電機(jī)與拖動(dòng)第八章

電機(jī)與拖動(dòng)第八章1．工作繞組單獨(dú)通電時(shí)的情況由試驗(yàn)可知：電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，工作繞組單獨(dú)通電，電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)。但若用外力拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)向正向或反向旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)會(huì)被加速到接近轉(zhuǎn)動(dòng)而不致停止。其原理可解釋如下：工作繞組通電時(shí)產(chǎn)生的脈振磁通勢可分解為兩個(gè)幅值相同、轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的磁通勢，一個(gè)為正轉(zhuǎn)磁通勢，一個(gè)為反向磁通勢，分別產(chǎn)生正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。對正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場，作用于轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率

曲線如圖8-1中的曲線1所示。反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場，作用于轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率圖8.1單相異步電動(dòng)機(jī)的曲線

曲線如圖8.1中的曲線2所示.合成電磁轉(zhuǎn)矩與S的關(guān)系曲線如曲線3所示?？梢姇r(shí)，無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而在外力作用下，使S+或S-不為1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩不等于零，如大于此時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩，就能加速至接近同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

2．兩相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性

如果兩相對稱繞組通電兩相對稱電流，產(chǎn)生的基波合成磁通勢亦為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，如果以上兩個(gè)條件不完全滿足，則產(chǎn)生的基波合成磁通勢一般為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁通勢可以分解為兩個(gè)幅值不等、轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)磁通勢。設(shè)正轉(zhuǎn)磁通勢的幅值F+大于反轉(zhuǎn)磁通勢的幅值F-，則Fe-S+曲線和Fe-S-曲線分別如圖8-1中的曲線1和曲線2所示。由合成曲線3可見，S=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于0，能自行起動(dòng)，正向運(yùn)行。如果F+<F-，則將反向起動(dòng)運(yùn)行。

起動(dòng)后的單相異步電動(dòng)機(jī)，可以將起動(dòng)繞組斷開，也可以不斷開。若需要斷開，可在起動(dòng)繞組中串聯(lián)一個(gè)離心開關(guān)S，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速的時(shí)自動(dòng)斷開。圖8.2兩個(gè)繞組通電單相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線二．單相異步電機(jī)的主要類型和起動(dòng)方法（一）電阻分相式啟動(dòng)繞組的導(dǎo)線較細(xì)，匝數(shù)較少；工作繞組的導(dǎo)線較粗，匝數(shù)較多。所以起動(dòng)繞組與工作繞組相比，電阻大而電抗小，電流超前一個(gè)電角度，從而產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，使電動(dòng)機(jī)能自行啟動(dòng)。由于兩個(gè)繞組的電路都是感性的，兩者電流的相位差不大，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，只能用于空載和輕載起動(dòng)的場合。（二）電容分相式起動(dòng)繞組串聯(lián)一個(gè)大小合適的電容，使電流超前工作繞組電流接近，因而產(chǎn)生橢圓度較小的旋轉(zhuǎn)磁場，從而獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的起動(dòng)電流。電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)又分為電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，各有其特點(diǎn)和適用場合。欲改變分相式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只要將起動(dòng)繞組或工作繞組的端頭對調(diào)即可。（三）罩極式電動(dòng)機(jī)

罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-2所示，定子磁極極面的約1/3處開有小槽，嵌有一個(gè)閉合銅環(huán)，稱為短路環(huán)，把磁極的小部分罩在環(huán)中。圖8.3罩極式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)定子磁極繞組通過交流電流時(shí)，產(chǎn)生脈振磁通，其中大部分為穿過未罩部分的，另有一部分磁通欲穿過被罩部分，在短路環(huán)中感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生電流和磁通，使實(shí)際過被罩部分的磁通過，如圖8-4所示。圖8.4罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)磁通向量圖第二節(jié)電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)亦稱滑差電動(dòng)機(jī)，從原理上看，它實(shí)際上就是一臺(tái)帶有電磁滑差離合器的普通鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其原理如圖8.5(a)所示。(a)電子離合器連接(b)電樞和磁極圖8.5電磁離合器原理圖

電磁滑差離合器由電樞和磁極兩部分組成，兩者之間無機(jī)械聯(lián)系，各自能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。電樞為一由鑄鋼制成的空心圓柱體，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接聯(lián)接，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱為主動(dòng)部分。磁極由直流電源勵(lì)磁，并與生產(chǎn)機(jī)械直接聯(lián)接，稱為從動(dòng)部分。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離合器電樞以n的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，若勵(lì)磁電流等于零，則離合器中無磁場，也無電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生，因此磁極部分不會(huì)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)有勵(lì)磁時(shí)，電樞便切割磁場產(chǎn)生渦流，渦流的方向如圖8.5b所示。電樞中的渦流與磁極磁場相互作用產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電樞受到的力的方向可用左手定則判定，如圖8-5b所示。由此而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，因此對電樞而言，是個(gè)制動(dòng)力矩，需要依靠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩克服此制動(dòng)力矩，從而維持電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)作用與反作用大小相等、方向相反，

