第七章 特殊电机

特殊电机

第七章 特殊电机第一节 步进电动机 第二节 开关磁阻电机 第三节 力矩电机 第四节 磁滞电动机

第五节 超导电机第六节 超声波电机

特殊电机

1 步进电动机 步进电动机是一种将数字脉冲转换为阶梯波电压，并在此 电压驱动下作步进运动的电动机。施加一个脉冲信号，步 进电动机就前进一个步距。它由电动机本体、驱动器和控 制器构成，其系统框图如图所示。

图7-l 步进电动机系统框图

特殊电机1.1反应式步进电动机的结构和工作原理 以三相反应式步进电动机为例。 定子上有六个磁极和三相绕组， 每一相绕组绕在相对的两个磁极 上，绕组通电时，这两个磁极的 极性相反。转子铁心及定子磁极 上有小齿，定转子齿距相等。 转子铁心上没有绕组。

图7-2 反应式步进电动机结构示意图

特殊电机当A相绕组通电时， 电动机内建立以AA’为轴线的磁场。 由于定转子上有齿和槽，当定转子齿 的相对位臵不同时，磁路的磁导也不同， 定转子齿相对的磁极的磁导最大， 定转子齿和槽相对的极的磁导最小。 转子的稳定平衡位臵是使通电相 磁路的磁导最大的位臵，所以A相 通电时转子处于A相极下定转子齿

相对的位臵。(a)A相通电

特殊电机当A相绕组断电、B相绕组通电时， 则建立以BB’为轴线的磁场，磁场 在空间上沿逆时针方向转过120 , 转子齿的轴线将力求与B相磁极上 定子齿的轴线对齐，以达到平衡 状态，转子沿逆时针方向转过1/3齿距。 齿距为

360 t Zr(b) B相通电

式中，Zr为转子齿数。

特殊电机在B相绕组断电的同时，给C相 绕组通电，则建立以CC’为轴线 的磁场，转子又沿逆时针方向转过

1/3齿距以使C相极下定转子齿对齐。在C相绕组断电的同时，给A相绕组

通电，则转子又沿逆时针方向转过1/3齿距以使A相极下定转子齿对齐。

(c) C相通电

当连续不断地按A—B—C—A的顺序依次给各相绕组通电时，磁

场的轴线沿ABC方向运动。每改变一次通电状态，磁场转过120 ,转子转过1/3齿距。当定子各相轮流通电完成一个循环 时，磁场沿ABC方向转过360 空间角，转子沿ABC方向转过一 个齿距，因此转子转速为磁场转速与转子齿数的比值。

特殊电机 若按A—C—B—A的顺序依次给各绕组通电，则磁场沿顺时 针方向转动，转子也沿顺时针方向转动，即改变通电的顺序 就可以改变电动机的转向。

上述通电方式称为三相单三拍运行方式，三相反应式步进电 动机也可以按三相双三拍(AB—BC—CA—AB)方式运行，其 工作原理与三相单三拍运行方式相似，每改变一次通电状态， 磁场轴线转过120 ,转子转过1/3齿距。但由于通

电方式不同， 运行性能有些差别。三相反应式步进电动机还可以采用三相 六拍的通电方式(A—AB—B—BC—C—CA—A),每改变一 次通电状态，电动机内磁场的轴线转过60 ,转子转过1/6齿 距，为三拍时的一半。

特殊电机同一台电动机，可以有不同的通电方式和不同的运行拍数，若 用ml表示运行拍数，则每改变一次通电状态时转子转过的角度

b

称为步距角。 1.2永磁步进电动机的结构和工作原理 定子上有二相或多相绕组， 转子为星形永磁磁极，极数 与定子每相绕组的极数相同。 当A相绕组通以正电流时，所 产生的磁场与转子磁极相互 作用，使转子磁极与定子A相 磁极轴线对齐

