交直流电动机的原理、历史、现状及发展趋势要点

交直流电动机的原理、历史、现状及发展趋势要点
交直流电动机的原理、历史、现状及发展趋势要点

电力拖动自动控制系统

课程综合训练

——交、直流电动机调速技术历史、现状及发展趋势

姓名:王家琪 16115746

班级:孙越崎学院11-3班

交直流电机调速技术历史、现状及发展趋势

王家琪

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州)

摘要:本文摘录了国内外相关文献对电机调速技术发展的资料,并结合作者本人的本科学习经验整理收录,对于交直流电机调速技术的发展作了扼要的介绍,对于本科阶段理解与掌握电机拖动调速技术有着一定的帮助。

关键词:直流电机、交流电机、原理、调速技术、历史、现状、发展趋势

引言:人类社会发展的历史进程中,能源永远是人类赖以生存的物质基础,科学技术的进步更是和能源的获取变换利用紧密联系在一起。由于电能的生产和利用更涉及机械能与电能两种形态能量之间的转换,电机作为机电能量转换的设备所处位置关键,使得电机技术的发展直接关系到能源的有效变换和利用以及能源的开发和节约。而电机调速技术正是实现电机在工农业生产各领域中大展拳脚的前提保证。现代工业生产中有两种情况需要实现电机的速度控制:

(1)满足运动及生产工艺要求。如对于电动车辆则要求低速恒转矩,高速恒功率;对于电梯机床纺织造纸等传动,特别是轧钢设备则要求正转反转电动制动四象限运行。这是高性能调速技术的应用场合。

(2)实现调速节能。主要针对拖动风机水泵的电机,过去电机恒速运行,依靠挡板或阀门调节风量或流量,致使大量能量耗费在挡板阀门上。采用调节速度方式调节流量时,电机输入功率大大减少,产生高达20%-30% 的节能效果。这是一般性能调速技术的重要应用场合。

一、直流电机调速技术

1.简介

按照电机类型的不同,电机的速度控制可区分为直流调速和交流调速。直流调速即对直流电动机的速度控制。由于直流电动机中产生转矩的两个要素-电枢电流和励磁磁通相互间没有耦合,并可通过相应电流分别控制,因此直流电动机调速时易获得良好的控制性能及快速的动态响应,在变速传动领域中过去一直占据主导地位。然而由于直流电机需要设置机械换向器和电刷,因此直流调速存在固有的结构性缺陷:机械换向器结构复杂,成本增加,同时机械强度低,电刷容易磨损,需要经常维护,影响运行可靠性。由于运行中电刷易产生火花,限制了使用场合,不能用于化工矿山炼油厂等有粉尘腐蚀易燃易爆物质或气体的恶劣环境。由于存在换向问题,难于制造大容量高转速及高电压直流电机,其极限容量与转速乘积被限制在1000000kw.r/min,使得目前3000r/min左右的高速直流电动机。最大容量只能达到(400-500)kw;低速直流电动机也只能到几千千瓦,远远不能适应现代工业生产向高速大容量化发展的需要。

直流电动机一般可分为电磁式和永磁式,电磁式电动机除了必须给电枢绕组外接直流电源外,还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电,也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同,直流电动机可以分为他励﹑并励、串励﹑和复励等形式。由于励磁方式不同,它们的特性也不同。

(1)他励电动机

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电,

如图1所示。他励电动机由于采用单独的励磁电源,设备较复

杂。但这种电动机调速范围很宽,多用于主机拖动中。

(2)并励电动机

并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流

电源供电,如图2所示,这时电源提供的电流I等于电枢电流

Ia和励磁电流If之和,即I=Ia+If。

并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、

电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压,这

个电压通常较高。励磁绕电阻大,可使If减小,从而减小损耗。

由于If较小,为了产生足够的主磁通,就应增加绕组的匝数。

由于If较小,可近似为I=Ia。

并励直流电动机的机械特性较好,在负载变时,转速变化

很小,并且转速调节方便,调节范围大,启动转矩较大。因此

应用广泛。

(3)串励电动机

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源,如

图3所示。串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电

枢电流Ia,这个电流一般比较大,所以励磁绕组导线粗、匝数

少,它的电阻也较小。串励电动机多于负载在较大范围内变化的

和要求有较大起动转矩的设备中。

(4)复励电动机

这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组,一个与电枢

绕组串联,另一个与电枢绕组并联,如图4所示,所以复励电动

机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点,所以也被广泛应

用。

(5)永磁电动机

这种直流电动机沒有励磁绕组﹐直接以永久磁铁建立磁场來

使转子转动。这种电动机在许多小型电子产品上得到了广泛应用。

在以上几种类型的直流电动机中,以并励直流电动机和他励直流电动机应用最为广泛。

2.原理

直流电动机的等效电路如图5所示。

La

图5 直流电动机等效图

电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为:

E I L I R U a a a

a a a dt d ++= (1- 2) Ω--=ΩK T T D

l e dt d J (1 - 3) 式中 Ua 电源电压;

Ia-电枢电流 ;

Ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻);

La-电枢电感;

Ea-电枢反电动势;

J-转动惯量;

Ω-转动的角速度;

Te-电磁转距;

Tl-负载转距;

K D -转动部分的阻尼系数.

永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:

Ea=Ke*Ω (1 - 4)

式中 Ke-反电动势常数.

