04 第四章 电动机.pptx

第1页：电动机封面

第4章电动机

第2页：本章内容概览

第4章电动机4.1三相异步电动机的构造4.2三相异步电动机的工作原理4.3三相异步电动机的电路分析4.4三相异步电动机的转矩与机械特性4.5三相异步电动机的起动4.6三相异步电动机的调速*4.7三相异步电动机的制动4.8三相异步电动机的铭牌数据4.9单相异步电动机*4.10直流电动机*4.11控制电机

第3页：4.1 三相异步电动机的构造

异步电动机的应用非常广泛

在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。

在农业方面

脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。

在家用电器方面

电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。

电动机的作用是将交流电能转换成机械能，电动机分交流电动机和直流电动机两大类，而交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。

• 异步电动机按电动机定子相数分：三相异步电动机、单相异步电动机。
• 按电动机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机。

第4页：电动机的外形4.1三相异步电动机的构

电动机的外形4.1三相异步电动机的构造

第5页：三相异步电动机的基本结构示意图三相异

三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。

此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。

第6页：端盖机座三相异步电动机的基本结构示意

端盖机座三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。

此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。

第7页：三相异步电动机的基本结构示意图定子三

三相异步电动机的基本结构示意图定子三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。

此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。

第8页：三相异步电动机的基本结构示意图定子转

三相异步电动机的基本结构示意图定子转子轴承端盖机座三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。

此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。

第9页：定子三相异步电动机的定子是由机座、定

• 定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。

定子绕组机座铁心

第10页：定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成

定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。

定子硅钢片

第11页：转子绕线型转子铁心与绕组根据转子绕组

• 转子绕线型转子铁心与绕组根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。

绕线型转子的电动机称绕线型电动机。

外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组

第12页：转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成

转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。

转子硅钢片2．转子

第13页：转子笼型转子笼型转子的电动机称笼型电

• 转子笼型转子笼型转子的电动机称笼型电动机。

笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。

第14页：在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组

在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。

U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子绕组星形联结定子绕组三角形联结端子

第15页：在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组

在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。

定子绕组U1U2V1V2W1W2iU1iV1iW1uU1uV1uW1i1i2i3U1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V2+++设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示

第16页：定子绕组与转子绕组转子绕组定子绕组

定子绕组与转子绕组转子绕组定子绕组U1W2V1U2W1V2+++设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示

第17页：4.2 三相异步电动机的工作原理

i1i2i3U1V1W1U2V2W2i1= Imsinωti2=Imsin(ωt–120°)i3=Imsin(ωt+120°)i1i2i3对称三相电流流入对称三相绕组。

图中标注与公式片段：ωtiO4.2.1旋转磁场

第18页：旋转磁场1．旋转磁场的产生ω

4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生ωtiOi1ωt=0°U1W2V1U2W1V2i1=0i2为负值i3为正值NS0°i2i3设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示

第19页：旋转磁场1．旋转磁场的产生ω（续）

ωtωt=60°iU1W2V1U2W1V2NS60°i1=0i2为负值i3为正值i1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生

第20页：旋转磁场1．旋转磁场的产生ω（续）（续）

ωt=90°U1W2V1U2W1V2NS90°i1为正值i2为负值i3为负值ωtii1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生

第21页：旋转磁场1．旋转磁场的产生ω（续）（续）

ωt=180°U1W2V1U2W1V2i1= 0i2为正值i3为负值180°NSωtii1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生

第22页：旋转磁场1．旋转磁场的产生ω（续）（续）

ωt= 0°U1W2V1U2W1V2NS0°Nωt= 180°U1W2V1U2W1V2S180°ωt= 90°U1W2V1U2W1V2NS90°ωt=60°U1W2V1U2W1V2NS60°1．旋转磁场的产生

第23页：空间相差120º角的三相绕组

空间相差120º角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º)。

综上分析可以得出：

第24页：空间相差120º角的三相绕组（续）

ωtiiU1iV1iW10U1V1W1U2V2W2i1i390°60°0°U1W2V1U2W1V2NS0°U1W2V1U2W1V2NS60°U1W2V1U2W1V2NS90°i22．改变旋转磁场的转向

