机电传动控制
电控技术就是电气传动控制技术、
现在也叫机电传动控制。它的主要内容
就是研究各类电动机及其控制。
本电子教案将主要介绍电机与拖动基
础知识；机电传动控制中最常用继电器 -
接触器控制,PLC控制、步进电机控制、
交直流调速控制、伺服驱动控制等授课
内容。
第 1章 电机及拖动基础
1.1 交流异步电动机
1.2 直流电动机的工作原理和运行特性
1.3 伺服控制电动机的工作原理和运行特性
1.4 力矩电动机,
1.5 微型同步电动机
1.1 交流异步电动机
交流异步电动机按照转子的结构型式分为笼型异步电
动机和绕线转子异步电动机。笼型异步电动机因具有
结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、转子惯
量小、运行可靠等优点，在工农业生产中得到了极其
广泛的应用。绕线式异步电动机因其转子采用绕线方
式，具有调速简单、成本低的优点，在吊车、卷扬机
等中小设备中得到了广泛的应用 。
1,异步电动机的工作原理,
图 1-1是一台三相异步电动机，它主要由定子、转子两
大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是
静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。
转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
图 1-1 三相异步电动机的结构图
1-轴承盖； 2-端盖； 3-接线盒； 4-散热筋；
5-定子铁心； 6-定子绕组； 7-转轴；
8-转子； 9-风扇； 10-罩壳； 11-轴承； 12机座
笼型异步电动机 的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在
转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环
上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状
象个笼子，如图 1-2所示，因此叫笼型转子。对于中小功率，
多采用铝离心浇铸而成。
绕线式异步电动机 的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组
成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外
串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如
图 1-3 所示。
图 1-2 三相异步电动机的结构图
a）笼型绕组； b）转子外形
图 1-3 绕线式异步电动机定转子绕组
及外加电阻的接线方式
2,异步电动机 的简单 工作原理,
如图 1-4所示 。 当定子接三相电源后, 电动机内便形成
圆形旋转磁场 。 若转子不转, 转子笼型导条与旋转磁
场有相对运动, 导条中有感应电动势 e,方向由右手定
则确定 。 由于转子导条彼此在端部短路, 于是导条中
有电流, 不考虑电动势与电流的相位差时 。 电流方向
同电动势方向 。 转子受力, 产生转矩 T,即为电磁转
矩, 方向与旋转磁场同方向, 转子便在该方向上旋转
起来 。
图 1-4 异步电动机的工作原理
3,异步电动机的铭牌数据：
铭牌是电动机的身份证, 认识和了解电动机铭牌
中有关技术参数的作用和意义, 可以帮助我们正确地
选择, 使用和维护它 。 图 1-5是我国使用最多的 Y系列
三相感应电动机铭牌的 — 个实例 。
图 1-5 Y系列三相感应电动机铭牌
图 1-6 异步电动机型号
? 额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，
单位为 kW；
? 额定电压 UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电
压．单位为 V；
? 额定电流 IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出
额定功率时的线电流，单位为 A；
? 额定频率 fN我国规定工业用电的频率是 50Hz，国外有些国
家采用 60Hz。
? 额定转速 nN指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端
输出额定功率时电动机的转速，单位为 r／ min。可以根据
额定转速与额定频率计算出电动机的极数 P和额定转差率
SN。
? 噪声值 (LW) 指电动机在运行时的最大噪声。一般电动
机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。
? 工作制式指电动机允许工作的方式，共有 S1～ S10十种
工作制。
? 绝缘等级 绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它
与电动机允许工作的最高温度有关，共分 A,E,D,F、
H五种等级。
? 连接方法 有如图 1-7所示的 Y/△ 两种方式。请注意有些
电动机只能固定一种接法，有些电动机可以两种切换工
