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電機及電機學概念

electric machine and electric machine theory concept
電機定義:是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。
電動機也稱電機(俗稱馬達),在電路中用字母“M”(舊標準用“D”)表示。它的主要作用是產生驅動矩,作為用電器或各種機械的動力源。 

以下介紹的電動機為家用電器或電子產品中使用的小功率電動機,即所謂的微電機。 

電動機的種類


1.按工作電源分類 根據電動機工作電源的不同,可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。 

2.按結構及工作原理分類 電動機按結構及工作原理可分為直流電動機,異步電動機和同步電動機。 

同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同布電動機。 

異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 

直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。 

3.按起動與運行方式分類 電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。 

4.按用途分類 電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。 

驅動用電動機又分為電動工具(包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具)用電動機、家電(包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等)用電動機及其它通用小型機械設備(包括各種小型機床、小型機械、醫療器械、電子儀器等)用電動機。 

控制用電動機又分為步進電動機和伺服電動機等。 

5.按轉子的結構分類 電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機(舊標準稱為鼠籠型異步電動機)和繞線轉子感應電動機(舊標準稱為繞線型異步電動機)。 
6.按運轉速度分類 電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。 
低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。 
調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無極變速電動機外,還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。 

.直流電動機
直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機,廣泛應用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風、電子表、玩具等。 
1.電磁式直流電動機 電磁式直流電動機由定子磁極、轉子(電樞)、換向器(俗稱整流子)、電刷、機殼、軸承等構成, 
電磁式直流電動機的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構成。根據其勵磁(舊標準稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。因勵磁方式不同,定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線圈通電后產生)的規律也不同。 
串勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器相串聯,勵磁電流與電樞電流成正比,定子磁通量隨著勵磁電流的增大而增大,轉矩近似與電樞電流的平方成正比,轉速隨轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上,短時間過載轉矩可達額定轉矩的4倍以上,轉速變化率較大,空載轉速甚高(一般不允許其在空載下運行)?赏ㄟ^用外用電阻器與串勵繞組串聯(或并聯)、或將串勵繞組并聯換接來實現調速。 
并勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯,其勵磁電流較恒定,起動轉矩與電樞電流成正比,起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉速則隨電流及轉矩的增大而略有下降,短時過載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小,為5%~15%?赏ㄟ^消弱磁場的恒功率來調速。 
他勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電,其勵磁電流也較恒定,起動轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5%~15%?梢酝ㄟ^消弱磁場恒功率來提高轉速或通過降低轉子繞組的電壓來使轉速降低。 
復勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外,還裝有與轉子繞組串聯的串勵繞組(其匝數較少)。串聯繞組產生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同,起動轉矩約為額定轉矩的4倍左右,短時間過載轉矩為額定轉矩的3.5倍左右。轉速變化率為25%~30%(與串聯繞組有關)。轉速可通過消弱磁場強度來調整。 
換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料,用高強度塑料模壓成。 電刷與換向器滑動接觸,為轉子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。 轉子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成,一般為12槽,內嵌12組電樞繞組,各繞組間串聯接后,再分別與12片換向片連接。 

1.永磁式直流電動機
永磁式直流電動機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成,定子磁極采用永磁體(永久磁鋼),有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數為圓筒型磁體,而電動工具及汽車用電器中使用的電動機多數采用專塊型磁體。 
轉子一般采用硅鋼片疊壓而成,較電磁式直流電動機轉子的槽數少。錄放機中使用的小功率電動機多數為3槽,較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組),其各接頭分別焊在換各器的金屬片上。電刷是連接電源與轉子繞組的導電部件,具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。 
錄放機中使用的永磁式直流電動機,采用電子穩速電路或離心式穩速裝置。 

2.無刷直流電動機

無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現電子換向的,即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點,廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。 
無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成,如圖18-13所示。位置傳感按轉子位置的變化,沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路,按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。 
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。 
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。 
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。 
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。 

.交流異步電動機
交流異步電動機是領先交流電壓運行的電動機,廣泛應用于電風扇、電冰箱、洗衣機、空調器、電吹風、吸塵器、油煙機、洗碗機、電動縫紉機、食品加工機等家用電器及各種電動工具、小型機電設備中。 
交流電異步電動機分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為單相異步電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 

1.單相異步電動機

單相異步電動機由定子、轉子、軸承、機殼、端蓋等構成。 
定子由機座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成,槽內嵌裝兩套空間互隔900電角度的主繞組(也稱運行繞組)和輔繞組(也稱起動繞組成副繞組)。主繞組接交流電源,輔繞組串接離心開關S或起動電容、運行電容等之后,再接入電源。 
轉子為籠型鑄鋁轉子,它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中,并一起鑄出端環,使轉子導條短路成鼠籠型。 
單相異步電動機又分為單相電阻起動異步電動機,單相電容起動異步電動機、單相電容運轉異步電動機和單相雙值電容步電動機。 