第25页：综上分析可以得出

综上分析可以得出

改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的转向；

改变了旋转磁场的转向，也就改变了三相异步电动机的旋转方向。

第26页：旋转磁场的磁极对数p旋转磁场的磁极对

• 旋转磁场的磁极对数p旋转磁场的磁极对数p与三相定子绕组的连接方式有关。
• 旋转磁场的转速n0—电源的频率—磁极对数n0的单位：转/分若f1=50Hz，p=1n0=3000 r/minp=2n0=1500 r/minp=3n0=1000 r/min

第27页：电动机的转动原理•••SNΦ

4.2.2电动机的转动原理•••SNΦn0ne(i)ff转子导体旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。

笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。

第28页：转差率s转差率0

4.2.3转差率s转差率0<s<1sN=0.015~0.06转子转速n= (1–s)n0[例1]已知n=975r/min，f1=50Hz。

图中标注与公式片段：求：p、s、f2。 [解]p=3s=n1−nn11000−9751000==0.025

第29页：4.3 三相异步电动机的电路分析

下图所示是三相异步电动机每相电路图。

和变压器相比

定子绕组相当于变压器的一次绕组。

转子绕组相当于变压器的二次绕组。

第30页：定子电路定子电路jX1R1+−

4.3.1定子电路定子电路jX1R1+−+−+−定子的内阻抗：Z1=R1+jX1忽略Z1U1≈E1= 4.44f1N1ΦΦ：旋转磁场每极磁通；

N1：每相定子绕组匝数；

f1：定子电流频率。

第31页：转子电路R2jX2转子电路+−−

4.3.2转子电路R2jX2转子电路+−−+1．转子频率f2

第32页：R2jX2转子电路+−−+2．转子电

R2jX2转子电路+−−+2．转子电动势E2转子内阻抗：Z2=R2+jX2转子电动势：E2=4.44f2N2Φ=4.44sf1N2Φ=sE203．转子感抗X2

第33页：转子电流I2R2jX2转子电路+−−

• 转子电流I2R2jX2转子电路+−−+5．转子电路的功率因数cosφ2I2cosφ2cosφ2I2Os1

第34页：4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性

电磁转矩T=KTΦI2cosφ2电磁转矩是由旋转磁场的磁通Φ和转子电流的I2有功分量相互作用而产生的，所以与结构有关的常数常数4.4.1转矩公式

第35页：机械特性曲线sT

4.4.2机械特性曲线sT10TstTmsmsNTN转矩特性T=f(s)T与成正比

第36页：机械特性曲线n=f(T)1．额定转矩

机械特性曲线n=f(T)1．额定转矩TNT=TC=T2+T0≈T2P2：电动机轴上的输出功率P2单位：瓦(W)n单位：转/分(r/min)T单位：牛米(N·m)nTstT2=TN(在b点)On0TTmnNTNba

第37页：机械特性曲线n=f(T)1．额定转矩

由dT/ds = 0，得sm=±–—R2X20sm=–—R2X20取正值sm—称为临界转差率代入T的表达式求得最大转矩Tmax2．最大转矩Tmax不同电源电压的转矩特性nOn0TTstTmaxnNTNdU1

第38页：sm=R2/X20结论

• sm=R2/X20结论：(1)Tmax∝U12(2)Tmax与R2无关(3)过载系数λ=Tmax/TNλ=1.8∼2.2sm与U1无关2．最大转矩Tmax不同转子电阻的转矩特性nOn0TTmaxR2

第39页：起动瞬间

起动瞬间n=0，s=1U1↓→Tst↓↓R2↑→Tst↑负载转矩T2>Tst，不能起动。

负载转矩T2<Tst，可带负载起动。

λst=Tst/TN一般λst=1.0∼2.2起动转矩倍数3．起动转矩Tst

第40页：4.5 三相异步电动机的起动

求：(1)磁极对数p；

图中标注与公式片段：[例1]已知PN=4.5kW，nN=950r/min，ηN=84.5%，U=380V，f1=50Hz，λ=2，λst=1.7。 (2)s； (3)TN； (4)输入功率P1； (5)Tmax； (6)Tst。 [解](1)p=3s=n0−nNn11000−9501000== 0.05(2)(3)TN= 9.55PNnN= 9.554.5×103950= 45.24 N·m(4)P1=PNηN4.50.845=kW =5.33kW(5)T