作。但是要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。
高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用丫接线，
只合三根引出线。对中、小容量低压异步电动机,
图 1-7 三相异步电动机的引出线
a) 出线端的排列 b) 丫连接 c) △ 连接
? 通常把定于三相绕组的六根出线头都引出来。根据需
要可接成 Y型或△型，如图 1-8所示 Y/△ 降压起动、起
动过程用丫连接 (KM1闭合,KM2断开 )，起动过程结
束后切换为△连接 (KM2闭合,KM1断开 )。
? 防护等级 IP为防护代号，第一位数字 (0～ 6)规定了电
动机防护体的等级标准。第二位数字 (0～ 8)规定了电动
机防水的等级标淮。如 IP00为无防护，数字越大，防
护等级越高。
? 共他 对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、
转子额定电动势及转子额定电流．有些还标明了电动
机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。
图 1-8 Y/△ 降压起动的接线图
4,三相异步电动机的机械特性：
在异步电动机中, 电动机电磁转矩 T与转差 s的关
系 T＝ f(s)通常叫做 T-s曲线 。 为了符合习惯画法 。 可
将 T-s曲线转换成转速 n与转矩 T之间的关系曲线 n＝
f(T),称为异步电动机的机械特性 。 分为固有机械特
性和人为机械特性 。
? 固有机械特性
异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线
方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时
的机械特性称为固有 (自然 )机械特性，如图 1-9所示。
曲线 1为电源正相序时的固有机械特性；曲线 2为负
相序时的曲线。
图 1-9 电动机的固有机械特性
? 人为机械持性
异步电动机的机械特性除与电动机的参数有关外，
还与外加定子电压 Ul、定子电源频率 fl、定子或
者转子电路中串入的电阻或电抗等有关，将这
些参数人为地加以改变而获得的机械特性称为
异步电动机的人为机械特性。
图 1-9 改变定子电源频
率时的人为机械特
性
图 1-10 转子电路串电
阻的人为机械特性
图 1-11 改变电源电压
时人为机械特性
图 1-12 定子电路外
接电阻或电抗时的
人为机械特性
5,异步电动机 一般调速方法：
异步电动机实际转速 n与电动机输人定子电源频率
转差率 s和电动机磁极对数 P的关系式为,n=60 *
f1/P *（ 1-s） 。 可以看出, 异步电动机的调速可通
过改变磁极对数 P,调节转差率 s,及改变定子频
率 f1三种方式 。 常用的异步电动机调速方法及其比
较如下表所示, 由表中的对比可以看出, PWM变
频调速是最理想的调速方式 。 下图为常用的异步
电动机调速方法及其比较表,
1.2 直流电动机的工作原理和运行特性
直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,
维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发
展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正
逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具
有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等
优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围
的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。
1,直流电动机的基本工作原理,
直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应
和电磁力的基础上的 。 图 1-13为直流电动机的基本
构成图 。
它主要由磁极, 电枢, 电刷及换向片 (又称整
流子或转换器 )等三大部分构成 。
N,S两个磁极在工作时固定不动, 故又称定子 。
定子磁极用于产个主磁场 。 在永磁式直流电动机中
(一般为小功率的直流电动机 ),磁极采用永磁材料
制成 。 充磁后即可产生恒定磁场 。 在他励式直流电
动机中, 磁极由冲压的硅钢片迭加而成；外绕励磁
线圈, 由外加励磁电流才能产生磁场 。 在磁极的内
側有一个安装在轴承上可以转动的铁心 。
图 1-13 直流电动机的基本构成团
图 1-14 直流电动机的截面图
1-主极； 2-励磁绕组； 3-附加极； 4附加极绕组；
5-极掌； 6-极心； 7-电枢； 8-通份槽；
9-电枢绕组； 10-空气隙； 11-轭
2,直流自动调速系统的分类,
按照直流自动调速系统中使用的直流电动机的种
类不同, 可分为普通直流电动机的调速系统和控制用
直流伺服电动机的调速系统 。
按照电动机调速控制系统有无反馈环节, 可分为
