直流电动机与常用特种电机课件

第一节第一节直流电机直流电机第三节第三节常用特种电动机常用特种电动机第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制本章小结本章小结*第九章第九章直流电动机与常用特种电机直流电动机与常用特种电机 第一节第一节直流电机直流电机一、直流电机的构造一、直流电机的构造二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理三、直流电机的励磁三、直流电机的励磁 一、直流电机的构造一、直流电机的构造直流直流发电机与直流机与直流电动机在理机在理论上是可逆的。上是可逆的。（一）定子（一）定子定定子子由由机机座座、主主磁磁极极、换向向磁磁极极、电刷刷组件件组成成，如如右右图所示。所示。第一节第一节直流电机直流电机 定子的横剖平面定子的横剖平面图如如右右图所示。所示。1机座机座用用铸钢或或铜板板焊成成，用用作作支支撑撑和和保保护整整机机结构构，同同时又又是是电机磁路的一部分，有良好的机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械磁性能和机械强强度。度。第一节第一节直流电机直流电机 2主磁极主磁极由由铁心心和和励励磁磁绕组组成成。铁心心由由极极身身和和极极靴靴两两部部分分组成成，如如下下图所示。所示。励励磁磁绕组绕在在铁心心外外面面，主主磁磁极极的的作作用用是是在在励励磁磁绕组中中通通入入励磁励磁电流流时产生主磁通。生主磁通。第一节第一节直流电机直流电机 3换向磁极向磁极换向向磁磁极极的的作作用用是是为了了改改善善换向向性性能能，减减小小换向向火火花花。换向向磁磁极极与与转子子间气气隙隙较大大，涡流流较小小，可可用用整整块钢制制成成。其其上上的的绕组一般与一般与电枢枢绕组串串联，用横截面，用横截面较大的大的铜导线绕制。制。第一节第一节直流电机直流电机 4电刷刷组件件电刷刷组件件由由电刷刷、刷刷握握、刷刷杆杆、刷刷杆杆座座及及压紧弹簧簧组成成，如如下下图所示。所示。电刷刷内内有有用用细铜丝编织成成的的刷刷辫与与外外电路路导通通，从从而而连接接电枢、枢、电刷及刷及电路，引入或路，引入或导出出电枢枢电流。流。第一节第一节直流电机直流电机（二）电枢（二）电枢电枢枢又又称称转子子，作作用用是是在在励励磁磁磁磁场作作用用下下，产生生感感应电动势和和电磁磁转矩矩，实现电能能与与机机械械能能之之间的的转换。其其结构构如如下下图所示。所示。第一节第一节直流电机直流电机 1电枢枢铁心心电机机磁磁路路的的另另一一部部分分，为减减小小涡流流由由硅硅钢片片叠叠压而而成成。在在电区区外外缘有有嵌嵌放放绕组的的铁心心槽槽，整整个个铁心心固固定定在在转动轴上上，随随轴一起一起转动。2电枢绕组电枢绕组由由绝缘铜导线或或扁扁铜线在在模模具具上上绕制制成成型型后后嵌嵌放放在在转子子铁心心槽槽中中，伸伸出出铁心心槽槽的的端端部部，均均用用非非磁磁性性丝带扎扎紧，每每个个线圈圈的首尾端，均按一定的首尾端，均按一定规律，律，焊接到接到换向片上。向片上。第一节第一节直流电机直流电机 3换向器向器由由若若干干个个楔楔形形铜片片装装成成一一圆柱柱体体，片片与与片片之之间用用云云母母绝缘。结构如构如下下图所示。所示。换向向片片与与转轴之之间又又用用塑塑料料绝缘，固固定定在在转轴的的一一端端，按按照照一一定定规律律与与电枢枢绕组连接接。它它的的作作用用是是变换电枢枢电流流方方向向并并通通过电刷刷将将电枢枢绕组与与电路接通。路接通。第一节第一节直流电机直流电机（三）直流电机的其他部分（三）直流电机的其他部分直直流流电机机的的其其他他部部分分还有有端端盖盖、轴承承、转轴、风扇扇、接接线板、接板、接线盒等。盒等。直直流流电动机机原原理理示示意意图如如右右图所示。所示。二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理第一节第一节直流电机直流电机 1在在图中所示位置中所示位置时电源源正正极极接接 A、负极极接接 B，电枢枢绕组中中电流流流流向向 a b c d，电枢枢受受力朝逆力朝逆时针方向旋方向旋转。第一节第一节直流电机直流电机2电枢枢转过 90 时电源中断，源中断，电枢凭枢凭惯性旋性旋转。