电磁转矩为: Te=K T *Ia (1 - 5) 式中K T -磁转矩常数。

动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式 (1-2)、式(1-3)、式(1-4)和式(1-5)作拉氏变换,得到如下函数:

Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)

JS Ω(s)=Te(s)一Tl(s)一K D S Ω(s)

Ea(s)= Ke Ω(s)

Te(s)=K T Ia(s)

上面的式子可以用下面的方框图表示。

图6 直流电机系统方框图

直流电机转速n 的表达式为:

Φ-=

K IR U n (1 - 1)

式中:U-电枢端电压

I-电枢电流

R-电枢电路总电阻

Φ-每极磁通量

K-与电机结构有关的常数

由上式可知,直流电机转速n 的控制方法有三种:

(1)调节电枢电压U 。改变电枢电压从而改变转速,属恒转矩调速方法,动态响应快,适用于要求大范围无级平滑调速的系统;

(2)改变电机主磁通。只能减弱磁通,使电动机从额定转速向上变速,属恒功率调速方法,动态响应较慢,虽能无级平滑调速,但调速范围小;

(3)改变电枢电路电阻R 。在电动机电枢外串电阻进行调速,只能有级调速,平滑性差、机械特性软、效率低。

改变电枢电路电阻的方法缺点很多,目前很少采用:弱磁调速范围不大,往往与调压调速配合使用;因此,自动调速系统以调压调速为主。

2. 发展(历史、现状、趋势)

直流电机原理较为简单,调速技术也较为单一,自发明以来,调速技术的突破主要在于电枢直流电压源的发展与应用,而变电枢电压技术的发展主要经历了三个阶段:旋转变流机

组、静止变流装置、脉宽调制(PWM)变换器(或称直流斩波器)。

(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压,简称G-M 系统,国际上统称Ward-Leonard系统,这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能,但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。

(2)20世纪50年代,开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组,但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统,通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。进而改变整流电压Ud的大小,达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性,成为直流调速系统的主要形式。

(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器,是利用功率开关器件通断实现控制,调节通断时间比例,将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压,亦称DC-DC变换器。

现如今,绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。

二、交流电机调速技术

1.简介

交流调速即对交流电动机的速度控制。交流电机,尤其是笼型异步电动机,由于结构简单,制造方便,造价低廉,坚固耐用,无需维护,运行可靠,更可用于恶劣的环境之中,特别是能做成高速大容量,因此在工农业生产中得到了极为广泛的应用。但是交流电动机调速,控制比较困难,这是由于同步电动机的气隙磁场有电枢电流和励磁电流共同产生,其磁通值不仅决定于这两个电流的大小,还与工作状态有关;异步电动机则电枢与励磁同在一个绕组,两者间存在强烈的耦合,不能简单地通过控制电枢电压或电流来准确控制气隙磁通进而控制电磁转矩,因而不能有效地实现电机的运动控制。由于交流电机种类繁多,但日常使用的交流电机多以异步电机为主,故本文将着重介绍交流异步电机的原理及发展。

2.原理

(1)异步电动机旋转原理

异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。

1)磁场以n 0转速顺时针旋转,转子绕组切割磁力线,产生转子电流

2)通电的转子绕组相对磁场运动,产生电磁力

3)电磁力使转子绕组以转速n旋转,方向与磁场旋转方向相同。

(2)旋转磁场的产生

旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足:

1)在空间位置上互差2π/3 rad电度角。这一点,由定子三相绕组的布置来保证

2)在时间上互差2π/3 rad相位角(或1/3周期)。这一点,由通入的三相交变电流来保证。

(3)电动机转速

产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力

线。因此,转子的转速n必须低于定子磁场的转速n 0,两者之差称为转差:

Δn=n 0-n

转差与定子磁场转速(常称为同步转速)之比,称为转差率:

s=Δn / n 0

同步转速n 0由下式决定: n 0=60 f / p

式中,f为输入电流的频率,p为旋转磁场的极对数。

由此可得转子的转速: n=60 f(1-s)/ p

(4)异步电动机调速

由转速n=60 f(1-s)/ p可知异步电动机调速有以下几方法:

1)改变磁极对数p (变极调速)

定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以,要改变p,必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。

变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速,又适用于恒功率调速;其缺点是有极调速,且极数有限,因而只适用于不需平滑调速的场合。

2)改变转差率s (变转差率调速)

以改变转差率为目的调速方法有:定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。

(i)定子调压调速

当负载转矩一定时,随着电机定子电压的降低,主磁通减少,转子感应电动势减少,转子电流减少,转子受到的电磁力减少,转差率s增大,转速减小,从而达到速度调节的目;同理,定子电压升高,转速增加。

调压调速的优点是调速平滑,采用闭环系统时,机械特性较硬,调速范围较宽,缺点是低速时,转差功率损耗较大,功率因素低,电流大,效率低。调压调速既非恒转矩调速,也非恒功率调速,比较适合于风机泵类特性的负载。

分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的,其调速电路如下图。

差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角(或1/2周期)两相交变电流也可产生旋转磁场。下图中,电容C的作用就是把一相电流移相,以产生两相在时间上互差π/2 rad相位角(或1/2周期)交变电流,在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证的。

(ii)转子变电阻调速

当定子电压一定时,电机主磁通不变,若减小定子电阻,则转子电流增大,转子受到的电磁力增大,转差率减小,转速降低;同理增大定子电阻,转速增加。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单,投资不高,但其机械特性较软,调速范围受到一定限制,且低速时转差功率损耗较大,效率低,经济效益差。目前,转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。

(iii)电磁转差离合器调速

异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机,通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。

电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成,二者之间没有机械的联系,均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转,磁极与工作机械相连。

电磁转差离合器的工作原理是:如果磁极内励磁电流为零,电枢与磁极间没有任何电磁联系,磁极与工作机械静止不动,相当于负载被“脱离”;如果磁极内通入直流励磁电流,磁极即产生磁场,电枢由于被异步电动机拖动旋转,因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢

绕组中产生电流,并产生力矩,磁极将沿着电枢的运转方向而旋转,此时负载相当于被“合上”,调节磁极内通入的直流励磁电流,就可调节转速。

电磁转差离合器调速的优点是控制简单,运行可靠,能平滑调速,采用闭环控制后可扩大调速范围,运用于通风类或恒转矩类负载;其缺点是低速时损耗大,效率低。

(iv)串极调速

前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题,是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来,同时又能提高调速性能?串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。

