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1、第 8 章 新 电 机 介 绍,中国矿大信电学院,控制电机,主要内容：,1、直线电动机的结构、工作原理及应用；,2、超声波电动机的结构、工作原理及应用；,3、无刷直流电动机的结构、工作原理及应用；,4、开关磁阻电动机的结构、工作原理及应用；,第一节 直线电动机,一、概述,利用电能直接产生直线运动的电动机。其原理与相应的旋转式电动机相似，在结构上可看作是由相应旋转电机沿径向切开,拉直演变而成。直线电动机包括定子和动子两个主要部分,旋转电机,定子,动子,直线电动机的结构有扁平型和管型,1、轨道；2、磁路；3、定子叠片；4、定子绕组,扁平型,管型,直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线异步电动
2、机、直线步进电动机和交流直线同步电动机,直线电动机较多地应用于各种定位系统和自动控制系统。大功率的直线电动机还常用于电气铁路高速列车的牵引、鱼雷的发射等装备中。,吸引型,推斥型,二、直线直流电动机,直流供电的直线电动机。由一套磁极和一组绕组构成。分为动极式和动圈式两种。,直流动圈式直线电动机，由于其结构与扬声器的音圈相似，故又称为音圈式直线电动机，简称音圈电动机。,（一）、直线直流电动机工作原理,电枢导体中的电流与主磁极磁场作用，产生电磁力。动子在该电磁力作用下沿直线运动。,总电磁力：Fem=NBlia,N：总匝数；B：气隙磁密；l:导体有效长度；ia：导体电流,直线直流电动机工作原理,动圈式
3、直线电动机有长动圈和短动圈结构,长动圈电枢线圈轴向长度比行程长，铜耗大，但永磁利用率高，体积小。 短动圈电枢线圈轴向长度比行程短，永磁利用率低，但比推力均匀，性能好。,（二）、直线直流电动机方程,电压方程：U=RaIa+E,电势：,N：每极总匝数；L：行程；v:速度,电压方程：U=RaIa+E,电势：,转速特性：,总电磁力：Fem=NBlia,结论：直流直线电动机由于推力与电枢电流成正比，速度与电枢电压成正比，有良好的线性控制特性。,它与闭环控制系统配合，可以进行精密的调节和控制，适用于自动控制系统，例如计算机磁盘驱动器的磁头定位系统、机器人系统等。,总电磁力：Fem=NBlia,三、直线异步
4、电动机,（一）结构与工作原理,由旋转式异步电动机演变而来。其工作原理和旋转式异步电动机相同。主要由定子和动子两部分组成，嵌有线圈的部分为定子。,当定子多相绕组中通入对称交流电流后，电机气隙中就产生一个磁场行波，切割动子的导体而感应电流。此电流与磁场作用产生电磁力使动子发生直线运动。,直线异步电动机的速度与极距、频率成正比，改变极距或频率可以调速。,改变直线异步电动机定子通电相序，可以改变运动方向。,直线异步电动机常在工业自动化系统中作为操作杆的动力，用它操作自动门窗、自动开关和阀门以及各种机械手，也可用于电气铁路高速列车的牵引和鱼雷发射等。,（二）调速及应用,四、直线同步电动机,由旋转式同步电
5、动机演变而来。其工作原理和旋转式同步电动机相同。主要由定子和动子两部分组成，嵌有交流线圈的部分为定子。,当定子多相绕组中通入对称交流电流后，电机气隙中就产生一个磁场行波，与动子的磁场作用产生电磁力使动子发生直线运动。,直线同步电动机的比推力较直线异步电动机的比推力大，功率因数和效率也比异步好。因此，直线同步电动机的性能优越。,五、直线步进电动机,由旋转式步进电动机演变而来。它是利用定子和动子间气隙磁阻的变化所产生的电磁力而工作的。它分为感应子式和磁阻式。,（一）感应子式的结构,定子由带齿槽的铁磁材料制成；槽中填满非铁磁材料，使表面光滑；齿间距为t。,动子由永磁体（A、B）、导磁极和励磁绕组组成
6、； 永磁体A和B的N和S极相反，间距等于（k1/4）t；当A的齿与定子齿槽对齐时，B的齿与定子齿槽错开t/4,齿 槽,t,A相励磁绕组,B相励磁绕组,动子,定子,（二）感应子式的原理,(1)A相加正电压， B相不加电压,齿a 和a中的永磁体磁场与A相电流产生的磁场相加；齿c 和c中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿a 和a中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐。,而 B相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(2)B相加正电压， A相不加电压,齿b 和b中的永磁体磁场与B相电流产生的磁场相加；齿d 和d中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿b 和b中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动
