电机培训教案

第一讲：三相笼型异步电动机

一、三相笼型异步电动机的甚本结构

三相笼型异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，如图4一1所示。

三相异步电动机的定子部分，包括机座、定子铁心和定子绕组。机座用铸铁或铸钢制成，它支承着定子铁心。定子铁心由互相绝缘的硅钢片叠制而成。铁心的内圆有槽孔，定子绕组嵌在槽内，如图4一2所示。

定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成。三相绕组的各相绕组彼此独立，按互

0差120电角度嵌放在定子槽内，并与铁心绝缘。以U1，V1，W1分别代表三个绕组的首端，以U2，V2，W2分别代表三个绕组末端。

笼型异步电动机转子是由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。转子铁心是由外圆有槽孔的硅钢片叠制而成，槽内放置铜条（或铸铝），在铁心两端分别用导电的端环将槽孔内的铜条连接起来，形成回路，如果去掉转子铁心，转子的结构呈笼型，如图4一3所示。 。

二、三相笼型异步电动机的工作原理

1．两极定子绕组的旋转磁场

在三相笼型异步电动机中，旋转磁场是由定子绕组中三相交流电产生的。图4一5a 表示作

0星形连接的三相对称定子绕组U1一U2,Vl 一V2，Wl 一W2，三个绕组在空间互成120排列。

当把它们的首端U1，V1，W1接在三相对称正弦交流电源上时，便有三相对称的电流流过三个绕组，如图4一5b 所示。各相电流的相位差都是120如图4一6所示。三相绕组中通过正弦交流电，则每个绕组都会产生一个按正弦规律变化的磁场，下面讨论在几个不同瞬时这三个磁场的合成磁场。为讨论问题方便，这里规定：三相交流电为正半周时，电流由绕组的首端流人，从末端流出；反之电流从绕组的末端流人，从首端流出。

(1)当wt=0时，i1=0，第一相绕组内没有电流，不产生磁场；i2是负值，第二相绕组的电流是由V2端流人，V1端流出；i3是正值，第三相绕组的电流是由W1端流人，W2流出。用安培定则可以确定此瞬时的合成磁场为一对磁极，如图4一7a 所示。 0

图4一7两极旋转磁场

(2)当wt=90时，i1由零值变到最大值，第一相绕组的电流是由U1端流人，U2端流出；i2仍为负值，电流仍由V2端流人，V1端流出；i3变为负值，电流由W2端流人，W1端流出。此时电流产生的合成磁场如图4一7b 所示。可以看出，此时的合成磁场仍是一对磁极，但合

成磁场的方向已从wt=0时的位置沿顺时针方向转过了90 0

(3）同理，当wt ＝180，wt ＝270，wt ＝360时，合成磁场方向从wt ＝0时的位置沿顺

000时针方向分别旋转了180，270和360（即一周）。以上各磁场分别如图4一7c ，d,e 所示。

由此可见，对称三相电流i1，i2,i3分别通人三相绕组后，能产生一个随时间旋转的磁场（称为旋转磁场）。上面讨论的旋转磁场只有一对磁极（一个N 极和一个S 极），所以叫做两极旋转磁场。

对两极旋转磁场来说，当三相交流电变化一周时，磁场在空间旋转一周，若交流电的频率为f 时，则磁场的转速为nl ＝f(r/s)。通常旋转磁场的转速都折合成每分钟多少转，这样两极旋转磁场的转速为n1＝60f(r/min)。