離合器磁極所受到的力的方向與相反，由所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使磁極轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械沿電樞轉(zhuǎn)向以的速度旋轉(zhuǎn)，顯然。電磁滑差離合器的工作原理和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相同，電磁力矩的大小決定于磁極磁場的強(qiáng)弱和電樞與磁極之間的轉(zhuǎn)差。因此在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，若改變勵(lì)磁電流的大小，為使電磁力矩不變，磁極的轉(zhuǎn)速必將發(fā)生變化，這就達(dá)到了調(diào)速的目的。電磁離合器的具體結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前我國生產(chǎn)鉸多的是電樞為圓筒形鐵芯(也稱力杯形鐵芯)。磁極為爪形磁極。磁極為爪形磁極。

圖8.6為組合式結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。其中測速發(fā)電機(jī)是用來構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)以保證機(jī)械特性的硬度。

圖8.6電磁調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1-電動(dòng)機(jī)2-主動(dòng)軸3-法蘭端蓋4-電樞5-工作氣隙6-勵(lì)磁線圈8-測速機(jī)定子9-測速機(jī)磁極10-永久磁鐵11-輸出軸12-刷架13-電刷14-集電環(huán)第三節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)也稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務(wù)是把接收的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的角位移或角速度。這種電機(jī)有信號時(shí)就動(dòng)作，沒有信號時(shí)就立即停上。伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)的工作條件與一般動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)有很大區(qū)別，它的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)十分頻繁，多數(shù)時(shí)間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處在零或低速狀態(tài)等過渡過程中。因此對伺服電動(dòng)機(jī)的性能有如下要求：1．無“自轉(zhuǎn)“現(xiàn)象。即當(dāng)信號電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)迅速自行停轉(zhuǎn)。2.具有下垂的機(jī)械特性。在控制電壓改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。3.具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。4.快速響應(yīng)。即對信號反應(yīng)靈敏，機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小。一直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)按磁極的種類劃分為兩種：一種是永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)子磁極是永久磁鐵；另一種是電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和工作原理與他勵(lì)直流電機(jī)沒有本質(zhì)不同。直流伺服電動(dòng)機(jī)就是微型的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)就其用途來講，既可作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可作為伺服電動(dòng)機(jī)(例如錄像機(jī)，精密機(jī)床的電機(jī))。下面就其作伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)的性能進(jìn)行分析。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法有兩種：一種是電樞控制，就是改變電樞繞組電壓Ud的大小與方向?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；另一種是磁場控制，通過改變勵(lì)磁繞組電壓Uf的大小與方向?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，這種控制方式主要針對電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只介紹電樞控制時(shí)的直流伺服電動(dòng)機(jī)特性。

電樞控制是勵(lì)磁電壓Uf不變，控制電樞電壓Ud的控制方式。在控制過程中改變電樞繞組電壓Ud，主磁通不變，忽略電樞反應(yīng)，可得直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由圖可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一組平行的直線。隨著控制電壓Ud的增加，直線的斜率保持不變，機(jī)械特性向上平移。當(dāng)控制電壓Ud不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te增大時(shí)，轉(zhuǎn)速n降低，轉(zhuǎn)矩的增加和轉(zhuǎn)速的降低呈線性關(guān)系。直流伺服電動(dòng)機(jī)的這種機(jī)械特性是十分理想的。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指：在一定的轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制電壓之間的關(guān)系。根據(jù)機(jī)械特性表達(dá)式便可繪出不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性如圖所示。二交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，其定子兩相繞組空間互成電角度。一相繞組為勵(lì)磁繞組f，一相為控制繞組k，轉(zhuǎn)子為鼠籠式轉(zhuǎn)子。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組接單相交流電壓Uf，控制繞組接控制電壓Uk，兩者頻率相同。改變控制電壓Uk的幅值或相位就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

作為伺服機(jī)，交流伺服電機(jī)除了必須具有線性度很好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性外，還必須具有伺服性：即控制信號電壓強(qiáng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高；控制信號電壓弱時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低；若控制信號電壓等于零，則電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。但作為伺服電動(dòng)機(jī)，則要求機(jī)械特性必須是單值函數(shù)并盡量具有線性特性，以確保在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。通常的做法是，加大轉(zhuǎn)子電阻，使得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率。使電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)接近線性。一般情況下，轉(zhuǎn)子電阻越大，機(jī)械特性越接近線性，但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大輸出功率越小，效率越低。

（1）交流伺服電動(dòng)機(jī)的特性要求（2）交流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服特性對于普通兩相異步電動(dòng)機(jī)，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，即使一相繞組從電源斷開，兩相異步電動(dòng)機(jī)也可以作為單相交流電機(jī)運(yùn)行，在范圍內(nèi)，單相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿原轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，如圖a所示。

信號電壓消失后,伺服電動(dòng)機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，這對于伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)絕對避免這種情況。為了避免這種情況，交流伺服電動(dòng)機(jī)使用了很大的轉(zhuǎn)子電阻使，這時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖b所示。

