微特电机 模块课件.ppt

4.2 步进电动机,4.3 测速发电机,4.4 自整角机,4.5 旋转变压器,4.6 感应同步器,4.1 伺服电动机,模块四 微特电机,4.2 步进电动机,4.3 测速发电机,4.4 自整角机,4.5 旋转变压器,4.6 感应同步器,4.1 伺服电动机,电机与拖动,4.1 伺服电动机,伺服电动机 执行电动机。 功能：将电压信号转换成转角或转速信号。 种类：直流伺服电动机、交流伺服电动机。,电机与拖动,伺服电动机的特点,可控性好：控制信号一出现，电机马上转动；控制信号一消失，电机立即停转具有线性的机械特性和调节特性转动惯量小，能快速响应(转子结构：细长、无铁心、空心杯),1. 直流伺服电动机,(1) 基本结构 与普通小型直流电动机相同。 励磁方式：永磁式、电磁式（他励）。 稀土永磁材料：稀土钴、稀土钕铁硼等。,+Ua ,永磁式,+Ua ,+ Uf,电磁式,电机与拖动,(2) 工作原理与普通直流电机无异,施加 Ua,Ia,主磁通： ,Te,n,E,电磁转矩： Te = CT Ia 电动势： E = CE n电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ia,电机与拖动,(3) 控制方式及其特性, 电枢控制式： Uf = UfN ，,Ua = Uc（控制电压）,Uc3Uc2Uc1,机械特性,T3T2T1,控制特性,电机与拖动, 磁场控制式：,Ua = UaN ， Uf = Uc（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应： = CUf = C Uc,电机与拖动,(1) 基本结构 定子：两相对称绕组 转子:笼型结构/空心杯,2. (传统的)交流伺服电动机,电机与拖动,SM,控制绕组,励磁绕组,交流伺服电动机实际上是一种两相异步电动机。,空心杯转子交流伺服电动机的结构示意图,电机与拖动,对称两相绕组在空间上互差90 电角度绕组中对称两相电流在时间上互差90电角度,两相绕组产生的圆形旋转磁动势,fc1分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势,ff1分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势,反向旋转磁动势互相抵消,正向旋转磁动势合成圆形旋转磁动势f1,两相磁动势的合成, 两相绕组通以相位相差 90o 的额定电压 对称两相运行圆形旋转磁场改变转向： uc 反相，即改变两相绕组中电流的相序旋转磁场改变方向转子的转向改变。,(2) 工作原理,SM,控制绕组,励磁绕组,电机与拖动, 当 uc = 0 或 uc 0，但 uc 和 uf 同相位时,电机处在单相状态脉振磁通势 F0 ：,静止时：n = 0，,Te+ = Te，Te = 0，不能起动；,正在运行时：,Te 0，转子继续旋转 单相自转！,普通异步电动机,电机与拖动,如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，当控制信号消失时，电机转速虽会下降，但仍会继续转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。,普通异步电动机,R2,交流伺服电动机,克服自转加大转子电阻， 使sm1，单相运行时: n0, Te0, 两相控制：保持 = 90o 和 Uc = Uf ，同时改变 Uc 和 Uf 的大小（始终为对称运行）。 幅值控制：保持 = 90o 和 Uf = UN，改变 Uc 和 Uf 的大小。 相位控制：保持 Uc = Uf = UN ，改变 的大小。 幅相控制：同时改变 uc 的大小和相位。 交流伺服电动机的功率和频率： 0.1 100 W，50、400Hz 等。,(3) 控制方式,电机与拖动,交流伺服电动机,电机与拖动,交流伺服电动机,电机与拖动,4.2 步进电动机,功能：将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角 脉冲信号的个数； 转速 n 脉冲信号的频率。, 用途：高精度的角度控制。 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子结构不同：永磁式、磁阻式、混合式,1. 基本结构,2. 工作原理,电机与拖动,1. 定子：,一、 结构,2. 