三相交流换向器异步电动机与直线电动机工作原理

三相交流换向器电动机

三相交流换向器电动机

转子上有带换向器（见直流电机）的电枢绕组的三相交流电动机。又称三相异步换向器电动机或交流整流小电动机。是一种恒转矩交流调速电动机。 编辑本段三相交流换向器电动机

其调速范围较宽，最高转速与最低转速之比通常有3:1、6:1、10:1几种。它还有调节功率因数的功能，使最高额定转速时的满载功率因数，在无补偿时也可达0.98左右。与一般笼式三相异步电动机相比，三相交流换向器电动机的起动电流较小，起动转矩较大，但满载效率稍低；与电磁调速异步电动机相比,它不仅能在空载情况下调速,而且调速范围较大，其性能指标与晶闸管电动机相仿。所以，三相交流换向器电动机适用于纺织、造纸、制糖、橡胶等领域中要求在宽范围内均匀调速时的电力拖动。三相交流换向器电动机有三相并联换向器电动机和三相串联换向器电动机两种。

换向器绕组交流电动势的产生 对称三相换向器电机的气隙磁场是圆形旋转磁场。若旋转的平均磁通密度峫以转速пs旋转，而换向器绕组以转速п旋转,则换向器绕组的导体将以相对转速(пs-п)切割磁场而产生电动势。其有效值与相对转速成比例。然而换向器绕组的导体虽然以速度п转动,但电刷静止不动，它所引接的一部分绕组在空间总是处在一定的位置，所以由电刷引接的支路可以看做是在空间固定不动的。根据磁场对支路每分钟切割的极对数即为其电动势的频率的原理，支路电动势的频率由磁场对静止电刷的转速пs决定。

三相并联换向器电动机 其原理性结构见图2。在带换向器的转子中装有两套绕组。一个是由滑环与电刷引出的三相交流绕组3,它由三相交流电网馈电,作为原边;另一个是由换向器上的电刷引出的换向器绕组2,它通

过电刷a1-a2、b1-b2、c1-c2与定子绕组a、b、c分别串联成闭合回路，构成电机的副边。电刷a1-a2、b1-b2和c1-c2的张开角2β是可调的。三对电刷还可以同时沿圆周移动至所需的任意位置。

三相交流换向器电动机

带滑环的转子绕组通以三相交流电产生电机气隙磁场，它相对转子以同步转速пs转动。若转子本身以转速п反向转动， 则磁场相对于定子和换向器绕组各支路的转速均为转差转速(пs-п)，从而定子绕组和换向器绕组中感生的电动势也为转差频率。它随转差率（见异步电机）变化而变化。然而，磁场对转子具有固定的相对速度（同步转速пs），所以换向器绕组电动势的大小与转差率无关。三相并联换向器电机实际相当于在副边绕组中(即定子a、b、c绕组)串入了转差频率的外电动势(即换向器绕组的电动势)的异步电机。其差别仅在于前者原边放在转子上，而副边放在定子上。

电动机的调速是依靠电刷张开角2β的调节来实现的。功率因数的调节依靠同时移动三对电刷对三个定子绕组的相对位置的改变来实现。如果将电刷张开角2β调节到零,副边外加电动势就等于零，此时,便与一般三相异步电动机完全相同。当2β张大为非零的某一角度时，则在副边加入了附加电动势。附加电动势的加入，改变了副边回路的总电动势和电流。如要保持电磁转矩为原值不变,就必须改变电机的转差率，以改变定子电动势,使副边电流基本上恢复原值。这就意味转速发生了改变。如果通过电刷位置的调节，使附加电动势与定子电动势同相位，则转速升高。如果将电刷调整成使换向器电动势与定子电动势反相位，则转速下降。

这种电机的调速性能很好，不但可以向下调，还可向上调，使其超过同步转速。调速范围一般可达10:1。

如将电刷在圆周方向上移动，使换向器电动势与定子电动势具有各种不同的相位差，则可调节其运行的功率因数。这是由于换向器电动势的串入，改变了电动势和电流的相位，反映到原边时则表现为功率因数的改变。调节时应该注意电刷的移动方向，在高于同步转速和低于同步转速运行时，同样为了提高功率因数，电刷的偏移方向是相反的。

三相串联换向器电动机 定子绕组A、B、C通过电刷a、b、c与换向器绕组相串联。 图中将换向器绕组等效为Y接法的绕组。电刷a、b、c 可以同时移动位置，以改变夹角α。三相串联换向器电动机与三相并联换向器电动机的差别是：定子绕组与换向器绕组采用了串联接法；转子上只有一套换向器绕组而没有带滑环的交流绕组；交流电源加在定子绕组A、B、C3端点上而不在转子上。

电机通电后，定、转子绕组均产生旋转磁通势。若定、转子绕组轴线间夹角为α,则定子磁通势F1与转子磁通势F2在空间也相差α角。

图4为两互相垂直磁场产生转矩的原理。其中任一个磁通势对另一个磁通势的垂直分量才是有效的。再考虑到定、转子磁通势F1与F2均与电流I成正比，故电磁转矩为 式中C┡和C为常数。从公式可以看出这一转矩与电流平方成比例，还可以通过角α 的调节来改变转矩的大小、方向及电动机的机械特性，以达到调速目的。

三相串联换向器电动机拖动恒转矩负载时，调速范围约为1:2.5,即可在低于同步转速的50％到120～130％的范围运行。若拖动转矩与转速平方成正比的负载，则调速范围可达1:4,甚至更宽。故这种电动机适用于吊车、离心式水泵及空气压缩机等的拖动。

直线电动机

一般电动机工作时都是转动的．但是用旋转的电机驱动的交通工具（比如电动机车和城市中的电车等）需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动．这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置．能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装呢？几十年前人们就提出了这个问题．现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机．

1工作原理.

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成.

由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。

直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机（图）．在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级．初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动．这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长．实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．

2.应用

直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛．磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的．

磁悬浮列车是一种全新的列车．一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/n．磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引．直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上．初级通以交流，列车就沿导轨前进．列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来．悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km／h．悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降．悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车． 要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场．

直线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等．在我国，直线电机也逐步得到推广和应用．直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进． 其他可参考中国软启动网

3.直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1）高速响应

由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2）精度

直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3）动刚度高

由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4）速度快、加减速过程短

由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5）行程长度不受限制

在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。

6）运动动安静、噪音低

由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7）效率高

由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高