串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用,以提高设备的效率。串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势,通过控制这个附加电动势的大小,来改变转子电流的大小,从而改变转速。

串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点,便于向大容量发展,但它也存在着功率因素较低的缺点。

(v)改变频率f (变频调速)

当极对数p不变时,电动机转子转速与定子电源频率成正比,因此,连续的改变供电电源的频率,就可以连续平滑的调节电动机的转速。

异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点,可以方便的实现恒转矩或恒功率调速,整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似,并可与直流调速相比美。

现如今,交流电机调速的重点方向在于变频调速,本文将重点介绍交流电机变频调速技术的现状及发展趋势。

3.历史

交流电机调速原理早在20 世纪30 年代就进行了深入的研究,但一直受实现技术或手段的限制而进展缓慢。早期传统的交流调速多采用电磁装置和水银整流器或闸流管等原始变流元件来实现,最早是绕线式异步电动机转子串电阻调速,在吊车卷扬机等设备中得到了较为广泛的应用,但这种方法调速时会在电阻上浪费大量电能,运行效率低下。20 世纪50 年代发展了异步电机定子串饱和电抗器实现调压调速的简单方法,但有转子损耗引起严重发热问题。笼型转子异步电机变极调速是一种高效的调速方法,但速度变化有级,应用范围受到限制。为了提高绕线式异步电机转子串电阻调速的运行效率,20世纪30年代就提出了串级调速的思想。这种方法把原本消耗在外接电阻上转子滑差功率引出,经整流变为直流电能供给同轴连接的直流电动机,使这部分能量变为机械功加以利用。交流电机变频调速是一种理想调速方案,早在20世纪20年代对此就有明确认识,既能在宽广的速度范围内实现无级调速,也不会在调速过程中使运行效率下降,更可获得良好的起动运行特性。但由于当时采用的水银整流器和闸流管性能不理想而未能推广使用,采用旋转变流机也因技术性能不如直流调速而未能使用。20世纪50年代中期世界上第一只晶闸管研制成功,开创了电力电子技术发展的新时代从此电子进入强电领域,电力电子器件成为弱点控制强电的桥梁与纽带,使得电能的变换利用更加方便和高效,大大的促进了电机调整与控制技术的飞速发展。首先是直流电机调速系统摆脱了以往笨重的电动-发电机组供电形式进部到了可控整流器的简洁供电方式,加上线性集成电路运算放大器的应用和调节器的优化,直流调速的静动态性能获得了很大的提高。与此同时,交流电机调整技术的发展也获得了一次飞跃,尤其是20 世

纪70 年代中期全世界范围内出现了能源危机,节约能源成了人们普遍的共识。作为节约电能的重要手段,交流电机调速引起了人们的重视,尤其是拖动风机水泵压缩机的交流电机实施以调速来调节流量的运行方式改造后,产生了巨大的节能效果,更为有力地推动了交流调速技术本身的快速发展。

4.现状

(1)国外现状

在大功率交 - 交变频调速技术方面, 法国阿尔斯通已能提供单机容量达 3万千瓦的

电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面, 意大利 ABB 公司提供了单机容量为 6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面, 德国西门子公司 Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 10~ 2 600 kVA, Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为 100~900 kVA, 其控制系统已实现全数字化, 用于电力机车、风机、水泵传动。国外变频调速技术有以下特点:(i)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的 SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及串、并联技术的发展应用,使高抵押、大功率变频器的生产及应用成为现实;(ii)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础; 16/32位高速微处理器以及信号处理器 ( DSP)和专用集成电路 ( ASIC) 技术的快速发展, 为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段;(iii)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺, 变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金等各个行业, 取得显著的经济效益。

(2)国内现状

在我国, 60% 的发电量是通过电动机消耗的, 因此调速传动是一个重要的行业。我国电气传动产业始建于 1954年, 现在已有 200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。我国电气传动与变频调速技术的发展简史见表1。我国电机的总装机容量已达 4亿千瓦, 年耗电量达 6 000亿千瓦时, 约占工业耗电量的 80%。各类在用电机中,80%以上为 0. 55~ 220 kW 以下的中小型异步电动机。但我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当发达国家 50年代水平, 至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上 80年代水平。随着改革开放, 经济高速发展, 形成了一个巨大的市场。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品, 国内的成套公司在自行设计制造的成套装置中采用外国企业的先进设备, 自己开发应用软件, 能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然近些年取得了很大的成绩, 但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱, 对国外公司的依赖性还是很严重。因此, 在国家十一五规划中, 电机系统节能方面的投入将高达 500亿元左右, 所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

从总体上看, 我国电气传动的技术水平落后国际先进水平 10~ 20年。在大功率交 - 交、无换向器电机等变频技术方面, 国内只有少数科研单位有能力制造, 但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面, 国内几乎所有的产品都是普通的 V / f控制, 仅有少量的样机采用矢量控制, 品种与质量还不能满足市场需要, 每年大量进口。国内变频调速技术产业状况如下: 变频器的整体技术落后, 国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力, 但由于力量分散, 并没有形成一定的技术和生产规模; 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白; 产销量少, 可靠性及工艺水平不高。

表 1 我国电气传动与变频调速技术的发展简史

5.发展趋势

(1)主控一体化、变频器与电机的整体化

日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的 DIPIPM (即双列直插式封

装 )的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的 HVIC(高耐压 IC),SOC( System on Chip)的概念已被用户接受, 首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此可以展望, 随着功率做大, 此产品在市场上极具竞争力。90年代以前, 对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓扑结构以及控制算法上, 并且取得了很大的进展, 使得电机传动的动态性能和调速精度等方面大大提高。但对于变频器供电下电机的效率、功率因素、绝缘等没有加以重视和研究。其中变频器带来的电应力问题和电机轴电压、轴电流问题是近几年较为突出的严重问题, 而这些问题的起因在于变频器与电机没有作为一个整体加以设计而引起的。

