22电磁找行器 11 6为90时,转矩达到最大。在直流也动机中,应适当配置电刷,使其保持8= 90°,从而可以具有最大转知。 冋步电劬机以问步速度迸行旋转,当负载力矩增大时,转矩角会自动变 大,从而导致输出转矩增大但是当施加在电功机上的负载超过了8为90° 时的转矩时,电动机会失去同步造成失调现象,从而使运转不能正常进行 何谓交流 干电池的两极间的电压通常是一定的,低是交流电灯线插座上两极之间的电压则如图所 示,是时时刻在变化的,这时电压的方向在进行着周期性的变化。所谓交流100ⅴ,是表示 Vl的大小为100v。!V!是峰值的L/2称为有效值。 v()=√2siat l40 -0 时间[msh 交流屯压波形 电流i(t)=2+日sin(ω+)时的情况也相同,所谓交流0A是表示」的大小为l0A。 6铄1=0时取0值,它表示电压与电渲之间的位相差特别是在电流回跻中,电流与妇路中电 压间的位相差称为功率角。若将电压和电流的有效笸,以及功率角的余弦值∷者相乘,就可 以求出实际上能转变成热和功的有效电力。 2.2.3无刷电动机 宜流电动杌茧然具有良好的控制性能,但是由于它是通过整流了与电 刷闷的机械接触来对电流进行切换的,所以安全可靠性较差。因此,研制出 了图2.9所示的无刷电动机。在这种电动机中,用磁极位置传感器和品体管 等开关元件,取代了直流电动机的整流子和电刷。 位置传感器检测出转子的位置后利用总是产生相同方向转矩的开关元 件,去切换线图的电流。因为无刷电动机在产生转矩等特性方面,与直流电 动机完全相同,所以在过去采用育流电动机的机器人领域,得到了广泛应 用
12 2机器人采用的各种执行器 向找电动机 器 少N 制脉冲 置代感器 图2.9无刷电动机 2.2.4感应电动机 如图2.10所示,把穿过导体的磁通,沿着箭头方向以速度υ移动时,相 对偭乍这相当于导休向反方向移动,根据弗莱明右手法则,这时会感应出措 向纸面内部的电压,而且会产生出与 电压相同方向的电流i。这个感应出来 的电流与原来的磁通之间,服从弗菜 明左手法则,产生出作用力。该力将导 体沿着磁通的方向进行拖引。基于这 种原理进行旋转的电动机,称之为感 应电动机 正如对同步电动机讨论的那样, 图2.10感电动机的原理定子配置了三相线圈。当有相交流 电流流过该线圈时,将得到旋转磁场, 而在定子中设置为圆筒形导体的转子就会沿着旋转磁场的方向旋转。一般 采用的转子如图2.11(b)所示,它是用许多像图2.11(a)表示的那种具有若 十开孔的硅钢片重叠起来,然后再往孔中浇铸进金属铝后构成的。因为转子 屮的铝导体部分的形状像鼠笼,所以这样的电动机称为鼠笼式感应电动机。 由感应电动机的驱动原理可知,旋转磁通必须切割转子,因此转子的转 速a将低于同步速度同步速度n,与转子的旋转速度n的差值,相对于同步 速度n的比值[s=(n,-n)/h,],称为转差率
2.2电磁执行器 铝导体浇铸孔 轴的插入孔 (b) 图2.11感应电动机的转子 因为感应电动机的定子铁心上缠绕着一次线圈,在与定子隔着微小间 隙的转子的铁心上,具有二次线圈,所以可以把感应电动机看作是一种变压 器,它可以用与图2.12所示的变压器相同的等效电路来表示。图中的x1、x 和r;、r2分别是一次和二次线图的漏电抗和电阻,g表示铁心铁损耗的电阻 倒数,b是对应于外加电压,形成磁通所需励磁电抗的倒数。 x ∧八 b 图2.12感应电动机的等效屯路 但是,次级的常数r2、x2等,除以变压器的圈数比的平方,可以变换为初级 的量值。在图2.12所示的等效电路中,电阻(1-)n2/s是负载的等效表示量, 当s=1时(停止时),它变成0;而当s趋近于s=0(同步速度)时,它变成无 穷大。 因为励磁电流一般较小,所以为了近似地分析感应电动机的运动情况, 我们采用了把g,b移到输入端的图2.13所示的等效电路。应用这个等效电 路,由于感应电动机的输出P,等于奂载等效电阻的电力消耗,所以在三相 部分,得到 负载电流l2则由下式给出
