24454-2A,第2章 旋 转 电 机,旋转电机有直流电机与交流电机两大类，此外还有步进电机、伺服电机等控制电机。交流电机可分为同步电机与异步电机，异步电机按用途来分可分为异步发电机和异步电动机。异步电动机又有三相异步电动机和单相异步电动机。其中三相异步电动机结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，是各种电动机中应用最广、需求量最大的电动机。,24454-2A,2.1 三相异步电动机的基本结构,1.定子 2.转子 3.其他附件 4.气隙,24454-2A,2.1 三相异步电动机的基本结构,图2-1 三相异步电动机的结构示意图,24454-2A,2.1 三相异步电动机的基本结构,图2-2 定子机座与定子铁心,24454-2A,1.定子,(1)定子铁心 定子铁心有两个作用：一是用来嵌放定子绕组；二是作为电动机磁通通路。 (2)定子绕组 定子绕组是定子的电路部分，一般采用漆包铜线绕制而成，共分三组，分布在定子铁心槽内，它们在定子内圆周空间上彼此相隔120，构成对称的三相绕组。 (3)机座 机座的作用是固定定子铁心和定子绕组，并通过两侧的端盖和轴承来支撑电动机转子，同时起保护整台电动机的电磁部分以及发散电动机在运行过程中产生的热量。,24454-2A,图2-3 三相定子绕组接线盒与原理接线,24454-2A,2.转子,(1)转子铁心 转子铁心也有两个作用：一是用来安置转子绕组；二是作为电动机磁路的一部分。 (2)转子绕组 转子绕组有笼型和绕线转子两种结构。,24454-2A,图2-4 笼型转子结构示意图,24454-2A,图2-5 三相绕线转子异步电动机,24454-2A,3.其他附件,(1)轴承 用来连接转动部分与固定部分，目前都采用滚动轴承以减小摩擦阻力。 (2)轴承端盖 用来保护轴承，使轴承内的润滑脂不至于溢出，并防止灰、砂、脏物等浸入润滑脂内。 (3)风扇 用于冷却电动机。,24454-2A,4.气隙,为了保证电动机的正常运转，在定子与转子之间留有一定的空气隙。气隙的大小对三相异步电动机的性能影响极大。气隙大则磁阻大，由电源提供的励磁电流大，使电动机运行的功率因数低。但气隙过小时，将使装配困难，容易造成运行中定子与转子铁心相碰，一般空气隙约为0.21.5mm。,24454-2A,2.2 旋转磁场,1.旋转磁场的产生 2.旋转磁场的旋转方向 3.旋转磁场的旋转速度,24454-2A,1.旋转磁场的产生,1)在t=0的瞬间，iU=0，故U相绕组中无电流；iV为负，假定电流从绕组末端V2流入，从首端V1流出；iW为正，则电流从绕组首端W1流入，从末端W2流出。 2)在t=/2的瞬间，iU为正，则电流从U相绕组首端U1流入，从末端U2流出；iV为负，电流从V相绕组末端V2流入，从首端V1流出；iW为负，电流从绕组末端W2流入，从首端W1流出。 3)在t=、3/2的瞬间，继续按上法分析t=、3/2时刻三相交流电在三相绕组中产生的合成磁场，可得图2-7d、e。,24454-2A,1.旋转磁场的产生,图2-6 定子绕组结构示意图,24454-2A,1.旋转磁场的产生,图2-7 两极定子绕组旋转磁场图,24454-2A,2.旋转磁场的旋转方向,在图2-7中，三相交流电的相序为UVWU，从三相绕组的结构来看，三相相序为顺时针方向，而据此分析出旋转磁场的方向也为顺时针方向。如将三相交流电的相序改为UWVU，则旋转磁场的方向将变为逆顺时针方向(可自行分析)。 由此可得出结论：旋转磁场的旋转方向取决于通入定子绕组的三相交流电源的相序，且与三相交流电源的相序方向一致。只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。,24454-2A,3.旋转磁场的旋转速度,(1)极对数p=1时 以上讨论的是p=1即2极三相异步电动机定子绕组所产生的磁场，由分析可知，当三相交流电变化一个周期后(即每相经过360电角度)，其所产生的旋转磁场也正好旋转一周。 (2)极对数p=2时 当p=2时，2p=4即为4极三相异步电动机，采用与前面相似的分析方法可知：当三相交流电变化一个周期(即每相经过360电角度)时，4极电机的合成磁场只旋转了半周(即转过180机械角度)，所以在4极电机的旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度的一半，即n1=60/2f1=1500r/min。,24454-2A,2.3 三相异步电动机的基本工作原理,1.异步电动机的旋转原理 2.转差率s,24454-2A,1.异步电动机的旋转原理,1)当在三相对称的定子绕组中通入三相对称的交流电流后，电动机内将产生一个旋转磁场，其转速为同步转速n1，方向为顺时针方向。 2)旋转磁场切割转子导体，根据电磁感应定律，转子导体中将产生感应电动势；由于转子导体自成闭合回路，因此该电动势将在转子导体中形成电流；其电动势、电流方向可用右手定则判定。 3)依据安培定律，有电流流过的转子导体在旋转磁场中将受到电磁力F的作用，其方向可用左手定则判定，如图中箭头所示，该电磁力F对转轴形成电磁转矩，带动异步电动机转子以转速n旋转。,24454-2A,1.异步电动机的旋转原理,图2-8 三相异步电动机 工作原理,24454-2A,2.转差率s,1)当转子静止，即n=0时，s=1。 2)当转子转速等于同步转速，即n=n1时，s=0。 3)电动机在正常状态下运行，即0nn1时，0s1。 4)当异步电动机在额定状态下运行时，其额定转速nN与同步转速n1较为接近，额定转差率sN较小，约在0.010.06之间。 5)当异步电动机空载运行时，由于电动机只需克服空气阻力与摩擦阻力，故转速n与同步转速n1相差甚微，转差率s很小，约为0.0040.007。,24454-2A,2.4 三相异步电动机的铭牌,1.型号 2.额定电压UN 3.额定电流IN 4.额定功率PN 5.额定频率fN 6.额定转速nN 7.接法 8.防护等级 9.绝缘等级 10.定额工作制,24454-2A,2.4 三相异步电动机的铭牌,表2-1 三相异步电动机的铭牌,24454-2A,1.型号,1-2.TIF,24454-2A,2.额定电压UN,电动机在铭牌上所规定的额定值和工作条件下运行称为额定运行。额定电压UN表示电动机在额定工作状态下运行时，加在电动机定子绕组上的线电压，单位为V。,24454-2A,3.额定电流IN,指在额定状态下运行时，流入电动机定子绕组中的线电流，单位为A。,24454-2A,4.额定功率PN,指电动机在额定状态下运行时，转子轴上输出的机械功率，单位为kW。对于三相异步电动机，其额定功率为 PN=3UNINNcosN10-3(2-3) 式中 N电动机的额定效率； cosN电动机的额定功率因数。,24454-2A,5.额定频率fN,在额定状态下运行时，电动机定子绕组所接电源的频率。,24454-2A,6.额定转速nN,在额定状态下运行时电动机的转速，单位为r/min。,24454-2A,7.接法,电动机定子三相绕组的连接方法，有星形(Y)和三角形()两种接法。,24454-2A,8.防护等级,电动机外壳防护的方式。IP11是开启式，IP22、IP23是防护式，IP44是封闭式。IP后面第一个数字表示防尘等级，第二个数字表示防水等级，且数字越大表示防护能力越强。,24454-2A,9.绝缘等级,表2-2 绝缘材料耐热性能等级,24454-2A,10.定额工作制,1)连续定额S1：表示电动机按铭牌规定的额定值工作时可以长期连续运行。 2)短时定额S2：表示电动机按铭牌规定的额定值工作时只能在规定的时间内短时运行。 3)断续定额S3：表示电动机按铭牌值工作时，运行一段时间就要停止一段时间，按一定周期重复运行。,24454-2A,2.5 三相异步电动机的起动,电动机的起动是指接通电源后电动机由静止状态加速到稳定运行状态的过程。对三相异步电动机起动性能的要求主要有以下两点。 1)起动电流要小，以减小对电网的冲击。 