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1、单相异步电动机的工作原单相异步电动机的工作原理单相异步电机的转子采理单相异步电机的转子采用鼠笼式定子上有用鼠笼式定子上有1工作绕组单独通电时的情况工作绕组单独通电时的情况由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电动机会被加速到接近动机会被加速到接近 转动而不致停止。其原理可解释如下：转动而不致停止。其原理可解释如下：工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、转速相等、转
2、向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩 ，对应的转差率，对应的转差率 曲线如图曲线如图8-1中的曲线中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用所示。反转旋转磁场，作用于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率图图8.1 单相异步电动机的单相异步电动机的 曲线曲线 曲线如图曲线如图8.18.1中的曲线中的曲线2 2所示所示.合成电磁转矩合成
3、电磁转矩 与与 S 的关系曲线如曲线的关系曲线如曲线3所示。可见所示。可见 时时，无启动转，无启动转矩，而在外力作用下，使矩，而在外力作用下，使S+或或S-不为不为1时，合成转矩不等于零，时，合成转矩不等于零，如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。2两相绕组通电时的机械特性两相绕组通电时的机械特性 如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁动如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁动势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足，则产生的基波合成磁动势一般为椭圆形
4、旋转磁场。一个椭圆形的旋生的基波合成磁动势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆形的旋转磁动势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁动势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速相同的旋转磁动势。设正转磁通势的幅值转磁动势。设正转磁通势的幅值F F+大于反转磁通势的幅值大于反转磁通势的幅值F F-，则则T Te e-S-S+曲线和曲线和T Te e-S-S-曲线分别如图曲线分别如图8-28-2中的曲线中的曲线1 1和曲线和曲线2 2所示。所示。由合成曲线由合成曲线3 3可见，可见，S=1S=1时，起动转矩大于时，起动转矩大于0 0，能自行起动，正，能自行起动，正向运行。如果向运行。如果F F+
5、FF-，则将反向起动运行。，则将反向起动运行。起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关 S，当转，当转速上升到同步转速速上升到同步转速 的时自动断开。的时自动断开。图图8.2 两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线二单相异步电机的主要类型和起动方法二单相异步电机的主要类型和起动方法（一）电阻分相式（一）电阻分相式启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝启动绕组的导线较细，匝数较少；工
6、作绕组的导线较粗，匝数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小，从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。两个绕从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。两个绕组的电路都是感性的，起动转矩不大，只能用于空载和轻载组的电路都是感性的，起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动的场合。起动的场合。（二）电容分相式（二）电容分相式 起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组电流接近流接近90度，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较大度，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较
7、大的起动转矩和较小的起动电流。的起动转矩和较小的起动电流。电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容运转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。欲转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的端头对调即可。对调即可。（三）罩极式电动机（三）罩极式电动机 罩极式单相异步电动机的结构示意图如图罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-38-3所示，定所示，定子磁极极面的约子磁极极面的约1/31/3处开有小槽，嵌有一个闭合