(2)变频控制的高性能化

1)无速度传感器矢量控制(SVC)的发展。早期的SVC多采用电压、电流信号构成速度观测器, 后来采用磁通观测器模型, 使力矩特性更好。最新的 SVC产品则用电压电流模型与磁通模型构成速度观测器,在不同的速度区段, 利用切换的办法取得更好的速度观测效果, 称为双观测器矢量控制系统。此外, 采用高速 CPU芯片, 信号处理速度更快, 使系统在极低的转速下也能获得良好的转矩特性与高速响应。

2)电机参数自检测与自整定技术。高性能矢量控制变频器运行前需进行电动机参数的检测。早期变频器首先需把电动机和机械脱开, 才让电动机旋转, 按预先设定的程序运转, 记录定子电压和电流,对参数进行自动整定,该方法称为旋转自检测。其缺点在于卸开电动机和机械的连接十分不方便。新开发的停车自检测电动机可以在不旋转的状态下进行测量, 连旋转自检测不测量的漏电感参数也可以测出, 因此控制性能得到提高。目前 Siemens公司的 MM440矢量型变频器具有此功能,可以停车自检出电机定子电阻、转子电阻、定子漏抗、主电抗以及磁化饱和曲线等。

(3)变频控制系统的全数字化

随着计算机技术的发展, 人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合, 同时提高交流调速系统自身的性能, 必须使交流调速系统实现全数字化控制。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。如 Intel公司 1983年推出的

MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一,适用于高速、高精度的工业控制。其高档型8+196KB, 8+196KC,8+196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。另外, 随着交流电机控制理论不断发展, 控制策略和控制算法也日益复杂。DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等 DSP 芯片, 以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的 MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及 CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。

(4)变频器的环保化

如变频器的低电磁噪音化。今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC 国际标准, 主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正 ( Active Power Factor Correction,APFC)电路, 改善输入电流波形, 降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式, 这种开关控制方式在30~ 50MH z时的噪声可降低 15~ 20 dB。

参考文献

[1] 国家机械工业委员会.电机原理[M].北京:机械工业出版社,1988.9

[2] 胡双,马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17~21

[3] 西巴依洛夫,洛奥斯,刘锐乡.电机的数学摸拟[M].北京:机械工业出版社,1985

[4] 陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,1990.

[5] 陆宝琦.交流变频电机的绝缘[J].绝缘材料,2001.

[6] 国内变频调速异步电动机基本情况调查资料.2002.

[7] 蒋永华,余愚,孙海山. 变频调速技术的行业现状与发展趋势 . 2007.

步进电动机的工作原理与特点

步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差,精度高,步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等,这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如、、、、都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器部。 总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形

步进电动机概念及其工作原理

步进电动机概念及其工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。步进电动机按其输出转矩的大小来分,可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小,一般在N·cm级,可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台,而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的,可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数,可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加,在相同频率的情况下,每相导通电流的时间增加,各相平均电流会高些,仍而使电动机的转速—转矩特性会好些,步距角亦小。但是随着相数的增加,电动机的尺寸就增加,结构亦复杂,目前多用3~6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化,调速范围很广,灵敏度高,输出转角能够控制,而且输出精度较高,又能实现同步控制,所以广泛地使用在开环系统中,也还可用在一般通用机床上,提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分,主要

有磁电式和反应式两大类,这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理,现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极,磁极上绕有线圈,分别称之为A相、B 相和C相,而转子则是一个带齿的铁心,这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电,就会产生磁场,当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电,则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先有一相线圈(设为A相)通电,则转子1、3两齿被磁极A吸住,转子就停留在图5—5a的位置上。然后,A相断电,6相通电,则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场,磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去,停止在图b的位置上,这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电,C相通电。根据同样道理,转子又逆时针转了30°,停止在图c的位置上。若再A相通电,C相断开,那么转子再逆转30°,使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电,步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次,步进电动机旋转30°,我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序,则步进电动机将按顺时针方向旋转,所以要改变步进电动机的旋转方向可以在仸何一相通电时进行。 步进电动机

电动机的基本结构及工作原理

电动机的基本结构及工作原理 交流电机分异步电机和同步电机两大类。异步电机一般作电动机使用,拖动各种生产机械作功。同步电机分分为同步发电机和同步电动机两类。根据使用电源不同,异步电机可分为三相和单相两种型式。 一、异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子两部分组成。因转子结构不同又可分为三相笼型和绕线式电机。 1、三相异步电动机的定子: 定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子的作用是通入三相对称交流电后产生旋转磁场以驱动转子旋转。定子铁心是电动机磁路的一部分,为减少铁心损耗,一般由0.35~0.5mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成圆筒形状,安装在机座内。定子绕组是电动机的电路部分,安嵌安在定子铁心的内圆槽内。定子绕组分单层和双层两种。一般小型异步电机采用单层绕组。大中型异步电动机采用双层绕组。机座是电动机的外壳和支架,用来固定和支撑定子铁心和端盖。 电机的定子绕组一般采用漆包线绕制而成,分三组分布在定子铁心槽内(每组间隔120O),构成对称的三相绕组。三相绕组有6个出线端,其首尾分别用U1、U2;V1、V2;W1、W2表示,连接在电机机壳上的接线盒中,一般3KW以下的电机采用星形接法(Y接),3KW以上的电机采用三角形接法(△接)。当通入电机定子的三相交流电相序改变后,因定子的旋转磁场方向改变,所以电机的转子旋转方向也改变。

