直流电机的结构课件

第第9 9章章 电机电机9.1 9.1 直流电机直流电机9.2 9.2 交流电机交流电机9.3 9.3 控制电机控制电机9.4 9.4 技能训练技能训练第9章 电机19.1 9.1 直流电机直流电机 定义输出或输入为直流电能的旋转电机称为直流电机，它能定义输出或输入为直流电能的旋转电机称为直流电机，它能实现直流电能和机械能互相转换。直流电机可分为直流电动机和直实现直流电能和机械能互相转换。直流电机可分为直流电动机和直流发电机，直流发电机将机械能转换为电能，而直流电动机将电能流发电机，直流发电机将机械能转换为电能，而直流电动机将电能转换为机械能。转换为机械能。本节主要介绍直流电机的结构和分类，对其原理不作介绍。本节主要介绍直流电机的结构和分类，对其原理不作介绍。1 1、直流电机的结构、直流电机的结构 剖面图 正面图 9.1 直流电机 定义输出或输入为直流电能的旋转电机称2（1）定子）定子 主磁极：其作用是用来产生主磁场。主磁极：其作用是用来产生主磁场。换向极：其作用是用来改善电枢电流的换向性能，使电机运行换向极：其作用是用来改善电枢电流的换向性能，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。时电刷下不产生有害的火花。机座：机座分磁轭和底脚两部分。磁轭的作用是用来固定主磁机座：机座分磁轭和底脚两部分。磁轭的作用是用来固定主磁极和换向极，同时作为直流电机磁路的一部分。底脚的作用是将整极和换向极，同时作为直流电机磁路的一部分。底脚的作用是将整个直流电机固定在地基上。个直流电机固定在地基上。端盖：端盖上有轴承，转子在轴承中旋转，端盖固定在机座的端盖：端盖上有轴承，转子在轴承中旋转，端盖固定在机座的两端，使直流电机组成一个整体。两端，使直流电机组成一个整体。电刷装置：用来引入或引出直流电压和直流电流。电刷装置：用来引入或引出直流电压和直流电流。（1）定子 主磁极：其作用是用来产生主磁场。3（2）转子）转子 电枢铁心：是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。电枢铁心：是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。电枢绕组：作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进电枢绕组：作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件。行能量变换的关键部件。换向器：又称为整流子，对直流电动机而言，换向器配以电刷，换向器：又称为整流子，对直流电动机而言，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢绕组中的交变电流，使电磁转矩的方能将外加直流电源转换为电枢绕组中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。对直流发电机而言，换向器配以电刷，能将电枢绕组向恒定不变。对直流发电机而言，换向器配以电刷，能将电枢绕组中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。（2）转子 电枢铁心：是主磁路的主要部分，同时用以嵌4 直流电机种类很多，分类方法也各不相同。按结构主要分为直直流电机种类很多，分类方法也各不相同。按结构主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。但通常是按励磁方式来分类，因为励磁方式不同，其特性也电机。但通常是按励磁方式来分类，因为励磁方式不同，其特性也不同。不同。（1 1）他励直流电机）他励直流电机 （2 2）并励直流电机）并励直流电机 （3 3）串励直流电机）串励直流电机 （4 4）复励直流电机）复励直流电机 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。励磁方式是他励式、并励式和和复励式。2、直流电机的分类、直流电机的分类 直流电机种类很多，分类方法也各不相同。按结构主要分为59.2 9.2 交流电机交流电机 用于实现机械能和交流电能相互转换的机械称为交流电机。用于实现机械能和交流电能相互转换的机械称为交流电机。交流电机按功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相交流电机按功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类，按品种分为同步电机、异步电机两大类。无论哪一种交机几大类，按品种分为同步电机、异步电机两大类。无论哪一种交流电机都既可做发电机运行，也可做电动机运行。流电机都既可做发电机运行，也可做电动机运行。同步电机具有效率高、过载能力强等优点，但制造工艺复杂、同步电机具有效率高、过载能力强等优点，但制造工艺复杂、启动困难、运行维护复杂，所以多用于特殊场合，比如用做发电机启动困难、运行维护复杂，所以多用于特殊场合，比如用做发电机或拖动大负载等。异步电机具有构造简单、价格便宜、工作可靠、或拖动大负载等。异步电机具有构造简单、价格便宜、工作可靠、坚固耐用、使用和维护方便等优点，因此得到了广泛的应用。坚固耐用、使用和维护方便等优点，因此得到了广泛的应用。