0对于四极（即二对）旋转磁场来说，交流电变化一周，磁场只转过180(1/2周），由此

类推，当旋转磁场具有p 对磁极时，每当交流电变化一周，旋转磁场就在空间转过1/p周，即当交流的频率为f 时，具有p 对磁极的磁场转速

│磁极对数 P │1 │2 │3 │4 │5 │6 │

├──────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤

│旋转磁场转速│3000│1500│1000│750 │600 │500 │

│ n1/r/min │

000

2．旋转磁场对转子的作用

定子中产生的旋转磁场将切割转子铜条，此时可把磁场看成不动，而认

为转子相对磁场运动。假设旋转磁场是顺时针方向旋转，转子相对磁场则

作逆时针转动，如图4一8所示。在转子铜条中产生的感应电动势和感应电

流，可用右手定则确定方向：在转子上半部的铜条中感应电流的方向是流出

纸面的；在转子下半部铜条中感应电流的方向是流人纸面的。

转子中产生的感应电流同时与旋转磁场作用，产生电磁力，可根据左手定则

判断出转子上顶部的铜条受力的方向向右；下顶部的铜条受力的方向向左。

这两个力大小相等，方向相反，形成电磁转矩。于是转子就跟随旋转磁场方

向转动。这就是三相笼型异步电动机的原理。

转子转速n 必定小于同步转速n1。如果n ＝n1，则转子和旋转磁场之间没有

相对运动，转子不切割磁力线，转子中不会产生感应电动势和感应电流，不

能形成电磁转矩，也就不能转动。实际上转子转速小于同步转速，即n ＜n1，

也就是说，转子转速与旋转磁场的转速是异步的，这就是异步电动机名称的 由来。

正常运行时转子的转速n 称为三相异步电动机的额定转速，一般额定转速比同步转速低2%-5%，如一对磁极的三相异步电动机的同步转速nl ＝3000r/min,正常运行时的额定转速为 n ＝2940r/min、转子的转动方向与旋转磁场的旋转方向一致，旋转磁场的转向与通入定子绕

组的三相交流电源相序有关，如果把三相电源接到定子绕组首端的三根导线中的任意两根对调位置，旋转磁场则反转，电动机也就跟着改变方向。

电机中两个转速之间的关系用转差率；S=n 1－n /n 1 。

三、三相笼型异步电动机的机械特性

1．机械特性曲线上的特殊点

(1)电动机启动瞬间，n=0,即S ＝1，可得到启动转矩（或称为堵转转矩）T 。异步电动机在启动时，转子启动电流较大。4－7倍额定电流。

(2)当转子速度达到同步转速，即n ＝n1，S ＝0，电机转矩T ＝0, 实际上异步电动机是达不到同步转速的，只是一种理想状态。

(3)电动机额定负载T M 运行时，转速为n ，转差率为S N ，最大转矩T 对应的转差率Sm , 一般电动机的Sm 值为0.04一0.14之间，

2．稳定工作区与非稳定工作区

如图所示的异步电动机机械特性曲线又可以分成稳定工作区和非稳定工作区两部分。

(1) 稳定工作区： 在Sm>S>0 范围内，

（2）非稳定工作区：在0>S>Sm 范围内

四、三相笼型异步电动机的铭牌

每台电动机都有自己的铭牌，铭牌上标有该电动机的主要性能和技术数据。这对正确使用和维护电动机都是必不可少的。图4一9所示是Y 系列电动机铭牌。

1. 型号。Y 系列电动机的型号由四部分组成：第一部分汉语拼音字母Y 表示异步电动机；第二部分数字表示机座中心高（机座不带底脚时与机座带底脚时相同）；第三部分英文字母为机座长度代号（S —短机座、M —中机座、L —长机座），字母后的数字为铁心长度代号；

第四部分横线后的数字为电动机的极数。

2. 额定功率。指在额定转速下电动机转轴输出的功率，单位是W 或kW.

3.

额定频率。指电动机在额定运行时的电源频率，一般国产交流电动机的额定频率为

50Hz 。

4额定电压。指电动机定子绕组规定使用的线电压，单位是V 或kV.

5. 额定电流。指电动机在输出额定功率时，定子绕组所允许通过的线电流，单位是A.

6. 额定转速。指电动机满载时的转子转速，单位是r/min.

7绝缘等级。指绝缘材料的耐热等级。

8. 接法。指电动机定子绕组的连接方法。若铭牌上的电压为380V 时，就表明电动机每相定子绕组的额定电压是380V ，应接成三角形。若铭牌上的电压为380/220V，接法为Y/△时，就表明电动机每相定子绕组的额定电压是220V 。所以当电源电压为380V 时，定子绕组应接成星形，当电源电压为220V 时，定子绕组应接成三角形。

9. 定额。指电动机的运转状态，通常分连续、短时和断续三种。

10. 防护等级。如IP44表示电动机外壳防护的方式为封闭式。

五、三相笼型异步电动机的反转与调速

1． 反转：改变电源相序即可。

2． 调速：有变级调速、变频调速、改变转差率调速。

第二讲：单相异步电动机

单相异步电动机是利用单相电源供电的一种小容量交流电动机。它具有结构简单、运行可靠、维修方便等优点，特别是可以直接用220 V交流电源供电，所以得到广泛应用，例如风扇、洗衣机、冰箱、小型车床等。

单相异步电动机的不足之处是它与向容量的三相异步电动机相比较，体积较大，运行性能较差，效率较低。因此，一般只制成小型和微型系列，容量一般在几瓦到几百瓦之间。

一、单相异步电动机的工作原理及分类

1、 脉动磁场的分解和合成

单相异步电动机工作绕组通人单相交流电时，产生的也是一个脉动磁场，脉动磁场如图6－1a 中分布，脉动磁场的磁通大小随电流瞬时值的变化而变化，但磁场轴线空间位置不变，因此，磁场不会旋转，当然也不会产生启动力矩。但这个磁场可以用矢量分解的方法分成两个大小相等（B 1=B2）、旋转方向相反的旋转磁场。从图6-lb 中看出：在to 时刻B 1、B 2正处在反向位置，矢量合成为零；在t 1时刻B 1顺时针旋转45, B 2逆时针旋转45, 矢量合成为B 1；在t2时刻B 1、

