特种电机的介绍-课件

特种电机的介绍特种电机的介绍引引 言言 前前面面介介绍绍的的直直流流电电机机、异异步步电电机机和和同同步步电电机机统统称称为为普普通通电电机机。在在日日常常生生活活和和生生产产实实际际中中还还广广泛泛使使用用着着各各种种特特殊殊结结构构和和特特殊殊用用途途的的电电机机，特特别别是是随随着着新新技技术术的的不不断断发发展展和和新新材材料料的的不不断断涌涌现现，新新型型特特种种电电机机的的研研究究和和应应用用还还处处在在继继续续发发展展之之中中。由由于于特特种种电电机机大大都都用用于于控控制制系系统统，且且功功率率较较小小，所所以以又又称称为为控控制制电电机机或或微微特特电电机机。从从本本质质上上讲讲，特特种种电电机机的的基基本本理理论论和和分分析析方方法法与与普普通通电电机机是是一一致致的的，但但又又有有其其特特殊殊性性。本本章章主主要要介介绍绍目目前前基基本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。第第1313章章 特种电机特种电机213.1 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传输等。途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传输等。第第1313章章 特种电机特种电机313.1.1 基本结构基本结构 第第1313章章 特种电机特种电机余弦余弦输出输出绕组绕组补偿绕组补偿绕组励磁绕组励磁绕组正弦正弦输出输出绕组绕组413.1.2 工作原理工作原理 首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组D1D2施施加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。显然，励磁绕组将显然，励磁绕组将在气隙中产生一个脉振磁场，在气隙中产生一个脉振磁场，这个脉振磁场将在正、余弦输出这个脉振磁场将在正、余弦输出绕组中分别感应出电动势，即绕组中分别感应出电动势，即 第第1313章章 特种电机特种电机（13-1）513.1.3 畸变补偿畸变补偿 当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、余弦函数。余弦函数。第第1313章章 特种电机特种电机直轴直轴分量分量交轴交轴分量分量6 直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要原因应该是交轴分量。原因应该是交轴分量。第第1313章章 特种电机特种电机7大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静继续保持安静继续保持安静8 为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。1）一次侧补偿：）一次侧补偿：在图在图13-2中，如果将定子上的补偿绕组中，如果将定子上的补偿绕组D3D4短路，则绕组短路，则绕组D3D4能消除输出电压的畸变。因为交轴能消除输出电压的畸变。因为交轴磁通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流磁通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流所产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制所产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制作用，可以起到畸变补偿的作用。作用，可以起到畸变补偿的作用。第第1313章章 特种电机特种电机9 2）二次侧补偿：如图）二次侧补偿：如图13-4所示。所示。第第1313章章 特种电机特种电机1013.2 测速发电机测速发电机 测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压信号，信号，例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测，例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测，构成转速负反馈闭环调速系统，构成转速负反馈闭环调速系统，达到改善系统调速性能的目达到改善系统调速性能的目的。的。对测速发电机的基本要求是：对测速发电机的基本要求是：1）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度的要求；的要求；2）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大，）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大，以达到高灵敏度的要求。以达到高灵敏度的要求。