特种电机的结构、控制原理及应用

课程设计报告课题名称特种电机的结构、控制原理及应用目录摘要 (II)ABSTRACT........................................................................................................................................ I II 第1章绪论 . (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题意义及主要工作 (1)第2章步进电动机 (2)2.1步进电动机的分类、结构及特点 (2)2.1.1步进电动机的分类 (2)2.1.2步进电动机的结构及特点 (2)2.2步进电动机的工作原理、主要参数及特性 (4)2.2.1步进电动机的工作原理 (4)2.2.2主要参数及特性 (5)2.3步进电动机的应用 (6)第3章三相交流伺服电动机 (7)3.1交流伺服电动机结构 (7)3.2交流伺服电动机工作原理 (7)3.2.1交流伺服电动机工作原理 (7)3.2.2交流伺服电动机有以下三种转速控制方式 (8)3.3三相交流伺服电动机的应用 (8)第4章总结 (9)参考文献 (10)谢辞 .................................................................................................................... 错误!未定义书签。

摘要随着自动化技术、计算机技术、电力电子技术的发展，特别是高性能永磁材料的问世，电动机制造技术水平得到了极大的提高，也为特种电动机的制造、控制和应用提出了更高的要求，提供了更广阔的发展空间。

本旨在通过对特种电动机的构造、调速控制原理及应用的介绍，达到快速学习特种电动机控制技术及应用的目的。

本次课题设计着重介绍步进电动机、伺服电动机的的结构、控制原理及应用。

关键词：特种电机、步进电动机、伺服电动机ABSTRACTAlong with the automation technology, computer technology, the development of power electronic technology, especially the high performance permanent magnetic materials available, motor manufacturing technology level has been greatly improved, but also for the special motor manufacturing, control and application put forward higher request, provided more vast development space.This aims to construct special motor, speed control principle and application, achieve rapid learning special motor control technology and application for the purpose of. This design introduced the stepper motor, servo motor structure, control principle and application.Keywords:special motor, stepper motor, servo motor第1章绪论1.1 课题背景当今世界，各种先进的科学技术飞速发展，给人们的生活带来了深远的影响，它极大的改善我们的生活方式。

在以特种电机为代表的电力拖动系统的发展更是日新月异，从各个方面影响和改变着我们的生活，而其中的步进电动机、伺服电动机技术的发展更为迅速，已经渗透到了我们生活的各个方面，其发展给我们的生活和生产带来了极大的方便，以致人们已经离不开电动机。

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。

步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，而步进电动机则跟随输人脉冲按节拍一步一步地转动。

每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。

步进电动机的角位移量和输人脉冲的个数成正比，在时间上与输人脉冲同步，因此，只需控制输人脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。

无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

三相交流伺服电动机划分为永磁同步伺服电动机和交流异步伺服电动机。

永磁同步伺服电动机和交流异步伺服电动机相比较，有以下特点：(1)永磁同步伺服电动机的造价要比交流异步伺服电机昂贵。

（2）永磁同步电动机转子使用永磁材料，所以容量通常限制在5.5KW以下，容量再增大就有困难。

而交流异步伺服电动机就没有容量限制这方面的问题。

（3）永磁同步伺服电动机当转矩达到一定时，会使永磁体退磁，而交流异步伺服电动机不存在这现象。

（4）永磁同步伺服电动机的转子上有永磁体，所以当电动机在高速运行时，永磁体有脱落的危险。

（5）永磁同步伺服电动机由于转子使用永磁体构成，所以在运行时转子不产生热量，而三相交流异步伺服电动机的转子则会在运行时产生大量的热，所以在发热状况方面，永磁同步伺服机要比交流异步伺服电机优越。

1.2 课题意义及主要工作作为专科学校的课题设计报告，事实上无实际利用价值。

但从可课题设计中学习到许多专业知识及见识一些其他学科的内容。

了解到电气行业的发展，这对于一个马上要毕业的学生来说十分的重要。

本次课题设计主要讲了步进电动机、伺服电动机的结构、控制原理及应用。

本次课题设计的主要工作主要是续写电机的基本知识。

使自己进一步了解步进电动机、伺服电动机的结构、控制原理及应用。

第2章步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。

步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，而步进电动机则跟随输人脉冲按节拍一步一步地转动。

每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。

步进电动机的角位移量和输人脉冲的个数成正比，在时间上与输人脉冲同步，因此，只需控制输人脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。