從圖b中所示的單向相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性可見，正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線上，時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率，與對稱。因此電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩特性通過零點(diǎn)，即無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；在時(shí)，，而是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；時(shí)，，也是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。在這種情況下，本來運(yùn)轉(zhuǎn)的交流伺服機(jī)，若控制信號電壓消失后，由于一相繞組通電運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)性的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將被制動(dòng)到顯然只要，就能避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。（3）控制方式與運(yùn)行特性

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組所接電源一般為額定電壓不變，改變控制繞組所加的電壓的大小和相位，電動(dòng)機(jī)氣隙磁動(dòng)勢則隨著控制電壓的大小和相位而改變，有可能為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，有可能為不同橢圓度的橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，也有可能為脈振磁動(dòng)勢。而由于氣隙磁動(dòng)勢的不同，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性也相應(yīng)改變，那么拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行的交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之變化。這就是交流伺服電動(dòng)機(jī)利用控制電壓的大小和相位的變化，控制轉(zhuǎn)速變化的原理。下面分別介紹交流伺服電動(dòng)機(jī)的三種控制方法：幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。1.幅值控制及特性

幅值控制接線如圖8-11所示。勵(lì)磁繞組f直接接至交流電源，電壓Uf的大小為額定值?？刂评@組所加的電壓為Uk，Uk在時(shí)間上落后于勵(lì)磁繞組電壓Uf90°，且保持90°不變，Uk的大小可以改變。調(diào)節(jié)時(shí)，Uk的大小可以表示為，其中,UKN為控制繞組額定電壓，又稱為有效信號系數(shù)。當(dāng)有效信號系數(shù)時(shí)，控制電壓，此時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)僅有勵(lì)磁繞組一相供電，氣隙合成磁動(dòng)勢為脈振磁動(dòng)勢。圖8.11交流伺服電動(dòng)機(jī)的幅值控制當(dāng)有效信號系數(shù)時(shí)，控制電壓，此時(shí)交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和控制繞組共同供電，但勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢和控制繞組磁動(dòng)勢兩者大小不等，氣隙合成磁動(dòng)勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。越小，橢圓度越大，越接近脈振磁動(dòng)勢。

當(dāng)有效信號系數(shù)時(shí)，控制電壓，勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢和控制繞組磁動(dòng)勢大小等，氣隙合成磁動(dòng)勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。由此可以獲得不同值的機(jī)械特性如圖8.12所示

圖8.12交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

采用幅值控制時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性可以通過機(jī)械特性獲得。具體方法是：在機(jī)械特性上作許多平行于縱軸的直線，從而獲得一定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速與之間的關(guān)系曲線，即調(diào)節(jié)特性，如圖8.13所示。不同的曲線對應(yīng)于不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性。圖8.13交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性2相位控制

保持控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值為額定值不變，僅改變控制電壓與勵(lì)磁電壓的相位差來改變交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這種控制方式稱為相位控制。其原理圖如圖8.14所示，控制繞組通過移相器與勵(lì)磁繞組一同接至同一交流電源上，UK

的幅值不變，但UK

與Uf

的相位差可以通過調(diào)節(jié)移相器在～90°之間變化，UK

與Uf

的相位差發(fā)生變化時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨之發(fā)生變化。

圖8.14交流伺服電動(dòng)機(jī)的相位控制3．幅值——相位控制及特性

交流伺服電動(dòng)機(jī)采用幅值——相位控制時(shí)的接線如圖8.15所示。圖中勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容后接至交流電源，控制繞組的電壓的頻率和相位和電源相同，但幅值可調(diào)。圖8.15交流伺服電動(dòng)機(jī)的幅值——相位控制交流伺服電動(dòng)機(jī)采用幅值——相位控制機(jī)械特性與幅值控制是類似，為非線性，也在轉(zhuǎn)速標(biāo)么值小時(shí)線性度好。

第六節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號控制、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成為角位移或直線位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組輸入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步，因此被稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分三大類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這三類步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理基本相同。下面僅以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理如圖8.21所示。從結(jié)構(gòu)上看步進(jìn)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)類似，也是凸極結(jié)構(gòu)。不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以是定、轉(zhuǎn)子雙邊凸極結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)子單邊凸極結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)小步距角運(yùn)行，定、轉(zhuǎn)子主極上一般開有若干個(gè)齒槽。因此，步進(jìn)電機(jī)輸出步距角的精度主要取決于自身的結(jié)構(gòu)。

圖8.21反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理(a)相通電(b)相通電(c)相通電從圖8.21可見，三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，由于磁力線有力圖通過磁阻最小路徑的特性，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，l—3號齒與定子A相繞組軸線重合，如圖8.21（a)所示；當(dāng)A相斷電而B相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角，轉(zhuǎn)子的2—4號齒與定子B相繞組軸線重合，如圖8.21(b)所示；同樣，當(dāng)B相斷電而C相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角，1—3號齒與定子C相繞組軸線重合，如圖8.21(c)所示?？梢姡ㄗ永@組按照ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子一步步沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。若改變通電順序，使之按ACBA順序通電，則轉(zhuǎn)子將一步步沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。其中，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身又有單段式和多段式之分。上面介紹的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只是單段式結(jié)構(gòu)。下面對除單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以外的各類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)分別作簡單介紹。（1）多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖8.22為兩段式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每段鐵芯沿圓周方向開有數(shù)量、形狀相同的齒槽，并且各段定子(或轉(zhuǎn)子)鐵芯沿圓周方向依次錯(cuò)開1/m齒距。每段繞組組成單獨(dú)一相，m段組成m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角較小，故起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。其缺點(diǎn)是：鐵芯錯(cuò)位工藝復(fù)雜，精度不易保證，且功率消耗較大，斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩。

