第5章 特種電機(jī)

第5章特種電機(jī)

【案例】數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

5.0伺服電動機(jī)

5.1測速發(fā)電機(jī)

5.2步進(jìn)電動機(jī)

5.3直線電動機(jī)

5.4微型同步電機(jī)

5.5技能訓(xùn)練

5.65.0【案例】數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)【案例】自動控制系統(tǒng)中一般用特種電動機(jī)作為執(zhí)行元件，即特種電動機(jī)在控制電壓的作用下驅(qū)動被控對象工作。它通常作為隨動系統(tǒng)、遙測和遙控系統(tǒng)及各種增量運(yùn)動控制系統(tǒng)的主傳動元件。如圖5-1所示為數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)。圖5-1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)它是以機(jī)床移動部件的機(jī)械位移和速度為直接控制目標(biāo)的自動控制系統(tǒng)，也稱位置、速度隨動系統(tǒng)，它接收來自插補(bǔ)器的步進(jìn)脈沖，經(jīng)過變換放大后轉(zhuǎn)化為機(jī)床工作臺的位移和速度。高性能的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)還由檢測元件反饋實(shí)際的輸出位置和速度的狀態(tài)，并由位置和速度調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)控制。應(yīng)用：特種電機(jī)在雷達(dá)的掃描跟蹤、船舶方位控制、飛機(jī)自動駕駛、軋鋼控制、工業(yè)機(jī)器人控制、遙測遙控、自動化儀表等自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。特種電機(jī)通常指的是結(jié)構(gòu)、性能、用途或原理等與常規(guī)電機(jī)不同，且體積和輸出功率較小的微型電機(jī)或特種精密電機(jī)，一般其外徑不大于130mm。

特種電機(jī)可以分為驅(qū)動用特種電機(jī)和控制用特種電機(jī)兩大類，前者主要用來驅(qū)動各種機(jī)構(gòu)、儀表以及家用電器等；后者是在自動控制系統(tǒng)中傳遞、變換和執(zhí)行控制信號的小功率電機(jī)的總稱，用做執(zhí)行元件或信號元件?？刂朴玫奶胤N電機(jī)分為測量元件和執(zhí)行元件。測量元件包括旋轉(zhuǎn)變壓器，交、直流測速發(fā)電機(jī)等；執(zhí)行元件主要有交、直流伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)等。特種電機(jī)分類：5.1伺服電動機(jī)

5.1.1直流伺服電動機(jī)

5.1.2交流伺服電動機(jī)

概述概述伺服電動機(jī)：又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中用做執(zhí)行元件?？梢园演斎氲碾妷盒盘栕儞Q成為電機(jī)軸上的角位移、角速度等機(jī)械信號輸出。改變控制信號的極性和大小，便可改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機(jī)的性能要求：（1）無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。（2）空載始動電壓低。（3）機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好。（4）快速響應(yīng)性好。分類：

按伺服電動機(jī)的控制電壓來分，伺服電動機(jī)可分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)兩大類5.1.1直流伺服電動機(jī)分類:直流伺服電動機(jī)根據(jù)磁路系統(tǒng)、電樞結(jié)構(gòu)、電刷和換向器的結(jié)構(gòu)可分為：普通型直流伺服電動機(jī)、盤形電樞直流伺服電動機(jī)、杯形直流伺服電動機(jī)、無槽電樞直流伺服電動機(jī)等。

結(jié)構(gòu):（1）普通型直流伺服電動機(jī)。結(jié)構(gòu)和普通的他勵(lì)直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。根據(jù)勵(lì)磁方式又分為電磁式和永磁式，一般為永磁式。為提高控制精度和響應(yīng)速度，伺服電動機(jī)的電樞鐵芯長度與直徑之比比普通電機(jī)大，氣隙也小。圖5-2所示。圖5-2普通型直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖1．直流伺服電動機(jī)的分類與結(jié)構(gòu)