转子：,三相磁阻式步进电动机原理图,电机与拖动, 步进电动机的典型结构,电机与拖动,2. 工作原理, 一拍：从一次通电到另一次通电。步距角：每一拍转子转过的角度。,(1) m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行）,(2) m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行）,(3) m 相单-双 m 拍运行（三相双三拍运行）,电机与拖动,(1) m 相单 m 拍运行（三相单三拍运行）,通电顺序： U 相V 相W 相U 相。,(1) U 相通电,(2) V 相通电,(3) W 相通电, 步距角： = 30,电机与拖动,(2) m 相双 m 拍运行（三相双三拍运行）,通电顺序： UV 相VW 相WU 相。,(1) UV 相通电,(2) VW 相通电,(3) WU 相通电, 步距角： = 30,电机与拖动,(3) m 相单-双 2m 拍运行 (三相单-双六拍运行）,通电顺序：UUV VVW W WU U。, = 15,电机与拖动, 步距角：, 转速： 一个 转 (1 / zN ) 圈， 脉冲频率为 f 每秒转 ( f / zN ) 圈。,例如：三相步进电动机 z = 40，则采用单/双三拍时：,采用三相六拍时：,电机与拖动, 步进电动机的参数：,驱动电源,最大静转矩、起动频率、运行频率。 步进电动机的控制方式：,电机与拖动,步进电动机,电机与拖动,步进电动机,电机与拖动,4.3 测速发电机, 功能：将转速信号转换成与之成正比的电压信号。 用途：校正元件、计算元件。 种类：直流测速发电机、交流测速发电机。,1. 直流测速发电机,2. 交流测速发电机,电机与拖动,1. 直流测速发电机,(1) 基本结构：与普通小型直流发电机相同。 励磁方式：电磁式（他励）和永磁式。,电磁式,永磁式,(2) 工作原理 空载时：,U = E = CE n,负载时：,U = E Ra I,电机与拖动,U n,RL RL2 RL1,RL2RL1, 电枢反应采用较大RL 环境温度的变化，引起各 绕组的电阻值变化； 负载变化，引起电刷与换 向器接触电阻的变化。,电机与拖动,2. 交流测速发电机,(1) 基本结构 定子：,定子铁心上有两相对称绕组。 转子：笼型、杯型。,输出绕组,励磁绕组,(2) 工作原理,正弦交流 uf if d d =dm sint 转子静止时：励磁绕组:一次绕组转子绕组:二次绕组,电机与拖动,忽略励磁绕组的漏阻抗，则：,输出绕组： 与d 无交链，不会产生 E0。,即：n = 0 时，U0 = 0 。,电机与拖动, 转子旋转时：,d,交变感应,旋转切割, ,q,eq = C1d n = C1 n dm sintq = C2 eq = C1 C2 n dm sint = qm sintC1、C2 电机常数。,电机与拖动,输出绕组：,输出空载电压：, 结论： U0 n ； u0 与 uf 同频率、同相位。,电机与拖动,4.4 自整角机, 功能：,对角位移或角速度的偏差进行自动整步。, 同步联接系统： 无机械联接的两个系统同步转动。 种类：, 按作用的不同：力矩式、控制式； 按相数的不同：单相、三相。 结构：,定子、转子。单相：定子为三相绕组、转子为单相绕组；三相：定子、转子均为三相绕组。,电机与拖动,自整角机的结构示意图,1. 力矩式自整角机,2. 控制式自整角机,电机与拖动,1. 力矩式自整角机,a 发送机,b 接收机,(1) 转子处在协调位置时 纵向脉振,Te = 0，转子静止。,定 同子 步绕组,电机与拖动,(2) 转子处在非协调位置时,T 0，,电机与拖动,接收机转子旋转 角。,从新达到协调位置，使,Te= 0。,电机与拖动,2. 控制式自整角机,(1) 转子处在协调位置时 ,产生纵向脉振磁场,与输出绕组不交链, U0 = 0。,电机与拖动,(2) 转子处在非协调位置时, 与输出绕组交链,产生 E0sin。,即 U0sin 。,电机与拖动,(a) 励磁绕组在垂直位置时 (b) 励磁绕组转过 角时自整角机中的脉振磁场,电机与拖动,4.5 旋转变压器,功能：将转子转角变换成与之有函数关系的电压 信号。结构：相当于一台两相绕线型异步电动机。 定、转子铁心上都有两个结构相同而互相 垂直的绕组。种类：计算用和数据传输用旋转变压器。,1. 正余弦旋转变压器,2. 线性旋转变压器,3. 比例式旋转变压器,4. 数据传输用旋转变压器,电机与拖动,1. 