无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

2.1步进电动机的分类、结构及特点2.1.1步进电动机的分类步进电动机的种类繁多，有旋转运动的、直线运动的和平面运动的。

按作用原理分，步进电机有反应式(磁阻式)、感应子式、永磁式和混合式四大类。

按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机。

按定子数目可分为单段定子式(径向式)与多段定子式(轴向式)。

按相数可分为两相、三相、四相、五相、六相等。

2.1.2步进电动机的结构及特点各种步进电机都有定子和转子，但因类型不同，结构也不完全一样。

反应式步进电动机的结构如图3–5所示，它由定子1、定子绕组2和转子3组成。

图3–5(a)所示为三相单定子径向分相式反应式步进电动机的结构图，定子上有6个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线圈串联，构成了一相控制绕组；每个定子极上均布一定数目的齿，齿槽距相等，转子上无绕组，只有均布一定数目的齿，齿槽等宽。

图3–5(b)所示为五相多定子轴向分相式反应式步进电动机的结构图，它的定子轴向排列，定子和转子铁心都成五段，每段一相，依次错开排列，每相是独立的，这就是五相反应式步进电动机。

(a)三相单定子径向分相式 (b)五相多定子轴向分相式图1 反应式步进电动机的结构1—定子；2—定子绕组；3—转子感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。

感应子式步进电机的结构与反应式步进电机的结构相似，其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向恒定磁场。

励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场；永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。

轴向磁场可以改善步进电机的动态特性，发展趋势将取代反应式步进电机。

永磁式步进电机的转子为永久磁铁，定子为软磁材料，其上有励磁绕组。

该种电机有多种结构形式，常用形式有爪极式和隐极式。

爪极式步进电机结构一般采用二相或四相绕组；隐极式步进电机结构与反应式步进电机一样，有二、三、四、五相等多种绕组。

混合式步进电动机的结构和工作原理兼有反应式和永磁式两种电动机的特点，由于转子上有磁钢，因此产生同样大小的转矩，需要的励磁电流大大减小；同时它还具有步距角小，起动和运行频率高，不通电时有定位转矩等优点，在小型、经济型数控机床中被广泛应用。

步进电动机用作执行元件具有以下优点：角位移输出与输入的脉冲数相对应，每转一周都有固定步数，在不丢步的情况下运行，步距误差不会长期积累，同时在负载能力范围内，转速仅与脉冲频率高低有关，不受电源电压波动或负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，因而可组成结构简单而精度高的开环控制系统。

有的步进电动机在停机后某相绕组保持通电状态，即具有自锁能力，停止迅速，不需外加机械制动装置。

此外，步距角能在很大的范围内变化、例如从几分到几十度，适合不同传动装置的要求，且在小步距角的情况下，可以不经减速器而获得低速运行，当采用了速度和位置检测装置后也可用于闭环、半闭环伺服系统中。

2.2步进电动机的工作原理、主要参数及特性2.2.1步进电动机的工作原理下面以图3–6所示的反应式三相步进电动机为例，来说明步进电动机的工作原理。

定子上有6个磁极，分成A 、B 、C 三相，每个磁极上绕有励磁绕组，按串联（或并联）方式联接，使电流产生的磁场方向一致，转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的，步进电动机的工作原理与电磁铁相似：当定子绕组按顺序轮流通电时，A 、B 、C 三对磁极就依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它一步步转动。

每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。

图2反应式三相步进电动机的工作原理图当A 相通电时，B 相和C 相都不通电，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的1、3齿与定子A 相的两个磁极齿对齐，此时，因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在该位置上；随后A 相断电，B 相通电，转子受电磁力的作用，逆时针旋转 30，使2、4齿与B 相磁极齿对齐；若使B 相断电，C 相通电，转子再转 30，使1、3齿与C 转子再转 30，使1、3齿与C 相磁极齿对齐；当C 相断电，A 相再次通电时，2、4齿与A 相磁极齿对齐，转子又转过 30。