（2）盤形電樞直流伺服電動機(jī)（如圖5-3示）。

電樞直徑遠(yuǎn)大于長度。定子由永久磁鐵和前后磁軛組成，形成軸向的平面氣隙。電樞是印刷繞組或繞線式繞組，形成徑向電流，徑向電流和軸向磁場作用，使伺服電動機(jī)換轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，力矩波動小，轉(zhuǎn)向性能好，電樞轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)快。應(yīng)用：低速、啟動頻繁、要求薄型安裝的場合，如數(shù)控車床、機(jī)器人等。圖5-3盤形印刷繞組直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖空心杯轉(zhuǎn)子可以由事先成型的單個(gè)線圈，沿圓柱面排列成杯形，或直接用繞線機(jī)繞制成杯形，再用環(huán)氧樹脂固化成型。它有內(nèi)、外定子，外定子用永久磁鋼，內(nèi)定子起磁軛作用。特點(diǎn)：低慣量，靈敏度高，耗能低，力矩波動小，換向性能好等。應(yīng)用：在高精度的自動控制系統(tǒng)及測量設(shè)備中，如攝像機(jī)、錄音機(jī)、X-Y函數(shù)記錄儀等。圖5-4杯形直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（3）杯形直流伺服電動機(jī)（如圖5-4示）。（4）無槽電樞直流伺服電動機(jī)

（如圖5-5所示）。結(jié)構(gòu)和普通電動機(jī)的結(jié)構(gòu)沒有差別，僅僅是電樞鐵芯是光滑的無槽的圓錐體。電樞的制造是將敷設(shè)在光滑鐵芯表面的繞組用環(huán)氧樹脂固化成型黏接在鐵芯上。應(yīng)用：動作速度快、功率大的場合，如數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線的驅(qū)動等。

圖5-5無槽電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖2．直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行特性直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：=

根據(jù)上式可以得出：直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。（1）機(jī)械特性指在控制電壓保持不變的情況下，直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。圖5-6所示為給定不同的電樞電壓（控制電壓加在電樞繞組上）得到的直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性。圖5-6電樞控制的直流伺服電動機(jī)機(jī)械特性從機(jī)械特性上看，不同電樞電壓下的機(jī)械特性曲線為一組平行線，其斜率為k。從圖中還可以看出，當(dāng)控制電壓一定時(shí)，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對應(yīng)不同的機(jī)械轉(zhuǎn)速。（2）調(diào)節(jié)特性指負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系。直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖5-7所示。圖5-7直流伺服電動機(jī)調(diào)節(jié)特性

當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系也為一組平行線，其斜率為1/ke。當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，對應(yīng)不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可得到不同的啟動電壓U。當(dāng)電樞電壓小于啟動電壓時(shí)，伺服電動機(jī)將不能啟動。5.1.2交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī)分為永磁式同步和異步交流伺服電動機(jī)。結(jié)構(gòu)：和單相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，為兩相交流電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子有籠形和杯形兩種。定子為兩相繞組，并在空間相差90°電角度，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為控制繞組。圖5-8示交流伺服電動機(jī)工作原理圖。適用于0.1～100W小功率自動控制系統(tǒng)中，頻率有50Hz、400Hz等多種。1．交流伺服電動機(jī)的工作原理

圖5-8交流伺服電動機(jī)工作原理圖

“自轉(zhuǎn)”交流伺服電動機(jī)從控制特性上要求必須像直流伺服電動機(jī)一樣具有伺服特性外，還要解決“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?！白赞D(zhuǎn)”現(xiàn)象就是當(dāng)勵(lì)磁電壓不為零，控制電壓突然切去為零時(shí)，伺服電動機(jī)相當(dāng)于一臺單相異步電動機(jī)，若轉(zhuǎn)子電阻較小，阻轉(zhuǎn)矩小于單相運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，造成失控。避免“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象方法是增大轉(zhuǎn)子電阻值。因此，具有較大的轉(zhuǎn)子電阻和下垂的機(jī)械特性是交流伺服電動機(jī)的主要特點(diǎn)。2．交流伺服電機(jī)的控制方式交流伺服電機(jī)的控制方式有3種：幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。