3电枢枢转过 180 时电枢枢中中电流流流流向向为 d c b a，电枢受力朝逆枢受力朝逆时针方向旋方向旋转。4反反电动势5电源源电压电枢枢转动后后，其其绕组切切割割励励磁磁磁磁场磁磁感感线产生生与与电枢枢电流流方方向相反的感向相反的感应电动势，其，其值为式中，式中，Ce 电动机机电动势常数。常数。加加在在电枢枢绕组上上的的电压必必须用用于于解解决决两两个个部部分分的的需需要要，即即平平衡平衡反衡平衡反电动势和克服和克服电枢枢绕组的的电阻阻电压。其中其中电枢枢电流流为当当负载增增大大时，电枢枢电流流增增大大，电动机机功功率率增增大大，但但转速速下下降；当降；当负载减小减小时，情况与上述，情况与上述规律相反。律相反。第一节第一节直流电机直流电机（一）并励电机（一）并励电机电机机励励磁磁绕组与与电枢枢绕组并并联，共共用用一一个个直直流流电源源供供电，如如下下图所示。所示。三、直流电机的励磁三、直流电机的励磁为了了保保证电枢枢的的输出出功功率率，电枢枢绕组线径径粗粗、匝匝数数少少、电阻阻小，小，应有足有足够大的工作大的工作电流。流。第一节第一节直流电机直流电机（二）串励电机二）串励电机电机的励磁机的励磁绕组与与电枢枢绕组串串联接于同一接于同一电源，如源，如图所示。所示。为了减小励磁了减小励磁电压，励磁，励磁绕组的的线径粗、匝数少、径粗、匝数少、电阻小。阻小。第一节第一节直流电机直流电机（三）复励电机（三）复励电机电机机主主磁磁极极上上嵌嵌放放两两套套独独立立的的绕组，一一套套与与电枢枢绕组并并联，另一套与，另一套与电枢枢绕组串串联，如，如下下图所示。所示。第一节第一节直流电机直流电机（四）他励电机（四）他励电机以以上上三三种种励励磁磁方方式式的的直直流流电机机作作发电机机时，它它们的的励励磁磁电流都是由自己流都是由自己发出的，所以通称出的，所以通称为自励自励电机机。他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示。这类电机机设备较复复杂，但但它它的的优点点是是：励励磁磁电流流不不受受电枢枢电压影响，而只与励磁影响，而只与励磁电源源电动势和励磁和励磁绕组有关。有关。第一节第一节直流电机直流电机 第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制一、直流一、直流电动机的机的调速控制速控制二、直流二、直流电动机的反机的反转控制控制 并励电动机转速公式并励电动机转速公式一、直流电动机的调速控制一、直流电动机的调速控制 串励电动机转速公式串励电动机转速公式 下面以改变主磁极磁通下面以改变主磁极磁通 调速为例分析其调速方法及原理。调速为例分析其调速方法及原理。第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制 1并励并励电动机的机的变 调速速在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器 RP，如图所示。如图所示。由由第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制可可知知，RP 增增大大时，减减小小，转速速 n 上上升升；RP 减减小小时，增增大大，转速速 n 下降下降。2串励串励电动机机变 调速速在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器，如图所示。在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器，如图所示。第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制转速公式应修改为转速公式应修改为因因此此，RP 增增大大时，增增大大，转速速 n 下下降降；RP 减减小小时，减小，减小，转速速 n 上升。上升。（1）可）可实现无无级平滑平滑调速。速。3根根据据转矩矩公公式式 T=CT Ia 分分析析，在在调速速中中如如保保持持转矩矩 T 不不变，减减小小，电枢枢电流流 Ia 必必然然增增大大。如如果果调速速前前已已达达额定定值，则不不能能用用此此法法调速速。它它只只适适用用于于调高高速速度度以以前前电枢枢电流流未未达达额定定值的情况。