测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下面分别加以介绍。面分别加以介绍。第第1313章章 特种电机特种电机1113.2.1 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机有两种：直流测速发电机有两种：一种是电励磁式直流测速发电机，一种是电励磁式直流测速发电机，另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与普另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与普通直流发电机相同。通直流发电机相同。第第1313章章 特种电机特种电机（13-2）为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比较大的负载电阻较大的负载电阻R，并保证转速范围不要太大。并保证转速范围不要太大。对于电励磁式对于电励磁式直流测速发电机，直流测速发电机，可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁通可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁通的影响，减小误差。的影响，减小误差。1213.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 交流测速发电机的定交流测速发电机的定子上嵌有两相绕组，一相子上嵌有两相绕组，一相是励磁绕组，另一相是输是励磁绕组，另一相是输出绕组，它们在空间互差出绕组，它们在空间互差90电角度，电角度，如图如图13-5所所示。交流测速发电机的转示。交流测速发电机的转子有两种结构，一种是笼子有两种结构，一种是笼型转子，型转子，一种是杯型转一种是杯型转子。子。第第1313章章 特种电机特种电机输出绕组输出绕组励磁绕组励磁绕组笼型笼型转子转子1313.3 自整角机自整角机 自自整整角角机机是是用用于于同同步步传传动动系系统统中中的的一一种种特特种种电电机机，它它通通过过电电的的方方式式在在两两个个或或两两个个以以上上无无机机械械联联系系的的转转轴轴之之间间传传递递角角位位移移或或使使之之同同步步旋旋转转。自自整整角角机机有有三三相相和和单单相相之之分分，三三相相自自整整角角机机常常常常用用于于大大功功率率传传动动系系统统中中，也也称称为为“电电轴轴”；单单相相自自整整角角机机则则主主要要用用于于控控制制系系统统中中。这这里里主主要要介介绍绍三三相相自自整整角角机机的的基基本本结结构和工作原理。构和工作原理。第第1313章章 特种电机特种电机1413.3.1 基本结构基本结构 第第1313章章 特种电机特种电机整步绕组整步绕组励磁绕组励磁绕组1513.3.2 工作原理工作原理 第第1313章章 特种电机特种电机（13-3）根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念，根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念，当电磁转矩为正当电磁转矩为正时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，TF和和TJ都是倾向于使都是倾向于使=0。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将沿着旋转磁场的方向转动，直至沿着旋转磁场的方向转动，直至=0。如果发送机的转子不停地。如果发送机的转子不停地旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。1613.3.3 单相自整角机单相自整角机 第第1313章章 特种电机特种电机脉振磁动势脉振磁动势分解分解1713.4 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机的作用是把输入的电压控制信号转换成输出的伺服电动机的作用是把输入的电压控制信号转换成输出的角位移或角速度。在运动控制系统中，伺服电动机是以执行机角位移或角速度。在运动控制系统中，伺服电动机是以执行机构的身份出现的，所以又称为执行电动机。构的身份出现的，所以又称为执行电动机。对伺服电动机的基本要求是：对伺服电动机的基本要求是：1）可控性好，即无电压控制信号时转子不自转，控制信号）可控性好，即无电压控制信号时转子不自转，控制信号一旦出现，电动机马上转动，而控制信号一旦消失，电动机立一旦出现，电动机马上转动，而控制信号一旦消失，电动机立刻停转；刻停转；2）运行稳定，即电动机具有线性的机械特性和调节特性。）运行稳定，即电动机具有线性的机械特性和调节特性。伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，下伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，下面分别加以介绍。