（1）幅值控制。

控制電壓和勵(lì)磁電壓保持相位差90°，只改變控制電壓幅值，實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)的控制，這種控制方法稱為幅值控制。其接線圖如圖5-8所示。

當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓、控制電壓為零時(shí)，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓、控制電壓也為額定電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也最大。所以控制電壓從零到額定電壓，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也從零到最大。（2）相位控制?？刂齐妷汉蛣?lì)磁電壓幅值均為額定值，通過改變控制電壓和勵(lì)磁電壓相位差，實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)的控制，稱為相位控制。固定勵(lì)磁不變，改變控制電壓的相位從0°～90°，旋轉(zhuǎn)磁場由脈動勢變?yōu)闄E圓磁勢，最后變?yōu)閳A形磁勢，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也從零到最大轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩也最大。

（3）幅值-相位控制。通過改變控制電壓的幅值及控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，稱為幅值-相位控制。圖5-9所示為幅值-相位控制接線圖。當(dāng)控制電壓的幅值變化時(shí)，電機(jī)的幅值和相位差都發(fā)生變化，從而達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。圖5-9幅值—相位控制接線圖

5.2測速發(fā)電機(jī)

5.2.1直流測速電動機(jī)

5.2.2交流異步測速發(fā)電機(jī)

概述概述測速發(fā)電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中作為檢測或自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速之用；在隨動系統(tǒng)中用來產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度；在計(jì)算解答裝置中作為微分和積分元件。它還可以檢測各種機(jī)械在有限范圍內(nèi)的擺動或非常緩慢的轉(zhuǎn)速，并可以代替測速計(jì)直接測量轉(zhuǎn)速。分類：分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩種。實(shí)際應(yīng)用中對測速發(fā)電機(jī)主要有以下幾個(gè)方面的要求：（1）線性度要好，輸出電壓要和轉(zhuǎn)速成正比。（2）測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量要小，以保證測速的快速性。（3）靈敏度要高，即輸出特性的斜率要大，較小的轉(zhuǎn)速變化能夠引起輸出電壓的變化。（4）正、反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致。5.2.1直流測速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是微型直流發(fā)電機(jī)，根據(jù)勵(lì)磁方式分為永磁式和電磁式兩種。常用的是永磁式測速發(fā)電機(jī)，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，省去勵(lì)磁，便于使用，并且溫度變化對勵(lì)磁磁通的影響較小，但永磁材料較貴。1．直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：直流測速發(fā)電機(jī)的工作特性，即輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為輸出特性，如圖5-10示，R為負(fù)載電阻，測速發(fā)電機(jī)的輸出特性斜率為C。圖5-10直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性

2．直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及減少誤差的方法實(shí)際測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速間并不是嚴(yán)格的正比關(guān)系，會產(chǎn)生一些誤差。產(chǎn)生誤差的原因：

（1）電樞反應(yīng)。由于電樞反應(yīng)，使得主磁通隨負(fù)載的電流變化，特性曲線下彎，如圖5-10中所示的R1、R2曲線。

解決辦法除了在結(jié)構(gòu)上采取措施外，盡量增加負(fù)載電阻，減小負(fù)載電流對電樞反應(yīng)的影響，還可以提高測速發(fā)電機(jī)的靈敏度，即增大斜率。

（2）電刷接觸電阻。電刷和換向器之間存在接觸電阻，將會分得一部分電壓，從而使輸出電壓處出現(xiàn)死區(qū)，并且接觸電阻的變化與轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