第41页：5.1起动性能起动初始瞬间

4.5三相异步电动机的起动4.5.1起动性能起动初始瞬间，n=0，s=1(1)起动电流Ist大，4~7IN。

频繁起动会使电动机过热。

过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。

• 起动转矩Tst不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低,不能满载起动。

图中标注与公式片段：电磁转矩T=KTΦI2cosφ2

第42页：起动方法1．直接起动直接起动是在

4.5.2起动方法1．直接起动直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。

特点

起动转矩小；

起动电流大，比额定值大4~7倍；

影响同一电网上其他负载的正常工作。

优点

简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机。

• 降压起动起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。

第43页：星形—三角形(Y-Δ)换接起动

• 星形—三角形(Y-Δ)换接起动FUW2U1U2V1V2W1QS1转子定子绕组只适用于电动机在工作时定子绕组为Δ形接法。

图中标注与公式片段：ΔQS2YW1V1U1U2V2W2Δ形U1U2V1W1V2W2Y形

第44页：星形—三角形(Y-Δ)换接起动

FUW2U1U2V1V2W1QS1转子定子绕组ΔQS2V2(1)星形—三角形(Y-Δ)换接起动Y形Δ形起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的三分之一。

第45页：QS2起动三相自耦变压器(2)自耦降

QS2起动三相自耦变压器(2)自耦降压起动U1U2V1V2W1W2QS1M3~

第46页：QS2起动三相自耦变压器(2)自耦（续）

U1U2V1V2W1W2QS1QS2运转起动三相自耦变压器M3 ~(2)自耦降压起动

第47页：~~绕线型电动机起动时

~~绕线型电动机起动时，可在转子绕组中串联电阻，以减小起动电流。

• 转子串电阻起动Rst转子

第48页：例题1：有一Y225–4型三相异步电动机

[例1]有一Y225–4型三相异步电动机，其额定数据见下表。

试求

(1)额定电流；

• 额定转差率sN；
• 额定转矩TN、最大转矩Tmax、起动转矩Tst。

[解]Tmax/TNTst/TNIst/IN功率因数效率电压转速功率2.21.97.00.8892.3%380V1480r/min45kW(1)4~100kW的电动机通常是380V，Δ形联结。

• 由已知n= 1480r/min，可知电动机是4极的，即p= 2，n0= 1500 r/min所以

第49页：例题2：在上题中

• [例2]在上题中：(1)如果负载转矩为510.2N·m，试问在U=UN和U′=0.9UN两种情况下电动机能否起动？
• 采用Y—Δ换接起动时，求起动电流和起动转矩。

又当负载转矩为额定转矩TN的80%和50%时，电动机能否起动？

[解](1)在U=UN时，Tst=551.8N·m>510.2N·m，所以能起动。

在U′=0.9UN时，T′st=0.92×551.8N·m =447N·m <510.2N·m，所以不能起动。

第50页：例题2：在上题中（续）

• IstΔ= 7IN×84.2 A = 589.4 A在80%额定转矩时在50%额定转矩时

第51页：4.6 三相异步电动机的调速

三相异步电动机的调速调速方法变频调速(笼型电动机)变极调速(笼型电动机)变转差率调速(绕线型电动机)

第52页：变频调速变频调速装置两种变频调速

4.6.1变频调速变频调速装置两种变频调速方式：(1)f1<f1N低于额定转速调速由U1=4.44f1N1Φ知，若Φ保持不变，应保持(U1/f1)的比值近似不变，所以两者要成比例同时调节。

又电磁转矩T=KTΦI2cosφ2，T也近似不变，是恒转矩调速。

–整流器~f=50Hz+逆变器M3~f1、U1可调

第53页：变频调速变频调速装置–整流器~

4.6.1变频调速变频调速装置–整流器~f=50Hz+逆变器M3~f1、U1可调(2)f1>f1N高于额定转速调速应保持U1≈U1N，由U1=4.44f1N1Φ知，在减小f1同时Φ减小，又电磁转矩T=KTΦI2cosφ2，T也减小，是恒功率调速。

