【正文】 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī) 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 1． 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成 。 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子 ， 定子的主要作用是產(chǎn)生磁場 ， 由機(jī)座 、 主磁極 、 換向極 、 端蓋 、 軸承和電刷裝置等組成 。 運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子 ， 其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢 ， 是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐 ， 所以通常又稱為電樞 ， 由轉(zhuǎn)軸 、 電樞鐵心 、 電樞繞組 、 換向器和風(fēng)扇等組成 。 圖 3－ 1是直流電機(jī)的縱剖面圖 ， 圖 3－ 2是橫剖面示意圖 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 31 直流電機(jī)的縱剖面圖 11— 換向器；2— 電刷裝置；3— 機(jī)座；4— 主磁極；5— 換向極；6— 端蓋；7— 風(fēng)扇；8— 電樞繞組；9— 電樞鐵心234 56789第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 32 直流電機(jī)橫剖面示意圖 123 4567891— 電樞繞組；2— 電樞鐵心；3— 機(jī)座；4— 主磁極鐵心；5— 勵(lì)磁繞組；6— 換向極繞組；7— 換向極鐵心；8— 主磁極極靴；9— 機(jī)座底腳第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 1） (1) 主磁極 。 主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成 ， 其作用是產(chǎn)生氣隙磁場 。 鐵心用 ～ mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而成 ， 上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身 ， 下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴 ， 極靴寬于極身 ， 既可以使氣隙中磁場分布比較理想 ， 又便于固定勵(lì)磁繞組 。 勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成 。 勵(lì)磁繞組套在極身上 ， 再將整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (2) 換向極 。 兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極 ， 也叫附加極或間極 。 換向極的作用是改善換向 ， 減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花 。 換向極由換向極鐵心和換向極繞組組成 。 換向極鐵心一般用整塊鋼制成 ， 對(duì)換向性能要求較高的直流電機(jī) ， 換向極鐵心可用 ～ mm厚的鋼板沖制疊壓而成 。 換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成 ， 套在換向極鐵心上 。 整個(gè)換向極用螺釘固定于機(jī)座上 。 換向極的數(shù)目與主磁極相等 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (3) 機(jī)座 。 電機(jī)定子部分的外殼稱為機(jī)座 ， 見圖 31中的 3，一方面機(jī)座用來固定主磁極 、 換向極和端蓋 ， 并對(duì)整個(gè)電機(jī)起支撐和固定作用 ， 另一方面也是磁路的一部分 ， 借以構(gòu)成磁極之間磁的通路 ， 磁通通過的部分稱為磁軛 。 為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能 ， 一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (4) 電刷裝置 。 電刷裝置用以引入或引出直流電壓和直流電流 。 電刷裝置由電刷 、 刷握 、 刷桿和刷桿座等組成 。 電刷放在刷握內(nèi) ， 用彈簧壓緊 ， 使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸 ， 刷握固定在刷桿上 ， 刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上 ， 相互之間必須絕緣 。 刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上 ， 圓周位置可以調(diào)整 ， 調(diào)好以后加以固定 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 2） 轉(zhuǎn)子 (電樞 )部分 (1) 電樞鐵心 。 電樞鐵心是主磁通磁路的主要部分 ， 同時(shí)用以嵌放電樞繞組 。 為了降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗 ， 電樞鐵心用 mm厚的硅鋼片沖制的沖片疊壓而成 ， 沖片的形狀如圖 33所示 。 疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上 ， 鐵心的外圓開有電樞槽 ， 槽內(nèi)嵌放電樞繞組 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 33 電樞鐵心沖片 1231— 齒；2— 槽；3— 軸向通風(fēng)孔第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (2) 電樞繞組 。 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢 ， 是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件 。 它由許多線圈按一定規(guī)律連接而成 ， 線圈用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成 ， 不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中 ， 線圈與鐵心之間和上 、 下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣 ， 為防止離心力將線圈邊甩出槽外 ， 槽口用槽楔固定 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (3) 換向器 。 