开环 (手动 )调速系统和闭环 (自动 )调速系统；在闭环调
速系统中, 又可分为单闭环调速系统和双闭环调速系
统 。
按照调速系统中采用的电力电子器件的不同, 可
分为晶闸管 -电动机直流自动调速系统, 晶体管 -电动
机直流自动调速系统和集成电路 -电动机直流自动调速
系统 。
3,直流电动机的一般调速方法,
在直流电动机中, 根据励磁绕组连接方式的不同,
可分为他励, 并励, 串励和复励四类电动机, 而在调
速系统中用得最多的是他励电动机 。 图 1-15为 直流他
励电动机 与 直流并励电动机 的原理图 。
图 1-15 直流他励电动机与直流并励电动机的原理图
3,直流电动机的一般调速方法有三种,
调节串入电枢回路的外加电阻 Rad,(调阻调速法或电阻
控制法 )
调节电动机的电枢供电电压 U (调压调速法或电压控制法 )
调节电动机的主磁通 Φ (调磁调速法或励磁控制法 )
图 1-16 具有三段附加电组的他励电动机控制电路
图 1-17 改变电枢电压调速的特性
图 1-18 弱磁调速的特性
1.3 伺服控制电动机的工作原理和运行特性
1.3.1 步进电动机的工作原理和运行特性,
步进电动机的输入电源是一种脉冲电压，有一个输入脉
冲，电动机转过一个固定角度。它是一种“一步一步”
地转动的电动机，其转过的角度与输入的电脉冲个数严
格地成比例，故因此而得名。改变输入其脉冲的频率，
就可以在很广的范围内平滑连续地调整输出转速。它还
是目前唯一能进行开环控制的执行电器，广泛用于简易
经济性数控装置的改造和设计中。
1,步进电动机的 分类,
反应式 转子用高导磁系数的材料制造，做成齿型，无线
圈，靠定子和转子之间的感应电磁力产生力矩并维
持相互间的位置。
永磁式 转子用永久磁钢制成，产生转矩时兼有吸引力和
排斥力。在无励磁情况下能保持转矩，每步转角不
能做得很小。
混合式 转子由永久磁钢制成，同时也做成齿状；定子也
与反应式定子相似。它具有反应式和永磁式两种方
式的优点，但结构复杂。
2,反应式步进电动机的 工作原理,
步进电动机由定子和转子组成，定子上的磁极和转
子都有齿，定子磁极上的磁宽和磁槽必须和转子上的
磁宽和磁槽相等。图 1-19为径向反应式步进电动机结构
原理示意图，它的定子上有 6 个磁极，极距角为 60°,
每图 1-19径向反应式步近电动机结构原理示意图个磁极
都看作是一个齿。每个磁极上都装有控制绕组，形成 A、
B,C三相绕。
图 1-19 径向反应式步近电动机结构原理示意图
3,混台式步进电动机工作原理,
混合式步进电动机由 定子 和 转子 组成。定于铁心与
反应式步进电动机相同，每个极上有小齿和控制绕组。
转子的结构与水久磁钢的电磁减速式同步电动机相同。
以两相混合式步进电动机为例，其结构原理如图 1-20所
示。
转子为对称的两段磁钢，轴向充电后,— 段是 N极，
另一段是 S极。定子对应转子也分两段，但实际上按一
段处理，两段定子铁心上装有同一个两相对称控制绕
组，如图 1-20b所示。
图 1-20 混合式步进电动机结构原理图
a)S极性转子径向剖面图 b)轴向视图 c)N极性转子段径向剖面图
图 1-21 两相绕组接线图
4,步进电动机的 主要特性,
步距角及步距误差
静态矩角特性和最大静转矩
最大起动转矩
最大起动频率
连续运行频率
图 1-22 步进电动机距角特性
图 1-23 步进电动机最大起动转矩
1.3.2 伺服电动机,
伺服电动机把输入的信号电压变为转轴的角位移或角速
度输出，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小
而改变，并正能带动一定大小的负载，在自动控制系
统中作为执行元件。伺服电动机又称为执行电动机。
伺服电动机有 直流 和 交流 两大类。
1,单相异步电动机,
单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电
动机。 单相异步电机的运行原理和三相异步电机基
本相同，但有其自身的特点。单相异步电动机通常
在定子上有两相绕组，转子是普通笼型的。根据定
子两个绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，
可以产生不同的起动待性和运行待性。
? 单相电阻分相起动异步电动机；
? 单相电容分相起动异步电动机；
? 单相电容运转异步电动机；
? 单相电容起动与运转异步电动机
? 单相罩极式异步电动机。
一般单相异步电动机有以下几种类型：
相定子绕组通电时的 机械特性,
单相异步电动机定子两相绕组是主绕组 m及副绕组 a，
它们一般是在空间上相差 90° 电角度的两个分布绕组，
通电时产生空间正弦分布的空间磁通势。首先分析只
有一相绕组通电时的机械特性,
单相异步电机中，笼型转子在正转磁通势或反转磁
通势分别作用下受的电磁转矩 T+或 T-，与笼型转子在
三相异步电动机正向旋转磁通势 (电源相序为正 )或反
向旋转磁通势 (电源相序为负 )分别作用下受的电磁转
矩是完全一样的,T +＝ f(s)与 T-＝ f(s)两条转矩特性如
图 1-24所示。
图 1-24 主绕组通电时的机械特性曲线
两相绕组通电时的机械特性,
当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通入不同相位