B 2又各转了45,

相位一致，矢量

合成为

2B ；„„如此继

续旋转下去，两

个正、反向旋转

的磁场就合成

了时间上随正

弦交流电变化

的脉动磁场。

脉动磁场分解

成两个大小相等（B1＝B2）、旋转方向相反的旋转磁场，这

两个旋转磁场产生的转矩曲线如图6-2中的两条虚线所示。

转矩曲线T 1是顺时针旋转磁场产生的，转矩曲线T 2是逆时

针旋转磁场产生的。在n=0处，两个力矩大小相等、方向相

反，合力矩T=0，在n ≠0处，两个力矩大小不相等、方向

相反，但合力矩T ≠O 。从图6-2中还可以看出，转矩曲线

T 1和T 2是以原点对称的，它们的合力矩T 是用实线画的曲

线。说明单相绕组产生的脉动磁场是没有启动力矩的，但

启动后电动机就有力矩了，电动机正反向都可转，方向由所

加外力方向决定。

000

2、单相异步电动机的分类．

为了获得单相电动机的启动转矩，通常在单相电动机定子上安装两套绕组，两套绕组

0的空间位置相差90电角度。一套是工作绕组（或称主绕组），长期接通电源工作；另一套是

启动绕组（或称为副绕组、辅助绕组），以产生启动转矩和固定电动机转向，根据启动方式的不同，就有了以下几种单相异步电动机：

(1)电阻分相式电阻启动单相异步电动机，

(2)电容分相式又可分为电容运行单相异步电动机；电容启动单相异步电动机；双值电容单相异步电动机，

(3)罩极式单相罩极式异步电动机，

二、单相电容（电阻）异步电动机

单相电容运行异步电动机的定子铁心上嵌放两套绕组，绕组的结构基本相同，空间位置上互差90电角度，如图6-3a 所示。工作绕组LZ 接近纯电感负载，其电流I LZ 相位落后电压接近90; 启动绕组LF 上串接电容器，合理选择电容值，使串联支路电流I LF 超前I LZ 约为090，绕组上电压、电流的相量如图6-3b 所示。通过电容器使两个支路电流的相位不同，所以也称为电容分相。流过两

绕组的电流I LZ 、I LF 波形如

图6-4a 所示，向空间位置上

0互差90电角度的两相定子绕

0组通人相位上互差90的电

流，也会产生旋转磁场 ，如

图6-4b 所示。所以单相异步

电动机的旋转磁场产生条件

为：

0（1) 空间上有两个相差90

电角度的绕组；

(2)通入两绕组的电流在相

0位上相差90，两绕组产生的

磁动势相等。

笼型转子在该旋转磁场作用

下获得启动转矩而使电动机

旋转，转子的转速总是小于旋

转磁场的转速，所以称为单相

异步电动机。

单相电容运行电动机结

构简单，使用维护方便，堵转

电流小，有较高的效率和功率

因数；但启动转矩较小，多用

于电风扇、吸尘器等。电风扇

的电动机结构如图6-5所示。 00

1、单相电容启动异步电动机

单相电容启动异步电动机的结构与单相电容运行异步电动机相类似、但电容启动异步电动机的启动绕组中又串联一个启动开关S ，如图6-6所示。当电动机转子静止或转速较低时，启动开关S 处于接通位置，启动绕组和工作绕组一起接在单相电源上，获得启动转矩。当电动机转速达到80%左右的额定转速时，启动开关S 断开，启动绕组从电源上切除，此时单靠工作绕组已有较大转矩，拖动负载运行。由于启动绕组只在启动阶段接人电源，设计时将启

22动绕组的电流密度设计得比较高，达30 - 50 A/mm，大大超过工作绕组的4-8 A/mm。

电容启动电动机具有较大启动转矩（一般为额定转矩的1.5一3.5倍），但启动电流相应增大，适用于重载启动的机械，例如小型空压机、洗衣机、空调器等。

2、单相电阻启动电动机

单相电阻启动电动机的结构与单相电容启动异步电动机相似，其电路如图6-7所示。工作绕组LZ 匝数多、导线较粗，可近似看成纯电感负载；启动绕组LF 导线较细，又串有启动电阻R ，可近似看成纯电阻性负载，通过电阻来分开两个支路电流的相位，也称电阻分相。启动时两个绕组同时工作，当转速达到８０％左右的额定值时，启动开关断开，启动绕组从电源上切除。实际上许多电动机的启动绕组没有串联电阻R ，而是设法增加导线电阻，从而使启动绕组本身就有较大的电阻。

