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。由于惯性的作用,转子将越过新的平衡位置b点,继续转动,磁阻转矩变为负值,即反方向作用在转子上,因而电机开始减速。随着失调角增大,反向转矩也随之增大,步进电机减速得越快,若不考虑电机的阻尼作用,则转子将一直转到的位置,转子转速减为零。之后电机在反向转矩的作用下,转子向反方向转动,又越过平衡位置点,直至。这样,转子就以点为中心,在的区域内来回做不衰减的振荡,称为无阻尼的自由振荡,连续运行状态
当步进电机在输入脉冲频率较高,其周期比转子振荡过渡过程时间还短时,转子做连续的旋转运动,这种运行状态称为连续运转状态。
①脉冲频率对步进电机工作的影响。随着外加脉冲频率的提高,步进电机进入连续转动状态。在运行过程中具有良好的动态性能是保证控制系统可靠工作的前提。例如,在控制系统的控制下,步进电机经常做启动、制动、正转、反转等动作,并在各种频率下(对应于各种转速)运行,这就要求电机的步数与脉冲数严格相等,既不丢步也不越步,而且转子的运动应是平稳的。但这些要求一般无法同时满足,例如由于步进电机的动态性能不好或使用不当,会造成运行中的丢步,这样,由步进电机的“步进”所保证的系统精度就失去了意义。频共振时步进电机发生了失步。一般情况下,一次失步的步数是运行拍数的整数倍。失步严重时,转子停留在某一位置上或围绕某一位置振荡。
当控制脉冲的频率很高时,脉冲间隔的时间很短,电机转子尚未到达次振荡的幅值,甚至还没到达新的稳定平衡位置,下一个脉冲就到来。此时电机的运行已由步进变成了连续平滑的转动,转速也比较稳定。
当控制脉冲频率达到一定数值之后,频率再升高,步进电机的负载能力便下降,当频率太高时,也会产生失步,甚至还会产生高频振荡。其主要是受定子绕组电感的影响。绕组电感有延缓电流变化的特性,使电流的波形由低频时的近似矩形波变为高频时的近似三角波,其幅值和平均值都较小,使动态转矩大大下降,负载能力降低。
此外,由于控制脉冲频率升高,控制
态。
高连续运行频率。步进电机在一定负载转矩下,不失步连续运行的高频率称为电机的高连续运行频率或高跟踪频率。其值越高电机转速越高,这是步进电机的一个重要技术指标。这一参数对某些系统有很重要的意义。例如,在数控机床中,在退刀、对刀及变换加工程序时,要求刀架能迅速移动以提高加工效率,这一工作速度可由高连续运行频率指标来保证。
高连续运行频率不仅随负载转矩的增加而下降,而且更主要的是受绕组时间常数的影响。在负载转矩一定时,为了提高高连续运行频率,通常采用的方法是:,在绕组中串入电阻,并相应提高电源电压,这样可以减小电路的时间常数,使绕组的电流迅速上升;第二,采用高、低压驱动电路,提高脉冲起始部分的电压,改善电流波形前沿,使绕组中的电流快速上升。此外,转动惯量对连续运行频率也有一定的影响。随着转动惯量的增加,会引起机械阻尼作用的加强,所转过的角位移,也称为步距。步距角θs的大小与定子控制绕组的相数、转子的齿数和通电的方式有关。步距角的大小直接影响步进电机的启动频率和运行频率。两台步进电机的尺寸相同时,步距角小的步进电机的启动、运行频率较高,但转速和输出功率不一定高。
(3)静态步距角误差
静态步距角误差是指实际步距角与理论步距角之间的差值,常用理论步距角的百分数或值来表示。通常在空载情况下测定,小意味着步进电机的精度高。电机是依据电磁感应原理实现能量转换的,其内部要构成完整的磁路,独立的电路,带电导体之间要相互绝缘,还要有构成电机整体的结构部分。因此,制造电机要用到以下四种材料。
① 电阻率低的导电材料;
② 导磁性能高的铁磁材料;
③ 介电强度高、耐热性好的绝缘材料;
种电机在通过电磁感应作用而实现能量转换时,磁场是它的媒介。因此,电机中必须具有引导磁通的磁路。为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场,电机和变压器的磁路都采用导磁性能良好的铁磁材料制成。
磁导率及磁场强度
将一个通电线圈置于不同的介质中,可以发现其磁感应强度不同,说明不同介质的导磁性能不同。磁导率表征物质的导磁性能,其单位是
物质按导磁性能强弱可分为三类:顺磁性物质,如空气、铝、铬等,其磁导率略大于真空磁导率;逆磁性物质,如铜、氢、铅等,其磁导率略小于真空磁导率;铁磁性物质,如铁、钴、镍、钢等,其磁导率μFe比真空磁导率大得多,并且不为常数。
实验表明,所有非铁磁材料的磁导率都接近于真空的磁导率,而磁铁材料的磁导率远远大于真空的磁导率。因此在同样的电流下,铁芯线圈的磁通比空心的线圈磁通大得多。
磁场强度用符号H表示,其定义为
其中,磁通密度的单位是;磁场强度H表示单位长度磁路上作用的磁动势,磁动势的单位是A,磁场强度的单位是。当磁通密度一定时,磁导率越大,所需的磁动势越小。为此,电机中采用了导磁性能好的铁磁材料构成主磁路,如硅钢片、钢板、铸钢,其磁导率。
磁化曲线当磁场强度由变化时,磁化曲线的轨迹为分析方法同
由于磁滞现象,磁化曲线的上升曲线和下降曲线不重合,二者围成对称于原点的闭合曲线 称为磁滞回线。对同一种材料取不同的值可测得若干条磁滞回线,过原点将所
回线的顶点连接起来,就可得到一条工程上常用的基本磁化曲线。
不同的铁磁材料,其磁滞回线形状各不相同,可大致分为两类:
软磁材料,如铸铁、铸钢、硅钢片等,其磁滞回线的面积较窄,用来制造普通电机和变压器的铁芯。
硬磁材料,如铝、镍、钴、铁的合金和稀土合金等,其磁滞回线的面积较宽,均较大,可用来制造磁铁、磁滞电机等。电机拖动与控制”是机电的技术基础课之一。它主要从电机拖动系统的要求出发,分析研究交、直流电机和变压器的基本结构、工作原理、基本电磁关系和运行特性。特别是深入、系统地讨论电机拖动装置的静态和动态特性,直流电机是实现直流电能和机械能互相转换的电气设备。其中将直流电能转换为机械能的称为直流电动机,将机械能转换为直流电能的称为直流发电机。
直流电动机的主要优点是启动性能和调速性能好、过载能力大,因此,应用于对启动和调速性能要求较高的生产机械。例如大型机床、电力机车、内燃机车、城市电车、电梯、轧钢机、矿井卷扬机、船舶机械、造纸机和纺织机等都广泛采用直流电动机作为原动机。
直流电机的主要缺点是存在电流换向问题。由于这个问题的存在,使其结构、生产工艺复杂化,且使用有色金属多,价格昂贵,运行可靠性差。随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展,将来在很多领域内,直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代,直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。不过在今后一个相当长的时间内,直流电机仍在许多场合继续发挥作用。它所研究的电机拖动装置的基本理论,在一定程度上体现了本的性质和基本任务。直流电机可以分为直流发电机和直流电动机两大类,其工作原理可以通过直流电机的简化模型进行说明。
直流发电机的工作原理