转差电动机的结构和工作原理详解

1.结构及工作原理

电磁调速异步电动机是由普通笼型异步电动机、电磁转差离合器和电气控制装置三部分组成。图8-1-4为转差离合器的结构示意图。

异步电动机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供转差离合器励磁线圈励磁电流的装置。这里主要介绍电磁转差离合器，如图8-1-4所示，它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与笼型异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被笼型异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别。所不同的是：异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁转差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。

图8-1-4 电磁转差离合器基本结构示意图

1—原动机 2—工作气隙 3—主轴 4—输出轴 5—磁极 6—电枢

电磁转差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示：

式中 n₀——离合器主动部分（笼型电动机）的转速；

n——离合器从动部分（磁极）的转速；

I_f——励磁电流；

K——与离合器结构有关的系数；

T——离合器的电磁转矩。

当稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。由上述公式可知

1）当负载一定时，励磁电流I_f的大小决定从动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高；反之，励磁电流愈小，转速就愈低。根据这一特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速。

2）当励磁电流一定时，从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低，并且这种下降在弱励磁电流的情况下更加严重，如图8-1-5a所示，它具有较软的机械特性，这种软的机械特性在许多情况下，不能满足生产机械的要求。为了获得范围较广、平滑而稳定的调速特性，通常采用速度负反馈的措施，使电磁转差离合器具有图8-1-5b所示的硬机械特性。

该电磁转矩使离合器从动部分跟随电枢以n的转速沿同一方向旋转（n<n₀），工作气隙中的磁感应强度的大小取决于激磁电流I_f，即受电气控制装置输出直流电流的控制，所以当离合器的负载转矩一定时，只要平滑地改变电气控制装置的输出电流，就可以方便地实现给粉机的调速。

离合器工作的必要条件是在电枢中出现涡流，而涡流的出现条件又必须是主动部分与从动部分有相对运动，即有转差（n-n₀≠0）。正是有了这个转差，电枢中才产生涡流，也才有驱使从动部分旋转的转矩。从这一点看，转差离合器与异步电动机颇为相似，其区别仅在于异步电动机的旋转磁场由三相交流电流产生；转差离合器的旋转磁场由直流电流产生。

2.机械特性(www.xing528.com)

转差电动机的机械特性如图8-1-5所示，其中图8-1-5a是没有引入速度负反馈时的机械特性。由图示可知，这种离合器的机械特性具有如下特点：

图8-1-5 转差电动机的机械特性

a）无速度负反馈时 b）有速度负反馈时

当负载转矩一定时，励磁电流越大，输出转速越高；反之转速越低。当励磁电流切断时，尽管电动机仍在带动电枢以n₀速度转动，但离合器从动轴则不会旋转，即n为零。所以调整励磁电流I_f的大小便可改变离合器输出轴的转速。当励磁电流I_f一定时，负载转矩稍有变化，输出轴转速n就会产生明显的变化，即机械特性比较“软”，这是该调速系统的特点。

为了克服离合器的“软”机械特性，可通过采用测速发电机引入速度负反馈环节，使“软”机械特性改造为“硬”机械特性，如图8-1-5b所示。此时，在励磁电流I_f不变的情况下，负载转矩在宽范围内变化时，输出轴转速可维持平滑而稳定的转速特性，此时离合器输出轴转速仅随励磁电流而变化。

总而言之，转差电动机自身的工作特性为软特性，转速随负载的变化而显著变化，励磁电流I_f越小，机械特性越软。在与配套的控制器一起使用时，因控制器内配置带有速度负反馈的可控硅控制系统，当负载转矩在10%～100%范围变化时，它能根据测速发电机的信号自动调节励磁电流I_f使输出转速n基本不变，使电动机特性变硬，这种特性称为人工特性。电磁离合器的传递效率与转速成正比，因此电动机最好在调速范围中、高段使用。

3.测速发电机

速度反馈系统的转速测量元件采用测速发电机（即磁阻变送器），它的原理如图8-1-6所示。

磁阻变送器又称测速头，它由定子和转子两部分组成。定子由永久磁钢、极靴和线圈组成，固定在与离合器轴同心的外壳上，极靴上套有线圈；转子为一个采用软磁材料做成60齿均匀分布的齿盘，与离合器的从动轴同轴连接，极靴与齿盘之间保持约0.25mm的间隙。当离合器的从动轴带动齿盘转动时，由于齿盘的齿、槽交替变化，气隙的大小就以一定频率周期性地变化，引起气隙磁通也以一定频率交替变化，于是在线圈2中产生感应电动势，此感应电动势为一定频率的交流信号。极靴上两个线圈中感应电动势的相加值为输出信号u_f。

图8-1-6 磁阻变送器的结构示意图

1—永久磁钢 2—线圈 3—极靴 4—转子 5—被测转速的转轴

测速发电机的输出信号为一定频率的交变信号u_f，其波形近似为正弦波。u_f的频率为

式中 z——齿盘的齿数；

n——转子转速。

因为转子上的齿盘齿数为60，所以输出信号的频率f=n，即等于离合器从动轴的转速，而测速发电机输出电压信号u_f的频率（或幅值大小）就直接反映了离合器从动轴转速n的大小。