单相电阻启动电动机与前两种电动机比较，节约了启动电容，具有中等启动转矩（一般为额定转矩的1.2一2倍），但启动电流较大。它在电冰箱压缩机中得到广泛的应用。

3、双值电容单相异步电动机

双值电容单相异步电动机电路如图6-8所示，C1为启动电容，容量较大；C2为工作电容，容量较小。两只电容并联后与启动绕组串联，启动时两只电容器都工作，电动机有较大启动转矩，转速上升到8ｏ％左右额定转速后，启动开关将启动电容C1断开，启动绕组上只串联工作电容C2，电容量减少。因此双值电容电动机既有较大的启动转矩（约为额定转矩的2一

2.5倍），又有较高的效率和功率因数。它广泛地应用于小型机床设备。

三、 单相异步电动机的反转与调速

1、反转

单相异步电动机反转，必须要旋转磁场反转，即把工作绕组或启动绕组中的一组首端和末端与电源的接线对调。因为异步电动机的转向是从电流相位超前的绕组向电流相位落后的绕组旋转的，如果把其中的一个绕组反接，等于把这个绕组的电流

00相位改变了180，假若原来这个绕组是超前90，则改接后就变成

0了滞后90，结果旋转磁场的方向随之改变。

有的电容运行单相电动机是通过改变电容器的接法来改变电

动机转向的，如洗衣机需经常正、反转，如图6－18所示。当定时

器开关处于图中所示位置时，电容器串联在LZ 绕组上，经过一定时

间后，定时器开关将电容从LZ 绕组切断，串联到LF 绕组，从而实

现了电动机的反转。这种单相异步电动机的工作绕组与启动绕组可

以互换，所以工作绕组、启动绕组的线圈匝数、粗细、占槽数都应

相同。

2、调速

单相异步电动机调速一般有以下方法。

1)．串电抗器调速

将电抗器与电动机定子绕组串联，利用电抗器上产生的电压降，使加到电动机定子绕组上的电压下降，从而将电动机转速由额定转速往下调，如图6-19所示。 这种调速方法简单、操作方便；但只能有级调速。

2) ．电动机绕组内部抽头调速

电动机定子铁心嵌放有工作绕组LZ 、启动绕组IF 和中间绕组LL ，通过开关改变中间绕组与工作绕组及启动绕组的接法，从而改变电动机内部气隙磁场的大小，使电动机的输出转矩也随之改变，在一定的负载转矩下，电动机的转速也变化。通常有L 形和T 形两种接法，如图6-20所示。 这种调速方法不需电抗器，材料省、耗电少，但绕组嵌线和接线复杂，电动机和调速开关接线较多，且是有级调速。

3)．晶闸管调速

利用改变晶闸管的导通角，来改变加在单相异步电动机上的交流电电压，从而调节电动机的转速，如图6-21所示。这种调速方法可以做到无级调速，节能效果好；但会产生一些电磁干扰，大量用于风扇调速。

4)．变频调速

变频调速适合各种类型的负载，随着交流变频调速技术的发展，单相变频调速已在家用电器上应用，如变频空调器等，它是交流调速控制的发展方向。

第三讲 直流电机的构造及工作原理

一、直流电机的结构与分类

实际中使用的直流电机如图7-5所示。直流电机可以分为定子和转子两大部分，定子和转子之间的空隙称为空气隙。

1、定子部分

直流电机定子主要作用是产生主磁场和作为机械的支

撑。定子包括机座、主磁极、换向磁极、端盖和轴承等。电刷

装置也固定在定子上。

1）．机座

机座有两方面的作用：一方面起导磁作用，作为电机磁路

的一部分；另一方面起支撑作用，用来安装主磁极、换向磁极，

并通过端盖支撑转子部分。

2）．主磁极

主磁极用来产生电机工作的主磁场，它由主磁极铁心和励

磁绕组组成，如图7-6所示。 主磁极铁心为电机磁路的一部分，为了减少涡流损耗，一般采用厚1一1.5mm 的钢板冲制后叠装制成，用铆钉铆紧成为一个整体。

主磁极绕组的作用是通入直流电产生励磁磁场，小型电机用电磁线绕制，大中型电机则用扁铜线绕制。

3)．换向磁极

换向磁极是位于两个主磁极之间的小磁极，又称为附加磁极。其作用是产生换向磁场，改善电机的换向。它由换向磁极铁心和换向磁极绕组组成。为了能更好的改善电动机的换向，换向磁极铁心也采用硅钢片叠片结构，固定在机座上。换向磁极绕组应当与电枢绕组串联，而且极性不能接反。小型直流电机换向不困难，一般不用换向磁极。