在直流電動(dòng)機(jī)中 ， 換向器配以電刷 ， 能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流 ， 使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中 ， 換向器配以電刷 ， 能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為正 、 負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢 。 換向器是由許多換向片組成的圓柱體 ， 換向片之間用云母片絕緣 ， 換向片的緊固通常如圖 34所示 ， 換向片的下部做成鴿尾形 ， 兩端用鋼制 V形套筒和 V形云母環(huán)固定 ， 再用螺母鎖緊 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 34 普通換向器 12341—V 形套 筒；2— 云母 環(huán)；3— 換向 片；4— 連接 片第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) (4) 轉(zhuǎn)軸 。 轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用 ， 需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度 ， 一般用圓鋼加工而成 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 2． 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)之上的 ， 直流電動(dòng)機(jī)也是如此 。 直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)電刷兩端外加直流電源 ， 轉(zhuǎn)子上同軸連接機(jī)械負(fù)載 。 如圖 35所示 ， 電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí) ， 由直流電源把直流電能經(jīng)電刷 A、 B引入電機(jī) ，在圖 35（ a） 所示的瞬間 ， 導(dǎo)體 a的電流方向?yàn)?⊙ ， 導(dǎo)體 b的電流方向?yàn)?， 載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用 ， 方向由左手法則確定 ， a、 b導(dǎo)體所受的電磁力對(duì)軸形成一個(gè)順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩 （ 電磁轉(zhuǎn)矩 ） ， 當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時(shí) ， 電樞沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 35 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 NSTnaABb( a )NSTnbABa( b )第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 直流電機(jī)的電樞電勢 Ｅ a是指電機(jī)正負(fù)電刷間的電勢，電樞電勢可用下式表示： ΦnCE ea ?（ 31） 式中 ， Ce為直流電機(jī)的電勢常量 ， 與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān) ， （ P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； N為電樞的總導(dǎo)體數(shù)； a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù) ） 。 Φ 為正 、 負(fù)電刷間的磁通 。n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 電樞繞組感應(yīng)電勢的方向 ， 用右手法則判定 。 aPNCe 60?第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 直流電機(jī)電樞繞組中的電流與磁通 Φ 相互作用 ， 產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩 。 電磁轉(zhuǎn)矩 T是指電樞繞組中每根導(dǎo)體所受電磁轉(zhuǎn)矩的和 。 電磁轉(zhuǎn)矩可用下式表示： aT ΦICT ?（ 32） 式中 ,CT為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量 ， 與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān) , Φ 為正、負(fù)電刷間的磁通； Ia為電樞電流。 ?π2PNCT ?。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 因?yàn)? ,60,π2 aPNCaPNC eT ??所以 eT CaPNC 60π260 ??? （ 33） 無論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī) ， 電磁功率均指電機(jī)通過電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的這部分功率 ， 既可以表示為機(jī)械功率的形式 ， 也可以表示為電功率的形式 。 因此，無論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，電磁功率都可表示為 Pem=EaIa=TΩ （ 34） 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 3． 直流電機(jī)的可逆原理 直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完全相同 ， 每一臺(tái)電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 ， 也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 ， 這一性質(zhì)稱為直流電機(jī)的可逆原理 。 電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外部條件決定： 如果在電機(jī)軸上施加外力 ， 使電樞轉(zhuǎn)動(dòng) ， 那么電機(jī)可以把輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能輸出 ， 電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；如果在電樞繞組兩端施加直流電源 ， 輸入直流電流 ， 那么電機(jī)可以把輸入的直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出 ， 電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 。 