圖8.22兩段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)（2）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼，永久磁鋼的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同，如圖8.23給出了永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。注意：相繞組只畫出了一部分。圖中，定子采用兩相繞組，每相包括兩對磁極。轉(zhuǎn)子則采用兩對極的星形磁鋼。由該圖不難看出，當(dāng)采用二相四拍通電方式，定子繞組按照AB(－A)(一B)A順序輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，步距角為45°。圖8.23永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：步距角大，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，需要正、負(fù)脈沖供電。但這種步進(jìn)電機(jī)消耗的功率小，斷電時(shí)具有自鎖能力。（3）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。其定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由環(huán)形磁鐵和兩段鐵芯組成。每段鐵芯沿外圓周方向開有小齒，兩段鐵芯上的小齒彼此錯(cuò)開1/2齒距。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，消耗的功率也較小，且斷電時(shí)具有自鎖能力，因而兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：需正、負(fù)脈沖供電，制造復(fù)雜。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度稱為步距角。（1）三相單三拍運(yùn)行方式

A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中“單”是指任何時(shí)刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個(gè)周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，對?yīng)其步距角。（2）三相雙三拍通電方式

三相雙三拍通電方式是指：任何時(shí)刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序?yàn)锳BBCCAAB，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則通電順序變?yōu)锳CCBBAAC。三相雙三拍通電方式下，轉(zhuǎn)子的步距角與單三拍相同。即對于三相六極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角仍為。三相雙三拍通電方式因轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)相反方向上的轉(zhuǎn)矩而平衡，故轉(zhuǎn)子振動(dòng)小、運(yùn)行穩(wěn)定。（3）三相單、雙六拍通電方式

三相單、雙六拍通電方式是指：三相繞組中，單相、兩相定子繞組輪流通電，其順序?yàn)锳ABBBCCCAA，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則通電順序變?yōu)锳ACCCBBBAA。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角變?yōu)閱稳牡囊话?，即。?）小步距角反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)通電方式為了減小步距角，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均采用多齒結(jié)構(gòu)，如圖8.24所示。三相小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子仍采用三對磁極，在同一直徑的磁極繞組構(gòu)成一相。所不同的是定子極靴與轉(zhuǎn)子鐵芯上均開有多個(gè)小齒槽，而且定、轉(zhuǎn)子的齒寬與槽寬均相等。

圖8.24小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于同一直徑上的相對磁極為一相，這兩個(gè)磁極上定、轉(zhuǎn)子齒槽相對位置完全相同；并且當(dāng)某一相兩個(gè)極下定、轉(zhuǎn)子齒槽完全對齊時(shí)，要求相鄰磁極下定、轉(zhuǎn)子齒的軸線應(yīng)錯(cuò)開1/m個(gè)轉(zhuǎn)子齒距t，見圖8.25。只有這樣，才能確保經(jīng)過一個(gè)通電周期后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。圖8.25小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)展開圖

滿足以上條件的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為式中，2p為定子繞組通電時(shí)在圓周上形成的磁極個(gè)數(shù)；m為定子相數(shù)；K為正整數(shù)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一個(gè)通電周期后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，一個(gè)通電周期由N拍組成，即轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距需要N拍，則每拍(或每個(gè)電脈沖)作用下轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移即步距角為

上式表明，步距角與轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)N有關(guān)。而拍數(shù)N又與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)和通電方式有關(guān)。要想減小，除了在步進(jìn)電機(jī)本體選擇時(shí)盡量考慮使用定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)較多的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外，也可以通過增加拍數(shù)N達(dá)到減小步距角的目的。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子繞組的輸入脈沖保持嚴(yán)格的比例步關(guān)系。若通電脈沖的頻率為f(拍／秒)，則經(jīng)過一個(gè)通電周期(即N個(gè)電脈沖)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距所用的時(shí)間為N/f秒，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周所用的時(shí)間為秒。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為第六章

同步電機(jī)

同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)*同步電機(jī)基本原理*三相同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性第一節(jié)三相同步電動(dòng)機(jī)

一．異步電動(dòng)機(jī)的同步化和三相同步電動(dòng)機(jī)的工作原理1．異步電動(dòng)機(jī)的同步化將三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組供電方式加以改變，直接由直流電源供電，使其由原先流過低頻交流電流改變?yōu)橹绷麟娏?，所形成的磁通勢及其磁場的極對數(shù)與定子旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)一致，三相異步電動(dòng)機(jī)就可變成三相同步電動(dòng)機(jī)而穩(wěn)定運(yùn)行（見圖6-1）圖6-1異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的接線圖