的两相交流电流时,— 般情况下产生椭圆旋转磁通势 F。
一个椭圆旋转磁通势也可以分成两个旋转磁通势,— 个
是正转磁通势 F+，一个是反转磁通势 F-,F+≠F-。笼
型转子在 F+作用下产生电磁转矩 T+,T+＝ f(s)为正向
转矩特性。在 F-作用下，产生电磁转矩 T-＝ f(s)为反向
转矩特性。这样合成转矩特性 T＝ f(s)，即机械特性为
不过坐标原点的一条曲线。当 T+＞ T-时，电动机的 T
＝ f(s),T+＝ f(s),T-＝ f(s三条曲线如图 1-25所示。
图 1-25 单相异步电动机的起动特性
各种类型的单相异步电动机,
图 1-26 单相电阻分相起动异步电动机接线图和矢量图
图 1-27 单相电容分州起动异步电动机接线图和矢量图
图 1-29 单相电容运转
异步电动机
图 1-30 单相电容起动
与运转异步电动机
图 1-31 单相罩极式异步电动机的结构及矢量图
2 直流伺服电动机,
直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，其约
构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划
分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极
是永久磁铁；另 — 种是电磁式直流伺服电动机，它的
磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组。
图 1-32 直流伺服电动机的特件
a) 机械特性 b) 调节特性
3 交流伺服电动机,
交流伺服电动机就是两相异步电动机，它的定子上有
空间相差 90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕
组 f，一相为控制绕组 K，转子为笼形。交流伺服机必
须象直流伺服机一样具有伺服性 。 为了满足信号电压
强时转速高、信号电压弱时转速低这一要求，可以让
信号强时电机气隙磁通势接近圆形旋转磁通势，弱时
椭圆度大接近脉振磁通势就行。而对于要求信号电压
消失，即 UK＝ 0后，电动机不转必须采用相应技术措
施才能实现。
图 1-33 交流伺服电动机自转现象的避免
交流伺服电动机利用控制信号电压 UK的大小
和相位的变化，控制转速随之变化,改变 UK的
大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，
控制方法主要有三种,幅值控制、相位控制
和 幅值 — 相位 控制。
图 1-34 交流伺服电动机帽值控制
(a)控制接线图 (b) Ff最大瞬间
图 1-35 幅值控制时的机械特性与调节特性
(a)机械特性 (b) 调节特性
图 1-36 相位控制 图 1-37 幅值 -相位控制
1.4 力矩电动机,
力矩电动机是一种把伺服电动机和驱动电
动机结合而发展成的一种电动机，它输
出较大的转矩，直接拖动负载运行，同
时它又受控制信号电压的直接控制进行
转速调节。在自动控制系统中作为执行
元件。
图 1-38 直流力矩电动机
a）分装式 b）内装式
1.5 微型同步电动机,
微型同步电动机 与 交流同步电动机 一样，转子转速恒
为同步转速 n0，使用在转速要求恒定的装置中．例如
电唱机、录音机、电视设备、电钟、时间机构、记录
仪表装置、陀螺仪等。
微型同步电动机 的定子结构与异步电动机定子是一样
的，有单相的也有三相的，定子绕组通电后建立气隙
旋转磁通势。转子的极数与定子极数相同，依据转子
不同的类型，微型同步电动机分成永磁式、反应式和
磁滞式几种。
1,永磁式微型同步电动机,
永磁式微型同步电动机的转子是一个永
久磁铁, N,S极沿着圆周方向交替排列 。 当
电动机运行时, 定子产生转速为 n0的旋转磁
通势, 转子则以 n0转速随之同步旋转, 图 1-
38为永磁式微型同步电动机永磁转子, （ a）
为永久磁铁, （ b） 为起动绕组 。
图 1-38 永磁式微型同步电动机永磁转子
（ a）永久磁铁 （ b）起动绕组
2,反应式微型同步电动机,
反应式微型同步电动机的转子由铁磁材料
制成, 其纵轴与横轴方向的磁阻大小相差比较
多, 纵轴方向的磁阻最小, 横轴方向的磁阻最
大, 纵铀与横抽相差 90° 空间电角度纵轴与定
子磁极轴线夹角为 θ,规定转子纵轴逆时针方
向领先定子磁极轴线时, θ为正 。
图 1-39 磁阻不对称时的反应转矩
图 1-40 反应式微型同步电动机转于冲片
（ a）外反应式（ b）内反应式（ c）内外反应式
3,磁滞式同步电动机,
磁滞式同步电动机转子由硬磁材料制造 。
硬磁材料的磁滞现象非常显著, 其磁滞回线
宽, 剩磁与矫顽力数值很大, 反应出硬磁材
料磁化时, 阻碍磁分子运幼的相互间摩擦力
甚大 。 铁磁材料在交变磁化时, 磁滞现象表
现为 B滞后于 H— 个时间角 。 磁滞式同步电动
机转子, 是处于旋转磁化状态, 磁滞现象表
现为铁磁材料的磁通势滞后于外磁通势一个
空间角 。
图 1-41 硬磁材料转子的磁化
图 1-42 磁滞式电动机的转子
（ a）转子结构（ b）非磁性套筒（ c）磁性套筒
1-套筒 2-硬磁材料的有效环 3-挡环