發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī) ， 不是兩種不同的電機(jī) ， 而是同一電機(jī)的兩種不同的運(yùn)行方式 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1． 機(jī)械特性方程式 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可由電動(dòng)機(jī)的基本方程式導(dǎo)出 。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理接線圖如圖 36所示 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 36 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線圖 ＋ －UMIaEaRpaIf＋－ UfRfrf第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 電勢方程式： U=Ea+IaR 電樞電勢： Ea=CeΦn 電磁轉(zhuǎn)矩： T=CTΦIa 式中 ,R=Ra+RPa， 表示電樞總電阻 ， 包括電樞電阻 Ｒ a和附加電阻 RPa 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 將 Ea和 T的表達(dá)式代入電勢方程式中，可得機(jī)械特性方程式為 TΦCC RΦCUnTee2??（ 35） 在機(jī)械特性方程式 （ 35） 中 ， 當(dāng)電源電壓 U、 電樞總電阻R、 磁通 Φ為常數(shù)時(shí) ， 即可畫出一條向下傾斜的直線如圖 37所示 ， 這根直線就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 , 即 n=f(T)。 由圖可見 ， 轉(zhuǎn)速 n隨電磁轉(zhuǎn)矩 T的增大而降低 ， 這說明電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載 ， 轉(zhuǎn)速會(huì)有一些降落 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 1) 理想空載點(diǎn) A（ 0， n0） 在方程式（ 35）中，當(dāng) T=0時(shí)， n=U/CeΦ 稱為理想空載轉(zhuǎn)速 n0，即 ΦCUne?0 （ 36） 由公式 （ 36） 可見 ， 調(diào)節(jié)電源電壓 U或磁通 Φ， 可以改變理想空載轉(zhuǎn)速 n0的大小 。 必須指出 ， 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 n0′比 n0略低 ， 如圖 37所示 。 這是因?yàn)?， 電動(dòng)機(jī)在實(shí)際的空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí) ， 其輸出轉(zhuǎn)矩 T2=0， 但電磁轉(zhuǎn)矩 T不可能為零 ， 必須克服空載阻力轉(zhuǎn)矩 T0， 即 T=T0， 所以實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 n0′為 02039。0 TΦCCRnnTe??（ 37） 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 2) 堵轉(zhuǎn)點(diǎn) B（ TK， 0） 圖 37中 ， 機(jī)械特性與橫軸的交點(diǎn) B即為堵轉(zhuǎn)點(diǎn) 。 在堵轉(zhuǎn)點(diǎn) ， n=0， 因而 Ea=0。 此時(shí)電樞電流 Ia=U/(Ra+RPa)=IK， 稱為堵轉(zhuǎn)電流 。 與堵轉(zhuǎn)電流相對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 TK=CTΦIK稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 0 TnBTT0n0A? n圖 37 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 3) 機(jī)械特性的斜率 方程式（ 35）中右邊第二項(xiàng)表示電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降，用△ n表示，則 TTCCRnTe????? 2（ 38） 其中， 表示機(jī)械特性的斜率，在同樣的理想空載轉(zhuǎn)速下， β越小，△ n小，即轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的變化較小，稱此機(jī)械特性為硬特性； β越大，△ n大，即轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的變化較大，稱此機(jī)械特性為軟特性。 2??Te CCR?第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 將公式（ 36）及（ 38）代入式（ 35），即得機(jī)械特性方程式的簡化式： Tnn ??? 0（ 39） 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 2． 固有機(jī)械特性 當(dāng)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電源電壓 U=UN， 磁通 Φ=ΦN， 電樞回路中附加電阻 RPa=0時(shí) ， 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性 。 固有機(jī)械特性的方程式為 TCC RC UnNTeaNeN2????（ 310） 根據(jù)公式（ 310）可繪出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性如圖38所示。由于 Ra較小，數(shù)值最大，所以特性的斜率 β 最小，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性較硬。 第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 38 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 ? nNnn00 TNT第 3 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 3． 人為機(jī)械特性 1) 電樞回路串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 此時(shí) U=UN， Φ =Φ N， R=Ra+RPa， 電樞串接電阻 RPa時(shí)的人為機(jī)械特性方程式為 TCCRR