7、子移动t/4。,而 A相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(3)A相加负电压， B相不加电压,齿c 和c中的永磁体磁场与A相电流产生的磁场相加；齿a 和a中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿c 和c中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动子移动t/4。,而 B相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,(4)B相加负电压， A相不加电压,齿d 和d中的永磁体磁场与B相电流产生的磁场相加；齿b 和b中的磁场相减，全部被去磁。因此，仅齿d 和d中的磁场才会产生电磁力，使其与定子齿对齐，动子移动t/4。,而 A相所有齿中磁场相等，产生电磁力相互抵消。,重复以上4步通电顺序，动子将按1/t的步
8、长继续前进；如果需要动子反向运行，只需将通电顺序反序； 控制通电脉冲的数量和频率，可以方便地控制动子的位置和速度。,（三）、直线步进电动机的应用,1、数控绘图仪、记录仪；2、数控刻图机；2、数控剪裁机；4、精密定位机构。,（四）、平面式直线步进电动机,平面式直线步进电动机由两台电机组合而成，一台产生X方向的运动，另一台产生Y方向的运动。其可以在XY平面上任意运动和定位。主要用在刻图和绘图机中。,磁极,定子,永磁体,定子齿,Y轴,X轴,超声波电动机是非电磁型电动机，它不是依据电磁力定律来工作的。它是利用压电振动产生的强力超声波的振动能转换为机械能。,超声波电动机是利用定子变形产生振动和转子接触，
9、通过摩擦来传递转矩和功率。,（一）、超声波电动机的结构和工作原理,第二节 超声波电动机,（一）、超声波电动机的结构和工作原理,定子组成：压电晶体、弹性体和电极,动子组成：支持轴、耐磨的摩擦衬垫和压紧装置，将动子紧压在定子弹性体上。,压电晶体在交流电压作用下产生周期性机械运动，它带动弹性体产生波动，动子与弹性体产生摩擦力，动子在摩擦力的作用运动。,为了产生单一方向的行波，交流电压AB应正交。动子的移动方向与行波方向相反。改变AB相序可以改变方向。,（二）、超声波电动机的机械特性,特点：1、适合大转矩、低转速的机械负载； 2、效率低； 3、需要采用闭环反馈来控制电机的位置、速度，才能满足运行的要求
10、。,（三）、超声波电动机的应用,（1）照相机的自动变焦镜头。用超声波电动机直接驱动调焦镜片，其定位精度高、时间短、噪音低；,（2）电子束发生器、机器人,第三节 无刷直流电动机,无刷直流电动机的供电电源为直流、特性与普通直流电动机特性一样优良、电枢绕组电流的换向是利用电子换向电路实现。,无刷直流电动机转矩的获得也是通过改变相应电枢绕组电流在不同极下时的方向，从而转矩方向总为固定方向。,（一）、无刷直流电动机的结构,电机和位置传感器组成,电机由定子（电枢）、转子（永久磁铁）,位置传感器由遮光板（旋转）、光电检测元件,n,=0,转子N极位置,此时光电管PT1接收光，导通，输出电流控制功率晶体管V1导
11、通。定子A相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针旋转。,（二）、无刷直流电动机的工作原理,n,=60,转子N极位置,此时光电管PT1关闭， V1关闭A相绕组无电流；光电管PT2导通，输出电流控制功率晶体管V2导通。定子B相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针继续旋转。,n,=120,转子N极位置,此时光电管PT2导通，输出电流控制功率晶体管V2导通。定子B相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针继续旋转。,n,=180,转子N极位置,此时光电管PT2关闭， V