电控技术就是电气传动控制技术、
现在也叫机电传动控制。它的主要内容
就是研究各类电动机及其控制。
本电子教案将主要介绍电机与拖动基
础知识；机电传动控制中最常用继电器 -
接触器控制,PLC控制、步进电机控制、
交直流调速控制、伺服驱动控制等授课
内容。
第 1章 电机及拖动基础
1.1 交流异步电动机
1.2 直流电动机的工作原理和运行特性
1.3 伺服控制电动机的工作原理和运行特性
1.4 力矩电动机,
1.5 微型同步电动机
1.1 交流异步电动机
交流异步电动机按照转子的结构型式分为笼型异步电
动机和绕线转子异步电动机。笼型异步电动机因具有
结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、转子惯
量小、运行可靠等优点，在工农业生产中得到了极其
广泛的应用。绕线式异步电动机因其转子采用绕线方
式，具有调速简单、成本低的优点，在吊车、卷扬机
等中小设备中得到了广泛的应用 。
1,异步电动机的工作原理,
图 1-1是一台三相异步电动机，它主要由定子、转子两
大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是
静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。
转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
图 1-1 三相异步电动机的结构图
1-轴承盖； 2-端盖； 3-接线盒； 4-散热筋；
5-定子铁心； 6-定子绕组； 7-转轴；
8-转子； 9-风扇； 10-罩壳； 11-轴承； 12机座
笼型异步电动机 的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在
转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环
上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状
象个笼子，如图 1-2所示，因此叫笼型转子。对于中小功率，
多采用铝离心浇铸而成。
绕线式异步电动机 的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组
成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外
串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如
图 1-3 所示。
图 1-2 三相异步电动机的结构图
a）笼型绕组； b）转子外形
图 1-3 绕线式异步电动机定转子绕组
及外加电阻的接线方式
2,异步电动机 的简单 工作原理,
如图 1-4所示 。 当定子接三相电源后, 电动机内便形成
圆形旋转磁场 。 若转子不转, 转子笼型导条与旋转磁
场有相对运动, 导条中有感应电动势 e,方向由右手定
则确定 。 由于转子导条彼此在端部短路, 于是导条中
有电流, 不考虑电动势与电流的相位差时 。 电流方向
同电动势方向 。 转子受力, 产生转矩 T,即为电磁转
矩, 方向与旋转磁场同方向, 转子便在该方向上旋转
起来 。
图 1-4 异步电动机的工作原理
3,异步电动机的铭牌数据：
铭牌是电动机的身份证, 认识和了解电动机铭牌
中有关技术参数的作用和意义, 可以帮助我们正确地
选择, 使用和维护它 。 图 1-5是我国使用最多的 Y系列
三相感应电动机铭牌的 — 个实例 。
图 1-5 Y系列三相感应电动机铭牌
图 1-6 异步电动机型号
? 额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，
单位为 kW；
? 额定电压 UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电
压．单位为 V；
? 额定电流 IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出
额定功率时的线电流，单位为 A；
? 额定频率 fN我国规定工业用电的频率是 50Hz，国外有些国
家采用 60Hz。
? 额定转速 nN指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端
输出额定功率时电动机的转速，单位为 r／ min。可以根据
额定转速与额定频率计算出电动机的极数 P和额定转差率
SN。
? 噪声值 (LW) 指电动机在运行时的最大噪声。一般电动
机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。
? 工作制式指电动机允许工作的方式，共有 S1～ S10十种
工作制。
? 绝缘等级 绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它
与电动机允许工作的最高温度有关，共分 A,E,D,F、
H五种等级。
? 连接方法 有如图 1-7所示的 Y/△ 两种方式。请注意有些
电动机只能固定一种接法，有些电动机可以两种切换工
