曲线,当Wc0，旋转磁场 脉动磁场 自转现象,2019/1/7,机械工程学院,增大转子电阻的优点,1、利于消除自转现象，使单相供电时合成的电磁转矩在二、四象限，成为制动转矩； 2、使稳定运行段加宽，启动转矩增大，有利于调速和启动。,2019/1/7,机械工程学院,单相异步电动机的Tf(S)曲线,2019/1/7,机械工程学院,特性和应用,1、控制特性,2019/1/7,机械工
5、程学院,2、应用举例,启动、停止控制 调节转速的高低 改变电动机的转向,2019/1/7,机械工程学院,62 直流伺服电动机,直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中。 基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，只是它做得比较细长一些，以便满足快速响应的要求。,2019/1/7,机械工程学院,直流伺服电动机原理,2019/1/7,机械工程学院,2019/1/7,机械工程学院,转速和转向的控制方法,电枢控制：改变控制电压。响应迅速、机械特性硬、调速特性好；磁场控制：改变磁通。,2019/1/7,机械工程学院,直流伺服电动机的机械特性,机械特性的特点 1 堵转矩大，线性度好，机械特性较硬； 2、
6、有换向器，结构复杂，易产生无线电干扰。,2019/1/7,机械工程学院,63 力矩电动机,力矩电动机是一种能和负载直接连接产生较大转矩，能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。低转速、大转矩 广泛应用在各种位置及速度伺服系统中作为驱动电动机。,2019/1/7,机械工程学院,力矩电动机的分类,直流力矩电动机：应用广泛，具有良好的低速平稳性、线性的机械特性及调节特性 交流力矩电动机 1、异步型：多极扁平型结构，工作可靠，低速性能需完善。有两相和三相之分，在小功率伺服系统中多采用两相的，在一般工业（如纺织、印染、造纸等行业）中多采用三相的。 2、同步型：主要做成磁阻式电磁减速同步电动机,
7、2019/1/7,机械工程学院,永磁式直流力矩电动机,结构特点：电枢多做成扁平状 分类： 分装式：定子、转子和刷架 内装式：与一般的直流电动机相同,2019/1/7,机械工程学院,直流力矩电动机转矩大转速低的原因,1.转矩大的原因,2. 转速低的原因,2019/1/7,机械工程学院,直流力矩电动机的特点和应用,优点：堵转矩大而不损坏电机，精度高，反应速度快，线性度好。 应用于数控机床、卫星天线、雷达天线的驱动等。,2019/1/7,机械工程学院,64 小功率同步电动机,一、小功率同步电动机一种连续运转的同步电动机，将不变的交流电信号变换为转速恒定的机械运动，功率从几W到几百W。主要用于需要恒转
8、速，小功率（100瓦以下）的执行元件。在传动的装置中用作传动电动机，在自动控制系统中用作执行元件。,2019/1/7,机械工程学院,结构,永磁铁,硬磁材料,分类： 1、根据定子旋转磁场分类：三相、单相、罩极,2、根据转子结构材料分类： 永磁式 反应式（磁阻式） 磁滞式,启动困难（除磁滞式和磁阻减速电机）,2019/1/7,机械工程学院,小功率同步电动机特点,一、永磁式同步电动机 特点：不需要电刷和滑环，因而结构简单，运行可靠，效率较高，但起动特性不好，体积也比较大。 应用范围：适用于要求转速恒定场合。例如化纤纺织设备、自动化装置、自动记录仪表。在这些设备和装置中，主要作为驱动元件。二、磁阻式同
9、步电动机 特点：结构简单，运行可靠，起动特性较好，转子采用凸极结构，交轴磁阻大，励磁电流大，因而功率因数低，效率不高。 应用范围：适用于大容量转速恒定的场合。例如音响设备、摄影、记录，通信装置。,2019/1/7,机械工程学院,小功率同步电动机特点,三、磁滞式同步电动机 磁滞：铁磁体在反复磁化的过程中,它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度的现象。 特点：不需要起动装置就能自行起动；在整个起动阶段磁滞转矩恒定不变，能将转动惯量较大的负载平稳地拉入同步。此外，结构简单，运行可靠，运行噪音低，但功率因数和效率都不高。应用范围：广泛用于恒速系统中，如自动计时、仪表、亦可用于转动惯量大的传动装置
10、、例如陀螺仪等。在这些装置和系统中主要用作驱动元件。当它在异步状态运行时，还可用作伺服元件。,2019/1/7,机械工程学院,永磁式同步电动机,（一）结构特点与基本原理负载转矩不能超出一定限度(最大同步转矩)，否则电动机将停转、称为“失步”,功率角正比于负载转矩T,2019/1/7,机械工程学院,（二）启动方法,2019/1/7,机械工程学院,磁阻式电磁减速同步电动机,定子、转子齿数不相等;,（一） 结构特点（无启动绕组）,2019/1/7,机械工程学院,磁阻式电磁减速同步电动机,磁力线总是力图使自己经过的磁路磁阻最小,2019/1/7,机械工程学院,65 测速发电机,2019/1/7,机械工
11、程学院,一测速发电机,（一）测速发电机 将机械转速信号转换为相应的电压信号，输出的电压与转速成正比，在自动控制系统中作为检测转速的信号元件。 测速发电机的输出电压为： （二）测速发电机的主要用途 1 测量转速。测速发电机的输出电压与转速； 2作为机电微分、积分器。,2019/1/7,机械工程学院,（三）自动控制系统对测速发电机的主要要求,1、线性度好； 2、有足够的灵敏度； 3、剩余电压低； 4、输出电压的极性或相位能随转动方向的改变而改变； 5、 转动惯量和电磁时间常数小，响应快。,2019/1/7,机械工程学院,（四）分类,直流测速发电机 交流测速发电机 异步测速发电机同步测速发电机：很少
