1、电机与拖动,电气维修技师 (七),（ 电机与拖动 ）电子教案,第六章：同步电动机,第一节 同步电动机的结构和工作原理,同步电动机也是交流电动机。同步电动机可以作发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动机用。三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等。,1. 同步电动机的分类 同步电动机就是转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。按照其结构形式分类有：同步发电动机、同步电动机、同步调相机。2. 同步电动机的特点 同步电动机转子的转速n与定子电源频率f1、磁极对数p之间应满足n
2、=n1=60f1/p,同步电动机的功率因数可以调节，当处于过励状态时，还可以改善电网的功率因数，这也是它的最大优点。,一、 同步电动机的结构 同步电动机的主要结构由定子和转子组成。定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中。图6.1所示为旋转磁极式同步电动机。 (a) 隐极式 (b) 凸极式 图9.12 三相旋转磁极式同步电动机结构示意图 图9.12 三相旋转磁极式同步电动机结构示意图,图9.12 三相旋转磁极式同步电动机,1定子 2转子 3集电环,1 定子：同步电
3、机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。2 转子：同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。1）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。同步机的励磁电源有二种：一种是直流发电机供电；另一种是交流经整流而得到。,二、同步电动机基本工作原理,如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，就产
4、生旋转速度为n的旋转磁场。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。,三、同步电机的额定值有：1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是KW。,4）. 相数m ：一般m=3。 5）. 额定频率:我国额定工业频率规定为50Hz. 6 ）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。,第二节 同步电动机的应用,一、起动方法三相同步电动机本身没有起动转矩，通电后
5、转子不能起动。下面以图6.2和图6.3说明不能自行起动的原因。,图6.2 等效磁极,图6.3 同步电动机的起动,转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。,三相同步电动机的起动方法有3种：辅助起动法、变频起动法和异步起动法。下面介绍目前应用较多的异步起动法。,1、异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。起动过程可以分为两个阶段：（1）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速；（2）加直流励磁，使转子拉入
6、同步。由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很容易拉 入同步。甚至在未加励磁的情况下，有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起动性能，同步电动机绝大多数采用凸极式结 构。,注意：当同步电动机按感应电机方式起动时，励磁绕组绝对不能开路 ！必须短路 ！,2、辅助起动法就是用一台异步电动机或其他动力机械，把转子拖动到接近同步速度时脱开，再通入定子电流及转 子励磁电流，使电动机进入同步运行。3、变频起动法利用变频电源，将旋转磁场的转速从零开始逐步调到额定转速，转子的转速始终与定子旋转磁场转速同步，以使同步电动机起动。,三、同步调相机 把专门供给无功功率的同步电动机称同步调相机或同步补偿机。实际上就是空载运
7、行的同步电动机。,第七章 控 制 电 机,控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。,第一节 伺服电动机 伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动
8、作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时停转。由于这种“伺服”的性能因此命名。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：(1) 宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。(2) 快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。(3) 灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。(4) 无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服
9、电动机两大类。直流伺服电动机的输出功,率可达数百瓦，主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。,一、直流伺服电动机1. 基本结构与工作原理一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反