2、三相异步电动机的转子: 转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子的作用是产生感应电动势和感应电流,形成电磁转矩,实现机电能量的转换,从而带动负载机械转动。转子铁心和定子、气隙一起构成电动机的磁路部分。转子铁心也用硅钢片叠压而成,压装在转轴上。气隙是电动机磁路的一部分,它是决定电动机运行质量的一个重要因素。气隙过大将会使励磁电流增大,功率因数降低,电动机的性能变坏;气隙过小,则会使运行时转子铁心和定子铁心发生碰撞。一般中小型三相异步电动机的气隙为0.2~1.0mm,大型三相异步电动机的气隙为1.0~1.5mm。 三相异步电动机的转子绕组结构型式不同,可分为笼型转子和绕线转子两种。笼型转子绕组由嵌在转子铁心槽内的裸导条(铜条或铝条)组成。导条两端分别焊接在两个短接的端环上,形成一个整体。如去掉转子铁心,整个绕组的外形就像一个笼子,由此而得名。中小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝转子,即把熔化了的铝浇铸在转子槽内而形成笼型。大型电动机采用铜导条;绕线转子绕组与定子绕组相似,由嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组构成,绕组作星形形联结,三个绕组的尾端连结在一起,三个首端分别接在固定在转轴上且彼此绝缘的三个铜制集电环上,通过电刷与外电路的可变电阻相连,用于起动或调速。 3、三相异步电动机的铭牌: 每台电动机上都有一块铭牌,上面标注了电动机的额定值和基本技术数据。铭牌上的额定值与有关技术数据是正确选择、使用和检修电动机的依据。下面对铭牌中和各数据加以说明: 型号异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特

电机在生活中的应用及发展趋势.

电机在生活中的应用 及发展趋势 姓名:张亚超 学号: 班级: 专业:机械设计与制造 日期:2012年12月27日 摘要

电机(Electric machine ),是机械能与电能之间转换装置的统称。转换是双向的,大部分应用的是电磁感应原理。由机械能转换成电能的电机,通常称做“发电机”;把电能转换成机械能的电机,被称做“电动机”。其余的还有其他的新型电机出现,比如超声波电机(应用压电效应),就不用电磁感应原理。电机在生活中的应用非常广泛,在家庭中一般属于驱动型电机。驱动用电动机可划分:电动工具(包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具)用电动机、家电(包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等)用电动机及其它通用小型机械设备(包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等)用电动机。家用电动机主要是小功率电机,家庭中凡有转动件的,都是由电机来驱动的,如:空调室内机风扇电机、室外风扇电机、空气压缩机、室内机转页电机等。家用电器的性能与所匹配的小功率电机有着直接的关系,电机的效率、功率因数、调速范围及噪声与家电的节能环保;有着密切的关系。 关键词:电机生活应用错误!未找到引用源。 目录 弓丨言 (5) 一、常见电机的分类 (5) (1)单相感应电机 (5) (2)单相变极感应电机 (5) (3)无刷电机 (6)

(4)三相感应调频电机 (6) (5)开头磁阻电机 (6) (6)永磁同步水泵电机 (6) 二、常见家电用的电机 (7) (1).家用空调器用电机 (7) (2).空调机风扇用电机 (7) (3).电冰箱用电机 (8) (4).压缩机用电机 (8) (5).蒸发器风机用电机 (9) (6).化霜定时用电机 (9) (7) ................................................................................................................ .电动风门用电机. (9) (8).洗衣机用电机 (9) 8.1波轮式双桶洗衣机用电机 (9) 8.2全自动波轮洗衣机用电机 (10) 8.3全自动滚筒式洗衣机 (10) (9).电风扇用电机 (10) (10).微波炉用电机 (11) (11).吸尘器用电机 (12)

交流电动机的工作原理及特性

习题及思考题 5.1 有一台四极三相异步电动机,电源电压的频率为50H Z,满载时电动机的转 差率为0.02求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。 n0=60f/p S=(n0-n)/ n0 =60*50/2 0.02=(1500-n)/1500 =1500r/min n=1470r/min 电动机的同步转速1500r/min. 转子转速1470 r/min, 转子电流频率.f2=Sf1=0.02*50=1 H Z 5.2将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调,此电动机是否会反 转?为什么? 如果将定子绕组接至电源的三相导线中的任意两根线对调,例如将B,C两根线对调,即使B相遇C相绕组中电流的相位对调,此时A相绕组内的电流导前于C相绕组的电流2π/3因此旋转方向也将变为A-C-B向逆时针方向旋转,与未对调的旋转方向相反. 5.3 有一台三相异步电动机,其n N=1470r/min,电源频率为50H Z。设在额定负 载下运行,试求: ①定子旋转磁场对定子的转速; 1500 r/min ②定子旋转磁场对转子的转速; 30 r/min ③转子旋转磁场对转子的转速; 30 r/min

④ 转子旋转磁场对定子的转速; 1500 r/min ⑤ 转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。 0 r/min 5.4 当三相异步电动机的负载增加时,为什么定子电流会随转子电流的增加而增 加? 因为负载增加n 减小,转子与旋转磁场间的相对转速( n0-n)增加,转子导体被 磁感线切割的速度提高,于是转子的感应电动势增加,转子电流特增加,。定子的感 应电动使因为转子的电流增加而变大,所以定子的电流也随之提高。 5.5 三相异步电动机带动一定的负载运行时,若电源电压降低了,此时电动机的 转矩、电流及转速有无变化?如何变化? 若电源电压降低, 电动机的转矩减小, 电流也减小。 转速不变。 5.6 有一台三相异步电动机,其技术数据如下表所示。 试求:①线电压为380V 时,三相定子绕组应如何接法? ②求n 0,p,S N ,T N ,T st ,T max 和I st ; ③额定负载时电动机的输入功率是多少? ① 线电压为380V 时,三相定子绕组应为Y 型接法。 ② T N =9.55P N /n N =9.55*3000/960=29.8Nm 型号 P N /k W U N /V 满载时 I st /I N Tst /T N T max /T N n N /r ·min -1 I N /A ηN ×100 cos φ Y132S-6 3 220/ 380 960 12.8/7.2 83 0.75 6.5 2.0 2.0