8、铜环，称为处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为短路环，把磁极的小部分罩在环中。短路环，把磁极的小部分罩在环中。图图8.3 罩极式异步电动机的结构示意图罩极式异步电动机的结构示意图 当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未罩部分的部分的 ，另有一部分磁通，另有一部分磁通 欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动势欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动势 ，产生电流，产生电流 和磁通和磁通 ，使实际过被罩部分的磁通过，使实际过被罩部分的磁通过 ，如图，如图8-8-4 4所示。可见，穿过未罩部分的磁通与穿过被罩部分的磁通在空间
9、上处于不所示。可见，穿过未罩部分的磁通与穿过被罩部分的磁通在空间上处于不同位置，时间上又有相位差，其合成磁势为椭圆形旋转磁动势，使电动机同位置，时间上又有相位差，其合成磁势为椭圆形旋转磁动势，使电动机产生一定的启动转矩。特点：启动转矩小，但结构简单，制造方便，多用产生一定的启动转矩。特点：启动转矩小，但结构简单，制造方便，多用于小型电扇、录音机等。于小型电扇、录音机等。图图8.4 8.4 罩极式单相异步电动机磁通向量图罩极式单相异步电动机磁通向量图第三节第三节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任
10、务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程中。因此对伺服电动机的性能有如下要求：中。因此对伺服电动机的性能有如
11、下要求：1 1无无“自转自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行停转。停转。2.2.具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。的转速范围内稳定运行。3.3.具有线性的机械特性和调节特性。具有线性的机械特性和调节特性。4.4.快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。一一 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动
12、机，它的定子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流流伺服电动机，它的定子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为伺服电动机服电动机(例如录像机，精密机床的电机例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服电动。下面就其作伺服电动机时的性能进行分析。机时的性能进行分析。直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是
13、电枢控制，就是改变直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改变电枢绕组电压电枢绕组电压U Ud d的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另的大小与方向实现对转子转速和转向的控制；另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压U Uf f的大小与方向实现对的大小与方向实现对转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流伺服转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。枢控制时的直流伺服电动机特性。电
14、枢控制是励磁电压电枢控制是励磁电压Uf不变，控制电枢电压不变，控制电枢电压Ud的控制方式。的控制方式。在控制过程中改变电枢绕组电压在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢，主磁通不变，忽略电枢反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为（1）直流伺服电动机的机械特性）直流伺服电动机的机械特性由图可见，直流伺服电动机由图可见，直流伺服电动机的机械特性为一组平行的直的机械特性为一组平行的直线。随着控制电压线。随着控制电压Ud的增加，的增加，直线的斜率直线的斜率 保持不变，机保持不变，机械特性向上平移。当控制电械特性向上平移。当控制电压压Ud不变
15、时，转矩不变时，转矩Te增大时，增大时，转速转速n降低，转矩的增加和降低，转矩的增加和转速的降低呈线性关系。直转速的降低呈线性关系。直流伺服电动机的这种机械特流伺服电动机的这种机械特性是十分理想的。性是十分理想的。（2）直流伺服电动机的调节特性）直流伺服电动机的调节特性 直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子转速速 与控制电压与控制电压 之间的关系之间的关系 。根据。根据机械特性表达机械特性表达式式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。二二 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机
16、就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间互成互成 电角度。一相绕组为励磁绕组电角度。一相绕组为励磁绕组f，一相为控制绕组，一相为控制绕组k，转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf，控制绕组接控制电压，控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压，两者频率相同。改变控制电压Uk的的幅值或相位就可以实现转速控制。幅值或相位就可以实现转速控制。作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械特性和调节特性外，还必须具有伺