面分别加以介绍。第第1313章章 特种电机特种电机1813.4.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机有两种：直流伺服电动机有两种：一种是电励磁式直流伺服电动一种是电励磁式直流伺服电动机，另一种是永磁式直流伺服电动机，其基本结构和工作原理机，另一种是永磁式直流伺服电动机，其基本结构和工作原理与普通直流电动机相同。与普通直流电动机相同。直流伺服电动机主要有两种控制方式，直流伺服电动机主要有两种控制方式，一种是电枢控制，一种是电枢控制，即通过改变电枢电压来实现对转子转速的控制；另一种是磁场即通过改变电枢电压来实现对转子转速的控制；另一种是磁场控制，即通过改变励磁电压来实现对转子转速的控制（对电磁控制，即通过改变励磁电压来实现对转子转速的控制（对电磁式直流伺服电动机而言）。式直流伺服电动机而言）。电枢控制的优点是电动机的机械特性和调节特性的线性度电枢控制的优点是电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，系统响应迅速，所以下面以电枢控制电磁式好，调速范围广，系统响应迅速，所以下面以电枢控制电磁式直流伺服电动机为例，介绍相应的机械特性和调节特性。直流伺服电动机为例，介绍相应的机械特性和调节特性。第第1313章章 特种电机特种电机19 1.机械特性机械特性 同他励直流电动机一样，直流伺服电动机的机械特性是指同他励直流电动机一样，直流伺服电动机的机械特性是指在一定控制电压在一定控制电压Uc下，下，转子转速转子转速n与电磁转矩与电磁转矩Te之间的关系曲之间的关系曲线，即线，即 n=f(Te)。第第1313章章 特种电机特种电机（13-4）20 2.调节特性调节特性 直流伺服电动机的调节特性是指在一定负载转矩直流伺服电动机的调节特性是指在一定负载转矩TL下，转下，转子转速子转速n与控制电压与控制电压Uc之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即 n=f(Uc)。第第1313章章 特种电机特种电机 电枢控制时直流伺服电枢控制时直流伺服电动机的两个主要运行特电动机的两个主要运行特性性机械特性和调节特机械特性和调节特性都是线性的，这是一个性都是线性的，这是一个很可贵的优点。很可贵的优点。2113.4.2 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机的基本结构与交流测速发电机相类似。交流伺服电动机的基本结构与交流测速发电机相类似。第第1313章章 特种电机特种电机输出绕组输出绕组励磁绕组励磁绕组22 转子有两种结构，一种转子有两种结构，一种是笼型转子，与普通异步电是笼型转子，与普通异步电动机笼型转子相比较，主要动机笼型转子相比较，主要是转子导条采用了高电阻系是转子导条采用了高电阻系数的材料，目的是消除自转数的材料，目的是消除自转现象；另一种是杯型转子，现象；另一种是杯型转子，是靠空心杯中所感应的涡流是靠空心杯中所感应的涡流与主磁场相互作用而产生电与主磁场相互作用而产生电磁转矩，磁转矩，优点是转动惯量优点是转动惯量小，但由于气隙较大，需要小，但由于气隙较大，需要提供的励磁电流较大，体积提供的励磁电流较大，体积也较大。也较大。第第1313章章 特种电机特种电机23 1.工作原理与自转问题工作原理与自转问题 交流伺服电动机实际上是两相电机的不对称运行，励磁绕交流伺服电动机实际上是两相电机的不对称运行，励磁绕组和控制绕组分别在气隙中产生单相脉振磁场，两者合成的结组和控制绕组分别在气隙中产生单相脉振磁场，两者合成的结果一般是一椭圆形的旋转磁场，该椭圆形旋转磁场又可以分解果一般是一椭圆形的旋转磁场，该椭圆形旋转磁场又可以分解为正、反向的圆形旋转磁场。一般情况下励磁绕组电压保持不为正、反向的圆形旋转磁场。一般情况下励磁绕组电压保持不变，通过改变控制绕组电压的幅值或相位，就可以改变正向旋变，通过改变控制绕组电压的幅值或相位，就可以改变正向旋转磁场与反向旋转磁场之间的大小关系，以及正向电磁转矩和转磁场与反向旋转磁场之间的大小关系，以及正向电磁转矩和反向电磁转矩之间的比值，从而达到改变合成电磁转矩及转速反向电磁转矩之间的比值，从而达到改变合成电磁转矩及转速的目的。的目的。第第1313章章 特种电机特种电机24 交流伺服电动机的转子电阻往往较大，这是为了保证当控交流伺服电动机的转子电阻往往较大，这是为了保证当控制绕组电压为零时，电动机能立刻停转，如下图所示。制绕组电压为零时，电动机能立刻停转，如下图所示。第第1313章章 特种电机特种电机增大转子电增大转子电阻阻25 2.控制方式与运行特性控制方式与运行特性 交流伺服电动机可以有三种具体的控制方式：交流伺服电动机可以有三种具体的控制方式：1）幅值控制，即仅改变控制电压的幅值；）幅值控制，即仅改变控制电压的幅值；2）相位控制，即仅改变控制电压的相位；）相位控制，即仅改变控制电压的相位；3）幅）幅-相控制，同时改变控制电压的幅值和相位。相控制，同时改变控制电压的幅值和相位。