10、之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如图7.1所示。,电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。,为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。 电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。,图7.1
11、电枢控制方式的直流伺服电动机,2：特性分析： 1）机械特性：曲线如图7.2所示。,图7.2 特性曲线,2）调节特性：调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即T为常数时的n = f(UK)。调节特性也称为控制特性。如图7.2(b)所示。 如图7.3所示。,图7.3 调节特性,直流伺服电动机的特点：优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。,二、交流伺服电动机交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。特点：1）无“自转 ”现象，即控制电压为零时，电动机自动停转。2）快速
12、响应。3）调速范围宽以及具有线性的机械特性。1、结构定子槽中没有励磁绕组。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。,1）笼型转子 2）空型杯转子 2、工作原理：如图7.4所示。特性曲线如图7.5 所示。,图7.4 交流伺服电动机原理图,图7.5 转子电阻对交流伺服电动机机械特性的影响,3、控制方式交流伺服电动机的控制方式有3种，分别是幅值控制、相位控制和幅值相位控制。1) 幅值控制始终保持控制电压和励磁电压的相位差为90，仅仅改变控制电压的幅值来改变交流伺服电动机的转速，这种控制方式称为幅值控制。如图7.6 所示。,图7.6 幅值控制的原理图,2) 相位控制保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不
13、变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图7.7所示,图7.7 相位控制的原理图,3) 幅值-相位控制幅值-相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。图7.8 所示。幅值-相位控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但由于其电路简单，只需要电容器和电位器，不需要复杂的移相装置，成本较低，因此在实际应用中用得较多。,图7.8 幅值-相位控制的原理图,第二节 旋转变压器,旋转变压器是自动装置中的一种精密控制微电动机。旋转变压器从原理上讲，相当于副边绕组可以转动的变
14、压器。从结构上讲，相当于两相绕线式异步电动机。当旋转变压器的原边绕组外加单相交流电压励磁时，其副边绕组的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。作用：在控制系统中它可以作为解算元件，主要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，它可用于传输与转角相应的电信号；此外，还可用作移相器和角度数字转换装置。分类：1）按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分为接触式和非接触式两类。2）按电动机的极对数多少来分，可分为单极对和多极对两类。3）按照它的使用要求来分，可分为用于解算装置和用于随动系统。4）若根据输出电压与转子转角的函数关系来分，可分为正弦、余弦、线性以及特殊函数旋转变压器等。,一、基本结构
15、旋转变压器与绕线式异步电动机类似，其定子、转子铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片叠装而成。定子上放置两套互差90空间角度的匝数、型式完全相同的分布绕组：D和Q，其中D绕组作为励磁绕组，Q绕组作为补偿绕组，每套绕组有效匝数为N1。,二、工作原理1、正余弦施转变压器 当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系的施转变压器。如书图7.10所示。正余弦旋转变压器的转子上也有两套完全相同的分布绕组A和B，每套绕组的有效匝数为N2，两相绕组的空间位置也互差90。它们分别经滑环和电刷引出，作为输出绕组。,1）、正余弦旋转变压器的空载运行正余弦旋转变压器空载运行
16、时，励磁绕组D接交流电压 ，定子的Q绕组和转子的A、B绕组均开路。 如图7.11所示,图7.11 正余弦施转变压器的空载运行,旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组D1D2和D3D4，但在空间上相差90。每套绕组的有效匝数为ND，其中D1D2绕组为直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套完全相同的绕组Z1Z2和Z3Z4，在空间上也相差90，每套绕组的有效匝数为NZ。转角：转子上的输出绕组Z1Z2的轴线与定子的直轴之间的角度叫做转子的转角。A：气隙磁场D与输出绕组Z1Z2相交链的磁通为 Z12=Dcos。B：另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为90- ，那