2)起动转矩要大，以加快起动过程、缩短起动时间。,24454-2A,2.6 单相异步电动机,1.单相异步电动机的结构和工作特点 2.电容分相式单相异步电动机,24454-2A,1.单相异步电动机的结构和工作特点,图2-9 单相异步电动机的结构,24454-2A,1.单相异步电动机的结构和工作特点,图2-10 单相脉动磁场的产生,24454-2A,2.电容分相式单相异步电动机,(1)电容运转单相电动机 前已叙述在单相异步电动机的单相定子绕组中通入单相交流电所产生的磁场是脉动磁场，如果转子绕组原来静止，则转子导体不会切割磁感线，就没有感应电流及起动转矩产生，单相异步电动机不能自行起动。 (2)电容起动单相电动机 这类电动机的起动绕组和电容器只在电动机起动时起作用，当电动机起动即将结束时，起动绕组和电容器将从电路中切除。 (3)双电容单相电动机 为了综合电容运转单相电动机和电容起动单相电动机各自的优点，近来又出现了一种电容起动、电容运转单相电动机(简称双电容单相电动机)，即在起动绕组上接有两个电容C1及2，如图2-14所示。,24454-2A,2.电容分相式单相异步电动机,图2-11 两相旋转磁场的产生,24454-2A,2.电容分相式单相异步电动机,图2-12 电容运转单相电动机,24454-2A,图2-13 电容起动单相 异步电动机,24454-2A,图2-14 双电容单相电动机,24454-2A,2.7 步进电机,步进电机是用电脉冲信号控制并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。它的运动形式与普通匀速旋转的电动机有一定差别：输入一个电脉冲，它就移进一步，所以称步进电机；又因其绕组上所加的为脉冲电源，因此又称为脉冲电动机。步进电机能快速起动、反转和制动，有较宽的调速范围，不受电压、负载及环境条件变化的影响，在数控技术、自动绘图设备、自动计量设备、工业设施的自动控制、家用电器等许多领域都得到了广泛的应用。,24454-2A,2.7.1 步进电机的类型,1.按力矩产生的原理分 2.按运动方式分 3.按输出力矩的大小分,24454-2A,1.按力矩产生的原理分,1)反应式步进电机：其定子由铁心及励磁绕组构成，转子无励磁绕组，靠定子绕组励磁后产生的反应力矩来实现转子的步进运动。 2)励磁式步进电机：定子及转子均有励磁绕组(或转子用永久磁铁)，靠定子与转子之间的电磁力矩来实现转子的步进运动。 3)混合式步进电机：定子由铁心及励磁绕组构成，转子由两段相差一定齿距的永久磁铁组成，靠定、转子的共同作用实现转子的步进运动。,24454-2A,2.按运动方式分,1)旋转型步进电机：电动机作旋转运动。 2)直线型步进电机：电动机作直线运动。,24454-2A,3.按输出力矩的大小分,1)伺服型步进电机：只用来驱动较小的负载，一般需与液压机构配合使用才能驱动机床工作台等较大负载。 2)功率型步进电机：输出功率较大，可直接用于驱动较大负载。,24454-2A,2.7.2 反应式步进电机,1.三相单三拍运行 2.三相双三拍运行 3.三相六拍运行,24454-2A,1.三相单三拍运行,图2-15 反应式步进电机工作原理图,24454-2A,2.三相双三拍运行,图2-16 三相双三拍控制步进电动机工作原理图,24454-2A,3.三相六拍运行,图2-17 小步距角的三相反应式步进电机,24454-2A,2.8 伺服电动机,近年来，随着电子技术的发展及自动化程度的不断提高，伺服电动机的应用范围日益扩大，要求也不断提高，出现了许多新的结构形式，如印制绕组电枢直流伺服电动机、无刷直流伺服电动机、无槽电枢直流伺服电动机等。 伺服电动机虽然种类繁多，用途也日益广泛，但自动控制系统对它的基本要求可归结如下： 1)较宽的调速范围：即要求伺服电机的转速在较宽的范围内能随着控制电压的改变而可连续调节。 2)线性的机械特性和调节特性：要求伺服电动机的转速随转矩的变化或控制电压的变化呈线性关系。 3)快速响应：