（3）紋波影響。由于換向片的數(shù)量有限，實(shí)際輸出電壓是一個(gè)脈動的電流，對高精度系統(tǒng)影響很大。為消除影響可采用濾波電路。5.2.2交流異步測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)分為同步和異步兩類。同步測速發(fā)電機(jī)就是永磁轉(zhuǎn)子的單向同步發(fā)電機(jī)，由于輸出的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，故應(yīng)用很少。應(yīng)用最廣泛的是異步測速發(fā)電機(jī)。1．結(jié)構(gòu)與原理*結(jié)構(gòu)上與交流伺服電動機(jī)相似，定子上也有兩個(gè)空間上互差90°電角度的繞組。不過，其中一個(gè)是勵(lì)磁繞組，另一個(gè)用來輸出電壓，稱為輸出繞組。異步測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有籠形和空心杯形兩種?？招谋无D(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與空心杯交流伺服電動機(jī)相同。轉(zhuǎn)子是空心杯形，用電阻率較大、厚為0.2～0.3mm的鋁或銅制成，屬非磁性材料。

定子有內(nèi)、外定子之分。小容量測速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組和輸出繞組都裝在外定子槽中，而容量較大的測速發(fā)電機(jī)則分裝在內(nèi)、外定子中。內(nèi)定子由硅鋼片疊成，目的是減小磁繞。*交流測速發(fā)電機(jī)工作原理：如圖5-11所示。異步測速發(fā)電機(jī)的空心杯形轉(zhuǎn)子可以看成是很多導(dǎo)體并聯(lián)而成。定子勵(lì)磁繞組加大小不變的交流勵(lì)磁電壓U1后，勵(lì)磁電流在勵(lì)磁繞組的軸線方向上產(chǎn)生了隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的脈振磁通1。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動時(shí)，異步測速發(fā)電機(jī)類似于一臺變壓器，勵(lì)磁繞組相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)繞組，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相當(dāng)于變壓器的二次繞組。由于磁通的方向與輸出繞組的軸線垂直，不會在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時(shí)，輸出繞組的輸出電壓U2等于零。圖5-11交流測速發(fā)電機(jī)原理圖杯形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，因此，輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓的相位也相反。只要用一個(gè)電壓表就可測出速度大小及方向。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體因切割磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子電流又產(chǎn)生磁通Φ2，此磁通在空間上是固定的，與輸出繞組軸線相重合。Φ2在時(shí)間上是按正弦規(guī)律變化的，因此，在輸出繞組中感應(yīng)出頻率相同的輸出電壓U02。2．工作特性