17、么气隙磁场D与Z3Z4相交链的磁通Z34=Dcos（90-）=Dsin，据上述分析，气隙磁场D在励磁绕组中所感生的电动势为 ：ED12 = 4.44fNDD,EZ12 = 4.44fNZDcosEZ34 = 4.44fNZDsin,余弦绕组和正弦绕组的端电压为,相对应的在输出绕组感应的电动势为：,另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为因而输出绕组Z1Z2和Z3Z4的端电压分别为UZ12 = KUDcosUZ34 = KUDsin,可见，通过调节转子转角的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。2）负载运行时：在
18、实际应用中，输出绕组都接有负载， 如图7.12所示：,图7.12 正余弦施转变压器的负载运行,输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。这不是我们所希望的，所以我们就要想办法去消除这个畸变。补偿的方法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手。 （一）、二次侧（转子）补偿 方法：,图7.13 一次侧、二次侧补偿的正余弦施转变压器,两个完全一样的正余弦输出绕组如果接的负载一样，如图7.13所示那么两绕组产生的交轴方向的磁势大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和。 注意：上面所阐述的
19、二次侧补偿是有条件的，即ZL=ZL，但如有偏差，交轴方向的磁势不能完全抵消，输出还是有畸变的，为此可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。 （二）、一次侧（定子）：定子的励磁绕组仍接交流电源，而D3D4作为补偿绕组通过阻抗Z或直接短接，在绕组D3D4中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。为了减小误差，使用时常常把一次侧、二次侧补偿同时使用！,2、线性旋转变压器：线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角很小的时候近似有Sin=，此时就可看作一台线旋转变压器。在转角不超过4.5时，线性度在0.1%以内。若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压
20、器的线路进行改接，定子绕组D1D2与转子绕组Z1Z2串联后接到交流电源上如图7.14 。 单相电流接入绕组后产生的脉振磁通d是一个直轴脉振磁通，它与励磁绕组、余弦正弦绕组交链而分别产生感应电动势：ED12 = 4.44fNDdEZ12 = 4.44fNZdcosEZ34 = 4.44fNZdsin 经过化减整理后：,图7.14 线性施转变压器接线图,用数学推导可证明，当K=0.52，=60的范围内，输出电压UZ和转角成线性关系，线性误差不超过0.1%。,三、旋转变压器的应用：转变压器常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘除运算微分积分运算，也可在角度传输系统中作自整角机使
21、用。,第三节 步进电动机,定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。特点：1）输出转角与输入的脉冲个数成正比；2）转速与输入的脉冲频率成正比；3）脉冲停止，只要绕组内有电流电轴可以保持在固定位置上；4）改变通电相序即可改变电机的转向；5）存在齿间相邻误差，但不会产生累积误差；6）转动惯量小，起动、停止迅速；,自动控制系统对步进电动机的基本要求是：(1) 在一定的速度范围内步进电动机都能稳定运行，输出轴转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走一步，也不能少走一步，即不能出现所渭的“失步”现象。(2) 每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小而且精度要高，这样才能使工作台的位
22、移量小而且准确和均匀，从而可以提高加工精度。(3) 允许的工作频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产率。,分类：按其工作方式可分为：功率式和伺服式两种。功率式步进电动机的输出转矩较大，能直接带动较大的负载。伺服式步进电动机的输出转矩较小，只能直接带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按运动方式可分为：旋转运动、直线运动和平面运动等几种；按工作原理可分为：反应式(磁阻式)、永磁式和永磁感应式等几种。反应式步进电动机应用较多以此为例介绍步进电动机的原理及结构。一、工作原理 按其通电顺序的不同，三相反应式步进电动机有以下3种运行方式；1) 三相单三拍运行方式2) 三相双三拍运
23、行方式3) 三相单、双六拍运行方式,相关概念：1、齿距角r：转子相邻两齿轴线之间的夹角定义为齿距角r ：2、步距角 ：在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用一个角度来表示，叫做步距角。3、拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。4、通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环，通过后面的分析，我们可以发现，每经过一个通电循环，（即对应一个2的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，因此，转子一个齿距对应一个2的空间电角度。5、单：每次改变通电方式只有一个绕组通电6、双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电.,在这里我们以4 齿的步进电机为例；1) 三相单