作。但是要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。
高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用丫接线，
只合三根引出线。对中、小容量低压异步电动机,
图 1-7 三相异步电动机的引出线
a) 出线端的排列 b) 丫连接 c) △ 连接
? 通常把定于三相绕组的六根出线头都引出来。根据需
要可接成 Y型或△型，如图 1-8所示 Y/△ 降压起动、起
动过程用丫连接 (KM1闭合,KM2断开 )，起动过程结
束后切换为△连接 (KM2闭合,KM1断开 )。
? 防护等级 IP为防护代号，第一位数字 (0～ 6)规定了电
动机防护体的等级标准。第二位数字 (0～ 8)规定了电动
机防水的等级标淮。如 IP00为无防护，数字越大，防
护等级越高。
? 共他 对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、
转子额定电动势及转子额定电流．有些还标明了电动
机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。
图 1-8 Y/△ 降压起动的接线图
4,三相异步电动机的机械特性：
在异步电动机中, 电动机电磁转矩 T与转差 s的关
系 T＝ f(s)通常叫做 T-s曲线 。 为了符合习惯画法 。 可
将 T-s曲线转换成转速 n与转矩 T之间的关系曲线 n＝
f(T),称为异步电动机的机械特性 。 分为固有机械特
性和人为机械特性 。
? 固有机械特性
异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线
方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时
的机械特性称为固有 (自然 )机械特性，如图 1-9所示。
曲线 1为电源正相序时的固有机械特性；曲线 2为负
相序时的曲线。
图 1-9 电动机的固有机械特性
? 人为机械持性
异步电动机的机械特性除与电动机的参数有关外，
还与外加定子电压 Ul、定子电源频率 fl、定子或
者转子电路中串入的电阻或电抗等有关，将这
些参数人为地加以改变而获得的机械特性称为
异步电动机的人为机械特性。
图 1-9 改变定子电源频
率时的人为机械特
性
图 1-10 转子电路串电
阻的人为机械特性
图 1-11 改变电源电压
时人为机械特性
图 1-12 定子电路外
接电阻或电抗时的
人为机械特性
5,异步电动机 一般调速方法：
异步电动机实际转速 n与电动机输人定子电源频率
转差率 s和电动机磁极对数 P的关系式为,n=60 *
f1/P *（ 1-s） 。 可以看出, 异步电动机的调速可通
过改变磁极对数 P,调节转差率 s,及改变定子频
率 f1三种方式 。 常用的异步电动机调速方法及其比
较如下表所示, 由表中的对比可以看出, PWM变
频调速是最理想的调速方式 。 下图为常用的异步
电动机调速方法及其比较表,
1.2 直流电动机的工作原理和运行特性
直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,
维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发
展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正
逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具
有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等
优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围
的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。
1,直流电动机的基本工作原理,
直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应
和电磁力的基础上的 。 图 1-13为直流电动机的基本
构成图 。
它主要由磁极, 电枢, 电刷及换向片 (又称整
流子或转换器 )等三大部分构成 。
N,S两个磁极在工作时固定不动, 故又称定子 。
定子磁极用于产个主磁场 。 在永磁式直流电动机中
(一般为小功率的直流电动机 ),磁极采用永磁材料
制成 。 充磁后即可产生恒定磁场 。 在他励式直流电
动机中, 磁极由冲压的硅钢片迭加而成；外绕励磁
线圈, 由外加励磁电流才能产生磁场 。 在磁极的内
側有一个安装在轴承上可以转动的铁心 。
图 1-13 直流电动机的基本构成团
图 1-14 直流电动机的截面图
1-主极； 2-励磁绕组； 3-附加极； 4附加极绕组；
5-极掌； 6-极心； 7-电枢； 8-通份槽；
9-电枢绕组； 10-空气隙； 11-轭
2,直流自动调速系统的分类,
按照直流自动调速系统中使用的直流电动机的种
类不同, 可分为普通直流电动机的调速系统和控制用
直流伺服电动机的调速系统 。
按照电动机调速控制系统有无反馈环节, 可分为