4)．电刷装置

电刷装置的作用是通过电刷与换向器的滑动接触，把电枢绕组中的电动势（或电流）引到外电路，或把外电路的电压、电流引人电枢绕组。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和压力弹簧等组成，如图7-7所示。 电刷要有较好的导电性和耐磨性，一般用石墨粉压制而成

2、转子（电枢）

转子通称电枢，它是产生感应电动势、电流、电磁转矩，实现能量转换的部件。它由电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇和轴等组成，如图7-8所示。

1)．电枢铁心

电枢铁心是直流电机主磁路的一部分，在铁心槽中嵌放电枢绕组。电枢铁心一般采用厚0.5mm 的表面有绝缘层的硅钢片叠压而成。图7-8中的4是铁心冲片，铁心外圆均匀地分布着嵌放电枢绕组的槽，轴向有轴孔和通风孔。

2)．电枢绕组

电枢绕组的作用是通过电流产生感生电动势和电磁转矩实现能量转换。电枢绕组通常用圆形或矩形截面的绝缘导线绕制而成，再按一定的规律嵌放在电枢铁心槽内，利用绝缘材料进行电枢绕组和铁心之间的绝缘处理。并对绕组采取紧固措施，以防旋转时被离心力抛出。

3)．换向器

换向器的作用是将电枢中的交流电动势和电流，转换成电刷间的直流电动势和电流，从而保证所有导体上产生的转矩方向一致。换向器结构如图7-9所示。

4)．转轴

转轴作用是用来传递转矩，为了使电机能可靠地运行，转轴一般用合金钢锻压加工而成。

5)．风扇

风扇用来降低运行中电机的温升。

3、直流电机的分类

按照直流电机的主磁场的不同，一般可分两大类，一类是由永久磁铁作为主磁极；而另一类是利用给主磁极绕组通人直流电产生主磁场。后一类按照主磁极绕组与电枢绕组接线方式的不同，常可以分为他励式和自励式两种，自励式又可分为并励、串励、复励等几种。

1)．永久磁铁为主磁极的直流电机

这种永磁电机，过去常用于录音机、录像机等所需功率很小、机械精度要求较高的场合。

2)．他励电机

他励电机的励磁电流由其他的直流电源供电，它与电枢绕组互不相连，如图7-11所示。他励电机的励磁电流由励磁电源电压从及串联的调节电阻RP 的大小决定，调节RP 可以调节励磁电流。

3）. 自励电机

自励电机的励磁绕组不需要独立的励磁电源，按励磁绕组连接方式的不同可分下述 三种。

(1)并励电机励磁绕组与电枢绕组并联，利用调节电阻RP 的大小可调节励磁电流。它的特点是励磁绕组匝数多，导线截面较小，励磁电流只占电枢电流的一小部分。图7-12所示是并励电机的接线图。

(2）串励电机励磁绕组与电枢绕组串联，因此励磁绕组的电流与电枢绕组的电流相等，它的特点是励磁绕组匝数少，导线截面较大，励磁绕组上的电压降很小，如图7-13所。

(3)复励电机主磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联；另一个与电枢绕组串联，如图7-14所示。当两个绕组产生的磁通方向一致时，称为积复励电机；反之，称为差复励电机。

不同的励磁方式会产生不同的电机输出特性，从而可适用于不同的场合。

二、直流电动机的工作原理

直流电动机是根据通电导体在磁场内受力而运动的

原理制成的。在图7-4的直流电机模型中，电刷4、3两端

加上直流电压，线圈abcd 内便有电流通过，如果电刷4

接电源的正极、电刷3接电源的负极，导体ab 在N 极下，

电流方向从a 流向b ，导体cd 在S 极下，电流方向从。流

向d ，通电导体ab 和cd 将受到电磁力的作用，用左手定

则可以判断电磁力的方向，如图7-4所示。电磁力和转子

半径的乘积即为电磁转矩，其方向也为逆时针方向，如果

电磁转矩能克服电枢轴上的制动转矩，电动机就能转动起

来。

电枢转动以后，导体ab 和cd 在磁极下交换位置，由于换向器的作用，使与它们相连的电刷也同时改变，这样进人N 极下的导体的电流方向总是流人的，进人S 极下的导体的电流方向总是流出的，从而保证了电动机产生的电磁力矩始终不变，电枢沿着逆时针方向一直转动下去。