三相异步电动机的工作原理及特性(精)

三相异步电动机的工作原理及特性 1 三相异步电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机,而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。 在生产上主要用的是交流电动机,特别三相异步电动机,因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。2.三相异步电动机的转动原理 1).基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理,我们做如下演示实验,如图5-2所示。 图5-2 三相异步电动机工作原理 (1).演示实验:在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体,当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时,将发现导体也跟着旋;若改变磁铁的转向,则导体的转向也跟着改变。 (2).现象解释:当磁铁旋转时,磁铁与闭合的导体发生相对运动,鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用,于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来,这就是异步电动机的基本原理。 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。 (3).结论:欲使异步电动机旋转,必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

1).三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙. (1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成. 铁心由0.5mm 的硅钢片叠压而成; 三相绕组连接成星形或三角形; 机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心. (2)转子 转子由铁心和绕组组成. 转子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上; 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种. 线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构. 2).三相异步电动机的工作原理 1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速; (2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势; (3)转子绕组中感生电流; (4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了. 电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步. 设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为 ; no-n; 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S 是分析异步电动机运行情况的主要参数,且可得异步电动机的转速方程式为: 异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p;变转差率S;变频率f. 电动机启动方式包括:全压直接启动、自耦减压起动、Y-△起动、软起动器、变频器。 1、全压直接起动: n n n S -=p f n 600=)1(60S p f n -=

步进电动机

步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。步进电动机按其输出转矩的大小来分,可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小,一般在N·cm级,可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台,而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的,可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数,可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加,在相同频率的情况下,每相导通电流的时间增加,各相平均电流会高些,从而使电动机的转速—转矩特性会好些,步距角亦小。但是随着相数的增加,电动机的尺寸就增加,结构亦复杂,目前多用3~6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化,调速范围很广,灵敏度高,输出转角能够控制,而且输出精度较高,又能实现同步控制,所以广泛地使用在开环系统中,也还可用在一般通用机床上,提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分,主要有磁电式和反应式两大类,这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理,现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极,磁极上绕有线圈,分别称之为A相、B相和C相,而转子则是一个带齿的铁心,这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电,就会产生磁场,当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电,则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先有一相线圈(设为A相)通电,则转子1、3两齿被磁极A吸住,转子就停留在图5—5a的位置上。然后,A相断电,6相通电,则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场,磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去,停止在图b的位置上,这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电,C相通电。根据同样道理,转子又逆时针转了30°,停止在图c的位置上。若再A相通电,C相断开,那么转子再逆转30°,使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电,步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次,步进电动机旋转30°,我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序,则步进电动机将按顺时针方向旋转,所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后,使其设备的性能提高,很快地促进了步进电动机的发展。另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域,如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。 任何一种产品成熟的过程,基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在,步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜,性能指标不高,混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机,由于混合式步进电动机具有控制功率小,运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机,步距角1.8°/0.9°(全步/半步);还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机,五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前,工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。 步进电动机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等,特别是日本东方公司,无论是电动机性能和外观质量,还是生产手段,都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量(含国外独资公司)近2亿台。 德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后,推出了新的三相混合式步进电动机系列,为定子6极转子50齿结构,配套电流型驱动器,每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000,它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率,还可以在此基础上再10细分,分辨率提高10倍,这是一种很好的方案,充分运用了电流型驱动技术的功能,让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。 与此同时,日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机,即HB型(混合式)、RM性(定子和混合式相似,转子则同永磁式环形磁铁相似)和爪极PM型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示:

电机的历史与未来发展

电机的历史与未来发展 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

摘要 在现代社会中,电能是现代社会最主要的能源之一。在电能的生产、输送和使用等方面,电机起着重要的作用。从19世纪30年代法拉第发明了世界上第一台真正意义上的电机—法拉第圆盘发电机开始,到现在21世纪10年代,电机的发展已经经过了近200年的历史。从最初的直流电机到现在大热的超声电机,随着科学的进步,生产力的迅猛发展,电机更新换代的速度日益加快,应用范围也越来越广,遍及生产生活的各个领域。我国在电机方面起步比西方国家晚了100年,但研究发展速度很快,很多企业和高校也都有自己新的研究技术,与国外先进国家的差距在逐渐缩短。未来,相信电机的应用和发展将会更加环保,更加智能。 关键词:电机、历史、发展、中国电机发展、未来 1、电机的简介 电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机主要包括发电机、变压器和电动机等类型。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备,电动机将电能转换成为机械能,用来驱动各种用途的生产机械。 在自然界各种能源中,电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点,它不但成为人类生产和活动的主要能源,而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应,作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备,电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。 纵观电机的发展,其应用范围不断扩大,使用要求不断提高,结构类型不断增多,理论研究也不断深入。特别是近30年来,随着电力电子技术和计算机技术的进步,尤其是超导技术的重大突破和新原理;新结构;新材料;新工艺;新方法的不断推动,电机发展更是呈现出勃勃生机,其前景是不可限量的。 2、电机的历史 直流电机发展史 1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应 随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律