开环 (手动 )调速系统和闭环 (自动 )调速系统；在闭环调
速系统中, 又可分为单闭环调速系统和双闭环调速系
统 。
按照调速系统中采用的电力电子器件的不同, 可
分为晶闸管 -电动机直流自动调速系统, 晶体管 -电动
机直流自动调速系统和集成电路 -电动机直流自动调速
系统 。
3,直流电动机的一般调速方法,
在直流电动机中, 根据励磁绕组连接方式的不同,
可分为他励, 并励, 串励和复励四类电动机, 而在调
速系统中用得最多的是他励电动机 。 图 1-15为 直流他
励电动机 与 直流并励电动机 的原理图 。
图 1-15 直流他励电动机与直流并励电动机的原理图
3,直流电动机的一般调速方法有三种,
调节串入电枢回路的外加电阻 Rad,(调阻调速法或电阻
控制法 )
调节电动机的电枢供电电压 U (调压调速法或电压控制法 )
调节电动机的主磁通 Φ (调磁调速法或励磁控制法 )
图 1-16 具有三段附加电组的他励电动机控制电路
图 1-17 改变电枢电压调速的特性
图 1-18 弱磁调速的特性
1.3 伺服控制电动机的工作原理和运行特性
1.3.1 步进电动机的工作原理和运行特性,
步进电动机的输入电源是一种脉冲电压，有一个输入脉
冲，电动机转过一个固定角度。它是一种“一步一步”
地转动的电动机，其转过的角度与输入的电脉冲个数严
格地成比例，故因此而得名。改变输入其脉冲的频率，
就可以在很广的范围内平滑连续地调整输出转速。它还
是目前唯一能进行开环控制的执行电器，广泛用于简易
经济性数控装置的改造和设计中。
1,步进电动机的 分类,
反应式 转子用高导磁系数的材料制造，做成齿型，无线
圈，靠定子和转子之间的感应电磁力产生力矩并维
持相互间的位置。
永磁式 转子用永久磁钢制成，产生转矩时兼有吸引力和
排斥力。在无励磁情况下能保持转矩，每步转角不
能做得很小。
混合式 转子由永久磁钢制成，同时也做成齿状；定子也
与反应式定子相似。它具有反应式和永磁式两种方
式的优点，但结构复杂。
2,反应式步进电动机的 工作原理,
步进电动机由定子和转子组成，定子上的磁极和转
子都有齿，定子磁极上的磁宽和磁槽必须和转子上的
磁宽和磁槽相等。图 1-19为径向反应式步进电动机结构
原理示意图，它的定子上有 6 个磁极，极距角为 60°,
每图 1-19径向反应式步近电动机结构原理示意图个磁极
都看作是一个齿。每个磁极上都装有控制绕组，形成 A、
B,C三相绕。
图 1-19 径向反应式步近电动机结构原理示意图
3,混台式步进电动机工作原理,
混合式步进电动机由 定子 和 转子 组成。定于铁心与
反应式步进电动机相同，每个极上有小齿和控制绕组。
转子的结构与水久磁钢的电磁减速式同步电动机相同。
以两相混合式步进电动机为例，其结构原理如图 1-20所
示。
转子为对称的两段磁钢，轴向充电后,— 段是 N极，
另一段是 S极。定子对应转子也分两段，但实际上按一
段处理，两段定子铁心上装有同一个两相对称控制绕
组，如图 1-20b所示。
图 1-20 混合式步进电动机结构原理图
a)S极性转子径向剖面图 b)轴向视图 c)N极性转子段径向剖面图
图 1-21 两相绕组接线图
4,步进电动机的 主要特性,
步距角及步距误差
静态矩角特性和最大静转矩
最大起动转矩
最大起动频率
连续运行频率
图 1-22 步进电动机距角特性
图 1-23 步进电动机最大起动转矩
1.3.2 伺服电动机,
伺服电动机把输入的信号电压变为转轴的角位移或角速
度输出，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小
而改变，并正能带动一定大小的负载，在自动控制系
统中作为执行元件。伺服电动机又称为执行电动机。
伺服电动机有 直流 和 交流 两大类。
1,单相异步电动机,
单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电
动机。 单相异步电机的运行原理和三相异步电机基
本相同，但有其自身的特点。单相异步电动机通常
在定子上有两相绕组，转子是普通笼型的。根据定
子两个绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，
可以产生不同的起动待性和运行待性。
? 单相电阻分相起动异步电动机；
? 单相电容分相起动异步电动机；
? 单相电容运转异步电动机；
? 单相电容起动与运转异步电动机
? 单相罩极式异步电动机。
一般单相异步电动机有以下几种类型：
相定子绕组通电时的 机械特性,
单相异步电动机定子两相绕组是主绕组 m及副绕组 a，
它们一般是在空间上相差 90° 电角度的两个分布绕组，
通电时产生空间正弦分布的空间磁通势。首先分析只
有一相绕组通电时的机械特性,
单相异步电机中，笼型转子在正转磁通势或反转磁
通势分别作用下受的电磁转矩 T+或 T-，与笼型转子在
三相异步电动机正向旋转磁通势 (电源相序为正 )或反
向旋转磁通势 (电源相序为负 )分别作用下受的电磁转
矩是完全一样的,T +＝ f(s)与 T-＝ f(s)两条转矩特性如
图 1-24所示。
图 1-24 主绕组通电时的机械特性曲线
两相绕组通电时的机械特性,
当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通入不同相位