下面以幅值控制的交流伺服电动机为例，简要介绍相应的下面以幅值控制的交流伺服电动机为例，简要介绍相应的机械特性和调节特性。机械特性和调节特性。第第1313章章 特种电机特种电机26机械特性和调节特性：机械特性和调节特性：第第1313章章 特种电机特种电机 有效信号因数有效信号因数 2713.5 磁阻电动机磁阻电动机 磁阻电动机又称为反应式电动机，这种电机的转子本身没磁阻电动机又称为反应式电动机，这种电机的转子本身没有磁性，只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原有磁性，只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原理，依靠转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩，这种理，依靠转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩，这种转矩称为磁阻转矩或反应转矩。磁阻电动机由于结构简单，成转矩称为磁阻转矩或反应转矩。磁阻电动机由于结构简单，成本低廉，获得了较为广泛的应用，目前国内外磁阻电动机有单本低廉，获得了较为广泛的应用，目前国内外磁阻电动机有单相和三相的，功率从几瓦到几百瓦。相和三相的，功率从几瓦到几百瓦。第第1313章章 特种电机特种电机2813.5.1 基本结构基本结构 磁阻电动机属于交流同步电机，其定子与一般交流电机相同，磁阻电动机属于交流同步电机，其定子与一般交流电机相同，而转子结构型式却是多种多样的，只要转子直轴方向与交轴方向而转子结构型式却是多种多样的，只要转子直轴方向与交轴方向的磁阻不相等，根据磁阻最小原理即可产生磁阻转矩。图的磁阻不相等，根据磁阻最小原理即可产生磁阻转矩。图13-15所所示是最常用的两种结构，这种转子与一般异步电动机笼型转子的示是最常用的两种结构，这种转子与一般异步电动机笼型转子的差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，属于单边凸极的结构。差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，属于单边凸极的结构。第第1313章章 特种电机特种电机2913.5.2 工作原理与起动问题工作原理与起动问题 第第1313章章 特种电机特种电机磁磁阻阻最最小小磁磁阻阻最最大大产生磁阻产生磁阻转矩转矩30 与与永永磁磁同同步步电电动动机机一一样样，磁磁阻阻同同步步电电动动机机的的起起动动也也比比较较困困难难，如如图图13-17所所示示。也也需需要要在在转转子子上上另另外外装装设设笼笼型型起起动动绕绕组组，以以达达到到异步起动，同步运行。异步起动，同步运行。第第1313章章 特种电机特种电机3113.6 磁滞电动机磁滞电动机 磁滞电动机的转子是用硬磁滞电动机的转子是用硬磁材料做成的，这种硬磁材料磁材料做成的，这种硬磁材料具有比较宽的磁滞回环，其剩具有比较宽的磁滞回环，其剩磁密度和矫顽力要比软磁材料磁密度和矫顽力要比软磁材料大，如图大，如图13-18所示。磁滞电动所示。磁滞电动机的主要优点是结构简单，运机的主要优点是结构简单，运转可靠，起动转矩大，不需要转可靠，起动转矩大，不需要装任何起动装置就能平稳地牵装任何起动装置就能平稳地牵入同步。入同步。第第1313章章 特种电机特种电机3213.6.1 基本结构基本结构 磁滞电动机也属于交流同步磁滞电动机也属于交流同步电机，其定子与一般交流电机相电机，其定子与一般交流电机相同，而转子也没有励磁源，其结同，而转子也没有励磁源，其结构如图构如图13-19所示。所示。由硬磁材料由硬磁材料冲片叠压而成的转子，其涡流转冲片叠压而成的转子，其涡流转矩小，电动机起动及运行主要依矩小，电动机起动及运行主要依靠磁滞转矩；由整块硬磁材料做靠磁滞转矩；由整块硬磁材料做成的转子，除了磁滞转矩外，还成的转子，除了磁滞转矩外，还有涡流转矩，有涡流转矩，可以增大起动转可以增大起动转矩。矩。第第1313章章 特种电机特种电机3313.6.2 工作原理工作原理 转子磁分子轴线落后于定子旋转磁场轴线一个角度是产生转子磁分子轴线落后于定子旋转磁场轴线一个角度是产生磁滞转矩的根本原因，这个角度通常称为磁滞角。磁滞转矩的根本原因，这个角度通常称为磁滞角。磁滞电动机磁滞电动机最可贵的特性是具有很大的起动转矩，最可贵的特性是具有很大的起动转矩，因而它不要附设任何起因而它不要附设任何起动绕组就能很快自行起动。动绕组就能很快自行起动。第第1313章章 特种电机特种电机3413.7 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，脉冲电压，输出角位移是断续的，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号，即每输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。