2.同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

可以看出：同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組完全相同，其作用是通入三相交流電后，可產(chǎn)生一個(gè)三相旋轉(zhuǎn)磁場，來帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的固定磁場一起轉(zhuǎn)動(dòng)，利用兩個(gè)磁場之間的相互吸引而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩．同步電機(jī)和其他類型的電機(jī)一樣，也遵循可逆原理，可按電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，也可按發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行圖5同步電機(jī)的物理模型a發(fā)電機(jī)運(yùn)行

b理想空載

c電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

二.同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1.定子:同異步電機(jī)沒什么區(qū)別.2.轉(zhuǎn)子:顯(凸)極式，可用于同步電動(dòng)機(jī);隱極式，既可用于同步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步發(fā)電機(jī)圖a)顯極式圖b)隱極式1凸極式：有上圖可見，轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵(lì)磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。大型同步發(fā)電機(jī)通常用汽輪機(jī)或水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，故前者稱為汽輪發(fā)電機(jī)，后者稱為水輪發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)速高，采用隱極式。水論發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)速低，采用凸極式。三同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運(yùn)行時(shí)，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流。3）額定功率：是指在正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率。A：對于發(fā)電機(jī)而言：輸出的是電功率。B：對于電動(dòng)機(jī)而言：輸出的是機(jī)械功率。單位是KW。4)相數(shù)m：一般m=3。5)額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定=50Hz.6)額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機(jī)的同步速，在一定極數(shù)及頻率時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是定值。四.電動(dòng)勢平衡方程式及相量圖轉(zhuǎn)子的磁場:定子的電勢:五．運(yùn)行特性

同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作，調(diào)速和起動(dòng)三個(gè)方面,由于同步電機(jī)調(diào)節(jié)輸出功率以及調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流都會(huì)引起運(yùn)行情況的改變，因此宜用勵(lì)磁電流和輸出功率作為參數(shù)來分析同步電機(jī)的運(yùn)行特性．即：功角特性：同步電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁電流不變的條件下，輸出有功功率或電磁功率改變時(shí)的特性.同步電機(jī)的負(fù)載變化，即機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化不會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化。所以同步電動(dòng)機(jī)電磁功率與相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載而變化的情況不能用與轉(zhuǎn)速的關(guān)系去表征，要用所謂功角特性去描述V形曲線：表明同步電動(dòng)機(jī)在有功功率輸出不變或電磁功率不變的條件下，改變勵(lì)磁電流引起電樞電流及功率因數(shù)如何變化的曲線

(一)功角特性和V形曲線同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程轉(zhuǎn)距方程忽略定子電阻的相量圖(6-14)(6-15)(6-16)(6-17)忽略定子銅損后的電磁功率:(6-18)將(6-14)代入(6-16)式,得:１功角特性當(dāng)電源電壓U＝UN，勵(lì)磁電流If＝常數(shù)以及φo

及Eo均為常數(shù)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem（或電磁轉(zhuǎn)矩Tem）與功率角θ的關(guān)系：Pem[或Tem＝f(θ)]如（圖6-10），被稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（或矩角特性）即：圖6-10同步電動(dòng)機(jī)的功角特性見圖6-11和圖6-12解釋(6-19)(6-20)2V形曲線

是U=UN,f=fN且在恒功率時(shí)，變勵(lì)磁If的條件下，將定子電流I與對應(yīng)的勵(lì)磁電流If描成曲線，由于形似“V”字，故得所謂V形曲線:I=(If).輸出功率不變,就是有功功率(有功電流)不變的情況下調(diào)節(jié)電機(jī)的無功功率(無功電流)看圖(6-13)：

圖6-13對應(yīng)一定功率，有一條V形曲線，如此可得一簇曲線（見圖6-14）圖6-14同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線(二).轉(zhuǎn)速特性及起動(dòng)步驟

同步電機(jī)在電源頻率恒定使定子合成磁場轉(zhuǎn)速恒定的條件下，其轉(zhuǎn)速必為同步轉(zhuǎn)速n0，是不可調(diào)節(jié)的，而平均電磁轉(zhuǎn)矩卻為零，即

Temav=Tem(t)dt=0因?yàn)橥诫姍C(jī)僅在運(yùn)行時(shí)才有平均電磁轉(zhuǎn)矩，而起動(dòng)過程是非同步運(yùn)行狀態(tài)，所以同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)，可采用異步起動(dòng)啟動(dòng)（見圖6-16）圖6-16同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)的線路圖

同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程可以分為兩個(gè)階段：（1）首先按感應(yīng)電機(jī)方式起動(dòng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步速；（2）加直流勵(lì)磁，使轉(zhuǎn)子拉入同步。由于磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，凸極式同步電動(dòng)機(jī)很容易拉入同步。甚至在未加勵(lì)磁的情況下，有時(shí)轉(zhuǎn)子也能拉入同步。因此，為了改善起動(dòng)性能，同步電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)采用凸極式結(jié)構(gòu)。注意：當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)按感應(yīng)電機(jī)方式起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組絕對不能開路！必須短路！第八章單相異步電動(dòng)機(jī)及控制電機(jī)第一節(jié)單相異步電動(dòng)機(jī)