的两相交流电流时,— 般情况下产生椭圆旋转磁通势 F。
一个椭圆旋转磁通势也可以分成两个旋转磁通势,— 个
是正转磁通势 F+，一个是反转磁通势 F-,F+≠F-。笼
型转子在 F+作用下产生电磁转矩 T+,T+＝ f(s)为正向
转矩特性。在 F-作用下，产生电磁转矩 T-＝ f(s)为反向
转矩特性。这样合成转矩特性 T＝ f(s)，即机械特性为
不过坐标原点的一条曲线。当 T+＞ T-时，电动机的 T
＝ f(s),T+＝ f(s),T-＝ f(s三条曲线如图 1-25所示。
图 1-25 单相异步电动机的起动特性
各种类型的单相异步电动机,
图 1-26 单相电阻分相起动异步电动机接线图和矢量图
图 1-27 单相电容分州起动异步电动机接线图和矢量图
图 1-29 单相电容运转
异步电动机
图 1-30 单相电容起动
与运转异步电动机
图 1-31 单相罩极式异步电动机的结构及矢量图
2 直流伺服电动机,
直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，其约
构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划
分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极
是永久磁铁；另 — 种是电磁式直流伺服电动机，它的
磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组。
图 1-32 直流伺服电动机的特件
a) 机械特性 b) 调节特性
3 交流伺服电动机,
交流伺服电动机就是两相异步电动机，它的定子上有
空间相差 90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕
组 f，一相为控制绕组 K，转子为笼形。交流伺服机必
须象直流伺服机一样具有伺服性 。 为了满足信号电压
强时转速高、信号电压弱时转速低这一要求，可以让
信号强时电机气隙磁通势接近圆形旋转磁通势，弱时
椭圆度大接近脉振磁通势就行。而对于要求信号电压
消失，即 UK＝ 0后，电动机不转必须采用相应技术措
施才能实现。
图 1-33 交流伺服电动机自转现象的避免
交流伺服电动机利用控制信号电压 UK的大小
和相位的变化，控制转速随之变化,改变 UK的
大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，
控制方法主要有三种,幅值控制、相位控制
和 幅值 — 相位 控制。
图 1-34 交流伺服电动机帽值控制
(a)控制接线图 (b) Ff最大瞬间
图 1-35 幅值控制时的机械特性与调节特性
(a)机械特性 (b) 调节特性
图 1-36 相位控制 图 1-37 幅值 -相位控制
1.4 力矩电动机,
力矩电动机是一种把伺服电动机和驱动电
动机结合而发展成的一种电动机，它输
出较大的转矩，直接拖动负载运行，同
时它又受控制信号电压的直接控制进行
转速调节。在自动控制系统中作为执行
元件。
图 1-38 直流力矩电动机
a）分装式 b）内装式
1.5 微型同步电动机,
微型同步电动机 与 交流同步电动机 一样，转子转速恒
为同步转速 n0，使用在转速要求恒定的装置中．例如
电唱机、录音机、电视设备、电钟、时间机构、记录
仪表装置、陀螺仪等。
微型同步电动机 的定子结构与异步电动机定子是一样
的，有单相的也有三相的，定子绕组通电后建立气隙
旋转磁通势。转子的极数与定子极数相同，依据转子
不同的类型，微型同步电动机分成永磁式、反应式和
磁滞式几种。
1,永磁式微型同步电动机,
永磁式微型同步电动机的转子是一个永
久磁铁, N,S极沿着圆周方向交替排列 。 当
电动机运行时, 定子产生转速为 n0的旋转磁
通势, 转子则以 n0转速随之同步旋转, 图 1-
38为永磁式微型同步电动机永磁转子, （ a）
为永久磁铁, （ b） 为起动绕组 。
图 1-38 永磁式微型同步电动机永磁转子
（ a）永久磁铁 （ b）起动绕组
2,反应式微型同步电动机,
反应式微型同步电动机的转子由铁磁材料
制成, 其纵轴与横轴方向的磁阻大小相差比较
多, 纵轴方向的磁阻最小, 横轴方向的磁阻最
大, 纵铀与横抽相差 90° 空间电角度纵轴与定
子磁极轴线夹角为 θ,规定转子纵轴逆时针方
向领先定子磁极轴线时, θ为正 。
图 1-39 磁阻不对称时的反应转矩
图 1-40 反应式微型同步电动机转于冲片
（ a）外反应式（ b）内反应式（ c）内外反应式
3,磁滞式同步电动机,
磁滞式同步电动机转子由硬磁材料制造 。
硬磁材料的磁滞现象非常显著, 其磁滞回线
宽, 剩磁与矫顽力数值很大, 反应出硬磁材
料磁化时, 阻碍磁分子运幼的相互间摩擦力
甚大 。 铁磁材料在交变磁化时, 磁滞现象表
现为 B滞后于 H— 个时间角 。 磁滞式同步电动
机转子, 是处于旋转磁化状态, 磁滞现象表
现为铁磁材料的磁通势滞后于外磁通势一个
空间角 。
图 1-41 硬磁材料转子的磁化
图 1-42 磁滞式电动机的转子
（ a）转子结构（ b）非磁性套筒（ c）磁性套筒
1-套筒 2-硬磁材料的有效环 3-挡环