12、采用,2019/1/7,机械工程学院,二异步（交流）测速发电机,（一）基本结构和工作原理,2019/1/7,机械工程学院,（二）交流测速发电机的几个技术指标,1、剩余电压,nmax,Umax,1）剩余电压,2019/1/7,机械工程学院,三 直流测速发电机,（一）基本结构,电磁式永磁式,2019/1/7,机械工程学院,（二） 基本原理及特性,注意：nRN,2019/1/7,机械工程学院,四、测速发电机的性能比较,（一）异步测速发电机 优点：不需要电刷和换向器，结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小；不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。 主要
13、缺点：存在剩余电压和相位误差；负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。 （二）直流测速发电机 优点：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大。 缺点：有电刷和换向器，结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号；输出特性不稳定；正、反向旋转时，输出特性不对称。,2019/1/7,机械工程学院,66 自整角机,一、自整角机在随动系统中，广泛用来进行角度的传输、变换和指示。 通常用两台或多台组合使用，实现两个或两个以上机械不相连接的转轴同时偏转或同步旋转。,2019/1/7,机械工程学院,（二）分类,1按其在随动系统中的作用自整角发送机：产生信号自整角接
14、收机：接收信号 2按使用要求 控制式自整角机：用于随动系统，作为检测元件，将转角信号变换为与转角成一定函数关系的电压信号。适用于负载较大、精度要求较高的场合。 力矩式自整角机：用于指示系统，可以远距离传输角度信号。适用于系统精度要求不高和只带指针或刻度盘等轻负载的场合。 3按相数不同三相自整角机：用于电轴系统。单相自整角机：用于角传递系统,2019/1/7,机械工程学院,二单相自整角机,（一）结构特点,三相整步绕组,励磁绕组,2019/1/7,机械工程学院,三、控制式自整角机,（一）结构 1接线 2转角 基准电气零位,2019/1/7,机械工程学院,控制式自整角机,2019/1/7,机械工程学
15、院,（二）基本工作原理,2019/1/7,机械工程学院,（三）应用举例,2019/1/7,机械工程学院,四力矩式自整角机,（一）基本工作原理,2019/1/7,机械工程学院,（二）应用举例,2019/1/7,机械工程学院,五、产品选择及应用,一、系统选择： 精度不高、负荷轻采用力矩式指示系统。 精度高负载重采用控制式组成伺服系统。 二.产品选择： 1.小尺寸的自整角机较为可靠； 2.长线传送采用高压。 3.尺寸要求较小时可采用400HZ中频电源，反之采用50HZ。,2019/1/7,机械工程学院,67 直线电动机,一直线电动机 伺服驱动元件，可直接将电能转换为直线运动。 分类（按工作原理） 直
16、线异步电动机 直线直流电动机 直线同步电动机,2019/1/7,机械工程学院,直线异步电动机,2019/1/7,机械工程学院,直线异步电动机的结构,2019/1/7,机械工程学院,直线异步电动机的工作原理,行波磁场同步速度,2019/1/7,机械工程学院,直线电动机的特点,1.无中间传动装置，系统简单、减小振动和噪音。 2.响应快、加速和减速时间短，可快速启动和正反转。 3.散热良好，额定值高，对启动的限制小。 4.装配灵活性大。,2019/1/7,机械工程学院,直线电机的应用,大致可分为五个方面 物流系统 工业设备 信息与自动化系统 交通与民用 军事及其他。,2019/1/7,机械工程学院,
17、直线电机在机床业中的应用,直线电机在工业设备中的应用，主要在机床业方面比较突出。近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热门。 原因是：传统机床的驱动装置依赖丝杠驱动，丝杠驱动本身具有一系列不利因素，如长度限制、机械间隙、摩擦、扭曲、螺距一周期误差等； 而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杠的10倍甚至100倍，加速度可以是传统机床的20倍以上。,2019/1/7,机械工程学院,什么是磁悬浮列车？,磁悬浮列车利用的是磁极吸引力和排斥力。排斥力使列车悬起来，吸引力让列车开动。 磁悬浮列车上装有超导磁铁，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相
18、同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。 铁轨两侧也装有线圈，采用长定子同步直线电机将电供至地面线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的磁铁相互作用，使列车前进。磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙，一般为1厘米至10厘米,2019/1/7,机械工程学院,小 结,基本要求 1、了解机电传动控制系统中一些常用控制电机的基本结构； 2、掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特性及特点； 3、了解各种控制电机的应用场所，以便正确选用和使用它们。 重点 掌握常用控制电动机的基本工作原理、运行特性与特点。 难点 1、交流伺服电动机为什么会出现“自转”现象以及消除“自转”现象的原理； 2、自整角机的工作原理。,