360 m1 Z r

(a) a相通正电流

特殊电机当B相绕组通以正电流时，所产生 磁场从图 (a)所示位臵顺时针转过 45 ,受其作用，转子磁极也顺时 针转过45 ,其轴线与定子B相磁 极轴线对齐(b) b相通正电流

当A相绕组通以负电流时，所产生 磁场从图7-4(b)所示位臵顺时针转过 45 ,所产生的磁场与转子磁极相互 作用，使转子磁极与定子A相磁极 轴线对齐(c) a相通负电流

特殊电机当B相绕组通以负电流时，所产生 磁场从图 (c)所示顺时针转过45 , 所产生的磁场与转子磁极相互作用， 使转子磁极与定子A相磁极轴线对齐(d) b相通负电流 可以看出，当定子绕组按A-B- A — B —A的顺序依次通电时， 每改变一次通电状态，转子将按顺时针方向转过45 空间角，即 步距角为45 。步距角可表示为

360 b m1 p

特殊电机上述转子磁极采用星形结构，永磁体加工工艺比较复杂。为简 化工艺，通常采用图7-5所示的爪形磁极结构，将永磁体做成环 形，轴向充磁，两个爪形磁极对插在一起，相互错开半个爪 距，沿圆周方向极爪是N、S极交错分布的，极对数应与定子绕 组的极对数相同。其运行原理与星形永磁体结构的永磁步进电 动机相同。

图7-5 爪形磁极永磁步进电动机

特殊电机1.3混合式步进电动机的结构和工作原理 混合式步进电动机的定转子上都有很多齿，与反应式步进电 动机相似；

采用永磁体，与永磁式步进电动机类似。 从性能上看，它可以做成反应式步进电动机那样的小步距， 也具有永磁式步进电动机控制功率小的优点。

此外，这种电动机还常常被用作低速永磁同步电动机。 混合式步进电动机通常有二相式和五相式两种。五相混合式 步进电动机具有分辨率高、起动频率高、运行频域宽、运行 平稳性好等优势，但其功率驱动电路成本较高。在二相混合 式步进电动机中采用细分控制技术可以提高分辨率和运行性 能，能在分辨率相同的情况下取

代五相混合式步进电动机。

特殊电机以二相混合式步进电动机为例介绍混合式步进电动机工作原理

图7-6 二相混合式步进电动机 图7-7 定子冲片

图7-8转子结构图

图 7-9 永磁体产生的磁路

特殊电机(a)、(b)分别为左铁心段和右铁心段。 在转子表面，永磁体产生的磁场分别 为N、S极。 在图示位臵，当定子A相绕组通正 电流时，励磁电流通过定子磁极 1、3、5、7的线圈，定子磁极 1、5为S极，磁极3、7为N极。 在图 (a)中，磁极1、5下的定 转子磁场相互吸引，产生顺时 针方向的转矩，磁极3、7下的 定转子磁场相互排斥，也产生 顺时针方向的转矩。(a)左铁心段

特殊电机在图 (b)中，磁极1、5下的定转子 磁场相互排斥，产生顺时针方向的 转矩，磁极3、7下的定转子磁场相 互吸引，也产生顺时针方向的转矩。 电机产生顺时针方向的转矩，转子 将顺时针方向转过1/4齿距到达平衡 位臵。如果此时切断A相电流，将B 相线圈通入正电流，转子将再顺时针 转动1/4齿距，到达平衡位臵。(b) 右铁心段

特殊电机按A-B- A - B -A……的顺序依次给各绕组通电，则电机 沿顺时针方向旋转。若按A- B - A -B-A……的顺序依次 给各绕组通电，电机将沿逆时针方向旋转。 二相混合式步进电动机的步距角 b为

360 b m1 Z r1.4步进电动机的常用术语 (1)零位臵 零位臵也称为初始稳定平衡位臵，是指不改变绕组通电状态 时转子在理想空载状态下的平衡位臵。 (2)失调角 失调角是指转子偏离零位臵的角度。