第第1313章章 特种电机特种电机3513.7.1 基本结构基本结构 1）反应式步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称）反应式步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称为磁阻式步进电动机，如图为磁阻式步进电动机，如图13-21a所示；所示；2）永磁式步进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的）永磁式步进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的电磁转矩工作，如图电磁转矩工作，如图13-21b所示；所示；3）复合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合。）复合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合。第第1313章章 特种电机特种电机3613.7.2 工作原理工作原理 以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图13-23所示，一般说来，若相数为所示，一般说来，若相数为m，则定子极数为，则定子极数为2m，所以定子有，所以定子有六个齿极。定子相对的两个齿极组成一组，每个齿极上都装有六个齿极。定子相对的两个齿极组成一组，每个齿极上都装有集中控制绕组。反应式步进电动机的转子类似于凸极同步电动集中控制绕组。反应式步进电动机的转子类似于凸极同步电动机，这里讨论有四个齿极的情况。机，这里讨论有四个齿极的情况。第第1313章章 特种电机特种电机37 三相步进电动机采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电三相步进电动机采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁起动、转子频繁起动、加速、加速、减速的步进过程中，减速的步进过程中，由于受惯性的影由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用三相双进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用三相双三拍运行方式。三拍运行方式。第第1313章章 特种电机特种电机38 对于图对于图11-23和图和图11-24所示的所示的步进电动机，其步距角都太大，不步进电动机，其步距角都太大，不能满足控制精度的要求。为了减小能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多步距角，可以将定、转子加工成多齿结构，齿结构，如图如图11-25所示。所示。设脉冲设脉冲电源的频率为电源的频率为 f，转子齿数为转子齿数为Zr，转子转过一个齿距需要的脉冲数为转子转过一个齿距需要的脉冲数为N，则每次转过的步距角为，则每次转过的步距角为 因为步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为因为步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为ZrN，所以，所以步进电动机每分钟的转速为步进电动机每分钟的转速为 显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。（13-6）（13-5）第第1313章章 特种电机特种电机39 步进电动机与前面介绍的磁阻电动机均属于变磁阻电动机步进电动机与前面介绍的磁阻电动机均属于变磁阻电动机VRM（variable reluctance motor），都是利用磁路磁阻最小原），都是利用磁路磁阻最小原理来产生电磁转矩，理来产生电磁转矩，所不同的是前者采用转子单边凸极结构，所不同的是前者采用转子单边凸极结构，而步进电动机采用的是定、转子双边凸极的结构。而步进电动机采用的是定、转子双边凸极的结构。事实上，还有一种变磁阻电动机事实上，还有一种变磁阻电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机SRM（switched reluctance motor）在现代运动控制系统中得到）在现代运动控制系统中得到了重要的应用，了重要的应用，它与步进电动机的主要区别在于增加了对转子它与步进电动机的主要区别在于增加了对转子位置信号的检测，位置信号的检测，并根据转子位置决定定子各相励磁绕组的通并根据转子位置决定定子各相励磁绕组的通电时刻，因而属于自控式同步电动机，可以实现较大功率的驱电时刻，因而属于自控式同步电动机，可以实现较大功率的驱动。动。