第54页：变极调速改变极对数p调速—有级调

4.6.2变极调速改变极对数p调速—有级调速U11U21U12U22U11U12U21U22U2U1p= 2

第55页：改变极对数p调速—有级调速

改变极对数p调速—有级调速4.6.2变极调速U11U1U2U12U21U22U11U21U12U22p= 1

第56页：变转差率调速在绕线型电动机转子绕

4.6.3变转差率调速在绕线型电动机转子绕组中串入电阻R,可改变转差率s和转速n。

sTO1TstTmsmR2R2sm''R2<R2'TN1．小范围无级调速特点2．R2大→特性变软

第57页：4.7 三相异步电动机的制动

*4.7三相异步电动机的制动4.7.1能耗制动QS运转制动RP+–M3 ~SNnff制动时定子接入直流电源产生固定磁场，i2受到阻转矩；

制动

将动能→电能→热能。

优点

能耗小，制动准确、平稳，不会反转。

缺点

需要另外加直流电源。

图中标注与公式片段：当n→0，i2→0，T→0。 e2(i2)•4.7.1能耗制动

第58页：QS正转制动将三相中的任意两相对调

QS正转制动将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使M停机。

优点

方法简单，制动效果好。

缺点

能量消耗大。

旋转磁场与转子的相对转速为(n1+n) →I2↑↑→I1↑↑。

必须在笼型电动机的定子或绕线型电动机的转子中串入电阻R，以防止烧坏绕组。

图中标注与公式片段：M3 ~R4.7.2反接制动

第59页：4.8 三相异步电动机的铭牌数据

• 功率PN额定运行时，轴上输出的机械功率。

输入功率P1=PN/η=√3UNINcosφ2．电压UN额定运行时，定子绕组上应加的线电压。

• 电流IN在UN、PN时，流入定子绕组的线电流。
• 转速nN在UN、PN、IN时，电动机转子的转速。

第60页：4.9 单相异步电动机

单相异步电动机单相异步电动机的功率一般为几至几百瓦常用于功率不大的电动工具(如电钻、搅拌器等)以及众多的家用电器(如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等)。

单相异步电动机

定子只有一相主绕组的异步电动机。

单相异步电动机均采用笼型转子，但定子有所不同。

第61页：W1BS~AiAiBA为工作绕组

W1BS~AiAiBA为工作绕组，B为起动绕组，在空间相隔90º。

S为离心力开关。

iAωtiiB0iA=IAmsinωtiB=IBmsin(ωt+90°)4.9.1电容分相式异步电动机

第62页：W1BS~AiAiBA为工作绕组（续）

iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt+90°)iAωtiiB0两相绕组形成的旋转磁场n045º90ºωt= 0°iA=0，iB为正值BA+iA、iB均为正值ωt= 45°++ABωt= 90°iA为正值，iB=0+AB形成旋转磁场

第63页：电容分相式异步电动机

4.9.1电容分相式异步电动机CBSAiAiB12改变电容C的串联位置，可使异步电动机反转。

将S合向1，iB超前iA将S合向2，iA超前iB

第64页：罩极式异步电动机定子定子绕组笼型

4.9.2罩极式异步电动机定子定子绕组笼型转子绕组转子Φ1和Φ2之间产生相位差，形成一个向罩极部分移动的旋转磁场。

图中标注与公式片段：~iΦ1Φ2短路铜环

第65页：三相异步电动机的单相运行若三相异步电

三相异步电动机的单相运行若三相异步电动机运行时断了一根线，则相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相运行，或缺相运行。