的情况。这种种调速方法具有如下特点：速方法具有如下特点：第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制（2）调节器速后，新的器速后，新的转速仍速仍较稳定。定。（3）励磁）励磁电流小，能量流小，能量损耗小。耗小。（4）这种种调速速方方法法的的缺缺点点是是转速速只只能能调到到比比加加调速速变阻阻器器前的前的转速高。速高。让直流电动机反转有两种方法：让直流电动机反转有两种方法：二、直流电动机的反转控制二、直流电动机的反转控制第二节第二节直流电动机的控制直流电动机的控制1保保持持电电枢枢电电流流方方向向不不变变，将将励励磁磁绕绕组组反反接接，改改变变励励磁磁电电流方向；流方向；2保保持持励励磁磁电电流流方方向向不不变变，将将电电枢枢绕绕组组反反接接，从从而而改改变变电电枢电流方向。枢电流方向。一、单相交直流两用串励电动机一、单相交直流两用串励电动机第三节第三节常用特种电机常用特种电机二、伺服二、伺服电动机机三、步进电动机三、步进电动机 一、单相交直流两用串励电动机一、单相交直流两用串励电动机（一）基本结构与工作原理（一）基本结构与工作原理1基本结构基本结构由由定定子子和和电电枢枢两两大大部部分分组组成成，定定子子包包括括外外壳壳、磁磁极极、电电刷刷组件，电枢由转子铁心、绕组、转轴及换向器等组成。组件，电枢由转子铁心、绕组、转轴及换向器等组成。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 原理原理电路如路如图（a）所示。所示。2工作原理工作原理对比比图（b）和和图（c）可可以以看看出出，无无论是是正正向向连接接或或反反向向连接接，电磁磁转矩矩的的方方向向相相同同，所所以以既既可可以以用用于于直直流流又可以用于交流。又可以用于交流。第三节第三节常用特种电机常用特种电机（二）机械特性及其应用（二）机械特性及其应用单单相相交交直直流流两两用用串串励励电电动动机机的机械特性如右图所示。的机械特性如右图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机由由图可可见这种种电动机机的的起起动转矩矩大大、机机械械特特性性软，最最适适用用于于在在电动工工具具中中作作动力力机机。单相相交交直直流流两两用用串串励励电动机机多多数数用用于于交交流流电源源，其其转速速很很高高，在在带负载运运行行时中中速速一一般般保保持持在在 400 1 000 r/min。所以不能直接接所以不能直接接电源空源空载运运转。这种种电动机影响通信机影响通信设备、寿命短、寿命短、结构复构复杂、可靠性差。、可靠性差。将将输输入入信信号号转转换换成成轴轴上上的的角角位位移移或或角角速速度度输输出出。按按使使用用电电源源不不同同分分为为交交流流伺伺服服电电动动机机和和直直流流伺伺服服电电动动机机，下下面面以以交交流流伺伺服电动机为例分析其基本结构、工作原理、机械特性及应用。服电动机为例分析其基本结构、工作原理、机械特性及应用。（一）基本结构（一）基本结构二、伺服电动机二、伺服电动机交交流流伺伺服服电动机机的的结构构与与单相相电容容式式异异步步电动机机相相似似，有有两两相相在在空空间按按 90 电角角度度分分布布的的绕组，分分别为励励磁磁绕组和和控控制制绕组，两两个个绕组分分别由由独独立的立的电源供源供电。如。如图所示。所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 转子结构有笼型和非磁性杯型两种，结构如图所示。转子结构有笼型和非磁性杯型两种，结构如图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 三、步进电动机三、步进电动机（一）基本结构（一）基本结构步步进进电电动动机机通通入入一一个个电电脉脉冲冲信信号号只只转转动动一一个个角角度度。下下面面介介绍反应式旋转运动步进电动机。绍反应式旋转运动步进电动机。单单段段式式反反应应式式旋旋转转运运动动步步进电动机的结构如图所示。进电动机的结构如图所示。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 三相反应式步进电动机原理如图所示。