电动机概念

电动机概念

电动机是将电能转变为机械能的一种机期。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：①保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，如图2所示。在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，起动绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。

在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽，如图3所示，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。

异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式（鼠笼式异步电机）、绕线式异步电动机

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。

工作原理

◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

运行方式

◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。

无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。

体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机。全称微型特种电机，简称微电机。常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。微特电机门类繁多，大体可分为直流电动机、交流电动机、自态角电机、步进电动机、旋转变压器、轴角编码器、交直流两用电动机、测速发电机、感应同步器、直线电机、压电电动机、电机机组、其他特种电机等13大类。

微特电机在结构上大体可分为3类：①电磁式。基本组成与普通电机相似，包括定子、转子、电枢绕组、电刷等部件，但结构格外紧凑。②组合式。常见的有两种：上述各种微电机的组合；微电机与电子线路的组合。例如直流电动机与传感器的组合，X方向与Y方向直线电动机的组合等。③非电磁式。外形结构与电磁式一样，如旋转类产品作成圆柱形，直线类产品作成方形，但内部结构因其工作原理不同而差别很大。

各类微特电机的性能差别很大，其性能参数难以统一阐明。一般说来，用于驱动机械的侧重于运行及起动时的力能指标；作电源用的要考虑输出功率、波形和稳定性；控制用微电机则偏重于静态和动态的特性参数。前两类电机的特性参数与普通电机相似。唯控制用微电机有其独特的特性参数。①工作特性。常用输出量与输入量，或一个输出量与另一个输出量之间的关系来表示。从控制要求来说，静态特性曲线应连续、光滑，没有突变；动态特性常用频率曲线或响应曲线来表示。频率曲线应平稳，无突跳振荡点；响应曲线应快速收敛。②灵敏度。对应于单位输入信号的输出量的大小。一般常用比力矩、比电动势、放大系数等表示。③精度。一定输入条件下，输出信号的实际值与理论值的差值代表微电机的精度，常用误差大小表示。④阻抗或电阻。在系统中，微电机的输入、输出阻抗应分别与相应电路匹配，保证系统的运行性能及精度。⑤可靠性。不仅是控制用微电机的特殊要求，驱动微电机和电源微电机也有此要求。常用使用寿命、失效率、可靠度和平均无故障时间等参数表征微电机的运行可靠性。

微特电机主要应用于3个领域：①无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。②音像设备。例如，在盒式录像机中，微特电机既是磁鼓组件的关键元件，又是其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的重要元件。③办公自动化

设备、计算机外部设备和工业自动化设备。如磁盘驱动器、复印机、数控机床、机器人等都应用了微特电机。

利用电能直接产生直线运动的电动机。其工作原理类似于相应的旋转式电动机，结构上则可看作是由相应的旋转电机沿径向切开，拉直演变而成。直线电动机包括定子和动子两个主要部分。在电磁力作用下，动子带动外界负载运动作功。在需要直线运动的场合，采用直线电动机可使装置的总体结构得到简化，多用于各种定位系统和自动控制系统。大功率的直线电动机可用于电气铁路高速列车的牵引及鱼雷的发射等装置中。

直线电动机按原理分为直流直线电动机、交流直线异步电动机、直线步进电动机和交流直线同步电动机，其中前3种应用较多。