17、服性：即控制信号电压强时，特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时，电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信号电压等于零，则电动机不转。号电压等于零，则电动机不转。但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的做法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差率 。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，
18、转子电。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大输出功率越小，效率越低。小，效率越低。（1）交流伺服电动机的特性要求）交流伺服电动机的特性要求（2）交流伺服电动机的伺服特性）交流伺服电动机的伺服特性 对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行，在 范围内，单相电机的转矩范围内，单相电机的转矩 ，转子将继续沿原转向旋转，
19、转子将继续沿原转向旋转，如图如图a所示。所示。信号电压消失后信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这种情况。种情况。为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电阻使阻使 ，这时交流伺服电动机的机械特性如图，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。所示。从图从图b b中所示的单相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁中所示的单相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁转矩特性曲线转矩特性曲线 上，上，
20、时的临界转差率时的临界转差率 ，与与 对称。对称。因此电机总的电磁转矩特因此电机总的电磁转矩特 性性 通过零点，通过零点，即无启动转矩；在即无启动转矩；在 时，时，是制动性转矩；是制动性转矩；时，时，也是制动性转矩。在，也是制动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制动性的，电动机转速将被制动到机转速将被制动到显然只要显然只要 ，就能避免自转现象。就能避免自转现象。（3）控制方式与运行特性）控制方式与运行特性 交流伺服电动机运行时
21、，励磁绕组所接电源一般为额定电交流伺服电动机运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能为脉振磁动势。为脉振磁动势。而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那么而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速拖动负载运行的交流伺服电动
22、机的转速n也随之变化。这就是也随之变化。这就是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法：幅值控制、相位控制和幅值幅值控制、相位控制和幅值相位控制。相位控制。1.幅值控制及特性幅值控制及特性 幅值控制接线如图幅值控制接线如图8-118-11所示。励磁绕组所示。励磁绕组f f直接接至交流电源，直接接至交流电源，电压电压U Uf f的大小为额定值。控制绕组所加的电压为的大小为额定值。控制绕组所加的电压为U Uk k，U Uk k
23、在时间上在时间上落后于励磁绕组电压落后于励磁绕组电压U Uf f9090，且保持，且保持9090不变，不变，U Uk k的大小可以的大小可以改变。调节时，改变。调节时，U Uk k的大小可以表示为的大小可以表示为 ，其中，其中,U,UKNKN为为控制绕组额定电压，控制绕组额定电压，又称为有效信号系数。又称为有效信号系数。当有效信号系数当有效信号系数 时，控制电压时，控制电压 ，此时交流，此时交流伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁动势。动势。图图8.11 交流伺服电动机的幅值控制交流伺服电动机的幅值控制 当有效信号系数当有
24、效信号系数 时，控制电压时，控制电压 ，此时交，此时交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆形旋转磁动势。旋转磁动势。当有效信号系数当有效信号系数 时，控制电压时，控制电压 ，励磁绕组磁动，励磁绕组磁动势和控制绕组磁动势大小相等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势和控制绕组磁动势大小相等，气隙合成磁动势为圆形旋转磁动势。势。由此可以获得不同由此可以获得不同 值的机械特性如图值的机械特性如图8.12所示所示 图图8.12 8.
25、12 交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性 采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械采用幅值控制时，交流伺服电动机的调节特性可以通过机械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的直线，从而获得一定转矩下转速与线，从而获得一定转矩下转速与 之间的关系曲线，即调节特之间的关系曲线，即调节特性，如图性，如图8.138.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调节特性。特性。图图8.13 8.13 交流伺服电动机的调节特性交流伺服电动机的调节特性2 2 相位控制相位控制