由此可以归纳出直流电动机的工作原理：直流电动机在外加电压的作用下，在导体中形成电流，载流导体在磁场中将受电磁力的作用，由于换向器的换向作用，导体进人异性磁极时，导体中的电流方向也相应改变，从而保证了电磁转矩的方向不变，使直流电动机能连续旋转，把直流电能转换成机械能输出。

直流电机的运行是可逆的。当它作为发电机运行时，外加转矩拖动转子旋转，线圈产生感应电动势，接通负载以后提供电流，从而将机械能转变成电能。当它作为电动机运行时，通电的线圈导体在磁场中受力，产生电磁转矩并拖动机械负载转动，从而将电能变成机械能。

三、他励（并励）与串励电动机的机械特性

与交流异步电动机一样，当电动机的电源电压U, 励磁电流IL, 电枢回路总电阻R 都等于常数时，转速n 与电磁转矩T 之间的关系称为直流电动机的机械特性。

1）、他励（并励）与串励电动机的机械特性

并励直流电动机具有与他励电动机相似的“硬的”机械

特性，由于并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个

电源，电枢电压的变化会影响励磁电流的变化，使机械特性

比他励稍软。

2）、串励电动机的机械特性

如图7-28所示，由于串励电动机的励磁绕组与电枢绕

组串联，故励磁电流等于电枢电流I ，它的主磁通随着电枢

电流的变化而变化，这是串励电动机最基本的特点

串励电动机的机械特性为图7-29所示的双曲线。它具有

以下特性：

（1) 串励电动机的转速随转矩变化而剧烈变化，这种机械特性称为软特性。在轻负载时，电动机转速很快；负载转矩增加时，其转速较慢。

(2)串励电动机的转矩和电枢电流的平方成正比，因此它的

启动转矩大，过载能力强。

(3)电动机空载时，理想空载转速no 为无限大，实际中no

也可达到额定转速n N 的5一7倍（亦称为飞车），这是电动机的

机械强度所不允许的。因此，串励电动机不允许空载或轻载运行。

(4) 串励电动机适用于负载变化比较大，且不可能空转的场

合。

四、直流电动机的启动

直流电动机一般不允许直接启动。通常采用的启动方法有两

种：降低电压启动和在电枢回路串电阻启动。

1、减压启动

要限制启动电流，可以在直流电动机启动瞬间，给电动加上较低的电压，以后随着电动机转速的升高，逐步增加直流电压的数值，直到电动机启动完毕，加在电动机上的电压即是电动机的额定电压 。

用减压启动的方法启动并励电动机时必须注意：启动时必须加上额定的励磁电压，使

磁通一开始就有额定值，否则电动机的启动电流虽然比较大，但启动转矩较小；电动机仍无

法启动。

2、电枢回路串电阻启动

要限制启动电流，可以在电枢回路中串接电阻，使启动电流不超过允许的数值。当电动机转动后，随着转速升高，再逐步减少启动电阻阻值，直到电机稳定运行，启动电阻全部切除。

并励电动机和串励电动机的串电阻启动电路如图7-27和图7-28所示。通常把启动电流限制在（1.5一2.5）I Ｎ的范围内来选择启动电阻的大小。 ．

五、直流电动机的调速

1、改变电枢电压调速

在其他参数不变的条件下，改变电枢电压U ，使空载转速n 。改变，可以得到不同空载转速n 。的平行直线。图7-31所示是他励（并励）电动机改变电压调速的人工机械特性，从图中可见，在负载相同的情况下，不同的电枢电压，所对应的转速是不同的。

改变电枢电压调速的特点：

（1) 改变电枢电压调速时，机械特性的斜率不变，所以调速的稳定性好。

(2）电压可作连续变化，调速的平滑性好，调速范

围广。

(3)属于恒转矩调速，电动机不允许电压超过额定

值，只能由额定值往下降低电压调速，即只能减速。

2、改变电枢回路电阻调速

在其他参数不变的条件下，改变电枢回路串联电阻R a ，

使特性曲线的斜率改变，而空载转速n 。保持不变。图7-32

所示是他励（并励）电动机改变电枢回路电阻调速的人工机

械特性。

3 、

3、改变励磁回路电阻调速

在其他参数不变的条件下，减少主磁通，会使空载转速n 。增大；同时特性曲线的斜率也增大，对应不同的主磁通中，可以得到不同空载转速n 。与不同斜率的特性曲线。图7-33所示

六、 直流电动机的反转与制动

1、直流电动机的反转

要改变直流电动机的旋转方向，就需改变电动机的电磁转矩方向，故改变电动机转向的方法有两种：一种是改变励磁电流的方向；另一种是改变电枢电流的方向。如果同时改变励磁电流和电枢电流的方向，则直流电动机的转向不变。