第第1313章章 特种电机特种电机4013.8 直线电动机直线电动机 直线电动机是一种做直线运动的特种电机，与旋转电机相直线电动机是一种做直线运动的特种电机，与旋转电机相比，直线电机主要有以下优点：比，直线电机主要有以下优点：1）由于不需要中间传动机构，整个系统得到简化，精度提）由于不需要中间传动机构，整个系统得到简化，精度提高，振动和噪音减小；高，振动和噪音减小；2）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，电机）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，电机加速和减速的时间短，可实现快速起动和正反向运行；加速和减速的时间短，可实现快速起动和正反向运行；3）普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所）普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所限制，而直线电机运行时，其部件不受离心力的影响，因而它限制，而直线电机运行时，其部件不受离心力的影响，因而它的直线速度可以不受限制；的直线速度可以不受限制；4）由于散热面积大，容易冷却，直线电机可以承受较高的）由于散热面积大，容易冷却，直线电机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高；电磁负荷，容量定额较高；5）由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以）由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿环境甚至水中使用。例如可在潮湿环境甚至水中使用。第第1313章章 特种电机特种电机41 直线电机是由旋转电机演化而来，如图直线电机是由旋转电机演化而来，如图13-26所示。原则上所示。原则上各种型式的旋转电机，各种型式的旋转电机，如直流电动机、异步电动机、同步电动如直流电动机、异步电动机、同步电动机等均可演化成直线电动机。机等均可演化成直线电动机。这里主要以国内外应用较多的直这里主要以国内外应用较多的直线感应电动机为例介绍直线电机的基本结构和工作原理。线感应电动机为例介绍直线电机的基本结构和工作原理。第第1313章章 特种电机特种电机42第第1313章章 特种电机特种电机13.8.1 基本结构基本结构43第第1313章章 特种电机特种电机4413.8.2 工作原理工作原理 当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙磁当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁通密度波是直线移动的，称为行波磁场，如场，这个磁场的磁通密度波是直线移动的，称为行波磁场，如图图13-30所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是相同的，称为同步速度面上的线速度是相同的，称为同步速度式中，式中，f 为电源频率，为电源频率，为极距。为极距。（13-7）第第1313章章 特种电机特种电机45 在行波磁场切割下，次级中的导条将产生感应电动势和电在行波磁场切割下，次级中的导条将产生感应电动势和电流，流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那末次级就沿着行波磁场行进的力。如果初级是固定不动的，那末次级就沿着行波磁场行进的方向作直线运动。若次级移动的速度用方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，则滑差率表示，则滑差率 次级移动速度次级移动速度（13-8）（13-9）即直线感应电动机的速度与电源频率以及电机极距成正比。即直线感应电动机的速度与电源频率以及电机极距成正比。与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电次序，可与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电次序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。在改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。在实际应用中，我们也可将次级固定不动，而让初级运动。实际应用中，我们也可将次级固定不动，而让初级运动。第第1313章章 特种电机特种电机4613.9 超导电动机超导电动机 超超导导电电机机是是指指其其定定子子或或转转子子绕绕组组由由实实用用超超导导电电线线绕绕制制而而成成的的特特种种电电机机。超超导导材材料料在在临临界界温温度度T、临临界界磁磁场场强强度度H 及及临临界界电电流流密密度度值值J 以以内内时时具具有有超超导导性性，其其电电阻阻为为零零，这这使使得得超超导导电电机机绕绕组组的的电电阻阻损损耗耗为为零零，既既解解决决了了电电枢枢绕绕组组发发热热、温温升升等等问问题题，又又使使电电机机效效率率大大为为提提高高。