單相異步電動(dòng)機(jī)是由單相電源供電運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，只需單相電源，廣泛用于家用電器、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械等，功率從幾瓦到幾百瓦。一、單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用鼠籠式。定子上有兩相繞組，在空間互差電角度，一相為主繞組；另一相為輔助繞組，又稱啟動(dòng)繞組。一相繞組單獨(dú)通入交流電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通勢為脈振磁通勢，兩相繞組同時(shí)相位不同的交流電流時(shí)，在電機(jī)中產(chǎn)生的磁通勢一般為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢。第一節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。根據(jù)使用電源的不同，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達(dá)上千瓦；而交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。

(一)工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，所以有時(shí)也叫兩相伺服電動(dòng)機(jī)。如圖7.4所示，電機(jī)定子上有兩相繞組，一相叫勵(lì)磁繞組f，接到交流勵(lì)磁電源Uf上，另一相為控制繞組C，接入控制電壓Uc，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵(lì)磁電壓Uf和控制電壓Uc頻率相同。圖7-1交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖

交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。當(dāng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組接到勵(lì)磁電壓Uf上，若控制繞組加上的控制電壓UC為0V時(shí)（即無控制電壓），所產(chǎn)生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場，電機(jī)無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)控制繞組加上的控制電壓UC≠0V，且產(chǎn)生的控制電流與勵(lì)磁電流的相位不同時(shí)，建立起橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場（若IC與If相位差為90°時(shí)，則為圓形旋轉(zhuǎn)磁場），于是產(chǎn)生起動(dòng)力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，那么當(dāng)控制信號消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降些，但仍會(huì)繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。從單相異步電動(dòng)機(jī)理論可知，單相繞組通過電流產(chǎn)生的脈振磁場可以分解為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場，正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩T+，起拖動(dòng)作用，反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩T-，起制動(dòng)作用，正轉(zhuǎn)矩T+和負(fù)轉(zhuǎn)矩T-與轉(zhuǎn)差率S的關(guān)系如圖7-2虛線所示，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T應(yīng)為正轉(zhuǎn)矩T+和負(fù)轉(zhuǎn)矩T-的合成，在圖中用實(shí)線表示。

(a)

(b)

(c)

圖7-2

交流伺服電動(dòng)機(jī)自轉(zhuǎn)的消除

如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，那么轉(zhuǎn)子電阻較小，其機(jī)械特性如圖7-2（a）所示，當(dāng)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，S+<1，T+>T-,合成轉(zhuǎn)矩即電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T=T+-T->0，所以，即使控制電壓消失后，即UC=0V，電機(jī)在只有勵(lì)磁繞組通電的情況下運(yùn)行，仍有正向電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子仍會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只不過電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有降低而已，于是產(chǎn)生“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象而失控?！白赞D(zhuǎn)”的原因是控制電壓消失后，電機(jī)仍有與原轉(zhuǎn)速方向一致的電磁轉(zhuǎn)矩。消除“自轉(zhuǎn)”的方法是消除與原轉(zhuǎn)速方向一致的電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與原轉(zhuǎn)速方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)UC=0V在時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^增加轉(zhuǎn)子電阻的辦法來消除“自轉(zhuǎn)”。增加轉(zhuǎn)子電阻后，正向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩

Tm+時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率Sm+隨轉(zhuǎn)子電阻的增加而增加，而反向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率

sm-=2-sm+相應(yīng)減小，合成轉(zhuǎn)矩即電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩則相應(yīng)減小，如圖7-2（b）所示。如果繼續(xù)增加轉(zhuǎn)子電阻，使正向磁場產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的sm+≥1，使正向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)制動(dòng)到停止；若電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，則在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為正值，也為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，也使電機(jī)制動(dòng)到停止，從而消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，如圖7-2（c）所示。所以要消除交流伺服電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，必須滿足：≥1即

≥

增大轉(zhuǎn)子電阻，使≥

不僅可以消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，還可以擴(kuò)大交流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。但轉(zhuǎn)子電阻過大，會(huì)降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而影響快速響應(yīng)性能。(二)基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子與異步電動(dòng)機(jī)類似，在定子槽中裝有勵(lì)磁繞組和控制繞組，而轉(zhuǎn)子主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：1籠型轉(zhuǎn)子這種籠型轉(zhuǎn)子和三相異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子一樣，但籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條采用高電阻率的導(dǎo)電材料制造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，宜把籠型轉(zhuǎn)子做成又細(xì)又長，以減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2非磁性空心杯轉(zhuǎn)子如圖7-3所示，非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)定子：外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵(lì)磁繞組和控制繞組，而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場作用下，杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流再與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使杯形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如圖7-3所示，非磁性空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)定子：外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵(lì)磁繞組和控制繞組，而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場作用下，杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流再與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使杯形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。由于非磁性空心杯轉(zhuǎn)子的壁厚約為0.2～0.6mm，因而其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，故電機(jī)快速響應(yīng)性能好，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)平滑，無抖動(dòng)現(xiàn)象。由于使用內(nèi)外定子，氣隙較大，故勵(lì)磁電流較大，體積也較大。