我国电机发展的历史与现状讲解

我国电机发展的历史与现状 摘要:本文首先讲述我国电机的历史,介绍电机的发展史,然后讲述我国电机的发展现状及现在中国电机的特点,最后着重讲述我国电机的发展趋势。 关键词:电机;历史;现状 一、我国电机的发展史 1、我国大功率电机的发展 中国电机的生产和应用起步很晚,但发展很快。 中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。当时应用最多的是线切割机,都是快走丝的。线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开,给个晒蓝图的费用就行了。 随着改革开放政策方针的实施,80年代我国电机发展很迅速。 步进电机的细分控制,在改革开放初期,国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得多。在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形力矩电机。 我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。1972年,浙江大学在国内首先翻译了一本《直线感应电动机》译文集,后由科学出版社出版发行,尔后,上海大学、上海电机厂、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版,近两年来,浙江大学又连续出版了3本直线电机著作,国内开展直线电机应用研究的单位主要有:中科院电工所、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院等。主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动遥控(电动)窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等,我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩,但也国外相比,其推广应用方面尚存在很大差距,目前,国内不少研究单应已越来越注意到这点。 90年代至今,我国的大功率电机已在重工业上应用很广,技术相对成熟。 2、小功率电机的发展 我国小功率电机产业经过40多年的发展,特别是改革开放20多年以来的快速发展,取得了长足进步。 小功率电机产业在我国的发展分两个阶段。第一阶段,顺应我国家电业发展的需要,应用于风扇、空调器、冰箱、洗衣机、排油烟机、小家电、保健器具等产品的小功率电机,国内企业通过技术引进、设备引进吸收,已缩小了同发达国家的差距,部分产品的技术水平已达到国际先进水平,企业具有了很强的自主研发能力、自主知识产权,也形成了一些具有广泛市场知名度的产品品牌。电机产品在自身大量出口欧美等国际市场的同时也随着风扇、空调器等家电主机产品畅销国际市场,成为我国机电出口业务的主要部分。第二阶段,随着汽车工业的快速发展,车用小功率电机的需求也迅速增长,带动了以永磁直

无刷直流电动机简介和基本工作原理

无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介 直流无刷电机 :又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统” 。是将交流电源整流后变成直流, 再由逆变器转换成 频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控 制,是当今最理想的调速电机。 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性,更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳 选择。 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。同步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。而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 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置,所以不论转子的起始

步进电动机的种类、区分与选择

步进电动机的种类: 通常按励磁方式分为三大类: (1)反应式(VR): 转子为软磁材料,无绕组,定、转子开小齿、步距小。应用最广。 (2)永磁式(PM): 转子为永磁材料,转子的极数=每相定子极数,不开小齿,步距角较大,力矩较大。 (3)混合式(HB): 转子为永磁式、两段,开小齿,混合反应式与永磁式优点:转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂,成本较高。 常用的步进电机以混合式步进电机为主,下面介绍的选型以混合式步进电机来说明 图1图2图3图4 图1是两相四线引出,两个绕组单独引出线;图2是两相六线引出,每个绕组多了一个中心抽头引出;图3是两相五相引出,其中两个绕的抽头连接在一起引了;图4是四相八线引出,四个绕组单独引出线。(注意:这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线路的联接和绕组数的区别) 其中以两相四线、两相五线、两相六线的最为常见。它们的区别在于选择驱动方式:两相四线的步进电机需要选择双极性驱动。 两相五线的步进电机需要选择单极性驱动。

两相六线的步进电机可以选择双极性驱动或者单极性驱动。 (按照电流流过绕组的方向是单向还是双向来区分驱动是单极性还是双极性) 由此可以看出,以两相六线的步进电机应用最为灵活,既可以选择是单极性驱动,又可以选择双极性驱动。 由于单极性驱动方式电源利用率不大,现在应用中主要以双极性驱动方式为主,其中以恒流斩波方式的驱动最为广泛。由于恒流斩波方式的驱动器是控制电机的相电流,所以选择步进电机时考虑好电机的工作速度和对应的力矩,然后根据步进电机的额定电流来选择驱动器。电机标称的绕组电压与电机的驱动电压没有直接关系。驱动电压的高低与电机工作速度、输出力矩有关系。像信浓的步进电机,42、57(42、57指的步进电机外径,单位毫米)系列测试电机转速与力矩关系基本都是用24 VDC的驱动电压,实际应用中可以用5V~36V,甚至更高的驱动电压。提高驱动电压,可以相应提高电机高速时的输出力矩,反之亦然。 下图是电机转矩与速度对应的曲线图 PULL IN TORQUE指牵入转矩 PULL OUT TORQUE 指输出转矩 HOLDING TORQUE 指保持转矩(额定电流锁相时的力矩)也是电机标称的力矩。

步进电动机的应用

步进电机工作原理 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 给定一个电脉冲信号,步进电机转子就转过相应的角度,这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。以步距角为0.9度的进步电机来说,当我们给步进电机一个电脉冲信号,步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号,步进电机就转过1.8度。以此类推,连续给定脉冲信号,步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系,使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 步进电机的使用至少需要三个方面的配合,一是电脉冲信号发生器,它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号,目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成;二是驱动器(信号放大器),它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外,还可以通过它改善步进电机的使用性能,事实上它在步进电机系统中起着重要的作用,一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器;三是步进电机,它有多种控制原理和型号,现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。

步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时,步进电机的速度就下降;当频率增加时,速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲,转过一个步距角,当停止的位置确定以后,也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中,给定脉冲数的多少,还与机构的参数有关,例如螺杆的直径等。 在包装机械中,很多情况下需要控制执行机构的运行速度和运行位置,以前都是通过机械或其它方式来完成的,机构复杂、调节不易。改用步进电机后,不仅能使包装机械结构变得简单、调节方便、可靠性增加,而且粗度会得到很大提高。 步进电机的应用 随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点: ①步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。③控制性能好。起动、转向及其他任何

电动机工作原理

电动机工作原理 -标准化文件发布号:(9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

电动机工作原理 电动机无所不在!您在房内四周所见到的机械运动几乎都是由AC(交流)或DC(直流)电动机产生的。 通过了解电动机的工作原理,我们可以了解有关磁铁、电磁铁和电学的许多常识。本文将介绍是什么原因使电动机不断运转。 电动机内部结构 我们首先看看简易型双极直流电动机的总平面图。简易电动机包括六个部分,如下图所示: 电枢或转子 整流子 电刷 轴 场磁铁 某种类型的直流电源

