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直流电动机和特种电动机

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直流电动机和特种电动机的内容简介:

模块九直流电动机和特种电动机 
直流电动机和直流发电机统称为直流电机,两者的结构相同。直流发电机是在原动机的拖动下,将机械能转换成电能;直流电动机是将输入的直流电能转换成轴上的机械能。两者是可逆运行的。本模块将对直流电动机的结构、原理和维护等进行讨论,最后还介绍几种常用的特种电动机。 

学习本模块是为了掌握以下内容: 
1.直流电动机 
2.特种电动机 
项目1常用低压电器元件 
直流电机是将直流电能与机械能相互转换的旋转电机。直流电机可以作为发电机运行,也可以作为电动机运行,这一原理称为直流电机的可逆原理。 
作为电动机运行时,直流电源向电机输送直流电能,电机将直流电能转化为机械能,拖动生产机械运动;作为发电机运行时,电机由原动机(交流电动机、柴油机、汽油机)拖动,电机将机械能转化为直流电能,向负载供电。 
直流电机在拖动系统中多用做电动机,直流电动机有较高的启动性能和调速性能,在自动控制系统中多用做测速发电机和伺服电动机。 

一、直流电机的基本结构 
直流电机主要由两大部分组成:一是静止部分,称为定子, 
项目1常用低压电器元件 

二是转动部分,称为转子。定子主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。转子部分主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器(整流子)组成。定、转子之间是气隙,气隙是磁路的一部分。图9-1是直流电机主要部件外形图。 
1.定子部分 
1)机座 
由铸钢或厚钢板弯卷焊接而成,作用是固定主磁极、换向极和端盖,是磁路的一部分,称为磁扼。 
2)主磁极 
实质上是磁极的一个电磁体,当主磁极上的励磁绕组通过励磁电流时,主磁极便产生主磁场。主磁极由铁芯和绕组组成。铁芯是薄钢板冲片叠成的,铁芯下部的弧形结构称为极 
项目1常用低压电器元件 
掌(极靴),极掌使主磁极的磁场分布均匀。绕组固定在铁芯上,一般由铜线绕制。整个主磁极固定在机座上,主磁极成对出现在机座周围。 
3)换向极 
换向极位于两主磁极之间,也是成对出现的,其作用是改善换向条件,减少换向引起的火花,其结构也是由铁芯和绕组构成的。通常小容量直流电机的换向极铁芯由整块钢组成,换向极绕组与电枢绕组串联,串联方向与运行状态和转向有关(参看电机说明书)。 
(4)电刷装置 
电刷装置是电枢绕组与外电路联系的桥梁,即引入或引出直流电流(电压)。图9-2是带电刷的刷握示意图。 
项目1常用低压电器元件 
2.转子部分 
电枢即转子部分,主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成,是直流电机实现能量转换的中心部件。 
1)电枢铁芯 
由0.5mm硅钢片沿轴向叠压而成,其作用一是嵌放电枢绕组,二是导磁(磁路的一部分)。 
2)电枢绕组 
由许多相同的线圈元件按一定规律连接而成,其作用是产生感生电势或电磁转矩,实现机电能量转换。 
3)换向器 
如图9-3所示的为换向器剖面图,它是由许多带燕尾形翅的铜换向片组装而成的,任何两个换向片间都互相绝缘, 
项目1常用低压电器元件 
电枢绕组的出线端都按一定的规律焊接在换向片上。 
3.直流电机的电枢电势和电磁转矩 
1)电枢电势 
电枢旋转时,电枢绕组的有效边切割气隙磁场而产生感生电势,称为电枢电势,用字母Ea表示,数值上 
2)电磁转矩 
当电枢绕组中有电流流过时,电枢绕组有效边在磁场中受到电磁力的作用,在N极下和在S极下载流导体的电磁力大小相等而方向相反,对轴心形成转矩,用T表示。数值上 项目1常用低压电器元件 