12、2关闭B相绕组无电流；光电管PT3导通，输出电流控制功率晶体管V3导通。定子C相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针继续旋转。,n,=240,转子N极位置,此时光电管PT3导通，输出电流控制功率晶体管V3导通。定子C相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针继续旋转。,=240,n,=300,转子N极位置,此时光电管PT3关闭， V3关闭C相绕组无电流；光电管PT1导通，输出电流控制功率晶体管V1导通。定子A相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针继续旋转。,=3
13、00,n,=360,转子N极位置,此时光电管PT1接收光，导通，输出电流控制功率晶体管V1导通。定子A相绕组有直流电流流过，产生S极与转子N极相互吸引，产生逆时针的电磁转矩。转子沿逆时针旋转。,无刷直流电动机工作原理,0,60,120,180,240,300,360,UPT1,UPT2,UPT3,UV2,UV3,UV1,IA,TA,IB,TB,IC,TC,三个光敏晶体管相差120放置，遮光板透光部分占据120 ，其导通期也为120 。因此ABC绕组依次导通120 。,位置传感器的输出信号必须和绕组各位置之间有严格的对应关系，依靠它来准确地进行依次换相，使电机能够连续运行。,该系统为一个闭环系统
14、。,该系统为一个闭环系统，其系统框图为：,控制信号,（三）、无刷直流电动机的绕组连接方式,三相星形半桥连接,三相星形全桥连接,四相星形半桥连接,四相星形全桥连接,连接方式比较：,1、绕组的利用程度： 三相优于四相；全桥（可两相同时通电）优于半桥（一相通电）,2、转矩脉动 相数越多，转矩脉动越小。但控制电路复杂，成本高。,目前使用较多的是三相星形连接方式。,（四）、无刷直流电动机的方程及特性,电压方程,机械特性,（五）、无刷直流电动机的驱动电路分析,以三相半桥驱动为例，分析其通电顺序控制、正反转控制和调速控制。,138真值表,*任意电平； 1高电平； 0低电平；,G1 G2为使能输入； ABC选
15、择输入,三相半桥驱动控制电路,PWM：调节电压，控制速度。 故障时，保护信号为“0”，封锁138，断开ABC相电源。 正转时，方向信号为“1”，1#138工作；反转时，2#138工作,正转时，控制逻辑分析，1#138工作,反转时，控制逻辑分析，2#138工作,第四节 开关磁阻电机,(一) SRM结构与工作原理,开关磁阻电动机（Switched reluctance motor）SRM 与反应式步进电机相似。为双凸极可变磁阻电动机，其工作原理是遵循“磁阻最小原理”。,定子极上有集中绕组，转子无绕组。,定子、转子的极数需要配合，电机才产生恒定的电磁转矩。,定子、转子的极数需要配合方案,定子m相绕组
16、轮流通电一次，转子转过一个转子极距。,转子转速：,每相绕组开关频率,SRM工作原理,A、B、C相依次通电，转子就按逆时针旋转,B、 A 、 C相依次通电，转子就按顺时针旋转,n,A、B、C相依次通电，转子就按逆时针旋转,（二）SRM与反应步进电机的主要差别,（三）开关磁阻电机驱动系统（SRMD）的组成,控制器是SRMD的指挥中枢，它由单片机和外围接口电路组成。其控制功能有：电流斩波控制；角度位置控制；启动、调速和制动控制；故障保护等。,功率变换器是SRM运行时的电能提供者，一般由大功率晶体管和二极管组成。,（四）开关磁阻电机的优点及应用,1、转子结构简单，电机制造成本低。,2、效率高,3、故障容错能力强。,应用：,1、在电动车中的应用。,2、在航空燃气涡轮发动机的启动和发电机系统中的应用。,3、食品加工机械中的、洗衣机等方面的应用。,5、力矩发送机分别转过2和1时，接收转过的角度为： 2-1,习题,6、协调位置和失调角如图,7、接收机的失调角为20，将受逆时针方向的电磁转矩。,15,Uj,Z1,Z2,Tem,Xt,35,1,2,3,20,100,7、定子接线改变后，接收机中磁场位置发生变化。失调角为100度。,步进电机速度:,