圖7-3

非磁性空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖1-空心杯轉(zhuǎn)子；2-外定子；3-內(nèi)定子；4-機(jī)殼；5-端蓋(三)控制方式如果在交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和控制繞組上分別加以兩個(gè)幅值相等、相位差90°電角度的電壓，那么電機(jī)的氣隙磁場是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如果改變控制電壓Uc的大小或相位，那么氣隙磁場是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，控制電壓Uc的大小或相位不同，氣隙的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式有三種：

１）幅值控制幅值控制通過改變控制電壓

的大小來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，

,那么控制信號的大小可表示Ｕc＝ＵcN

,稱為有效信號系數(shù)，那么以Ｕcn為基值,控制電壓的標(biāo)么值為：2）相位控制這種控制方式通過改變控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。如圖所示，勵(lì)磁繞組直接接到交流電源上，而控制繞組經(jīng)移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差,Sin稱為相位控制的信號系數(shù)。改變與相位差的大小，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相位控制的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性與幅值控制相似，也為非線性。3）幅值—相位控制:如圖所示,我們還可以通過同時(shí)改變幅值和相位的方法來實(shí)現(xiàn)對控制電壓的改變:幅度—相位控制線路簡單，不需要復(fù)雜的移相裝置，只需電容進(jìn)行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，因而成為使用最多的控制方式。(四)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性1

機(jī)械特性機(jī)械特性是指控制電信號一定時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系在一個(gè)表征控制電信號的系數(shù)為一定值的條件，控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，這個(gè)系數(shù)對于:a.幅值控制方式ae=Uc/U's=Uc/U'f-->(式1)b.相位控制方式

ae=Ucsinb/U's=Ucsinb/Uc=sinb-->（式2）c.幅－相控制方式ae=Uco/U's-->(式3）具體機(jī)械特性見下圖(四)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性1

機(jī)械特性機(jī)械特性是指控制電信號一定時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系(1)幅值控制方式(2)相位控制方式Sin稱為相位控制的信號系數(shù)。(3)幅－相控制方式見187頁圖7-4機(jī)械特性

1調(diào)節(jié)特性所謂調(diào)節(jié)特性，就是表示輸出轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)速與控制電信號變化的關(guān)系

調(diào)節(jié)特性就是表示在不同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制信號而改變的關(guān)系曲線的（見下圖）圖7-5調(diào)節(jié)特性a幅值控制

b相位控制

c幅－相控制二、

直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理與普通的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同，只不過直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小而已。當(dāng)直流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組都通過電流時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，當(dāng)其中的一個(gè)繞組斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)，故輸入的控制信號，既可加到勵(lì)磁繞組上，也可加到電樞繞組上：a)若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；b)若把控制信號加到勵(lì)磁繞組上進(jìn)行控制，這種方式叫磁場控制。磁場控制有嚴(yán)重的缺點(diǎn)（調(diào)節(jié)持性在某一范圍不是單值函數(shù)，每個(gè)轉(zhuǎn)速對應(yīng)兩個(gè)控制信號），使用的場合很少。1.電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性

控制線路見圖7-6

機(jī)械特性表達(dá)式Tem=CTFUc/ra-CeCTF2n/ra

或

T=Tem/TemB=a-n/nB=a-V

從上式可看出，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是線性的見下圖

圖7-6電樞控制線路圖圖7-7電樞控制時(shí)的機(jī)械特性第二節(jié)

測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)是一種檢測元件，主要用途有1.產(chǎn)生加速或減速的信號2.在計(jì)算裝置中作計(jì)算元件3.對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制對測速發(fā)電機(jī)的要求:1.輸出電壓與轉(zhuǎn)速成嚴(yán)格的線性關(guān)系;2.輸出電動(dòng)勢斜率要大.測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，它把輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比：U2=Cn測速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩大類。交流測速發(fā)電機(jī)分為同步測速發(fā)電機(jī)和異步測速發(fā)電機(jī)。1.交流異步測速發(fā)電機(jī)（1）結(jié)構(gòu)及工作原理交流異步測速發(fā)電機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型的，也有杯型的，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)。空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)定子上有兩個(gè)在空間上互差90°電角度的繞組，一為勵(lì)磁繞組，另一為輸出繞組，如圖所示。

就信號轉(zhuǎn)換而言，交流側(cè)其輸出繞組中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢E與轉(zhuǎn)速n成正比E=4.44f1N2KCFdn/√2=C'n這樣，異步測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速信號變成電壓信號，實(shí)現(xiàn)測速的目的2.主要誤差（1）線性誤差轉(zhuǎn)子杯回路中除變壓器電動(dòng)勢E'r2外，又出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢End，引起Ir2及I1的變化，使U2＝C'n遭到破壞，從而造成線性誤差（2）相位誤差輸出電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位誤差是勵(lì)磁繞組以及杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)的漏阻抗壓降引起的所謂相位誤差是指在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位的變化量（3）剩余誤差交流異步測速發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁電壓以后，雖轉(zhuǎn)子停止，往往還會(huì)有輸出電壓，使控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度大為降低.其原因一是制作工藝不良，二是導(dǎo)磁材料不均勻以及非線性所致