二、直流电机的维护 
直流电机的维护,有许多方面和异步电动机是相似的。 
1.保持电机内外清洁 
平时应注意使电机保持清洁,电机内外的灰尘可用带尖嘴的屏风扇(皮老虎)或吹风机来清除,绕组和换向器上的油渍、污物要用四氯化碳和汽油的混合物及时擦洗干净。 
2.换向器的维护 
直流电机的换向器最易发生故障,是运行维护的重点。换向器表面应保持清洁光滑,如发现换向器的表面有黑色的灼 
项目1常用低压电器元件 
痕,应立即用玻璃砂纸将换向器表面磨光砂平,注意不能用金刚砂纸,因为导电的金刚砂屑聚集在换向片之间,会使电机在工作时产生很大的火花。 
经长期运转或车床加工外圆后,必须将换向片间的云母片刻低,一般采用将两侧磨平的手工锯条来刻低。刻低时,要使锯片与云母表面垂直,慢慢地向后移动,刻成平坦的沟槽,但不要刻得过深,一般刻到1~1.5mm即可。同时在槽口用锉刀锉出45°倒角,防止换向片的尖角切削电刷。刻完槽的换向器,还需再上车床抛光,并彻底清洁。 
3.电刷的使用及维修 
1)弹簧对电刷的压力应适当,不能太大,也不能太小,应定期检查。 
项目1常用低压电器元件 
2)电刷磨损过量或损坏时,应及时更换。电刷更换之前先用细砂纸研磨接触面,使其接触面积约占全部面积的80%。电刷的研磨方法如图9-4所示。 
4.轴承的维护 
中小型电机采用滚珠轴承或滚柱轴承,大型电机采用合金轴瓦。轴承应保持清洁和定期润滑,在定期检查时,如发现异常应适时更换。 
5.闲置电机的维护 
长期闲置的直流电机,在重新启用之前,必须先测量其绝缘电阻。如不合格,必须做烘干处理,在检验合格后方可通电运行。 

项目2特种电动机 
特种电机又称为特殊电机,迄今为止国内外都未对它作过明确的定义和分类,通常也可理解为容量和尺寸都比较小的特殊用途的电机。其种类很多,功能各异。限于课程性质与篇幅,本书只介绍其中较典型、较常用的两种:交流伺服电动机和步进电动机。 
一、交流伺服电动机 
交流伺服电动机是一种控制用电机,在自动控制系统中是执行元件。它的功能是把输入的控制信号转换为转轴的转向、角位移或角速度输出,并驱动控制对象转动。当控制信号的大小或极性(相位)发生变化时,电动机的转速或转向将非常灵敏地随之变化。伺服电动机根据电流种类的不同,分为交流伺服电动机和直流伺服电动机。本节只介绍交流 
项目2特种电动机 
伺服电动机。 
1.交流伺服电动机的构造 
交流伺服电动机实质上就是两相异步电动机,主要由定子和转子两部分组成,示意图如图9-5所示。定子铁芯用硅钢片叠压而成,在定子铁芯上安装两个在空间互成90°位置差的绕组,一个是励磁绕组F,另一个是控制绕组C。转子结构形式主要有两种:笼型转子和空心杯型转子。笼型转子的结构和普通异步电动机的笼型转子相似,不过为了减少转动惯量,使其反应迅速灵敏,转子做得比较细长,且为增大转子绕组的电阻,转子导体和短路端环都采用高阻材料(如青铜)制成。空心杯型转子多用非磁性材料(高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜等)制成,杯壁薄(约0.3mm左右)而细长,装在转轴 
项目2特种电动机 
上,可以在内、外定子间的气隙中自由旋转,电动机则依靠杯形转子中感应的涡流与气隙磁场作用产生电磁转矩。这种结构转动惯量小,反应迅速,运转平稳。 
2.交流伺服电动机的工作原理 
当交流伺服电动机控制绕组不加电压时,和单相异步电动机一样,气隙内磁场为励磁绕组电流产生的脉动磁场,电动机无启动转矩,转子不转。也就是说,电动机静止时,没有控制电压信号,电动机不会启动。 
当控制绕组加上控制电压,且控制绕组内电流与励磁绕组内电流不同相时,作为两相异步电动机,空间相差90°电角度的两个绕组,通以不同相的电流,在气隙中建立一定大小的旋转磁场,和单相异步电动机的启动情况一样,产生了 
项目2特种电动机 
启动转矩,转子就旋转起来。 
由于交流伺服电动机的转子电阻设计得大,由机械特性知,当交流伺服电动机的控制信号突然消失时,在励磁电压单独作用的脉动磁场下,产生一个具有自制动性质的转矩,使电动机立即停转。即不存在单相异步电动机的“自转”现象。 
当负载转矩一定时,可以通过调节加在控制绕组C上的信号电压大小及相位来达到改变交流伺服电机转速的目的。因此,交流伺服电动机有三种控制方式:幅值控制、相位控制和幅值一相位控制。 