26、保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，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，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。其原理图如图这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.148.14所示，控制所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，U UK K 的幅值不变，但的幅值不变，但 U UK K 与与 U Uf f 的相位差可以通过调节移相器在的相位差可以通过调节移相器在0 09090之间变化，之间变化，U UK K 与与 U
27、Uf f 的相位差发生变化时，交流伺服的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之电动机的转速就随之发生变化。发生变化。图图8.14 8.14 交流伺服电动机交流伺服电动机的相位控制的相位控制 3 3幅值幅值相位控制及特性相位控制及特性 交流伺服电动机采用幅值交流伺服电动机采用幅值相位控制时的接线如图相位控制时的接线如图8.15所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。图图8.15 交流伺服电动机的幅值交流伺服电动机的幅值相位控制相位控制 交流伺服电动
28、机采用幅值交流伺服电动机采用幅值相位控制机械特性与幅相位控制机械特性与幅值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。第六节第六节 步进电动机步进电动机 一般电动机是连续转动，而步进电动机是一步一步转动一般电动机是连续转动，而步进电动机是一步一步转动的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转的，步进电动机是一种用电脉冲信号控制、将电脉冲信号转换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输换成为角位移或直线位移的电动机。步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就前进一步，因此被称为步进电动机。入一个电脉冲，转子就前进一步，因
29、此被称为步进电动机。常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁常用的步进电动机分三大类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运式步进电动机以及混合式步进电动机。这三类步进电机的运行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步行原理基本相同。下面仅以反应式步进电动机为例，说明步进电动机的基本运行原理。进电动机的基本运行原理。一、步进电动机的原理一、步进电动机的原理 三相六极反应式步进电动机的运行原理如图三相六极反应式步进电动机的运行原理如图8.21所示。从结所示。从结构上看步进电机与开关磁阻电机类似，也是凸极结构。不同构上看步进电机与开关磁阻电机类
30、似，也是凸极结构。不同的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边的是，步进电动机可以是定、转子双边凸极结构或转子单边凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开凸极结构。为了实现小步距角运行，定、转子主极上一般开有若干个齿槽。因此，步进电机输出步距角的精度主要取决有若干个齿槽。因此，步进电机输出步距角的精度主要取决于自身的结构。于自身的结构。图图8.21 反应式步进电动机的运行原理反应式步进电动机的运行原理(a)相通电相通电(b)相通电相通电(c)相通电相通电 从图从图8.21可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁可见，三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个磁极
31、上均装有集中绕组作为控制绕组。当极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组。当A相绕组通相绕组通电时，由于磁力线有力图通过磁阻最小路径的特性，转子在电时，由于磁力线有力图通过磁阻最小路径的特性，转子在磁阻转矩的作用下，磁阻转矩的作用下，l3号齿与定子号齿与定子A相绕组轴线重合，如图相绕组轴线重合，如图8.21（a)所示；当所示；当A相断电而相断电而B相定子绕组通电时，转子按逆相定子绕组通电时，转子按逆时针方向转过时针方向转过30机械角，转子的机械角，转子的24号齿与定子号齿与定子B相绕组轴相绕组轴线重合，如图线重合，如图8.21(b)所示；所示；同样，当同样，当B相断电而相断电而C相定子绕组通电
32、时，转子再转过相定子绕组通电时，转子再转过30机械机械角，角，13号齿与定子号齿与定子C相绕组轴线重合，如图相绕组轴线重合，如图8.21(c)所示。可所示。可见，定子绕组按照见，定子绕组按照A B C A顺序通电，转子一步步沿逆时顺序通电，转子一步步沿逆时针方向旋转。若改变通电顺序，使之按针方向旋转。若改变通电顺序，使之按A C B A顺序通电，顺序通电，则转子将一步步沿顺时针方向旋转。则转子将一步步沿顺时针方向旋转。二、步进电动机的结构二、步进电动机的结构 步进电动机的种类繁多，结构各异。其中，反应式步进电步进电动机的种类繁多，结构各异。其中，反应式步进电动机自身又有单段式和多段式之分。上面
33、介绍的反应式步进电动机自身又有单段式和多段式之分。上面介绍的反应式步进电动机只是单段式结构。下面对除单段反应式步进电动机以外的动机只是单段式结构。下面对除单段反应式步进电动机以外的各类步进电动机的结构与特点分别作简单介绍。各类步进电动机的结构与特点分别作简单介绍。（1）多段反应式步进电动机）多段反应式步进电动机 图图8.22为两段式步进电机结构的示意图。多段反应式步进电动为两段式步进电机结构的示意图。多段反应式步进电动机的每段铁芯沿圆周方向开有数量、形状相同的齿槽，并且各段机的每段铁芯沿圆周方向开有数量、形状相同的齿槽，并且各段定子定子(或转子或转子)铁芯沿圆周方向依次错开铁芯沿圆周方向依次错