更更重重要要的的是是超超导导线线的的临临界界磁磁场场强强度度H和和临临界界电电流流密密度度J 都都很很高高，使使超超导导电电机机的的气气隙隙磁磁通通密密度度和和绕绕组组的的电电流流密密度度可可比比普普通通电电机机提提高高数数倍倍乃乃至至数数十十倍倍，这这就就大大大大提提高高了了电电机机的的 功功 率率 密密 度度，降降 低低 了了 电电 机机 的的 重重 量量、体体 积积 和和 材材 料料 消消 耗耗。第第1313章章 特种电机特种电机4713.9.1 组成与结构组成与结构第第1313章章 特种电机特种电机4813.9.2 主要设计参数主要设计参数 表表13-1是是1000hp高高温温超超导导同同步步电电动动机机的的主主要要设设计计参参数数，其其中的效率已将制冷系统考虑进去。中的效率已将制冷系统考虑进去。第第1313章章 特种电机特种电机4913.10 超声波电动机超声波电动机 超超声声波波电电动动机机（ultrasonic motor USM）是是20世世纪纪末末发发展展起起来来的的一一种种新新的的微微型型驱驱动动电电机机，它它的的基基本本结结构构及及工工作作原原理理与与传传统统电电机机完完全全不不同同，没没有有绕绕组组和和磁磁路路，不不以以电电磁磁相相互互作作用用来来传传递递能能量量，而而是是基基于于压压电电材材料料的的逆逆压压电电效效应应，利利用用超超声声波波振振动动来来实实现现机机电电能能量量转转换换。超超声声波波电电动动机机结结构构简简单单，体体积积小小，重重量量轻轻，力力矩矩大大，响响应应快快，控控制制精精度度高高，可可以以运运用用于于照照相相机机的的自自动动调调焦焦、门门式式窗窗帘帘的的直直接接驱驱动动、机机器器人人的的关关节节控控制制等等场场合合。超超声声波波电电动动机机是是典典型型的的机机电电一一体体化化产产品品，它它涉涉及及电电机机学学、振振动动学学、摩摩擦擦学学、功功能能材材料料、电电子子技技术术、自自动动控控制制技技术术和和检检测测技技术术等等多多学学科科，目目前仍是国内外研究的重点。前仍是国内外研究的重点。第第1313章章 特种电机特种电机50 超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。下面主要以行波型为例，介绍超声波电动机的基本结构、下面主要以行波型为例，介绍超声波电动机的基本结构、工作原理和控制系统。工作原理和控制系统。第第1313章章 特种电机特种电机5113.10.1 基本结构基本结构 超声波电动机的基本结构如图超声波电动机的基本结构如图13-32所示，主要包括定子、所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。转子、压力弹簧和转轴等部件。第第1313章章 特种电机特种电机5213.10.2 工作原理工作原理 超声波电动机定子上的压电陶瓷环是机能量转换的媒介，超声波电动机定子上的压电陶瓷环是机能量转换的媒介，它的电极配置如图它的电极配置如图13-33所示，其中所示，其中“+”、“-”表示极化方向。表示极化方向。第第1313章章 特种电机特种电机5313.10.3 控制系统控制系统 行波型超声波电动机的控制系统如图行波型超声波电动机的控制系统如图13-34所示，其中逆变所示，其中逆变与升压电路的外部输入为低压直流电，输出为两相交流电，可与升压电路的外部输入为低压直流电，输出为两相交流电，可将其看成是一个逆变器。为了提高电动机的稳定性，可直接利将其看成是一个逆变器。为了提高电动机的稳定性，可直接利用定子压电陶瓷环上的压电陶瓷片用定子压电陶瓷环上的压电陶瓷片S作为传感器（图作为传感器（图13-33）。）。第第1313章章 特种电机特种电机54 超声波电动机的速度控制可通过变压、变频来实现，另外，超声波电动机的速度控制可通过变压、变频来实现，另外，改变定子两相相位差也可对速度进行控制。变频控制可以充分改变定子两相相位差也可对速度进行控制。变频控制可以充分利用超声波电动机的低速大转矩，动态响应快等优点，且有较利用超声波电动机的低速大转矩，动态响应快等优点，且有较高效率，因而成为首选。相位差控制可平滑调速和改变转向，高效率，因而成为首选。相位差控制可平滑调速和改变转向，适用于需要柔顺驱动的系统。适用于需要柔顺驱动的系统。由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦驱动，定、转磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦驱动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，实际度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，实际上超声波电动机的控制是十分复杂的，其控制策略的研究吸引上超声波电动机的控制是十分复杂的，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍处于探索与发展之中。了不少学者，目前仍处于探索与发展之中。第第1313章章 特种电机特种电机55