交流測速發(fā)電機(jī)的工作特性是輸出特性，包括輸出幅值特性和輸出相位特性?？刂葡到y(tǒng)不僅要求交流測速發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速成正比，而且希望輸出電壓與勵(lì)磁電壓的相位相同。在一定的勵(lì)磁電壓下，交流測速發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值有效值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系稱為輸出幅值特性，即U0=f（n）。輸出電壓與勵(lì)磁電壓的相位差（輸出相位）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系稱為輸出相位特性。（1）n=0電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，轉(zhuǎn)子中的電動勢為變壓器性質(zhì)電動勢，該電動勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動勢性質(zhì)和勵(lì)磁磁動勢相同均為直軸磁動勢；輸出繞組由于與勵(lì)磁繞組在空間位置上相差90°電角度，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出電壓U2=0。圖5-12交流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性在理想情況下，輸出幅值特性是一條通過原點(diǎn)的直線，輸出相位特性是一條與橫軸重合的直線，如圖5-12所示。（2）n≠0電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切割電動勢Er，大小為式中，Cr為轉(zhuǎn)子電動勢常數(shù)，Φd為脈振磁通幅值。轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)生短路電流IS，考慮轉(zhuǎn)子漏抗的影響，轉(zhuǎn)子電流要滯后轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢一定的電角度。短路電流IS產(chǎn)生脈振磁動勢Fr，可分解為直軸磁動勢Frd和交軸磁動勢Frq，直軸磁動勢將影響勵(lì)磁磁動勢并使勵(lì)磁電流發(fā)生變化，交軸磁動勢Frq產(chǎn)生交軸磁通Φd。交軸磁通與輸出繞組交鏈感應(yīng)出頻率與勵(lì)磁頻率相同，幅值與交軸磁通Φq成正比的感應(yīng)電動勢E2。由于，所以，即輸出繞組的感應(yīng)電動勢的幅值正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)為勵(lì)磁電源的頻率。3．異步測速發(fā)電機(jī)的誤差異步測速發(fā)電機(jī)的誤差主要包括幅值及相位誤差和剩余電壓誤差。（1）幅值及相位誤差。產(chǎn)生原因：勵(lì)磁繞組存在漏電感，產(chǎn)生線性誤差。減小該誤差的方法：增大轉(zhuǎn)子電阻和在勵(lì)磁繞組中出入適當(dāng)?shù)碾娙菁右匝a(bǔ)償。（2）剩余電壓誤差。產(chǎn)生原因：由于加工、裝配過程中存在機(jī)械上的不對稱及定子磁性材料性能的不一致性，使得測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，實(shí)際輸出電壓并不為零，此時(shí)的電壓稱為剩余電壓，剩余電壓引起的誤差稱為剩余電壓誤差。減小剩余電壓誤差的方法：繞組采用四極，選擇高質(zhì)量的各方向特性一致的磁性材料，在機(jī)加工和裝配過程中提高機(jī)械精度以及裝配補(bǔ)償繞組。5.3步進(jìn)電動機(jī)

概述5.3.1反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性5.3.3驅(qū)動電源5.3.4應(yīng)用概述

步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。步進(jìn)電動機(jī)可以分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。本章以反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例，介紹步進(jìn)電動機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)。5.3.1反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動機(jī)。結(jié)構(gòu)：圖5-13所示為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。定子上裝有6個(gè)均勻分布的磁極，每個(gè)磁極上都有控制繞組，繞組接成三相星形接法，其中，每兩個(gè)相對的磁級組成一相，定子鐵芯由硅鋼片疊成。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，由硅鋼片或軟磁材料疊成，具有4個(gè)均勻分布的齒。圖5-13三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：當(dāng)A相繞組通入電脈沖時(shí)，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)沿A-軸線方向的磁場，由于磁通總是力圖經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合回路，這樣將使轉(zhuǎn)子鐵芯齒1和齒3與軸線A-對齊，如圖5-13（a）所示。此時(shí)，轉(zhuǎn)子只受沿A-軸線上的拉力作用而具有自鎖能力。

若將通入的電脈沖從A相換到B相繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯齒2和齒4將與軸線B-對齊，即轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°角，如圖5-13（b）所示。

當(dāng)C相繞組通電而B相繞組斷電時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵芯齒1和齒3又轉(zhuǎn)到與C-軸線對齊，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°角。如定子三相繞組按A-B-C-A的順序通電，則轉(zhuǎn)子就沿逆時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，每一步轉(zhuǎn)過30°角。

每一步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。從一相通電換接到另一相通電稱做一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。如果通電順序改為A-C-B-A，則步進(jìn)電機(jī)將反方向按順時(shí)針一步一步地轉(zhuǎn)動。

步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高。轉(zhuǎn)動方向取決于相序。按照上述的通電方式，每次只有一相控制繞組通電，稱為三相單三拍控制方式。除此控制方式外，還有三相單、雙六拍控制方式和三相雙三拍控制方式。三相單、雙六拍控制方式中，控制繞組的通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A（轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）或A-AC-C-CB-B-BA-A（轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），步距角為15°。三相雙三拍控制方式中，控制繞組的通電順序?yàn)锳B-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC，步距角為30°。注意：以上討論的是最簡單的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理，步距角較大，不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。實(shí)際使用的步進(jìn)電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子的齒都比較多，而步距角一般較小。5.3.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性1．基本概念齒距角：轉(zhuǎn)子相鄰齒間的夾角。步距角：步進(jìn)電動機(jī)每改變一次通電狀態(tài)（一拍）轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。計(jì)算公式為式中：m為步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)；C為通電狀態(tài)系數(shù)，單拍或雙拍工作時(shí)C=1，單雙拍混合方式工作時(shí)C=2；ZR為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速