34、开 1/m 齿距。齿距。每段绕组组成单独一相，每段绕组组成单独一相，m段组成段组成m相步进电动机。多段反应相步进电动机。多段反应式步进电动机步距角较小，故起动和运行频率较高。其缺点是：式步进电动机步距角较小，故起动和运行频率较高。其缺点是：铁芯错位工艺复杂，精度不易保证，且功率消耗较大，断电时铁芯错位工艺复杂，精度不易保证，且功率消耗较大，断电时无定位转矩。无定位转矩。图图8.22 8.22 两段反应式步进电动机的结构两段反应式步进电动机的结构 （2）永磁式步进电动机）永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子采用永久磁钢，永久磁钢的极数与定永磁式步进电动机的转子采用永久磁钢，永久磁钢的极数与定子
35、每相的极数相同，如图子每相的极数相同，如图8.23给出了永磁式步进电动机的典型结给出了永磁式步进电动机的典型结构。注意：相绕组只画出了一部分。图中，定子采用两相绕组，构。注意：相绕组只画出了一部分。图中，定子采用两相绕组，每相包括两对磁极。转子则采用两对极的星形磁钢。由该图不每相包括两对磁极。转子则采用两对极的星形磁钢。由该图不难看出，当采用二相四拍通电方式，定子绕组按照难看出，当采用二相四拍通电方式，定子绕组按照A B(A)(一一B)A顺序轮流通电时，转子将按顺时针方向旋转，步距角顺序轮流通电时，转子将按顺时针方向旋转，步距角为为45。图图8.23 8.23 永磁式步进电动机的结构示意图永磁
36、式步进电动机的结构示意图 永磁式步进电动机的缺点是：步距角大，起动和运行频率较永磁式步进电动机的缺点是：步距角大，起动和运行频率较低，需要正、负脉冲供电。但这种步进电机消耗的功率小，断低，需要正、负脉冲供电。但这种步进电机消耗的功率小，断电时具有自锁能力。电时具有自锁能力。（3）混合式步进电动机）混合式步进电动机 混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的特点。混合式步进电动机结合了反应式和永磁式步进电动机的特点。其定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子则由环形磁铁其定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子则由环形磁铁和两段铁芯组成。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯和两段铁芯组成
37、。每段铁芯沿外圆周方向开有小齿，两段铁芯上的小齿彼此错开上的小齿彼此错开1/2齿距。齿距。混合式步进电动机的步距角较小，起动和运行频率较高，混合式步进电动机的步距角较小，起动和运行频率较高，消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式消耗的功率也较小，且断电时具有自锁能力，因而兼有反应式和永磁式步进电动机的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制和永磁式步进电动机的优点。缺点是：需正、负脉冲供电，制造复杂。造复杂。三、步进电动机的控制方式三、步进电动机的控制方式 步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距
38、角过的机械角度称为步距角 。（1）三相单三拍运行方式）三相单三拍运行方式 A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式。其中方式。其中“单单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角 。（2）三相双三拍通电方式）三相双三拍通电方式 三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，其通电顺序为其通电顺序为 AB BC CA ABAB BC CA AB，此时转子逆时针
39、运行；若希望，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为转子顺时针运行，则通电顺序变为AC CB BA ACAC CB BA AC。三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即对于三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即对于三相六极步进电动机，步距角仍为三相六极步进电动机，步距角仍为 。三相双三拍通电。三相双三拍通电方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、运行稳定。运行稳定。（3）三相单、双六拍通电方式）三相单、双六拍通电方式 三相单、双六拍通电方式是指：三相绕组中，单相、两相三相单、双六拍通
40、电方式是指：三相绕组中，单相、两相定子绕组轮流通电，其顺序为定子绕组轮流通电，其顺序为A AB B BC C CA A，此，此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为为A AC C CB B BA A。由于六拍为一通电循环周期，因。由于六拍为一通电循环周期，因此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即 。（4）小步距角反应式步进电机通电方式）小步距角反应式步进电机通电方式 为了减小步距角，在步进电动机的定、转子均采用多齿为了减小步距角，在步进电动机的定、转子均采用多齿结构，如图结
41、构，如图8.24所示。三相小步距角步进电动机定子仍采用所示。三相小步距角步进电动机定子仍采用三对磁极，在同一直径的磁极绕组构成一相。所不同的是三对磁极，在同一直径的磁极绕组构成一相。所不同的是定子极靴与转子铁芯上均开有多个小齿槽，而且定、转子定子极靴与转子铁芯上均开有多个小齿槽，而且定、转子的齿宽与槽宽均相等。的齿宽与槽宽均相等。书有误185页 图图8.24 小步距角三相反应式步进电动机小步距角三相反应式步进电动机 反应式步进电动机由于同一直径上的相对磁极为一相，这反应式步进电动机由于同一直径上的相对磁极为一相，这两个磁极上定、转子齿槽相对位置完全相同；并且当某一相两个磁极上定、转子齿槽相对位
