| 交流電機(jī),直流電機(jī),步進(jìn)電機(jī)三者的工作原理 |
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各種交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理
目前較常用的交流電動(dòng)機(jī)有兩種：1、三相異步電動(dòng)機(jī)。2、單相交流電動(dòng)機(jī)。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。
一、三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理
三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來(lái)的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其產(chǎn)生的過(guò)程如圖1所示。圖中分四個(gè)時(shí)刻來(lái)描述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生過(guò)程。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P式中f為電源頻率、P是磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速控制。
觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時(shí)針排列，磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，若把三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，例如將B相電流通入C相繞組中，C相電流通入B相繞組中，則相序變?yōu)椋篊、B、A，則磁場(chǎng)必然逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)。一般情況下，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n。因?yàn)榧僭O(shè)n=n1，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)切割磁力線，也就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)。
二、單相交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理
單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦電流通過(guò)定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)（如順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)），這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變小；轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。
要使單相電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，我們可在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組，起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90度，起動(dòng)繞組要串接一個(gè)合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個(gè)在時(shí)間上相差90度的電流通入兩個(gè)在空間上相差90度的繞組，將會(huì)在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖2所示。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)起動(dòng)，起動(dòng)后，待轉(zhuǎn)速升到一定時(shí)，借助于一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開(kāi)關(guān)或其他自動(dòng)控制裝置將起動(dòng)繞組斷開(kāi)，正常工作時(shí)只有主繞組工作。因此，起動(dòng)繞組可以做成短時(shí)工作方式。但有很多時(shí)候，起動(dòng)繞組并不斷開(kāi)，我們稱這種電動(dòng)機(jī)為電容式單相電動(dòng)機(jī)，要改變這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，可由改變電容器串接的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在單相電動(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動(dòng)機(jī)。此種電動(dòng)機(jī)定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個(gè)磁極在1/3--1/4全極面處開(kāi)有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個(gè)部分，在小的部分上套裝上一個(gè)短路銅環(huán)，好象把這部分磁極罩起來(lái)一樣，所以叫罩極式電動(dòng)機(jī)。單相繞組套裝在整個(gè)磁極上，每個(gè)極的線圈是串聯(lián)的，連接時(shí)必須使其產(chǎn)生的極性依次按N、S、N、S排列。當(dāng)定子繞組通電后，在磁極中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)楞次定律，其中穿過(guò)短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)在相位上滯后90度的感應(yīng)電流，此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)繞組相當(dāng)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
直流電機(jī)的基本工作原理
直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門(mén)，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。
直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問(wèn)題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò)，近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)部分和電路部分。從上述原理可見(jiàn)，任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。我們?cè)谶@一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和 “電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。
一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理
直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是直流發(fā)電機(jī)是由原動(dòng)機(jī)（一般是交流電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。可見(jiàn)，它是把機(jī)械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)則接在直流電源上，拖動(dòng)各種工作機(jī)械（機(jī)床、泵、電車、電纜設(shè)備等）工作，它是把電能變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備。但是，當(dāng)前已經(jīng)有可控硅整流裝置替代了直流發(fā)電機(jī)，為了能使大家更好的理解直流電動(dòng)機(jī)，有必要同時(shí)講述一下直流發(fā)電機(jī)的原理。
我們首先來(lái)觀察直流發(fā)電機(jī)是怎樣工作的。
如圖1所示，電刷A、B分別與兩個(gè)半園環(huán)接觸，這時(shí)A、B兩電刷之間輸出的是直流電。我們?cè)賮?lái)看看這時(shí)線圈在磁極之間運(yùn)動(dòng)的情況。從圖1（a）可以看出，當(dāng)線圈的ab邊在N極范圍內(nèi)按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用發(fā)電機(jī)右手定則，這時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是從b指向a。這時(shí)線圈的cd邊則是在S極范圍內(nèi)按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，依據(jù)發(fā)電機(jī)右手定則可以判斷，cd邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向是從d指向c。從整個(gè)線圈來(lái)看，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是d-c-b-a。因此，和線圈a端連接的銅片1和電刷A是處于正電位；而和線圈的d端連接的銅片2和電刷B是處于負(fù)電位。如果接通外電路，那么電流就從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。
當(dāng)線圈的ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)時(shí)，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)（圖1，b），用右手定則判斷可以知道，這時(shí)線圈cd邊中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向是從c到d，而ab邊轉(zhuǎn)到了S極范圍內(nèi)，其中電動(dòng)勢(shì)的方向則是有a到b。由于電刷在空間是不動(dòng)的，因此和線圈d端連接的銅片2和電刷A接觸，它的電位仍然是正。而與線圈a端連接的銅片1則和電刷B接觸，它的電位仍然是負(fù)。接通外電路時(shí)，電流仍然是從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過(guò)，要注意到這時(shí)線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。
由此可知，當(dāng)線圈不停地旋轉(zhuǎn)時(shí)，雖然與兩個(gè)電刷接觸的線圈邊不停的變化，但是，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負(fù)電位。因此，有兩電刷引出的是具有恒定方向的電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載上得到的是恒定方向的電壓和電流。也就是說(shuō)，盡管線圈abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向不斷交變，但是電刷A總是和處在N極范圍內(nèi)的線圈邊接觸，電刷B總是和處在S極范圍內(nèi)的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經(jīng)過(guò)銅片和電刷整流后，便成為外電路中的直流電了。這兩個(gè)半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。
二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理
上面已經(jīng)討論了直流發(fā)電機(jī)的工作原理，現(xiàn)在再來(lái)討論直流電動(dòng)機(jī)是怎樣工作的。
如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而把它的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上（如圖2所示），那么會(huì)發(fā)生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷A是正電位，B是負(fù)電位，在N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流是從c流向d。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要受到電磁力Fde的作用。根據(jù)磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而 cd邊則是向右。由于磁場(chǎng)是均勻的，導(dǎo)體中流過(guò)的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過(guò)半州之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)�？梢�(jiàn)，分別處在N、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，通過(guò)齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，便可以帶動(dòng)其它工作機(jī)械。
從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問(wèn)題是當(dāng)導(dǎo)體從一個(gè)磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個(gè)異性磁極范圍內(nèi)時(shí)（也就是導(dǎo)體經(jīng)過(guò)中性面后），導(dǎo)體中電流的方向也要同時(shí)改變。換向器和電刷就是完成這個(gè)任務(wù)的裝置。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵�；而在直流電�?dòng)機(jī)中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫�圈中的交流電�？梢�(jiàn)，換向器和電刷是直流電機(jī)中不可缺少的關(guān)鍵性部件。
當(dāng)然，在實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)中，也不只有一個(gè)線圈，而是有許多個(gè)線圈牢固地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)電流、在磁場(chǎng)中因受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，就帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。
比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。正如前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動(dòng)機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的�？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
一般用在精確定位方面 |
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