交流与直流电机 调速方法 分类 原理 优缺点 应用文档格式.docx

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还有如，硅油离合器，磁粉离合器，等等，一此离合机械装置和三相电机配套，用来调速的方式。

严格上来说不算是三相电机的调还方式。

但是很多教材常常把它们算作调速方式和一种。

直流电机的调速方法

一是调节电枢电压，二是调节励磁电流，

而常见的微型直流电机，其磁场都是固定的，不可调的永磁体，

所以只好调节电枢电压，要说有那几种调节电枢电压方法，

常用的一是可控硅调压法，再就是脉宽调制法（PWM）。

PWM的H型属于调压调速。

PWM的H桥只能实现大功率调速。

国的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。

还有弱磁调速，通过适当减弱励磁磁场的办法也可以调速。

直流电机与交流电机比较

最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；

直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。

交流永磁同步的调速是靠改变频率来实现的，需要变频器。

直流电机虽不需要其它的设备来帮助调速，但自身的结构复杂，制造成本高；

在大功率可控晶闸管大批量使用之前，直流电动机用于大多的调速场合。

在大功率可控晶闸管工业生产化后，交流电动机的调速变得更简单了，交流电动机的制造成本低廉，使用寿命长等优点就表现出来。

直流电机的3种调速方法各有什么优缺点?

不同的需要，采用不同的调速方式，应该说各有什么特点。

1.在全磁场状态，调电枢电压，适合应用在0~基速以下围调速。

不能达到电机的最高转速。

2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。

不能得到电机的较低转速。

3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。

适合应用在调速围大的情况。

这是直流电机最完善的调速方式，但设备复杂，造价高。

直流电机调速一般采用脉冲宽度调制。

即供电电压是宽度可调的脉冲电压。

当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大，转速最高。

脉冲宽度减小时，相当于直流电电压降低，功率及转速降低。

无刷电机没有电刷磨损，维护相对简单，较有刷可靠，但需加装驱动（换向）电路，一次性投资较大。

脉宽调制（PWM）是调整脉冲的宽度而不是频率。

“脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，脉冲频率并没有变。

脉宽调制并不是直接调整电机的速度，而是改变电机的功率或扭矩。

扭矩大了，换向加快，转速就提高了。

直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，是电机旋转。

改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。

它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

（一）电动机的种类

电动机有多种类型。

1.按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

其流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2.按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复

励直流电动机。

永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3.按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4.按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5.按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6.按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

（二）直流电动机

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。

1.电磁式直流电动机电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢）、换向器（俗称整流子）、电刷、机壳、轴承等构成，

电磁式直流电动机的定子磁极（主磁极）由铁心和励磁绕组构成。

根据其励磁（旧标准称为激磁）方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

因励磁方式不同，定子磁极磁通（由定子磁极的励磁线圈通电后产生）的规律也不同。

串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。

其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高（一般不允许其在空载下运行）。

可通过用外用电阻器与串励绕组串联（或并联）、或将串励绕组并联换接来实现调速。

并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。

转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。

转速变化率较小，为5%~15%。

可通过消弱磁场的恒功率来调速。

他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。

转速变化也为5%~15%。

可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。

复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组（其匝数较少）。

串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。

转速变化率为25%~30%（与串联绕组有关）。

转速可通过消弱磁场强度来调整。

换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。

电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。

电磁式直流电动机的电刷一般采

用金属石墨电刷或电化石墨电刷。

转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。

2.永磁式直流电动机

永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成，

定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。

按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。

录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。

图18-12是两种永磁体的磁路示意图。

转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。

录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。

漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换各器的金属片上。

电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。

永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。

3.无刷直流电动机无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。

它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，如图18-13所示。

位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。

定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。

转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

各种交流电动机的旋转原理

目前较常用的交流电动机有两种：

1、三相异步电动机。

2、单相交流电动机。

第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。

一、三相异步电动机的旋转原理 

三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。

我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。

图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。

电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。

旋转磁场的转速为：

n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：

每分钟转数。

根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：

1、改变磁极法；

2、变频法。

以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。

观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。

相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：

C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。

利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。

一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。

因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

二、单相交流电动机的旋转原理 

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。

当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。

这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。

当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；

转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。

这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。

这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，如图2所示。

在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。

因此，起动绕组可以做成短时工作方式。

但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。

在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。

此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。

每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽，如图3所示，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。