24、三拍运行方式如图7.15所示，三相单三拍的反应式电机工作原理：三相”指步进电动机定子绕组是三相绕组，“单”指每次只能一相绕组通电，“一拍”指定子绕组每改变一次通电方式，“三拍”指通电3次完成一个通电循环。也就是说，这种运行方式是按UVWU或相反的顺序通电的。,图7.15所示，三相单三拍的反应式步进电机工作原理,每通电一次，磁场对转子只有径向方向的吸引力，而没有切线方向的拉力，将转子锁住。显而易见，转子转过了1/3齿距，即转过了30，所以步距角s =30三相单三拍运行时，只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置来回摆动，产生振荡，运行不稳定。,2) 三相双三拍运行方式这种运行方式是按UVVWWUU
25、V或相反的顺序通电的，即每次同时给两相绕组通电。其工作原理图如图7.16所示。,图7.16 三相双三拍运行方式,当三相绕组按UVVWWUUV顺序通电时，转子顺时针方向旋转。改变通电顺序，使其按UWWVVUUW顺序通电时，即可改变转于旋转的方向。通电一个循环，磁场在空间旋转了360，而转子也只转了一个齿距角，所以步距角仍然是30。3) 三相单、双六拍运行方式这种运行方式是按UUVVVWWWUU或相反的顺序通电的，即需要六拍才完成一个循环。图7.17所以采用这种运行方式时，经过六拍即完成一个循环，磁场在空间旋转了360，转子仍只转了1个齿距角，但步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距角的1/6，即等于
26、15。 可以看出，如果拍数为N，则控制绕组的通电状态需要切换N次才能完成一个通电循环，当定子相数为m时，若单拍运行，则拍数N=m；若单双拍运行，则N=2m。每经过一个通电循环，转子就转过1个齿。当转子齿数为Zr时，步进电动机的步距角s为,既然转子每经过一个步距角相当于转了l(ZsN)圈，若脉冲频率为f则转子每秒钟就转了f /(ZsN)，故步进电动机每分钟转速为,步进电动机的典型结构如图7.18所示,图7.18 典型的三相反应式步进电动机,二、反应式步进电动机的运行特性1. 反应式步进电动机的静特性步进电动机的静特性是指步进电动机的通电状态不发生变化，电动机处于稳定的状态下所表现出的性质。步进电
27、动机的静特性包括矩角特性和最大静转矩。1) 矩角特性步进电动机在空载条件下，控制绕组通入直流电流，转子最后处于稳定的平衡位置称为步进电动机的初始平衡位置，由于不带负载，此时步进电动机的电磁转矩为零。失调角：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。这样，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。经分析，静转矩T与失调角的关系近似为：T = - C sin相应的曲线如图7.19所示。,图7.19 步进电动机的矩角特性,由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程.,2) 最大静转矩矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当= /2时，T有最大值Tsm
28、，最大静转矩 。,2 步进电动机的步进运行状态,当输入的脉冲频率很低时，来一个脉冲转 子转过一步，进入稳态后停止运行，等到下一个脉冲到来时，转 子再转 过一步，电机呈现出一转 一停的状态，这种状态为步进运行。动稳定区如图7.20所示，设步进电动机的初始状态的矩角特性为图中曲线1，稳定点为A点，通电状态改变后的矩角特性为曲线2，稳定点为B点。由矩角特性可知，起始位置只。,有在a点与b点之间时，才能到达新的稳定点B，ab区间称为步进电动机的空载稳定区。,图7.20 步进电动机的动稳定区,3、连续运行状态当输入的脉冲频率很高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，转子的步进运动变成了连续旋转运动，这
29、种状态称为连续运行。步进电动机的输出转矩与运行频率的关系称为矩频特性，如图7.21所示。,图7.21 步进电动机的矩频特性,三、驱动电源,步进电动机的妪动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，其方框图如图7.22所示。图10.15 步进电动机的矩频特性,步进电动 机,图7.22 步进电动机妪动电源方框图,四、步进电机的应用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。,第四节 直线电动机
30、,直线电动机就是把电能直接转换成直线运动的机械能的电动机。与旋转电动机对应，直线电动机也分为直线异步电动机、直线同步电动机、直线直流电动机。在直线电动机中，直线异步电动机应用最广泛。本节将以直线异步电动机为例，介绍直线电动机的结构形式和工作原理。,一、直线电动机的结构形式 直线异步电动机主要有平板型、圆筒型和圆盘型3种型式。1. 平板型直线异步电动机平板型直线异步电动机可以看成是从旋转电动机演变而来的。也可以认为把旋转电动机的定子和转子沿径向剖开，并展开成平面，就得到了最简单的平板型直线电动机，如图7.23所示。,旋转电动机 (b) 平板型直线异步电动机图7.23 直线异步电动机的形成,旋转电