本节主要介绍三相异步电动机的结构、技术数据及选择，对其本节主要介绍三相异步电动机的结构、技术数据及选择，对其工作原理不做介绍。工作原理不做介绍。9.2 交流电机 用于实现机械能和交流电能相互转换的机械称61 1、三相异步电动机的结构、三相异步电动机的结构 1-1-定子；定子；2-2-转子；转子；3-3-风扇；风扇；4-4-罩壳；罩壳；5-5-接线盒；接线盒；6-6-端盖端盖 1、三相异步电动机的结构 1-定子；2-转子；3-风扇；4-7 定子是由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子是由定子铁心、定子绕组和机座组成。机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组。机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组。定子铁心由厚度为定子铁心由厚度为0.350.5mm的相互绝缘的硅钢片叠加而成，的相互绝缘的硅钢片叠加而成，以减小损耗。硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放对称的以减小损耗。硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放对称的三相绕组，对称的三相定子绕组三相绕组，对称的三相定子绕组U1U2、V1V2、WlW2按一定按一定规律嵌放在槽中。六个引线再引到机座外侧的接线盒上，就可以根规律嵌放在槽中。六个引线再引到机座外侧的接线盒上，就可以根据三相电源电压的不同，方便的接成星形或三角形。据三相电源电压的不同，方便的接成星形或三角形。（1 1）定子）定子 三角形接法三角形接法 星形接法星形接法 定子是由定子铁心、定子绕组和机座组成。（1）8（2 2）转子）转子 转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是由厚度为转子铁心也是由厚度为0.350.5mm0.350.5mm的相互绝缘的硅钢片叠加而的相互绝缘的硅钢片叠加而成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子绕组，铁心成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子绕组，铁心装在转轴上，轴上加机械负载。装在转轴上，轴上加机械负载。根据构造上的不同，转子可分为两种形式：鼠笼式转子和绕线根据构造上的不同，转子可分为两种形式：鼠笼式转子和绕线式转子。式转子。鼠笼式转子的绕组做成鼠笼状，就是指转子铁心的槽中放铜条，鼠笼式转子的绕组做成鼠笼状，就是指转子铁心的槽中放铜条，其两端用端环连接。或者在槽中浇铸铝液，铸成一鼠笼，这样便可其两端用端环连接。或者在槽中浇铸铝液，铸成一鼠笼，这样便可以用相对便宜的铝代替铜，同时制造也快。以用相对便宜的铝代替铜，同时制造也快。鼠笼绕组鼠笼绕组 铸铝转子铸铝转子（2）转子 转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。鼠笼绕9 绕线式转子的绕组与定子绕组一样，也是三相的，一般接成星绕线式转子的绕组与定子绕组一样，也是三相的，一般接成星形联结。每相的始端连接在三个铜制的相互绝缘的滑环上，滑环固形联结。每相的始端连接在三个铜制的相互绝缘的滑环上，滑环固定在转轴上。滑环上用弹簧压着碳质电刷，起动电阻和调速电阻借定在转轴上。滑环上用弹簧压着碳质电刷，起动电阻和调速电阻借助于电刷与滑环和转子绕组相连接。助于电刷与滑环和转子绕组相连接。绕线式转子绕线式转子 绕线式转子的绕组与定子绕组一样，也是三相的，一般接成星形102 2、三相异步电动机的技术数据、三相异步电动机的技术数据 每台电动机的机座上都装有一块铭牌，铭牌上标注着该电动机每台电动机的机座上都装有一块铭牌，铭牌上标注着该电动机的主要性能和技术数据，它是选择电动机的主要依据。以的主要性能和技术数据，它是选择电动机的主要依据。以Y132M-4Y132M-4型电动机为例，其铭牌数据包括型号、功率、频率、电压、电流、型电动机为例，其铭牌数据包括型号、功率、频率、电压、电流、接法、转速、绝缘等级、工作方式、功率因数、效率和重量等。接法、转速、绝缘等级、工作方式、功率因数、效率和重量等。机座长度代号：机座长度代号：S-短机座，短机座，M-中机座，中机座，L-长机座。长机座。（1 1）型号）型号 2、三相异步电动机的技术数据 每台电动机的机座上都装有一11异步电动机的代号及其用途异步电动机的代号及其用途 异步电动机的代号及其用途 12（2 2）电压）电压 铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%5%。若所加电压较额定电压高出许多，将使励磁电流大大增加，从若所加电压较额定电压高出许多，将使励磁电流大大增加，从而使定子铁心过热。若所加电压低于额定电压时，会引起转速下降，而使定子铁心过热。若所加电压低于额定电压时，会引起转速下降，电流增加。如果在满载或接近满载的情况下，电流的增加将超过额电流增加。如果在满载或接近满载的情况下，电流的增加将超过额定值，使绕组过热。定值，使绕组过热。三相异步电动机的额定电压有三相异步电动机的额定电压有380V380V、3000V3000V及及6000V6000V等多种。等多种。铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。