14 2机器人采月的各种执行器 x1+x2 Y b 图2.13感应电动机的简易等效电路 l21 [A] (2.10) 另外,当设电动机的转速为n[rad/sl=(1-s)a,时,产生的转矩应山 下式求出 P =3|,l Tn.·S 由式(2.11)可以看出,当s一定时,转矩将与|122成正比采用这种 原理的控制方法,称为滑差一定控制 另一方面,当感应电幼机在滑差较小的情况下应用时,由式(2.7),式 (2.10)和式(2.11),可以得到下列计算公式 3|I2}p 2.12) 由式(2.12)可以明显看出,当V一定时,转矩与sf即与转差频率成 正比,或者与次级电流成正比这就构成了感应电动机在v/一定时的控制 基础。 但是,等效电路中的l是使电动机铁心中产生磁通的电流,相当于直流 电功机的磁场电流。如果忽略由g造成的损失,则因为l。丨=V/2σ几,于是 所谓的V一定,与所谓的l一定即直流电动机的磁场一定是相当的另 方面,l2在转子的导体中流动,它表示着产生与磁通交连的转矩的电流,相 当于直流电动机的电枢电流。基于上述原理的感应电动机,是一种初级定子 线圈屮的质磁电流分量和转矩电流分量,需要同时提供的电动机,从这一点 来看,它不同于直流电动机,但是从转矩产生的原理方面考虑,它与直流电 动机是相同的
2.2电础执行器 15 近年来,获得了惊人发展的电力电子学和微处埋器技术得到了应用,在 满足廴·定的条件的同时,基于对一次频率和电流瞬时值的控制,可以对感 应电动机的瞬时转矩像直流电动机那样进行控制,从而使向量挖制实用化, 并且在各种机械设备中得到应用 2.2.5步进电动机 考虑在2.22节中介绍的同步电动机,当其驱动电流不是正弦波,而是 矩形波时的情况由图2.7可以简单地进行类推,相应于t1吋刻时,磁场问 上,在电流进行变换的t2时刻,磁场旋转603。因此,每当电流脉冲变换-次, 其中的磁佚便阶跃式的旋转60°,而每当有脉冲进入时,这种电流就会变换 次。我们把每次旋转一定角度的电动机,称为步进电动机或称为脉冲电动 机特别是当在转f中采用永久磁铁( permanent magnet)时,我们称此时的 电动机为PM型步进电动机 另一方闻,当转子为软傚性休,其构 造为图2.14表示的凸极结构时,在旋转磁场 定∫铁心 的作用之下,转子也会作阶跃状旋转运动。 线图 当线圈1的励磁停止时,如果线圈2开始励 转子 磁,则转子的稳定位置就会变化,并向反时:O 针方向旋转。其次如果线阉3开始励磁,则 转子会进一步旋转,这样如果线圈接连不断 的进行励磁,转了就会连续地进行转动。 对丁这种电动机,伴随着转子的转动 图2.14VI型步进 转子与定子的凸极之间的重叠程度会变大, 屯动机的转动原理 从而利川了这种情况下产生的电磁力。因为 当电动机的状态发生变化后,电动机会在磁通容易通过,即在磁阻 ( reluctance;参阋18贝的篇外话)变小的情况下旋转,所以称这种电动机 为ⅤR( variable reluctance)型步进电动机。 VR型步进电动机产生转矩的原理,与图2.1中麦克斯韦应力产牛原理 相冋,可以从随着转子的转动,磁能会发生变化这种观点进行考虑。当铁心 的导磁率非常大时,因为B=H,所以铁心内部的磁场强度H会变得几乎 等于0,电动机的磁能几乎全都被存储到电动机的空隙中。 电动机空隙中的磁能,在转子和定子的凸齿相对时达到最大,这时设一