| 交流電機,直流電機,步進電機三者的工作原理 |
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各種交流電動機的旋轉原理
目前較常用的交流電動機有兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第一種多用在工業上，而第二種多用在民用電器上。
一、三相異步電動機的旋轉原理
三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。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，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，其產生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉磁場的產生過程。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為：n=60f/P式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數、n的單位是：每分鐘轉數。根據此式我們知道，電動機的轉速與磁極數和使用電源的頻率有關，為此，控制交流電動機的轉速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現在則利用變頻技術實現對交流電動機的無級變速控制。
觀察圖1還可發現，旋轉磁場的旋轉方向與繞組中電流的相序有關。相序A、B、C順時針排列，磁場順時針方向旋轉，若把三根電源線中的任意兩根對調，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，則相序變為：C、B、A，則磁場必然逆時針方向旋轉。利用這一特性我們可很方便地改變三相電動機的旋轉方向。定子繞組產生旋轉磁場后，轉子導條（鼠籠條）將切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，轉子導條中的電流又與旋轉磁場相互作用產生電磁力，電磁力產生的電磁轉矩驅動轉子沿旋轉磁場方向以n1的轉速旋轉起來。一般情況下，電動機的實際轉速n1低于旋轉磁場的轉速n。因為假設n=n1，則轉子導條與旋轉磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產生電磁轉矩，所以轉子的轉速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。
二、單相交流電動機的旋轉原理
單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時（如順時針方向旋轉），這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變小；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來。
要使單相電動機能自動旋轉起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，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。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差90度的繞組，將會在空間上產生（兩相）旋轉磁場，如圖2所示。在這個旋轉磁場作用下，轉子就能自動起動，起動后，待轉速升到一定時，借助于一個安裝在轉子上的離心開關或其他自動控制裝置將起動繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，起動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候，起動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉向，可由改變電容器串接的位置來實現。
在單相電動機中，產生旋轉磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一個短路銅環，好象把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯的，連接時必須使其產生的極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產生主磁通，根據楞次定律，其中穿過短路銅環的主磁通在銅環內產生一個在相位上滯后90度的感應電流，此電流產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機的起動繞組相當，從而產生旋轉磁場使電動機轉動起來。
直流電機的基本工作原理
直流勵磁的磁路在電工設備中的應用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應用在直流旋轉電機中。在發電廠里，同步發電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。此外，在許多工業部門，例如大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車、電纜設備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。雖然直流發電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結構基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現機械能與電能的相互轉換。
直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的維護檢修也比較麻煩。因此，電機制造業中正在努力改善交流電動機的調速性能，并且大量代替直流電動機。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發電機方面，已經取得了很大進展。包括直流電機在內的一切旋轉電機，實際上都是依據我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導線切割磁通產生感應電動勢；另一條是：載流導體在磁場中受到電磁力的作用。因此，從結構上來看，任何電機都包括磁場部分和電路部分。從上述原理可見，任何電機都體現著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個矛盾著的對立面的統一。我們在這一章里討論直流電機的結構和工作原理，就是討論直流電機中的“磁”和 “電”如何相互作用，相互制約，以及體現兩者之間相互關系的物理量和現象（電樞電動勢、電磁轉矩、電磁功率、電樞反應等）。
一、直流發電機的基本工作原理
直流發電機和直流電動機具有相同的結構，只是直流發電機是由原動機（一般是交流電動機）拖動旋轉而發電。可見，它是把機械能變為電能的設備。直流電動機則接在直流電源上，拖動各種工作機械（機床、泵、電車、電纜設備等）工作，它是把電能變為機械能的設備。但是，當前已經有可控硅整流裝置替代了直流發電機，為了能使大家更好的理解直流電動機，有必要同時講述一下直流發電機的原理。
我們首先來觀察直流發電機是怎樣工作的。
如圖1所示，電刷A、B分別與兩個半園環接觸，這時A、B兩電刷之間輸出的是直流電。我們再來看看這時線圈在磁極之間運動的情況。從圖1（a）可以看出，當線圈的ab邊在N極范圍內按逆時針方向運動時，應用發電機右手定則，這時所產生的電動勢是從b指向a。這時線圈的cd邊則是在S極范圍內按逆時針方向運動，依據發電機右手定則可以判斷，cd邊中的感應電動勢方向是從d指向c。從整個線圈來看，感應電動勢的方向是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是處于負電位。如果接通外電路，那么電流就從電刷A經負載流入電刷B，與線圈一起構成閉合的電流通路。
當線圈的ab邊轉到S極范圍內時，cd邊就轉到N極范圍內（圖1，b），用右手定則判斷可以知道，這時線圈cd邊中產生的電動勢方向是從c到d，而ab邊轉到了S極范圍內，其中電動勢的方向則是有a到b。由于電刷在空間是不動的，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。接通外電路時，電流仍然是從電刷A經負載流入電刷B，與線圈一起構成閉合的電流通路。不過，要注意到這時線圈內的電流已經反向了。
由此可知，當線圈不停地旋轉時，雖然與兩個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始終是負電位。因此，有兩電刷引出的是具有恒定方向的電動勢，負載上得到的是恒定方向的電壓和電流。也就是說，盡管線圈abcd中感應電動勢的方向不斷交變，但是電刷A總是和處在N極范圍內的線圈邊接觸，電刷B總是和處在S極范圍內的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經過銅片和電刷整流后，便成為外電路中的直流電了。這兩個半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。
二、直流電動機的基本工作原理
上面已經討論了直流發電機的工作原理，現在再來討論直流電動機是怎樣工作的。
如果直流電機的轉子不用原動機拖動，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），那么會發生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷A是正電位，B是負電位，在N極范圍內的導體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內的導體cd中的電流是從c流向d。前面已經說過，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導體都要受到電磁力Fde的作用。根據磁場方向和導體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而 cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電流，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針方向轉動了。當線圈轉到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續轉動。線圈轉過半州之后，雖然ab與cd的位置調換了，ab邊轉到S極范圍內，cd邊轉到N極范圍內，但是，由于換向片和電刷的作用，轉到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針方向轉動。可見，分別處在N、S極范圍內的導體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個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了，通過齒輪或皮帶等機構的傳動，便可以帶動其它工作機械。
從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉，關鍵問題是當導體從一個磁極范圍內轉到另一個異性磁極范圍內時（也就是導體經過中性面后），導體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務的裝置。在直流發電機中，換向器和電刷的任務是把線圈中的交流電變為直流電向外輸出；而在直流電動機中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變為線圈中的交流電。可見，換向器和電刷是直流電機中不可缺少的關鍵性部件。
當然，在實際的直流電動機中，也不只有一個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌在轉子鐵芯槽中，當導體中通過電流、在磁場中因受力而轉動，就帶動整個轉子旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。
比較直流發電機和直流電動機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。正如前面已經說過，直流發電機由原動機拖動，輸入的是機械能，輸出的是電能；直流電動機則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機械能。
步進電機的工作原理
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。
現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。
一般用在精確定位方面 |
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