流值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。都随着相应增大。（3 3）电流）电流 （2）电压 铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子13（4 4）功率和效率）功率和效率 铭牌上所牌上所标的功率的功率值是指是指电动机在机在规定的定的环境温度下，在境温度下，在额定定运行运行时电极极轴上上输出的机械功率出的机械功率值。电动机从机从电源取用的功率称源取用的功率称为输入功率入功率 ，效率，效率 是输出功率是输出功率 与输入功率与输入功率 的比值，的比值，即即 。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等，故效率包括铜损、铁损及机械损耗等，故效率 。一般鼠笼式电动机。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为在额定运行时的效率约为72%93%。以以Y132M-4型电动机为例：型电动机为例：输入功率输入功率 输出功率输出功率 效率效率（4）功率和效率 铭牌上所标的功率值是指电动14（5 5）功率因数）功率因数 因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个 角，角，cos 就是电动机的功率因数。就是电动机的功率因数。三相异步电动机的功率因数较低，三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为在额定负载时约为0.70.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.20.3。选择电动机时应注意其容量，防止选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车大马拉小车”，并力求缩，并力求缩短空载时间。短空载时间。（6 6）转速）转速 由于生产机械对转速的要求不同，故需要生产不同磁极数的异由于生产机械对转速的要求不同，故需要生产不同磁极数的异步电动机，因此有不同的转速等级。转速即电动机额定运行时的转步电动机，因此有不同的转速等级。转速即电动机额定运行时的转子转速，单位为转子转速，单位为转/分，最常用的是四个级的（分，最常用的是四个级的（n0=1500r/min）。）。（5）功率因数 因为电动机是电感性负载，定子相15（7 7）绝缘等级）绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的，所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容温度来分级的，所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。许温度。（8 8）工作方式）工作方式 异步电动机的工作方式分八类，用字母异步电动机的工作方式分八类，用字母S1S8表示：表示：S1表示连续工作方式，允许在额定情况下连续长期运行，如水表示连续工作方式，允许在额定情况下连续长期运行，如水泵、通风机、机床等设备所用的异步电动机。泵、通风机、机床等设备所用的异步电动机。S2表示短时工作方式，是指电动机工作时间短而停车时间长的表示短时工作方式，是指电动机工作时间短而停车时间长的工作方式，如水坝闸门的启闭，机床中尾架、横梁的移动和夹紧等。工作方式，如水坝闸门的启闭，机床中尾架、横梁的移动和夹紧等。S3表示断线周期性工作方式，其周期由一个额定负载时间和一表示断线周期性工作方式，其周期由一个额定负载时间和一个停止时间组成，如吊车、起重机等。个停止时间组成，如吊车、起重机等。（7）绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料169.3 9.3 控制电机控制电机 在各种自动控制系统和计算装置中，广泛使用许多具有特殊功在各种自动控制系统和计算装置中，广泛使用许多具有特殊功能的小容量电价作为执行、监测和解算元件，这类电机统称为控制能的小容量电价作为执行、监测和解算元件，这类电机统称为控制电机，其主要功能是转换和传递信号。电机，其主要功能是转换和传递信号。根据在自动控制系统中的作用，控制电机基本上可划分为信号根据在自动控制系统中的作用，控制电机基本上可划分为信号元件和功率元件两大类。但凡用来转换信号的都称为信号元件，比元件和功率元件两大类。但凡用来转换信号的都称为信号元件，比如直流测速发电机、交流测速发电机、自整角电机和旋转变压器等；如直流测速发电机、交流测速发电机、自整角电机和旋转变压器等；但凡把信号转换成输出功率或把电能转换成机械能的都称为功率元但凡把信号转换成输出功率或把电能转换成机械能的都称为功率元件，比如直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机（简称步件，比如直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机（简称步进电机）、低速同步电动机等。进电机）、低速同步电动机等。由于控制电机在自动控制系统中的重要作用，所以除了要求控由于控制电机在自动控制系统中的重要作用，所以除了要求控制电机体积小、重量轻、耗电少外，还必须具有高可靠性、高精度、制电机体积小、重量轻、耗电少外，还必须具有高可靠性、高精度、快速响应等特点。