二.直流測速發(fā)電機(jī)

1.結(jié)構(gòu)和工作原理

直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通小型直流發(fā)電機(jī)相同，磁極由永久磁鐵制成，勵(lì)磁方式采用他勵(lì)式

直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理和直流發(fā)電機(jī)相同(見下圖）

感應(yīng)電動(dòng)勢的公式為Eo＝pZFon/60a=CeFon（1）p－極對數(shù)Z－電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)a－電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)在有負(fù)載時(shí)，輸出電壓為U=Eo-IRa=Eo-URa/RL（2）把式2代入式3可得

U=CdFon/(1+Ra/RL)

2.誤差

直流測速發(fā)電機(jī)在無信號輸入時(shí)，直流測速發(fā)電機(jī)中不會(huì)出現(xiàn)剩余電壓，又無相位誤差，而線性誤差還是存在的，即輸出特性不是嚴(yán)格的曲線關(guān)系，造成這種非線性誤差的原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）電樞反應(yīng)直流測速發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞電流會(huì)產(chǎn)生電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通Φ0減小，輸出特性斜率

減小越明顯，輸出特性直線變?yōu)榍€。（2）溫度的影響如果直流測速發(fā)電機(jī)長期使用，其勵(lì)磁繞組會(huì)發(fā)熱，其繞組阻值隨溫度的升高而增大，勵(lì)磁電流因此而減小，從而引起氣隙磁通

減小，輸出電壓減小，特性斜率

減小。（3）接觸電阻電樞電路總電阻包括電刷與換向器的接觸電阻

第一節(jié)

自整角機(jī)

自整角機(jī)廣泛應(yīng)用于隨動(dòng)系統(tǒng)中，能對角位移或角速度的偏差進(jìn)行自動(dòng)地整步。自整角機(jī)通常是兩臺(tái)或兩臺(tái)以上組合使用，產(chǎn)生信號的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，它將軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號，接收信號的自整角機(jī)稱為接收機(jī)，它將發(fā)送機(jī)發(fā)送的電信號變換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。在隨動(dòng)系統(tǒng)中主令軸只有一根，而從動(dòng)軸可以是一根，也可以是多根，主令軸安裝發(fā)送機(jī)，從動(dòng)軸安裝接受機(jī)，故而一臺(tái)發(fā)送機(jī)帶一臺(tái)或多臺(tái)接受機(jī)。主令軸與從動(dòng)軸之間的角位差，稱為失調(diào)角。自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，通常做成兩極電機(jī)。自整角機(jī)的定子鐵芯嵌有三相對稱分布繞組，稱為整步繞組，也叫同步繞組，聯(lián)結(jié)為星形接法。

圖7-18自整角機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

1－定子

2－轉(zhuǎn)子

3－阻尼繞組

4－電刷

5－接線柱

6－集電環(huán)轉(zhuǎn)子上放置單相勵(lì)磁繞組，可以做成凸極結(jié)構(gòu)，如圖7-18a，也可做成隱極結(jié)構(gòu)，如圖7-18c，這兩種方式都是勵(lì)磁繞組經(jīng)集電環(huán)和電刷后接勵(lì)磁電源。另外，也可把定子做成凸極式，轉(zhuǎn)子做成隱極式，如圖7.26b，三相整步繞組嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，并經(jīng)集電環(huán)和電刷引出，而單相勵(lì)磁繞組安裝在定子凸極上。(a)

(b)

(c)

圖7-18

自整角機(jī)定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式

二.工作原理

1.力矩式自整角機(jī)的工作原理

力矩式自整角機(jī)主要用在指示系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)角度的傳輸

接線圖（見圖7-19）

在隨動(dòng)系統(tǒng)中，不需放大器和伺服電動(dòng)機(jī)的配合，兩臺(tái)力矩式自整角機(jī)就可進(jìn)行角度傳遞，因而常用以轉(zhuǎn)角指示。兩臺(tái)自整角機(jī)是相同的，左邊的一臺(tái)作發(fā)送機(jī)，右邊的一臺(tái)作接收機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接到同一單相交流電源上，三相整步繞組對應(yīng)相接。

同步繞組中出現(xiàn)差額電動(dòng)勢ΔE+及ΔE-，它們各自在同步繞組回路中產(chǎn)生對稱的三相環(huán)流I+=ΔE+/2Z=-I'+I-=ΔE-/2Z=-I'--->（式1）Z為自整角機(jī)的短路阻抗由此產(chǎn)生的四個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Tem+=CmE+I+cosΦ>0Tem-=CmE-I-cosΦ<0Tem'+=CmE'+I'+cosΦ<0Tem'-=CmE'-I'-cosΦ>0

-->（式2）在發(fā)送機(jī)中，Tem＋和Tem-促使同步繞組向縮小φ角方向轉(zhuǎn)動(dòng)；在接收機(jī)中，Tem'+和Tem'-促使同步繞組與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，這樣，四個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩都力圖使兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到同一位置起整步作用2.控制式自整角機(jī)的工作原理把發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組互相垂直