31、动机的定子和转子，在直线电动机中又称为初级和次级(滑子)。直线电动机的运行方式可以是固定初级，让次级运动，此时称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。为了在运动过程中始终保持初级和次级耦合，初级和次级的长度不应相同，可以使初级长于次级，称为短次级(短滑子)；也可以使次级长于初级，称为短初级，如图7.24所示。由于短初级结构比较简单，制造和运行成本较低，故一般常用短初级。,图7.23 平板型直线异步电动机(单边型)结构示意图,图7.23所示的平板型直线电动机仅在次级的一边安装有初级，这种结构型式称为单边型。 单边型直线异步电动机除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较大的法向
32、力，这在某些应用中是不希望的。为了更充分地利用次级和消除法向力，次级的两侧都安装初级，这种结构型式称为双边型，如图7.24所示。平板型直线异步电动机的初级铁心由硅钢片叠装而成，表面开有齿槽，槽中安放着三相绕组。,图7.18 平板型直线异步电动机(双边型)结构示意图,最常用的次级结构有3种形式：(1) 用整块钢板制成，称为钢次级或磁性次级，这时，钢既起导磁作用，又起导电作用；(2) 为钢板上覆合一层铜板或铝板，称为覆合次级，钢主要用于导磁，而铜或铝用于导电；(3) 是单纯的铜板或铝板，称为铜(铝)次级或非磁性次级，这种次级一般用于双边型电动机中。2. 圆筒型直线异步电动机若将平板型直线异步电动机
33、沿着与移动方向相垂直的方向卷成圆筒，即成圆筒型直线异步电动机，如图7.25所示。,图7.25 圆筒型直线异步电动机,3. 圆盘型直线异步电动机若将平板型直线异步电动机的次级制成圆盘型结构，并能绕经过圆心的轴自由转动。使初级放在圆盘的两侧，使圆盘在电磁力作用下自由转动，便成为圆盘型直线异步电动机，如图7.26所示。,图7.26 圆盘型直线异步电动机,二、直线异步电动机的工作原理 直线异步电动机的定子绕组与笼型异步电动机的定子绕组一样，都是三相绕组，只不过笼型异步电动机的定子三相绕组对称地分布在定子圆周上，而直线异步电动机的定子三相绕组排列成一条直线，它们分别如图7.27(a)和(b)所示。,对于
34、图7.27(b)所示的直线异步电动机而言，在定子的三相绕组U、V、W中通入对称的三相交流电流时，同样会产生在空间成正弦分布、沿UVW方向运动的气隙磁场，只是由于定子绕组不是按圆周排列而是按直线作有序排列，因而产生的磁场不是旋转磁场，而是沿直线方向移动的磁场，称为行波磁场。行波磁场在空间呈正弦分布，如图7.27(b)所示，其移动速度即同步速度v1为,（a） 笼型三相异步电动 (b) 直线异步电动机图7.21 直线异步电动机的工作原理 1定子 2转子 3旋转磁场 1定子 2转子 3行波磁场,直线异步电动机的转差率为,三、直线异步电动机应用主要应用在各种直线运动的电力拖动系统中，如磁悬浮高速列车、自
35、动搬运装置、传送带、带锯、直线打桩机、电磁锤、矿山用直线电动机推车机等，也用于自动控制系统中，如液态金属电磁泵、门阀、开关自动关闭装置、自动生产线机械手和计算机磁盘定位机构等。,第五节 测速发电机,测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和计算技术等装置中。自动控制系统对测速发电机的要求是：(1) 线性度好，即输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条件变化的影响。(2) 灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。(3) 不灵敏区小。(4) 转动惯量小，以保证测速的快速性。按电流种类的不同，测速发电
36、机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。直流测速发电机又有永磁式和电磁式之分；交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。,一、直流测速发电机,直流测速发电机的结构和原理都与他励直流发电机基本相同。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：,输出电压U与转速n成正比，如图7.22所示。当负载增加时，由上式可知，k将减小，输出特性下移。曲线1为空载时的输出特性，曲线2为负载时的输
37、出特性。实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不能保持严格的正比关系，实际输出特性如图7.22中的曲线3所示，实际输出电压与理想输出电压之间产生了误差。产生误差的原因主要有以下几个方面。,图7.22 直流测速发电机的输出特性,1. 电枢反应产生误差的主要原因是电枢反应的去磁作用。电枢反应使得主磁通发生变化，上式中的电动势常数Ce将不是常值，而是随负载电流变化而变化的，负载电流升高则电动势系数Ce略有减小，特性曲线向下弯曲，如图7.22中的曲线3所示。,转速愈高，Ea愈大，Ia也愈大，电枢反应的去磁作用就愈强，误差也愈大。为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿，结构上加大
38、气隙削弱电枢反应的影响外，使用测速发电机时，转速范围不要太大，负载电阻不能太小。,2、温度的影响直流测速发电机长期使用时，励磁绕组的温度会升高，使励磁绕组的电阻变大，电流变小，磁通减小，输出电压减小，使曲线向下弯曲。为减小温度变化引起的误差通常电机的磁路设计为饱和状态。,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。异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种。笼型测速发电机不如空心杯型测速发电动机的测量精度高，而且空心杯型测速发电机的转动惯量也小，适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电机。,空心杯转子异步测速发电机由外定子、内定