快速响应等特点。9.3 控制电机 在各种自动控制系统和计算装置171 1、伺服电动机、伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，它作为执伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，它作为执行元件，具有服从控制信号的要求而动作的职能。在讯号到来之前，行元件，具有服从控制信号的要求而动作的职能。在讯号到来之前，转子静止不动；讯号到来时，转子立即转动；当讯号消失时，转子转子静止不动；讯号到来时，转子立即转动；当讯号消失时，转子即能自行停转。即能自行停转。很显然，它的作用是把输入的电压信号转换为转轴上的角位移很显然，它的作用是把输入的电压信号转换为转轴上的角位移或角速度输出。改变控制电压的大小和方向，就可以改变伺服电动或角速度输出。改变控制电压的大小和方向，就可以改变伺服电动机的转速和转动的方向。机的转速和转动的方向。伺服电动机按其使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和伺服电动机按其使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。交流伺服电动机两大类。1、伺服电动机 伺服电动机又称为执行电动机，18（1 1）直流伺服电动机）直流伺服电动机 直流伺服电动机即用直流电信号控制的伺服电动机，它实际上直流伺服电动机即用直流电信号控制的伺服电动机，它实际上是一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁是一台他励式直流电动机，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁或为永磁磁极。或为永磁磁极。直流伺服电动机可分为有刷和无刷电机。直流伺服电动机可分为有刷和无刷电机。（2 2）交流伺服电动机）交流伺服电动机 交流伺服电动机主要由定子和转子两部分组成。定子的结构与交流伺服电动机主要由定子和转子两部分组成。定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成9090度度电角度的两相绕组。转子有两种基本结构形式：一种是笼形转子，电角度的两相绕组。转子有两种基本结构形式：一种是笼形转子，与普通异步电动机的笼形转子相似，只不过为了减少转子的转动惯与普通异步电动机的笼形转子相似，只不过为了减少转子的转动惯量，在外形上做得细而长；另一种是非磁性空心杯形转子，此种转量，在外形上做得细而长；另一种是非磁性空心杯形转子，此种转子的空气隙较大，所需励磁电流较大，因而功率因数和效率都低。子的空气隙较大，所需励磁电流较大，因而功率因数和效率都低。交流伺服电动机属于无刷电机，分同步和异步电机，目前运动交流伺服电动机属于无刷电机，分同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。（1）直流伺服电动机 直流伺服电动机即用直流电信号控192 2、步进电机、步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的控制电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的控制电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为称为“步距角步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。所以，步进电机又称为脉冲电动机。到调速的目的。所以，步进电机又称为脉冲电动机。步进电机的工作过程步进电机的工作过程 2、步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或直20 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正由于这个特点，步进电机可以和现代数字控制技术相结合。由于这个特点，步进电机可以和现代数字控制技术相结合。在精度要求不是特别高的场合可以使用步进电机，以发挥其结在精度要求不是特别高的场合可以使用步进电机，以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点，目前步进电机广泛应用在各种构简单、可靠性高和成本低的特点，目前步进电机广泛应用在各种自动化控制系统中。其最大的应用是在数控机床的制造中，因为步自动化控制系统中。其最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要进电机不需要A/DA/D转换，能直接将数字脉冲信号转化成角位移，所转换，能直接将数字脉冲信号转化成角位移，所以被称为理想的数控机床执行元件。除了在数控机床上的应用，同以被称为理想的数控机床执行元件。除了在数控机床上的应用，同步电机也可以用在其他机械上，比如作为自动送料机中的马达、绘步电机也可以用在其他机械上，比如作为自动送料机中的马达、绘图仪、自动记录仪、监测仪表等。随着微电子和计算机技术的发展，图仪、自动记录仪、监测仪表等。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，21