：式中，f為步進(jìn)電機(jī)每秒的拍數(shù)，稱為步進(jìn)電機(jī)通電脈沖頻率。2．反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的靜特性步進(jìn)電動機(jī)的靜特性是指在空載條件下步進(jìn)電動機(jī)的通電狀態(tài)不變，電動機(jī)處于穩(wěn)定的狀態(tài)下所表現(xiàn)的性質(zhì)，包括矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩。（1）矩角特性。步進(jìn)電動機(jī)在空載條件下，控制繞組通入直流電流，轉(zhuǎn)子最后處于穩(wěn)定的平衡位置稱為步進(jìn)電動機(jī)的初始平衡位置，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為零。步進(jìn)電動機(jī)偏離初始平衡位置的電角度稱為失調(diào)角。

矩角特性是指在不改變通電狀態(tài)的條件下，步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系，即，其正方向取失調(diào)角增大的方向?？赏ㄟ^下式計(jì)算：式中，k為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，I為控制繞組電流，為失調(diào)角。

在靜轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子有一個(gè)平衡位置。其中的點(diǎn)為步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)；-π＜＜＋π為步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)；為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。（2）最大靜轉(zhuǎn)矩。

矩角特性中，靜轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。當(dāng)時(shí)，T有最大值Tsm，最大靜轉(zhuǎn)矩Tsm=KI2。3．反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的動特性步進(jìn)電動機(jī)的動特性是指步進(jìn)電動機(jī)從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)所表現(xiàn)出的性質(zhì),包括動穩(wěn)定區(qū)、啟動轉(zhuǎn)矩、啟動頻率及頻率特性。（1）動穩(wěn)定區(qū)。指使步進(jìn)電動機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。穩(wěn)定裕量角越大，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定，當(dāng)穩(wěn)定裕量角趨于零時(shí)，電動機(jī)不能穩(wěn)定工作。步距角越大，裕量角也就越小。（2）啟動轉(zhuǎn)矩。最大啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大啟動轉(zhuǎn)矩時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)將不能啟動。（3）啟動頻率。指在一定負(fù)載條件下，電動機(jī)能夠不失步地啟動的脈沖最高頻率。

影響最高啟動頻率的因素:①啟動頻率與步進(jìn)電動機(jī)的步距角有關(guān)。步距角越小，啟動頻率越高。②步進(jìn)電動機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，啟動頻率越高。③轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角小，啟動頻率高。④電路時(shí)間常數(shù)大，啟動頻率降低。（4）頻率特性

頻率特性曲線是步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)，是啟動速度力矩曲線。頻率特性曲線的縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動力矩，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動頻率，而根據(jù)一個(gè)步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率及其對應(yīng)轉(zhuǎn)動力矩所作的曲線，就是反應(yīng)步進(jìn)電動機(jī)性能的頻率特性曲線了。影響頻率特性曲線的因素：包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、齒槽比、步進(jìn)電動機(jī)內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、控制線路的電壓等。其中有些因素使用者是不能改變的，但有些因素是可以改變的，如控制方式、繞組工作電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。