正余弦旋转变压器, 将转子转角变换成与之成正 余弦函数关系的电压信号。, 定子： D1D2 ：励磁绕组； D3D4 ：补偿绕组。 转子： Z1Z2 ：余弦输出绕组； Z3Z4 ：正弦输出绕组。,基准位置（初始位置）,电机与拖动,(1) 空载运行,转子处在基准位置时,Uf ID12 FDd d 转子处在基准位置时： 在 D1D2中：d ED 在 Z1Z2中：d EZ 在 Z3Z4中：没有感应。 ED = 4.44 f kw1 N1dm EZ = 4.44 f kw2 N2dm,电机与拖动, 转子偏离基准位置 角时：,转子偏离基准位置 角,Z12 =d cos Z34 =d sin EZ12 = EZ cos = kED cos = kUf cos EZ34 = EZ sin = kED sin = kUf sin空载输出电压： Ucos = kUf cos Usin = kUf sin,电机与拖动, 设 Z1Z2 接负载：,(2) 负载运行,EZ12IZ12FZ12,FZd (纵向)FZq (横向),FZd = FZ12 cosFZq = FZ12 sin,电机与拖动, 补偿方式, 定子边补偿 转子边补偿 定转子边同时补偿,将定子绕组 D3D4 短路。,将 Z3Z4 接 ZC 。,若 ZC = ZL，Zq = 0。,电机与拖动,4.6 感应同步器, 功能：将转角或直线位移转换成电压信号。 分类：圆盘式、直线式。,1. 圆盘式感应同步器,2. 直线式感应同步器,电机与拖动,1. 圆盘式感应同步器,转子,定子, 工作方式：转子方励磁、定子方励磁。 典型应用：转台的角度数字显示和精确定位。,电机与拖动,2. 直线式感应同步器,滑尺 定尺 , 工作状态：鉴相式、鉴幅式。 典型应用：用于有平移运动的车床， 测量刀架位移。,电机与拖动,1 同步电机的基本结构及类型2 永磁式同步电机3 反应式同步电机4 磁滞式同步电机5 电磁减速式同步电动机,小功率同步电机,概 述,小功率同步电机,同步电机是一种交流电机，其转子的转速和电网频率 f 之间有不变的关系：,电网频率f一定，电机的转速恒为常数，与负载大小无关。,称为同步转速,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,电力工业,概 述,小功率同步电机,同步电机是一种交流电机，其转子的转速和电网频率 f 之间有不变的关系：,电网频率f一定，电机的转速恒为常数，与负载大小无关。,称为同步转速,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,小功率同步电机,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,食品机械、包装机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械等,小功率同步电机,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,精密加工机械,小功率同步电机,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,小功率同步电机,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,小功率同步电机,同步电机的应用形式：1）发电机运行2）电动机运行3）补偿机运行,主要特点：运行稳定性高、过载能力大，运行效率高。常用于多机同步传动系统、精密调速、稳速系统和恒定转速大功率设备等。,小功率同步电机,小功率同步电机,主要应用：多机同步传动系统精密调速、稳速系统,1同步电机的基本结构及类型,小功率同步电机,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,三相交流绕组；两相交流绕组；单相罩极绕组；,作用：产生旋转磁场；原理：各相绕组的磁场，在空间和时间相位上有相位差，其来合成磁场为旋转磁场；,单相罩极绕组,1同步电机的基本结构及类型,两相-单绕组-2磁极,1.定子的结构类型,1）两相或三相定子磁极,定子相数：j1-2、k1-2 两相；单相组数：1组磁极对数：p=1;,单磁极对,旋转磁场：,1同步电机的基本结构及类型,三相-单绕组-2磁极,1.定子的结构类型,定子相数：A，B，C 三相；单相组数：1组磁极对数：p=1;,旋转磁场：,1）两相或三相定子磁极,1同步电机的基本结构及类型,两相-双绕组-4磁极,1.