2.三相異步電動機

三相異步電動機的結構與單相異步電動機相似,其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組(有單層鏈式、單層同心式和單層交叉式三種結構)。定子繞組成接入三相交流電源后,繞組電流產生的旋轉磁場,在轉子導體中產生感應電流,轉子在感應電流和氣隙旋轉磁場的相互作用下,又產生電磁轉柜(即異步轉柜),使電動機旋轉。 

3.罩極式電動機

罩極式電動機是單向交流電動機中最簡單的一種,通常采用籠型斜槽鑄鋁轉子。它根據定子外形結構的不同,又分為凸極式罩極電動機隱極式罩極電動機。 
凸極式罩極電動機的定子鐵心外形為方形、矩形或圓形的磁場框架,磁極凸出,每個磁極上均有1個或多個起輔助作用的短路銅環,即罩極繞組。凸極磁極上的集中繞組作為主繞組。 
隱極式罩極電動機的定子鐵心與普通單相電動機的鐵心相同,其定子繞組采用分布繞組,主繞組分布于定子槽內,罩極繞組不用短路銅環,而是用較粗的漆包線繞成分布繞組(串聯后自行短路)嵌裝在定子槽中(約為總槽數的1/3),起輔助組的作用。主繞組與罩極繞組在空間相距一定的角度。 
當罩極電動機的主繞組通電后,罩極繞組也會產生感應電流,使定子磁極被罩極繞組罩住部分的磁通與未罩部分向被罩部分的方向旋轉。 

4.單相串勵電動機

單相串勵電動機的定子由凸極鐵心和勵磁繞組組成,轉子由隱極鐵心、電樞繞組、換向器及轉軸等組成。勵磁繞組與電樞繞組之間通過電刷和換向器形成串聯回路。圖18-16是單向串勵電動機的結構。 
單相串勵電動機屬于交、直流兩用電動機,它既可以使用交流電源工作,也可以使用直流電源工作。 

.交流同步電動機
交流同步電動機是一種恒速驅動電動機,其轉子轉速與電源頻率保持恒定的比例關系,被廣泛應用于電子儀器儀表、現代辦公設備、紡織機械等。 

1.永磁同步電動機

永磁同步電動機屬于異步啟動永磁同步電動機,其磁場系統由一個或多個永磁體組成,通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉子的內部,按所需的極數裝鑲有永磁體的磁極。定子結構與異步電動機類似。 
當定子繞組接通電源后,電動機以異步電動機原理起動動轉,加速運轉至同步轉速時,由轉子永磁磁場和定子磁場產生的同步電磁轉矩(由轉子永磁磁場產生的電磁轉矩與定子磁場產生的磁阻轉矩合成)將轉子牽入同步,電動機進入同步運行。 
磁阻同步電動機 磁阻同步電動機也稱反應式同步電動機,是利用轉子交軸和直軸磁阻不等而產生磁阻轉矩的同步電動機,其定子與異步電動機的定子結構類似,只是轉子結構不同。 

2.磁阻同步電動機

同籠型異步電動機演變來的,為了使電動機能產生異步起動轉矩,轉子還設有籠型鑄鋁繞阻。轉子上開設有與定子極數相對應的反應槽(僅有凸極部分的作用,無勵磁繞組和永久磁鐵),用來產生磁阻同步轉矩。根據轉子上反應槽的結構的不同,可分為內反應式轉子、外反應式轉子和內外反應式轉子,其中,外反應式轉子反應槽開地轉子外圓,使其直軸與交軸方向氣隙不等。內反應式轉子的內部開有溝槽,使交軸方向磁通受阻,磁阻加大。內外反應式轉子結合以上兩種轉子的結構特點,直軸與交軸差別較大,使電動機的力能較大。磁阻同步電動機也分為單相電容運轉式、單相電容起動式、單相雙值電容式等多種類型。 

3.磁滯同步電動機

磁滯同步電動機是利用磁滯材料產生磁滯轉矩而工作的同步電動機。它分為內轉子式磁滯同步電動機、外轉子式磁滯同步電動機和單相罩極式磁滯同步電動機。 

內轉子式磁滯同步電動機的轉子結構為隱極式,外觀為光滑的圓柱體,轉子上無繞組,但鐵心外圓上有用磁滯材料制成的環狀有效層。 

定子繞組接通電源后,產生的旋轉磁場使磁滯轉子產生異步轉矩而起動旋轉,隨后自行牽入同步運轉狀態。在電動機異步運行時,定子旋轉磁場以轉差頻率反復地磁化轉子;在同步運行時,轉子上的磁滯材料被磁化而出現了永磁磁極,從而產生同步轉矩。  

軟啟動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器,將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時,晶閘管的輸出電壓逐漸增加,電動機逐漸加速,直到晶閘管全導通,電動機工作在額定電壓的機械特性上,實現平滑啟動,降低啟動電流,避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時,啟動過程結束,軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管,為電動機正常運轉提供額定電壓,以降低晶閘管的熱損耗,延長軟啟動器的使用壽命,提高其工作效率,又使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能,軟停車與軟啟動過程相反,電壓逐漸降低,轉數逐漸下降到零,避免自由停車引起的轉矩沖擊。

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