步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率范圍可分成3個(gè)區(qū)間：低頻區(qū)、共振區(qū)和高頻區(qū)。在這3個(gè)區(qū)間中轉(zhuǎn)子的狀態(tài)情況有所不同。在使用步進(jìn)電動機(jī)時(shí)應(yīng)使其工作于高頻穩(wěn)定區(qū)。5.3.3驅(qū)動電源1．對驅(qū)動電源的基本要求（1）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式、電壓和電流都應(yīng)滿足步進(jìn)電動機(jī)的控制要求。（2）驅(qū)動電源要滿足啟動頻率和運(yùn)行頻率的要求，能在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的控制。（3）能抑制步進(jìn)電動機(jī)振蕩。（4）工作可靠，對工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾有較強(qiáng)的抑制作用。2．步進(jìn)電動機(jī)控制電源的組成一般由脈沖信號發(fā)生電路、脈沖分配電路、功率放大電路等部分組成。

脈沖信號發(fā)生電路產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號供給脈沖分配電路，脈沖分配電路完成步進(jìn)電動機(jī)控制的各相脈沖信號，功率放大電路對脈沖分配回路輸出的控制信號進(jìn)行放大，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動。脈沖分配器有多種型式，早期的有環(huán)形分配器，現(xiàn)在逐步被單片機(jī)取代。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型、細(xì)分型等多種型式。近年來出現(xiàn)將控制信號形成和功率放大電路為一體的集成控制電源。5.3.4應(yīng)用用步進(jìn)電動機(jī)能實(shí)現(xiàn)高精度的角度控制。因此，它主要用在高精度的開環(huán)系統(tǒng)中。目前，步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用范圍已很廣，除數(shù)控、工業(yè)控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備中大量使用外，在工業(yè)自動線、印刷機(jī)、遙控指示裝置和航空系統(tǒng)中，都已成功地應(yīng)用了步進(jìn)電動機(jī)。5.4直線電動機(jī)

概述5.4.1直線異步電動機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)5.4.2直線異步電動機(jī)的工作原理5.4.3直線異步電動機(jī)的應(yīng)用概述

直線電動機(jī)就是把電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的機(jī)械能的電動機(jī)。它解決了直線運(yùn)動機(jī)械無須從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的中間傳動機(jī)構(gòu)的問題，因而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行效率和傳動精度均較高。直線電動機(jī)也可分為直線異步電動機(jī)、直線同步電動機(jī)、直線直流電動機(jī)和其他直線電動機(jī)。其中以直線異步電動機(jī)應(yīng)用最為廣泛，本節(jié)主要介紹直線異步電動機(jī)。5.4.1直線異步電動機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)分類：直線異步電動機(jī)主要有平板形、圓筒形和圓盤形。結(jié)構(gòu)：1．平板形直線異步電動機(jī)平板形直線異步電動機(jī)可以看成是從旋轉(zhuǎn)電動機(jī)演變而來的?？梢栽O(shè)想，有一極數(shù)很多的三相異步電動機(jī)，其定子半徑相當(dāng)大，定子內(nèi)表面的某一段可以認(rèn)為是直線，則這一段便是直線電動機(jī)。也可以認(rèn)為把旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子沿徑向剖開，并展成平面，就得到了最簡單的平板形直線異步電動機(jī)，如圖5-15所示。圖5-15直線電動機(jī)的形成旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，在直線電動機(jī)中稱為初級和次級。

直線電動機(jī)的運(yùn)行方式可以是固定初級，讓次級運(yùn)動，此時(shí)稱為動次級；相反，也可以固定次級而讓初級運(yùn)動，則稱為動初級。為了在運(yùn)動過程中始終保持初級和次級的耦合，初級和次級的長度不應(yīng)相同，可以使初級長于次級，稱為短次級；也可以使次級長于初級，稱為短初級，如圖5-16所示。一般常用短初級。圖5-16平板形直線電動機(jī)（單邊型）平板形直線電動機(jī)僅在次級的一邊具有初級，這種結(jié)構(gòu)形式稱為單邊形（圖5-16）。單邊形除了產(chǎn)生切向力外，還會在初、次級間產(chǎn)生較大的法向力，這在某些應(yīng)用中是不希望的。為了更充分地利用次級和消除法向力，可以在次級的兩側(cè)都裝上初級，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙邊形，如圖5-17所示。圖5-17雙邊形直線電動機(jī)材料：平板型直線異步電動機(jī)的初級鐵芯由硅鋼片疊成，表面開有齒槽，槽中安放著三相、兩相或單相繞組。