定子的结构类型,定子相数：j1-2、k1-2 两相；两相组数：2组磁极对数：p=2;,1）两相或三相定子磁极,1同步电机的基本结构及类型,两相-双绕组-4磁极,1.定子的结构类型,定子相数：j1-2、k1-2 两相；两相组数：2组磁极对数：p=2;,1）两相或三相定子磁极,1同步电机的基本结构及类型,两相-双绕组-4磁极,1.定子的结构类型,定子相数：j1-2、k1-2 两相；两相组数：2组磁极对数：p=2;,1）两相或三相定子磁极,单相电流：多绕组多磁极,1同步电机的基本结构及类型,两相-双绕组-4磁极,1.定子的结构类型,定子相数：j1-2、k1-2 两相；两相组数：2组磁极对数：p=2;,1）两相或三相定子磁极,单相电流：多绕组多磁极,1同步电机的基本结构及类型,两相-双绕组-4磁极,1.定子的结构类型,定子相数：j1-2、k1-2 两相；两相组数：2组磁极对数：p=2;,旋转磁场：,1）两相或三相定子磁极,有空间和时间相位差的两个脉振磁场的合成为旋转磁场,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,2）单相罩极定子磁极,励磁电流： iA-单相,磁极结构：单相罩极A励磁线圈B罩极线圈（短路环）,1，2空间相位差：,1，2时间相位差：,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,2）单相罩极定子磁极,磁极结构：单相罩极A励磁线圈B罩极线圈（短路环）,原理,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,2）单相罩极定子磁极,磁极结构：单相罩极A励磁线圈B罩极线圈（短路环）,1，2空间相位差：,1，2时间相位差：,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,2）单相罩极定子磁极,励磁电流：iA-单相,磁极结构：单相罩极A励磁线圈B罩极线圈（短路环）,1与2的合成磁场：旋转磁场,单相2绕组：p=14绕组：p=2,1同步电机的基本结构及类型,1.定子的结构类型,2）单相罩极定子磁极,单相罩极,1同步电机的基本结构及类型,转速：n=60f/p r/min,作用：产生电磁力矩，使电机转动。,2.转子的结构类型,大功率同步电机：直流励磁转子（分凸极和隐极）,1同步电机的基本结构及类型,小功率同步电机：永磁式永磁；反应式软磁；磁滞式硬磁；,2.转子的结构类型,转速：n=60f/p r/min,作用：产生电磁力矩，使电机转动。,2 永磁式同步电机,1.基本结构,材质：由永久磁钢制成；结构：有两极或多极。,1）定子结构,三相交流绕组；两相交流绕组；单相罩极绕组；,2）转子结构,2 永磁式同步电机,两个异性磁极（N极与S极）间的磁吸力，产生旋转力矩,2.基本原理,运行原理：定子电流I旋转磁场转子磁极Tns；,2 永磁式同步电机,两个异性磁极（N极与S极）间的磁吸力，产生旋转力矩,2.基本原理,同步运行条件：负载力矩Tm，否则产生“失步”；,2 永磁式同步电机,3.起动问题,1）起动困难的原因,转子的惯性；起动时的转差率；,2）解决办法在转子上装起动鼠笼绕组，异步起动；降频起动；,2 永磁式同步电机,3.起动问题,1）起动困难的原因,转子的惯性；起动时的转差率；,2）解决办法在转子上装起动鼠笼绕组，异步起动；降频起动；,主要特点：输出力矩大，体积小，耗电少，结构简单，可靠。,3 反应式同步电机,1.基本结构,材质：软磁材料结构：制成凸极形状,1）定子结构,三相交流绕组；两相交流绕组；单相罩极绕组；,2）转子结构,反应式同步电机-也称为磁阻电机，其工作原理与永磁式不同，主要是转子结构和材质不同。,减小磁阻,使正交两个方向，气隙磁阻不同,3 反应式同步电机,2.基本原理,利用磁通的磁收缩力，产生转矩（称反应力矩）使电机运转。,凸极转子,3 反应式同步电机,2.基本原理,利用磁通的磁收缩力，产生转矩（称反应力矩）使电机运转。,圆形转子,同步运行条件：负载力矩Tm，否则产生“失步”；,3 反应式同步电机,3.起动问题,1）起动困难的原因,转子的惯性；起动时的转差率；,2）解决办法在转子上装起动鼠笼绕组，异步起动；降频起动；,3 反应式同步电机,解决办法： 在转子上装鼠笼绕组；,4.振荡问题,产生振荡的原因：磁收缩力具有弹簧力特性；转子惯性；,鼠笼绕组的作用：提高起动能力减弱振荡现象,4 磁滞式同步电机,1.