电动机的组成部分 电动机的工作方式不外乎与磁铁和磁性相关:电动机使用磁铁产生运动。如果您曾经玩过磁铁的话,就知道所有磁铁都具有以下基本法则:同极相斥,异极相吸。因此,如果有两根磁铁,并且每根的两端分别标有“北”和“南”,则一根磁铁的北极将会吸住另一根磁铁的南极。反之,一根磁铁的北极将会排斥另一根磁铁的北极(对于南极,情况与此相同)。在电动机的内部,就是这些吸引力和排斥力产生了旋转运动。 在上图中,您可以看到电动机中有两块磁铁:电枢(或转子)是电磁铁,场磁铁是永久磁铁(场磁铁也可以充当电磁铁,但在大多数小型电动机中,人们为了省电而不将其用作电磁铁)。 玩具电动机 此处分解的电动机是在玩具中常见的简易型电动机:

您可以看到这是一个小型电动机,与一毛钱的美元硬币差不多大小。从外部看,可以看到构成电动机机体的钢结构、一根轴、一个尼龙端盖和两条电池导线。如果将电动机的电池导线接到手电筒的电池上,轴就会转动。如果将导线反接,则轴会朝反方向转动。下面是同一电动机的其他两个视图。(请注意第二个视图中钢壳一侧的两个槽,稍后您就会明白它们是用来干什么的了)

步进电机发展趋势介绍

步进电机发展趋势介绍 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后,使其设备的性能提高,很快地促进了步进电动机的发展。另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域,如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。 任何一种产品成熟的过程,基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程(专、精度)。现在,步进电动机的发展—(结构的发展)已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜,性能指标不高,混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机,由于混合式步进电动机具有控制功率小,运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机,步距角 1.8 °/0.9 °(全步/半步);还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机,五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到

目前,工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。 步进电动机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等,特别是日本东方公司,无论是电动机性能和外观质量,还是生产手段,都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量(含国外独资公司)近 2 亿台。日本松下电机也不错哦。 另外的结论是HB 型电动机更适合于低速大转矩用途;RM 型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min 的用途;而PM 型成本低,在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面,三相PM 型电动机比两相电动机的性能要好。 因此,当前最有发展前景的当属混合式步进电动机,而混合式电动机又向以下四个方向发展:发展趋势之一,是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化,要求与之配套的电动机也必须越来越小,在57、42 机座号的电动机应用了多年后,现在其机座号向39、35、30、25 方向向下延伸。瑞士ESCAP 公司最近还研制出外径仅10mm 的步进电动机。 就编码器本身而言,24 位高精度、高速度(处理速度—刷新速率 --DSP)、矩阵式一原理创新、超小型(工艺创新)、智能型(软件创新—智能识别、上位机等、多圈—耦合扩展发展方向) 发展趋势之二,是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构,使得转子有可能设计得比圆形大,因而其力矩体积比(性 价比)将大为提高。同样机座号的电动机,方形的力矩比圆形的将提高

电机发展趋势

电机产业发展历史 1800 年伏特发明电池,是电气出现的开端,电动机的诞生和发展在这之后可以分成几个阶段。从1820 年一直到整个19 世纪末叶,发现了电磁现象以及相关的各种法则,诞生了交流电机的原型,并确立了电机的工业运用。从20 世纪开始一直到1970 年代,是电动机的成长和成熟期,有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生,半导体驱动技术和电子控制概念引入,带来变频驱动的实用化。从70年代到20 世纪末期,计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会,随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步,电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革,相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21 世纪,在以多媒体和互联网为特征的信息时代,电动机和驱动装置继续发挥支撑作用,向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。 1820年奥斯特发现了电流磁效应,随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律: θIBL F sin 1821年9月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动,第一次实现了电磁运动向机械运动的转换,从而建立了电动机的实验室模型,被认为是世界上第一台电机。1831年,法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机──法拉第圆盘发电机。这台发电机制构造跟现代的发电机不同,在磁场所中转动的不是线圈,而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄,圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴,用导线把电刷与电流表连接起来;铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中,当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时,电流表的指针偏向一边,电路中产生了持续的电流。1831年夏,亨利对法拉第的电动机模型进行了改进该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁,当它们端部的导线与两个电池交替连接时,电磁铁的极性自动改变,电磁铁与永磁体相互吸引或排斥,使电磁铁以每分钟75个周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动,是电磁铁在电动机中的真正应用。

电动机的发展前景和选择(可编辑修改word版)

机电工程系 毕 业 论 文 论文题目:电动机的发展前景与选择 姓名:张辉洁 学号: 0962930158 班级:09 机电(2)班 院系:机电工程系 指导教师:王海彦

摘要 近几十年来,随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展,中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是在乡镇企业及家用电器中,更需要有大量的中、小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用,它的使用、保养和维护工作也越来越重要。 电动机机应用广泛,种类繁多、性能各异,分类方法也很多。 本文主要介绍了电动机技术发展及选择

目录 摘要....................................................... 引言........................................................ 第一章电动机分类、发展现状及未来............................ 1.1 电动机分类......................................... 1.2 电动机技术发展现状................................. 1.3 电动机的未来........................................ 第二章电动机的工作原理................................... 2.1 三相异步电动机的结构及工作原理..................... 2.2 三相异步电动机的结构................................. 第三章电动机的选择 3.1 电动机种类、型式、额定转速、额定电压的选择. . . . . . 3.2 连续工作制电动机容量的选择. . . . . . . . . . . . . . . 3.3 短时工作制电动机容量的选择. . . . . . . . . . . . . . . 3.4 断续周期工作制电动机容量的选择. . . . . . . . . . . . . 3.5 电动机容量选择的工程方法. . . . . . . . . . . . . . . . 总结………………………………………………………………………… 参考文献……………………………………………

相关文档
最新文档