若n=0，则不能起动，此时电流很大，时间一长，电动机将会被烧坏；

若n≠0，则能够继续转动，但仍带额定负载，电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将被烧坏。

第66页：4.10 直流电动机

*4.10直流电动机直流电动机—将直流电能变为机械能。

• 直流电动机的构造定子机座主磁极换向极电刷转子电枢铁心电枢绕组换向器—直流电动机的特征转轴

第67页：主磁极励磁绕组转子转轴定子转子电枢铁

主磁极励磁绕组转子转轴定子转子电枢铁心—其槽孔中放置电枢绕组电枢绕组—产生感应电动势转轴—输入或输出机械功率机座—起支撑作用；

作为部分磁路主磁极—产生主磁通换向极—产生附加磁场，改善换向电刷—引入或引出直流电换向器—与电刷一起，共同完成直流电和交流电的转换换向极换向绕组

第68页：直流电动机的工作原理UI在两电刷之间

• 直流电动机的工作原理UI在两电刷之间加入直流电压U，则在绕组中产生电流i，通电导体又受到力的作用，产生电磁力矩。

由于换向器的作用，在N(S)极下受力方向不变，使电枢旋转起来。

导体与磁场之间的相互作用，在电枢绕组中产生反电动势e,与电源电压相平衡。

ffSNi•i电刷换向器

第69页：转矩、电动势和电压平衡方程式电磁转矩

• 转矩、电动势和电压平衡方程式电磁转矩T=KTΦIa电动势E=KEΦn电压平衡方程式外加电源电压U=E+IaRaE与Ia反向Φ：每极磁通Ia电枢电流E为反电动势，并励电动机MRf'RfRaEIaIfI+–Rst+–UIa=———U–ERaRst：限制起动电流Rf'：改变励磁电流改变电枢电流或励磁电流方向实现电动机反转+–URstUf–MERfRf'++–他励电动机IaIf

第70页：调速T=KTΦIa改变电枢电流或励磁

• 调速T=KTΦIa改变电枢电流或励磁电流方向，实现电动机反转。

改变磁通Φ(电阻Rf′)或改变电压U可达到调速的目的。

注意直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通。

并励电动机MRf'RfRaEIaIfI+–Rst+–U

第71页：4.11 控制电机

*4.11控制电机1.交流伺服电动机控制电机在自动控制系统中是必不可少的，其主要任务是转换和传递控制信号。

4.11.1伺服电动机转子笼型转子杯型转子定子定子绕组定子铁心机座内定子外定子励磁绕组控制绕组结构

第72页：C转子两相定子绕组接线图1．交流伺服

C转子两相定子绕组接线图1．交流伺服电动机iωti1i2O11为励磁绕组，2为控制绕组2交流伺服电动机是两相异步电动机。

i1与i2的相位差接近90°，产生旋转磁场。

改变的大小和相位，可控制电动机的转速和转向。

为零，电动机立即停转。

图中标注与公式片段：+–+–

第73页：+–U2I2U1–SM++–直流伺服

+–U2I2U1–SM++–直流伺服电动机2．直流伺服电动机直流伺服电动机和一般他励直流电动机一样，为了减小转动惯量而做得细长。

励磁电压U1一定，控制电压U2加在电枢上。

改变电枢电压可改变转速，改变电枢电压的极性可使电动机反转。

第74页：W1W1'U1U1'V1V1'定子铁

W1W1'U1U1'V1V1'定子铁心转子定子绕组4.11.2步进电机步进电机利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。

通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。

步进电机的结构定子定子铁心(硅钢片叠成)定子绕组转子：只有铁心，无绕组

第75页：(V1)V1相通电W1'

(V1)V1相通电W1'U1V1W1U1'V1'341230°通电顺序：U1→V1→W1→U1→···(U1)U1相通电W1'U1V1W1U1'V1'12340°步进电机的工作原理单三拍：每一次只有一相绕组通电，三次通电完成一个循环。

• 单三拍每一拍转子转过的角度称步距角。

反转通电顺序

U1→W1→V1→U1→···(W1)W1相通电W1'U1V1W1U1'V1'341260°转子力图转到磁阻最小位置

第76页：六拍(U1)U1相通电W1'

• 六拍(U1)U1相通电W1'U1V1W1U1'V1'12340°(V1)U1V1相通电W1'U1V1W1U1'V1'341215°(W1)V1相通电W1'U1V1W1U1'V1'341230°通电顺序：U1–U1，V1–V1–V1，W1–W1–W1，U1–U1反转通电顺序：U1–U1，W1–W1–W1，V1–V1–V1，U1–U1

第77页：通电顺序

通电顺序

U1,V1–V1,W1–W1,U1–U1,V1···每次有两相绕组通电3．双三拍步距角的大小与转子的齿数及通电的方式有关。

步距角

θ=360ºZrmZr：转子齿数；

m：循环的拍数。

第78页：实际需要步距角较小(1.5º)的步进

实际需要步距角较小(1.5º)的步进电机，所以其齿数较多。

U1W1'U1'V1'W1V1定、转子齿距相等，且齿数配合要恰当。

如：转子齿数Zr= 40，齿距角——=——= 9°Zr360°360°40

第79页：步进电机的控制电路框图脉冲分配器功率

步进电机的控制电路框图脉冲分配器功率放大器步进电机负载输入脉冲脉冲分配器：决定步进电机定子绕组通电顺序和电机转速的电路。

功率放大器

分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为励磁电流送到步进电机定子绕组。