三相反应式步进电动机原理如图所示。（二）工作原理（二）工作原理当当向向 U 相相绕组通通入入电脉脉冲冲时，由由于于磁磁通通总是是沿沿磁磁阻阻最最小小的的路路径径闭合合，于于是是产生生磁磁场力力使使转子子轴线与与 U 相相绕组轴线对齐。如如将将电脉脉冲冲改改通通入入到到 V 相相绕组中中，根根据据同同样的的原原理理，转子子沿沿顺时针方方向向旋旋转 60。如如定定子子绕组按按 UVWU 的的顺序序重重复复通通入入电脉脉冲冲，转子子就就按按顺时针的方向一步一步的方向一步一步转动。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 每每对定定子子磁磁极极上上绕有有一一对控控制制绕组被被称称为一一相相，定定子子磁磁极极数数为相相数数的的两两倍倍。在在定定子子磁磁极极极极面面和和转子子外外缘均均开开有有分分布布均均匀匀的的小小齿，两两者者齿型型和和齿距距相相同同，U 相相磁磁极极的的小小齿子子与与转子子小小齿一一一一对正正，而而 V 相相磁磁极极的的小小齿与与转子子小小齿错开开 1/3 齿距距，W 相相则错开开 2/3 齿距距，这种种结构构称称为槽槽齿结构。构。这种种电动机机制制造造简便便、精精确确度度高高，每每转一一步步对应的的转子子转角小，容量角小，容量获得得较高的起高的起动转矩和运行矩和运行频率。率。第三节第三节常用特种电机常用特种电机 在在工工程程技技术上上，从从一一相相通通电切切换到到另另一一相相通通是是称称为一一拍拍，而而三三相相依依次次通通电的的运运行行方方式式称称为三三相相单三三拍拍运运行行方方式式。在在使使用用中中，还可可 U、V 两两相相同同时通通电，使使转子子轴线转至至 U、V 两两相相之之间的的轴线上上。这类按按 UVVWWU 的的顺序序，两两相相同同时依依次次通通电的的运运行行方方式式称称为三三相相双双三三拍拍运运行行方方式式。此此外外还可可按按 UUVVVWWWU 的的组合方式依次通合方式依次通电，称，称为三相六拍运行方式三相六拍运行方式。采采用用槽槽齿结构构可可使使步步距距角角更更小小，设转子子齿数数为 Z，步步进电动机拍数机拍数为 N，则步距角步距角为第三节第三节常用特种电机常用特种电机 第三节第三节常用特种电机常用特种电机1换向向用用的的铜片片称称为换向向片片。互互相相绝缘的的换向向片片组合合的的总体称体称为换向器。向器。2直流直流电动机定子由主磁极、机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖向磁极、机座和端盖组成。成。3直直流流电动机机转子子由由电枢枢铁心心、电枢枢绕组、换向向器器和和风扇扇等等组成。成。（1）他励）他励电动机的励磁机的励磁电流由另外直流流由另外直流电源供源供给。（2）并并励励电动机机的的电枢枢绕组和和励励磁磁绕组是是并并联关关系系，是是同同一一电源供源供电。（3）串励）串励电动机的机的电枢枢电流就是励磁流就是励磁电流。流。（4）复复励励电动机机分分积复复励励和和差差复复励励之之分分，积复复励励就就是是电动机机既既有有并并励励，又又有有串串励励，并并且且两两个个励励磁磁的的作作用用是是相相互互加加强强的的；差复励是两个励磁的作用相互减少。差复励是两个励磁的作用相互减少。本章小结本章小结1直直流流电动机机在在为了了产生生方方向向始始终如如一一的的电磁磁转矩矩，外外部部电路路中中的的直直流流电流流必必须改改变成成电动机机内内部部的的交交变电流流，这一一过程称程称为电流的流的换向。向。2直流直流电动机的励磁方式有串励、并励、复励和他励。机的励磁方式有串励、并励、复励和他励。3伺伺服服电动机机又又称称执行行电动机机，将将电信信号号转换为轴的的转角角或或转速速，交交流流伺伺服服电动机机不不仅依依赖于于控控制制电压的的有有无无来来确确定定它它的的起起动和和停停转，而而且且还能能够根根据据控控制制电压的的幅幅值大大小小和和极极性性来来决定其决定其转速高低和旋速高低和旋转方向。方向。4步步进电动机机又又称称为脉脉冲冲电动机机，它它能能够将将电脉脉冲冲信信号号变换为转角角或或转速速。步步进电动机机的的转角角与与输入入的的电脉脉冲冲数数成成正正比比，其其转速与速与电脉冲脉冲频率成正比。率成正比。