单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。

当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。

直流电机的基本工作原理

直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。

在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；

锅炉给粉机的原动机是直流电动机。

此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。

直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；

直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。

在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。

虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。

直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。

因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。

不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。

包括直流电机在的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。

一条是：

导线切割磁通产生感应电动势；

另一条是：

载流导体在磁场中受到电磁力的作用。

因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。

从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。

我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。

一、直流发电机的基本工作原理 

直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。

可见，它是把机械能变为电能的设备。

直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床、泵、电车、电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。

但是，当前已经有可控硅整流装置替代了直流发电机，为了能使大家更好的理解直流电动机，有必要同时讲述一下直流发电机的原理。

我们首先来观察直流发电机是怎样工作的。

如图1所示，电刷A、B分别与两个半园环接触，这时A、B两电刷之间输出的是直流电。

我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况。

从图1（a）可以看出，当线圈的ab边在N极围按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从b指向a。

这时线圈的cd边则是在S极围按逆时针方向运动，依据发电机右手定则可以判断，cd边中的感应电动势方向是从d指向c。

从整个线圈来看，感应电动势的方向是d-c-b-a。

因此，和线圈a端连接的铜片1和电刷A是处于正电位；

而和线圈的d端连接的铜片2和电刷B是处于负电位。

如果接通外电路，那么电流就从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。

当线圈的ab边转到S极围时，cd边就转到N极围（图1，b），用右手定则判断可以知道，这时线圈cd边中产生的电动势方向是从c到d，而ab边转到了S极围，其中电动势的方向则是有a到b。

由于电刷在空间是不动的，因此和线圈d端连接的铜片2和电刷A接触，它的电位仍然是正。

而与线圈a端连接的铜片1则和电刷B接触，它的电位仍然是负。

接通外电路时，电流仍然是从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。

不过，要注意到这时线圈的电流已经反向了。

由此可知，当线圈不停地旋转时，虽然与两个电刷接触的线圈边不停的变化，但是，电刷A始终是正电位，电刷B始终是负电位。

因此，有两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，负载上得到的是恒定方向的电压和电流。

也就是说，尽管线圈abcd中感应电动势的方向不断交变，但是电刷A总是和处在N极围的线圈边接触，电刷B总是和处在S极围的线圈边相接触，它们的极性始终不变。

于是，线圈中的交流电经过铜片和电刷整流后，便成为外电路中的直流电了。

这两个半圆形的铜片就叫做换向片，它们合在一起叫做换向器。

二、直流电动机的基本工作原理 

上面已经讨论了直流发电机的工作原理，现在再来讨论直流电动机是怎样工作的。

如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上（如图2所示），那么会发生什么样的情况呢？

从图上可以看出，电刷A是正电位，B是负电位，在N极围的导体ab中的电流是从a流向b，在S极围的导体cd中的电流是从c流向d。

前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。

根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。

由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。

这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。

当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。

线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极围，cd边转到N极围，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。

因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。

可见，分别处在N、S极围的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极围转到另一个异性磁极围时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和电刷就是完成这个任务的装置。

在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；

而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。

可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。

这就是直流电动机的基本工作原理。

比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。

正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；

直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。

步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

一般用在精确定位方面!

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同步电机转子本身产生固定方向的磁场（用直流电机产生），定子旋转磁场“拖着”转子磁场（转子）转动，因此转子的转速一定等于同步速，也因此叫做同步电机。

同步电机与异步电机相对应。

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机。

直流电机与交流电机相对应。

电机按运动和静止分：

变压器和旋转电机。

旋转电机可分为：

1.按能量传递方向分：

发电机和电动机。

2.按交直流分：

直流电机，交流电机。

交流电机可分为同步电机和异步电机（好像没有异步发电机，只有异步电动机）

说明：

变压器和旋转电机基本原理类似，都是电磁感应，所以变压器也是电机一种。

直流电动机或直流发电机吸收或发出的电是直流的（也就是外部导线处是直流电），但是直流电机部电枢上是交流电。

异步电机和同步电机都是交流电机。

异步电机和同步电机的区别是转子转速不同，异步机转子转速小于同步速，同步机转子转速等于同步速。

注意：

异步机里都有转速等于同步速的旋转磁场，同步速等于60f/p,f=50hz,p是电机极对数。

同步机转子要另加励磁；

异步机不用，可以直接从定子把交流电感应到转子。

直流电机也是同步电机的一种。

1.有刷直流电机利用机械的电刷、换向器换流，把输入