基本结构,材 质：采用硬磁材料；结 构：为圆形无凸极；,1）定子结构,三相交流绕组；两相交流绕组；单相罩极绕组；,2）转子结构,4 磁滞式同步电机,2.基本原理,1）同步状态在阻力小于最大同步力矩时，转子受磁滞力矩Tz的作用运转。2）异步状态转子受磁滞力矩Tz和涡流力矩TB的作用。,定子磁通转子磁化(N,S), (N,S) F Tzn,4 磁滞式同步电机,2.基本原理,1）同步状态在阻力小于最大同步力矩时，转子受磁滞力矩Tz的作用运转。2）异步状态转子受磁滞力矩Tz和涡流力矩TB的作用。,定子磁通转子磁化(N,S), (N,S) F Tzn,4 磁滞式同步电机,3.主要特点,具有自起动能力；结构简单、工作可靠、性能稳定转子为圆形结构，适合高速运转的控制设备。,主要缺点：异步（低速）运行时，效率较低。主要原因：a.有涡流损耗；b.转子被交变磁化，硬磁材料会产生很大的磁滞损耗；,5 电磁减速式同步电动机,电磁减速式同步电动机低速电动机,同步速度：,电网频率：f =50Hz磁极对数：p = 2、4、6、8（通常小于10）电机的转速：n = ns= 3003000 rpm；,一般类型同步电机,5 电磁减速式同步电动机,1）结构特点 定、转子铁心都做成开口槽； 定子槽中放有两相或三相绕组，转子没有绕组；,1.反应式电磁减速同步电动机,2）工作原理,假设条件电机极对数：p=1；定子齿数 ZS= 16，转子齿数 ZR=18；定子的齿距角：S=2/ Zs；定子的齿距角：R=2/ ZR；两者的齿角差：= SR；,5 电磁减速式同步电动机,1.反应式电磁减速同步电动机,5 电磁减速式同步电动机,当磁极位于定子(1,9)齿轴线A: 在磁通反应力矩作用下: 转子(1,10)齿与定子(1,9)齿对齐;,当磁场转过齿距S到B位置时：,2）工作原理,1.反应式电磁减速同步电动机,在磁通反应力矩作用下:转子(2,11)齿定子 (2,10)齿相对齐；,转子转过一个角度 = SR,5 电磁减速式同步电动机,磁场转过一个定子齿距角时：,转子转过一个齿角差：,2）工作原理,1.反应式电磁减速同步电动机,5 电磁减速式同步电动机,3）电机的电磁减速比,1.反应式电磁减速同步电动机,4）电机的转子转速,5 电磁减速式同步电动机,5）定、转子齿数的设计条件,1.反应式电磁减速同步电动机,电磁减速比,转子转速,5 电磁减速式同步电动机,结论：为了实现减速，必须使ZRZs=2p；电源频率f一定时，电机转速随着转子齿数ZR增多而减低。,1.反应式电磁减速同步电动机,当p=1，两极电机,转子转速,5 电磁减速式同步电动机,（1）永久磁钢励磁；（2）直流电励磁；,2.励磁式电磁减速同步电动机,1）转子励磁方式,5 电磁减速式同步电动机,2.励磁式电磁减速同步电动机,（1）永久磁钢励磁,A-A,N,B-B,S,1）转子励磁方式,5 电磁减速式同步电动机,（2）直流电励磁,2.励磁式电磁减速同步电动机,1）转子励磁方式,5 电磁减速式同步电动机,图9-23,2.励磁式电磁减速同步电动机,2）结构特点,5 电磁减速式同步电动机,定子结构与反应式一样；转子中间为环形永久磁钢，产生轴向磁化磁场；作用：使转子两端产生单磁性磁极，便于加工齿槽； 在AA截面，转子齿都显示出N极性； 在BB截面，转子齿都显示出S极性。为实现电磁减速，磁钢两端各装一段有开口槽的转子铁心；A-A、B-B两段转子铁心径向互相错开半个转子齿距；,图9-23,2.励磁式电磁减速同步电动机,2）结构特点,5 电磁减速式同步电动机,若定子磁极对数 p=2； 在某一瞬间，定子4个磁极处在定子齿1、5、9、13的位置；定、转子磁场同极性相斥，异极性相吸,AA截面:,S极轴线：定子齿(1,9)与转子齿(1,10)对齐 N极轴线：定子齿与转子槽中心对齐,2.励磁式电磁减速同步电动机,3）工作原理,5 电磁减速式同步电动机,若定子磁极对数 p=2； 在某一瞬间，定子4个磁极处在定子齿1、5、9、13的位置；定、转子磁场同极性相斥，异极性相吸,AA截面:,定子磁场转过一个齿：,2.励磁式电磁减速同步电动机,3）工作原理,转子转过一个齿差：,5 电磁减速式同步电动机,3）电磁减速比系数,4）定、转子齿数的设计条件,2.励磁式电磁减速同步电动机,（同极性相斥，异极性相吸）,5 电磁减速式同步电动机,5）转子转速,在同样转子齿数条件下：励磁式转速比反应式转速缩小一半。,2.励磁式电磁减速同步电动机,