42、置完全相同；并且当某一相两个极下定、转子齿槽完全对齐时，要求相邻磁极下定、转两个极下定、转子齿槽完全对齐时，要求相邻磁极下定、转子齿的轴线应错开子齿的轴线应错开1/m个转子齿距个转子齿距t，见图，见图8.25。只有这样，才。只有这样，才能确保经过一个通电周期后，转子转过一个齿距。能确保经过一个通电周期后，转子转过一个齿距。图图8.25 小步距角三相反应式步进电动机展开图小步距角三相反应式步进电动机展开图 满足以上条件的转子齿数为满足以上条件的转子齿数为式中，式中，2p为定子绕组通电时在圆周上形成的磁极个数；为定子绕组通电时在圆周上形成的磁极个数；m为为定子相数；定子相数；K为正整数。反应式步进
43、电动机经过一个通电周为正整数。反应式步进电动机经过一个通电周期后转子转过一个齿距，一个通电周期由期后转子转过一个齿距，一个通电周期由N拍组成，即转过拍组成，即转过一个齿距需要一个齿距需要N拍，则每拍拍，则每拍(或每个电脉冲或每个电脉冲)作用下转子所转作用下转子所转过的角位移即步距角为过的角位移即步距角为 上式表明，步距角上式表明，步距角 与转子齿数和拍数与转子齿数和拍数N N有关。而拍数有关。而拍数N N又与步进又与步进电动机定子绕组的相数和通电方式有关。要想减小电动机定子绕组的相数和通电方式有关。要想减小 ，除了在步，除了在步进电机本体选择时尽量考虑使用定子相数和转子齿数进电机本体选择时尽量
44、考虑使用定子相数和转子齿数 较多的步较多的步进电动机外，也可以通过增加拍数进电动机外，也可以通过增加拍数N N达到减小步距角的目的。达到减小步距角的目的。步进电动机转子转速与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例步进电动机转子转速与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例步关系。若通电脉冲的频率为步关系。若通电脉冲的频率为f(f(拍秒拍秒)，则经过一个通电周期，则经过一个通电周期(即即N N个电脉冲个电脉冲)后转子转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距后转子转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为所用的时间为N/fN/f秒，转子每转过一周所用的时间为秒，转子每转过一周所用的时间为 秒。秒。因此，转子的
45、转速为因此，转子的转速为第七节第七节 测速发电机测速发电机测速发电机是一种检测元件，主要用途有测速发电机是一种检测元件，主要用途有1.1.产生加速或减速的信号产生加速或减速的信号2.2.在计算装置中作计算元件在计算装置中作计算元件3.3.对旋转机械作恒速控制对旋转机械作恒速控制对测速发电机的要求对测速发电机的要求:1.1.输出电压与转速成严格的线性关系输出电压与转速成严格的线性关系;2.2.输出电动势斜率要大输出电动势斜率要大.测测速速发发电电机机是是一一种种测测量量转转速速的的微微型型发发电电机机，它它把把输输入入的的机机械械转转速速变变换换为为电电压压信信号号输输出出，并并要要求求输输出出
46、的的电电压压信信号号与与转转速速成正比：成正比：U2=Cn测速发电机分直流和交流两大类。测速发电机分直流和交流两大类。交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。1.交流异步测速发电机（1）结构及工作原理交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，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。就信号转换而言，交流侧其输出绕组中所感应产生的电动势 E 与转速 n 成正比 E =Cn 这样，异步测速发电机将转速信号变成电压信号，实现测速的目的2.主要误差
47、（1）线性误差 转子杯回路中除变压器电动势Er2外，又出现旋转电动势 End，引起 Ir2 及 I1 的变化，使 U2 Cn 遭到破坏，从而造成线性误差（2）相位误差 输出电压与励磁电压之间的相位误差是励磁绕组以及杯形转子内的漏阻抗压降引起的 所谓相位误差是指在规定的转速范围内输出电压与励磁电压之间的相位的变化量（3）剩余误差 交流异步测速发电机加上励磁电压以后，虽转子停止，往往还会有输出电压，使控制系统的准确度大为降低.其原因一是制作工艺不良，二是导磁材料不均匀以及非线性所致二二.直流测速发电机直流测速发电机1.结构和工作原理 直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，磁极由永久磁铁制成
48、，励磁方式采用他励式直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同(见下图）感应电动势的公式为 Eo pZFon/60a=CeFon（1）p 极对数Z 电枢绕组总导体数a 电枢绕组的并联支路对数在有负载时，输出电压为 U=Eo-IRa=Eo-URa/RL （2）把式 2 代入式 3 可得 U=CdFon/(1+Ra/RL)2.误差 直流测速发电机在无信号输入时，直流测速发电机中不会出现剩余电压，又无相位误差，而线性误差还是存在的，即输出特性不是严格的曲线关系，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：（1）电枢反应 直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通0减小，输出特性斜率 减小越明显，输出特性直线变为曲线。（2）温度的影响如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通 减小，输出电压减小，特性斜率 减小。（3）接触电阻电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻 结束结束