对并励电动机而言，由于励磁绕组匝数多、电感大，在进行反接时因电流突变，将会产生很大的自感电动势，危及电动机及电器的绝缘安全，因此一般采用电枢反接法。在将电枢绕组反接的同时必须连同换向极绕组一起反接，以达到改善换向的目的。

2、直流电动机的制动

所谓制动就是在电动机上加上与原转向相反的转矩，使电动机迅速

停转或限制电动机的转速。直流电动机的制动也可以分为机械制动和

电气制动，其中电气制动又可以分为再生制动、能耗制动和反接制动

等。

1）．再生制动（又称为回馈制动、发电制动）

当电动机车下坡或吊车重物下降时，可能会出现这样的情况，电

动机的转速n 超过了它的空载转速n 。 ，此时电机就处在发电机状

态下运行，这时电动机把机械能转换成电能，反送到电网中去，并产

生制动转矩，从而限制了电动机转动的速度，这就是再生制动。

2）．能耗制动

把电动机的电枢绕组从电源上切除后，让主磁极绕组仍接在电源

上，产生恒定的主极磁通中，电动机依靠惯性继续转动，使转子惯性

旋转的机械能变为电能，转化成热能消耗在制动电阻R 上此时，电枢电流与电动机状态时的电流方向相反，产生的电磁转矩是制动转矩，从而使电动机迅速停止转动。如图7-34所示是并励电动机的能耗制动原理图，

3）．反接制动

改变电枢绕组上的电压方向或改变励磁电流的方向，可以使电动机得到反力矩，产生制动作用。当电动机速度接近零时，迅速脱离电源，实现直流电动机的反接制动。

必须指出：在反接制动时，励磁应当保持不变。当电动机转速降低至100 r/min左右时，应立即切断电源，以防电动机反转。

第四讲 交流伺服电动机

伺服电动机（或称为执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。其作用是把所接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。伺服电动机可分为交流和直流两大类。

1．结构与原理

交流伺服电动机的定子结构和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相0差90电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。转子的结构形式有笼型转子和空心杯形转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做得细而长，转子导体用高电阻率的材料制成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的结构如图9一1所示。它的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两组绕组。内定子由硅钢片叠成，压在一个端盖上，一般不放绕组。其目的是为了减小磁路的磁阻。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁圆筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯壁薄而轻，厚度一般在0.2一0.8mm ，因而转动惯量小，动作快且灵敏。

交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，如图9-2所示。LL 是有固定电压励

0磁的励磁绕组，LK 是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90电角度。

交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：

0(1)幅值控制:控制电流与励磁电流的相位差保持90不变，改变控制电压的大小。

(2)相位控制:控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。

(3)幅值一相位控制:同时改变控制电压幅值和相位。 交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。

2．工作特性和用途

交流伺服电动机的机械特性如图9-3所示。在控制电压一定时，负载增加，转速下降；它的调节特性是在负载一定时，控制电压越高，转速也越高。

伺服电动机有三个显著特点：

(1)启动转矩大由于转子导体电阻很大，可使临界转差率Sm>1，定子一加上控制电压，

转子立即启动运转。

(2)运行范围宽在转差率从0到1的范围内都能稳定运转。

(3)无自转现象。控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称“自转”。自转现象破坏

了伺服性，显然要避免。

正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后，伺服电动机就处于单相运行状态，其特性曲线如图9-4所示。由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩T 3（为图中实线）始终是制动性的转矩，当电动机正转时失去U K ，产生的转矩T 3为负（0＜s ＜1）。而反转时失去U K , 产生的转矩T 3为正（1＜S ＜2时），不会产生自转现象，可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。

不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等优点；但是低速运行不够平稳，有抖动现象。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但是励磁电流较大，体积也较大，转子易变形。

交流伺服电动机适用于0.1一100 W小功率自动控制系统中，频率有50 Hz、400 Hz等多种。

第五讲 步进电机

步进电动机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行元件。每输人一个电脉中，电动机就转动一个角度或前进一步，故步进电动机又称为脉冲电动机。步进电动机可分为磁阻式、感应式和永磁式三种，

主要介绍磁阻式步进电动机。

一、工作原理

三相磁阻式步进电动机结构如图9-14所示，其定子上装有六个均匀分布的磁极，每个磁极上都绕有控制绕组，绕组接成三相星形接法，其中每两个相对的磁极组成一相 ，定子铁心由硅钢片叠成。其转子上没有绕组，由硅钢片或软磁材料叠成，转子具有如图9-14中所示的四个均匀分布的齿。