39、子、空心杯转子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；内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7.23所示。,图7.23 空心杯转子测速发电机原理,交流异步测速发电机输出也存在着不可避免的误差：主要有非线性误差、剩余电压和相位误差。,2. 交流同步测速发电机同步测速发电机的转子为永磁式，即采用永久磁铁做磁极；定子上嵌放着单相输出绕组。当转子旋转时，输出绕组产生单相的交变电动势，其有效值，而其交变电动势的频率为f=pn/60。输出绕组产生的感应电动势E，其大小与转速成正比，但是其交变的频率也与转速成正比变化就带来了麻烦。因为当输出绕组接负载时，负载的阻
40、抗会随频率的变化而变化，也就会随转速的变化而变化，不会是一个定值，使输出特性不能保持线性关系。由于存在这样的问题，因此同步测速发电机不像异步测速发电动机那样得到广泛的应用。如果用整流电路将同步测速发电机输出的交流电压整流为直流电压输出，就可以消除频率随转速变化带来的缺陷，使输出的直流电压与转速成正比，这时用同步发电机测量转速就有较好的线性度。,三、测速发电机的应用常用作测速元件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制装置中。,第六节 自整角机,自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电动机。自整角机用作角度的传输、转换和指示，在各种控制系统中，尤其是在遥远
41、指示装置和随动系统中得到广泛应用。自整角机按其供电电源相数的不同，可分为单相自整角机和三相自整角机。根据自整角机的功能可把自整角机分为控制式自整角机和力矩式自整角机两类。,一、力矩式自整角机的结构与工作原理 自整角机也是由定子和转子两部分组成。定子铁心槽内放置对称三相绕组，称为整步绕组，接成星形。转子上放置两极的单相绕组，用于励磁，称为励磁绕组，励磁绕组与单相交流电源相连接。为在整个圆周范围内能够准确定位，力矩式自整角机通常采用两极电动机。,图7.24为自整角机的工作原理图，在图中一台自整角机作为发送机，如左边的一台；一台作为接收机，并且两台电动机的结构和参数相同。在工作工程中励磁绕组接在同一
42、单相交流励磁电源上，两台电动机的三相整步绕组彼此对应相连。为了分析方便，规定励磁绕组与整步绕组的U相之间的夹角为转子的位置角。,图7.24 力矩式自整角机的工作原理图,二、控制式自整角机的结构与工作原理控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同，所不同的是接收机的励磁绕组不在与发送机的励磁绕组接在同一励磁电源上，而是开路作信号输出端使用。控制式自整角机的工作原理如图7.25所示。,图7.25 控制式自整角机的工作原理图,如果自整角变压器的转子转角2等于自整角发送机的转子转角1，则自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势Em的值最大，如果21
43、，自整角变压器定子合成磁势与转子输出绕组轴线夹角为=1-2，如图所示，此时转子输出绕组感生的电动势为：,E2 = Emcos(1 2) = Emcos,E2 = Em(-90) =Emsin,力矩式自整角机和控制式自整角机的区别在于:自整角机控制系统中，当失调角产生时，力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统，自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。三、
44、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。,第八章 电力拖动系统电动机的选择,在电力拖动系统设计时，电动机的选择是一相重要的内容。正确选择电动机的意义： 。正确选择电动机不仅是一个技术问题，还是一个经济问题。只有正确地选择电动机的容量，电力拖动装置才能可靠而经济地运行。,第一节 电动机类型的选择,一、电动机的种类及其选择 电动机的主要类型见书表8-1 二、电动机结构形式的选择 1、安装方式 2、轴伸个数,3
45、、防护方式 1）开启式 2）防护式 3）封闭式 4）防爆式,第二节 电动机的绝缘等级和工作制,一、电动机的绝缘等级A、E、B、F、H等级二、电动机的工作制1 连续工作制2 短时工作制 3 断续周期工作制,第三节 电动机参数的选择,一、电动机额定电压的选择电动机的额定电压与电网电压一致。二、额定转速的选择根据生产机械的的需要选择。三、功率的选择1）计算负载功率2）预选电动机的额定功率3）校验电动机过热能力和过载能力1、连续工作制电动机功率的选择（ 1）恒定负载下电动机功率的选择,（2）周期性变化负载下电动机功率的选择 方法：1平均损耗法：2等效电流法：3等效转矩法：4等效功率法：,2、短时工作制电动机额定功率的选择1）选择短时工作制电动机2）选用连续工作制电动机3）选用断续周期工作制电动机发热相等就行3、断续周期工作制电动机功率的选择断续周期工作制电动机的标准持续率为：15%、25%、40%、60%四种。,小节：本次课主要讲解同步电动机和控制电机及电机的选择,作业：书162页 1、2、5、8 书184页2、6、8、11书195 页1、3、4。,