二、步进电动机 
步进电动机的特殊之处是它不是连续转动,而是按输入的脉冲信号,一步一步地间隔转动,故名步进电动机。 
项目2特种电动机 
步进电动机的种类很多,一般按转子的结构划分为反应式、永磁式和永磁感应式三种,它们的工作原理近似。本节以反应式步进电动机为例,简要介绍其工作原理。 
1.反应式步进电动机的结构 
反应式步进电动机也是由定子和转子两部分组成,如图9-6所示。它的定子用薄硅钢片叠压而成,做成凸极式。六个磁极均匀分布在定子铁芯圆周的内表面,磁极上都装有线圈,相对的两个磁极上的线圈串联起来,形成三个独立的绕组,分别用A相、B相和C相表示。它们可以连接成星形或三角形。独立绕组的数目称做步进电动机的相数。一般有三相、四相、五相、六相等(注意:这里的相仅表示独立的绕组线圈,与交流电的“三相”是不同的)。转子也用薄硅钢片叠压而成,表面均匀分布四个齿,齿上没有绕组,本身也不具有磁性。 
项目2特种电动机 
2.反应式步进电动机的工作原理 
反应式步进电动机在工作时,驱动电源将脉冲信号按照一定的轮换顺序输入到定子三相绕组。按照通电顺序的不同,电动机有不同的运行方式,常见的有三相单三拍运行方式、三相单、双六拍运行方式等,下面以三相单三拍运行方式为例,介绍反应式步进电动机的工作原理。 
若反应式步进电动机以三相单三拍运行方式工作,首先给A相绕组通电,A相定子磁极被磁化,在气隙中建立磁场,磁场轴线与A相绕组轴线A-A‘重合。由于磁场线具有力图从最短路径通过的性质,若此时相对应的转子齿1,3的轴线未能与A-A‘轴线重合,它将受到切线方向磁拉力的作用,并按顺时针方向旋转且前进一步,直至转子齿1,3的轴线与绕组轴线A-A'重合,如图9-7(a)所示。这时转子不动,且能自锁。 

项目2特种电动机 
接着,将A相绕组断电,只给B相绕组通电,则将建立以B-B‘为轴线的磁场。与上述同理,转子将顺时针方向再旋转且前进一步,使靠近B相绕组的转子齿2,4的轴线与B相绕组轴线B-B‘重合,如图9-7(b)所示。接着,将B相绕组断电,只给C相绕组通电,则将建立以C-C’为轴线的磁场。使靠近C相绕组的转子齿1,3的轴线与C相绕组的轴线C-C‘重合,如图9-7(c)所示,转子又顺时针方向前进了一步。这样,只要使定子绕组按照A相→B相→C相→A相……的顺序依次循环通电,电动机的转子将沿顺时针方向一步一步地转动。 
由上面分析可知,要改变电动机的转向,只需改变定子绕组通电的顺序即可。 
项目2特种电动机 
在工程技术中,这种运行方式被称为“三相单三拍”。“三相”是指定子有三个绕组,“单”是指只给一相绕组单独通电,“拍”是指定子绕组每改变一次通电方式称做一拍,“三拍”表示三种通电方式组成一个工作循环。 
步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角,用表示。三相单三拍运行方式步距角=30°。在实际使用中,还可AB两相同时通电,使转子轴线转至AB两相之间的轴线,按AB→BC→CA的顺序,两相同时依次通电,称为三相双三拍运行方式。 

3.小步距角步进电动机 
要满足系统对控制精度的要求,则步距角要小。常用的减小步距角的方法是增加转子的齿数,如图9-8所示。它的 

项目2特种电动机 
转子表面齿数Z=40,相应定子六个磁极的端面各开槽形成五个小齿,其形状、齿距、齿宽与转子齿完全一样。这种结构步进电动机在三相单三拍运行方式下的步距角=30°,在三相单、双六拍运行方式下的步距角=1.5°。步距角越小,电动机控制的角度和位置精度就越高。 
图9-1直流电机主要部件外形图 
图9-2带电刷的刷握示意图 
图9-3换向器剖面图 
图9-4电刷的研磨方法 
图9-5交流伺服电动机示意图 
图9-6反应式步进电动机示意图  
图9-7三相单三拍运行方式示意图 
图9-8步进电动机典型结构  

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