当U 相绕组通人电脉冲时，气隙中产生一个沿A-A' 轴线方向的磁场，由于磁通总是要沿磁导最大的路径闭合 ，于是产生磁拉力， 使转子铁心齿1和齿3与轴线A-A' 对齐 ， 如图 9一14a 所示。此时，转子只受沿A-A' 轴线上的拉力作用而具有自锁能力。如果将通人均电脉冲从U 相换到V 相绕组，则由于同样的原因，转子铁心齿2和齿4将与轴线B-B'

0对齐，即转子顺时针转过30角，如图9-14b 所示。当W 相绕组通电而V 相绕组断电时，转

0子铁心齿1和齿3又转到与C- C'轴线对齐，转子又顺时针转过30角。如定子三相绕组按

0U →V →W →U.... 的顺序通电，则转子就沿顺时针方向一步一步转动，每一步转过30角。

每一步转过的角度称为步距角θ。从一相通电换接到另一相通电称作一拍，每一拍转子转一个步距角。如果通电顺序改为U →W →V →U „，则步进电动机将反方向一步一步转动。步进电动机的转速取决于脉冲频率，频率越高，转速越高。转动方向取决于相序。

上述的通电方式称为三相单三拍，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环只换接三次。对于三相单三拍通电方式，在一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电时容易造成失步，而且单一控制绕组通电吸引转子，也容易造成转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性比较差，所以很少采用。

通常将通电方式改为三相双三拍，按UV →VW →WU →UV.... 顺序进行，每次有两组控制绕组同时通龟，如图9-15所示。当U 、V 两相同时通电时，磁通轴线与未通电的W 相绕组的轴线C-C' 重合，此时转子铁心3齿和齿4间的槽轴线与轴线C-C' 对齐；当V 、W 两相同时通电时，转子齿4和齿1间的槽轴线与轴线A-A’对齐。由此可见，双三拍运行和单三拍运行的

0原理相同，步距角仍30角，但工作更稳定。

若步进电动机按U →UV →V →VW →W →WU →U →„顺序通电，则称三相六拍运行方式，即为每相通电和两相通电相间，每循环共六拍。当U 相通电时，转子齿轴在A-A’轴线上；当U 、V 两相通电时，转子槽轴在C-C' 轴线上；当V 相通电时，转子齿轴在轴线B-B' 轴线上。每拍

00转过15角，即步距角θ＝15角。步进电动机的控制精度由步距角θ决定，θ越小精度越高。 步进电动机必须由专门驱动电源供电。普通的步进电动机驱动电源是由逻辑电路与功率放大器组成，近年来微处理器与微型计算机技术给步进电动机的控制开辟了新的途径。驱动电源和步进电动机是一个整体，步进电动机的功能和运行性能都是两者配合的综合结果。

二、基本结构及用途

1．磁阻式步进电动机

在实际应用中，要求步进电动机的步距角很小，以满足精度的要求。最常用的一种小步距角的三相磁阻式步进电动机的结构如图9-16所示。

转子上均匀分布40个小齿，定子每个极面上也有5个小齿。定、转子小齿的齿距必须相等。当U 相控制绕组通电时，电动机中产生沿A 极轴线方向的磁通，因磁通要沿磁阻最小的路径闭合，使转子受到磁阻转矩的作用而转动，直至转子齿和定子A 极面上的齿对齐为止。

000因为转子上共有40个齿，每个齿的齿距为360/40＝9，而每个定子磁极的极距为360/6＝

060，所以每个极距所占的齿距数不是整数。三相磁阻式步进电动机定、转子展开图如图9-17所示。由图中可看出，当A 极极面下的定、转子齿对齐时，B 极和C 极极面下的齿就分别和

0转子齿相错1/3的转子齿距，即为3角。

若断开U 相绕组而由V 相绕组通电，这时，电机中产生沿B 极轴线方向磁通。同理，在

0磁阻转矩作用下，转子按顺时针方向转过3角，使定子B 极极面下的齿和转子齿对齐，相应

定子A 极和C 极极面下的齿又分别和转子齿相错1/3的转子齿距。若采用三相六拍通电方式

0进行，步距角也将减小一半，即每拍转子仅转过1.5角。

磁阻式步进电动机在脉冲信号停止输人时，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，因此必须解决停车时的转子定位问题。一般是在最后一个脉冲停止时，在该绕组中继续通以直流电，即采用带电定位的方法。

磁阻式步进电动机具有结构简单，维修方便，性能可靠，反应灵敏，调速范围大，转速只决定于电源频率，其步距角不受电压波动与负载变化的影响，精度高等优点，常用于数控机床、计数指示装置、阀门控制、纺织机、工业缝纫机等开环数控系统中。