次級型式較多，有類似籠形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，即在鋼板上（或鐵芯疊片里）開槽，槽中放入銅條或鋁條，然后用銅帶或鋁帶在兩側(cè)端部短接。最常用的次級有3種：第1種用整塊鋼板制成，稱為鋼次級或磁性次級，這時(shí)，鋼即起導(dǎo)磁作用，又起導(dǎo)電作用；第2種為鋼板上覆合一層銅板或鋁板，稱為覆合次級，鋼主要用于導(dǎo)磁，而銅或鋁用于導(dǎo)電；第3種是單純的銅板或鋁板，稱為銅（鋁）次級或非磁性次級，這種次級一般用于雙邊型電機(jī)中。2．圓筒形直線異步電動機(jī)將平板形直線異步電動機(jī)沿著與移動方向相垂直的方向卷成圓筒，即成圓筒形直線異步電動機(jī)，如圖5-18所示。圖5-18圓筒形直線異步電動機(jī)的形成3．圓盤形直線異步電動機(jī)將平板形直線異步電動機(jī)的次級制成圓盤形結(jié)構(gòu)，并能繞經(jīng)過圓心的軸自由轉(zhuǎn)動，使初級放在圓盤的兩側(cè)，使圓盤在電磁力作用下自由轉(zhuǎn)動，便成為圓盤形直線異步電動機(jī)，如圖5-19所示。圖5-19圓盤形直線異步電動機(jī)

5.4.2直線異步電動機(jī)的工作原理直線異步電動機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電動機(jī)演變而來的，因而當(dāng)初級的多相繞組中通入多相電流后，也會產(chǎn)生一個(gè)氣隙基波磁場，但這個(gè)磁場不是旋轉(zhuǎn)的，而是沿直線移動的磁場，稱為行波磁場。行波磁場在空間作正弦分布，如圖5-20所示。圖5-20直線電動機(jī)的工作原理移動速度為：（cm/s）

式中，為極距（cm），f1為電流頻率（Hz）。行波磁場切割次級導(dǎo)條，將在其中感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該感應(yīng)電流與行波磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，使次級跟隨行波磁場移動。若次級的運(yùn)動速度為v，則直線異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為，代入上式得：可知：改變極距和電流頻率f1，均可改變次級的移動速度。5.4.3直線異步電動機(jī)的應(yīng)用直線異步電動機(jī)主要應(yīng)用在各種直線運(yùn)動的電力拖動系統(tǒng)中，如自動搬運(yùn)裝置、傳送帶、帶鋸、直線打樁機(jī)、電磁錘、礦山用直線電動機(jī)推車機(jī)、磁懸浮車等，也用于自控系統(tǒng)中，如液態(tài)金屬電磁泵、門閥、開關(guān)自動關(guān)閉裝置、自動生產(chǎn)線機(jī)械手等。

實(shí)例：1．傳送帶2．高速列車5.5微型同步電動機(jī)概述5.5.1永磁式同步電動機(jī)5.5.2反應(yīng)式同步電動機(jī)5.5.3磁滯式同步電動機(jī)概述微型同步電動機(jī)主要有3種類型，即永磁式微型同步電動機(jī)、反應(yīng)式微型同步電動機(jī)和磁滯式同步電動機(jī)。這些電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)都是相同的，或者是三相繞組通以三相交流電，或者是兩相繞組通入兩相電流（包括單相電源經(jīng)過電容分相），或者是單相罩極，其主要作用都是為了產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式和材料卻有很大差別，因而其運(yùn)行原理也就不同。由于這些電機(jī)的轉(zhuǎn)子上都沒有勵(lì)磁繞組，也不需要電刷