[电机] 电机的种类

0 序

0.1 电能 = 中介能源形态

  • 电是目前所有人类所能利用的能量形态的中介能量（中间能源）。可类比人类经济活动的中介物质（一般等价物）：货币。

0.2 电的能源供应核心装置：发电机 / ...

0.3 由电驱动的"电器世界"：【电动机】 / 传感器 / 半导体(电容/电阻/...) / ...

0.4 电动机 ：电能 => 机械能/动能

  • 本文主要讲解电动机的种类。对此建立一个总体认知。

  • 一般电机的基本构成：

  • 定子 （两侧的永磁体）
  • 转子（中间的电磁体，由多个电枢组成；会旋转；电枢越多，扭矩越大）
  • 电枢：转子内部有多个电枢绕组元；
  • 电刷（连接电流与电枢，提供持续转向的装置）

  • 电动机的种类：
  • 电动机的分类方式非常多，可以从电源类型（直流、交流）、工作原理（单相、三相）、运行方式（异步、同步）、转子结构（笼式、绕线式）等多维度划分。
  • 还有以绕线形状命名的，如扁线电机等。
  • 电动机广泛应用于航空航天、电动汽车、精密仪器、家电设备等。
  • 电动机在不同领域，由于应用场景的不同，亲睐的电动机类型也差异较大：
  • 在电动汽车领域，当前电动机最常用的电机主要有两种：交流异步电动机、永磁同步电动机。(它们都是三相交流电动机。)

1 电机的基本分类

1.1 按电流分类 : 直流电机 / 交流电机

1.1.1 直流电机

  • 直流电机 (Direct Current machine) : 用于实现直流电能和机械能相互转换的电机.
  • 直流电机是最常见的电机类型之一，它利用直流电源产生转矩，具有高转速和较小的体积。
  • 内部组件
  • 定子 （两侧的永磁体）
  • 转子（中间的电磁体，由多个电枢组成；会旋转；电枢越多，扭矩越大）
  • 电枢绕组/电枢/线圈绕组元：转子内部有多个电枢绕组元；
电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。
线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。
大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。
  • 换向器：连接电流与电枢，提供持续转向的装置

换向片和电刷共同构成换向器，从而改变电流方向

  • 电刷
  • 换向片

在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

  • 原理

电流沿着电源正极流上方电刷，电刷和换向片相互摩惊，电流经过上方的换向片，流进绕组线圈(下称线圈"，从线圈的下方流出，经过下方的换向片和电刷流回电源负极，形成闭合回路。因线圈在主磁极的境场中受到电力作用且线圈两端电流方向不同，所以两个线圈边受到大小相同方向相反的电力，两个电磁力刚好形成电深转矩，在电磁转拒的拉动下，线圈开始转动。直流电机,中线圈嵌放在转了槽中，电动机就开始转动。

上下换向片跟着转轴转动，电刷固定不动，转动半圈以后，下方的线圈到了上方，上方的线圈到了下方，但由于换向片的存在，现在处在上方线圈内的电流方向和原来处在上方的线圈变的电流的方向一样，因此受到的电磁力方向不变，下方同样如此。
所以，从空间上看，在相同位置的线圈边受到的电磁力方向是保持不变的，这保证了电机的循环转动。但由于线圈转到不同位置时磁场不同，线圈所受的电磁力也在时刻变化，所以单个线圈转动时受力不稳定，因此电机通过安装多个线圈来保证受力均匀和稳定。

【小结】

  • 一般直流电机都是由固定不动的定子、可以转动的转子两大部分组成，是由定子磁场、转子磁场相互作用而推动转子组成的。
  • 直流电动机的定子磁场是固定磁场，这个磁场可由永久磁铁产生，也可由缠绕在定子铁芯上的励磁绕组同上直流电后产生。（电动汽车领域，后者占绝大多数）
  • 直流电机的转子绕组接通直流电后产生一个转子磁场。定子磁场与转子磁场相互作用，根据同性相斥、异性相吸的原理，转子绕组的一侧会受到排斥，另一侧则收到吸引。这样转子就会在2个磁场力的相互作用下开始转动。
  • 但是，由于定子的电磁场的(大小/方向)是固定不变的，转子绕组只【转半圈】后就会【停止不动】。如果此时采用换向器，改变绕组中的电流方向，也就等同于改变了转子电磁场的方向，从而在同性相斥、异性相吸的电磁原理作用下，转子绕组又会继续转半圈。然后，转子绕组电流再改变方向，转子又会转半圈。就这样周而复始，转子绕组中的电流方向总在改变，那么转子就会不停地旋转起来。
  • 缺点：
  • 直流电机的换向器和电刷【使用寿命】有限，需要【定期维护】 => 运用场合收到一定限制 / 可靠性差

这一点在汽车上体现最为明显。故汽车领域，较少采用。

  • 细分。

直流电机还可进一步细分为永磁直流电机和电磁直流电机两种类型。

永磁直流电机具有较小的转子绕组，而电磁直流电机则没有。

  • 应用。

直流电机在各种场合下都有广泛的应用，例如在录音机、录像机、电动剃须刀、电吹风、小型吸尘器、车船用电风扇、电动按摩器、电动玩具等中都有使用。

直流电机的运行特性良好的特点，使得它成为很多电器和设备的首选动力源。

  • FAQ
  • Q1: 电动汽车的电池储存的是直流电，为什么要用交流电机驱动？
三相交流电在交流电机定子绕组中可以产生旋转磁场，这个磁场不仅相对直流电机更稳定，而且具有固定旋转方向，只需控制定子电流的【相位】和【频率】，就可以控制电机的扭矩的转速。

而直流电机需要额外增加电流换向器或电子功率控制器件，其换向器和电刷容易产生火花，还需要定期维护，运行成本高。

另外，只要使用AC/DC转换器，就可将交流电转换为直流电储存于电池中，或使用DC/AC转换器将电池的直流电转换为交流电，非常有利于电机再生制动能量回收。
因此，电动汽车一般都使用交流电机作为驱动电机。

  • Q2 : 有不用电刷的直流电动机吗?
有刷直流电动机由于电刷的换向，使得电枢绕组通电后产生一个不断变化磁极方向的旋转磁场，从而使电动机运转。

但电刷使电动机有很多弊端，尤其是不太安全。

因此，研究人员就利用【转子位置传感器】检测出转子的位置，通过与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，控制电枢绕组的电流方向不断改变，从而在主磁场的作用下拖动转子旋转。

随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变申枢绕组的通电方向，起到电刷与换向器的作用，从而使无刷直流电动机顺利地运转起来。

1.1.2 交流电机

  • 交流电机 (Alternating Current dynamo) : 是用于实现交流电能和机械能相互转换的电机。
  • 交流电机是利用交流电源产生的旋转磁场来产生转矩的电机，根据其结构和工作原理又可以分为异步电机和同步电机两种类型。
  • 交流电机结构简单，使用方便，适用于大功率、低速度的场合，因此得到了广泛应用。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

  • 由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。
  • 交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。
  • 交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的。

1.1.3 通用电机/(单相)串励电机：交、直流两用电动机

  • 交、直流两用的电动机。通常即指【通用电机】，别称：(单相)串励电机
  • 定义。通用电机是一种特殊类型的电机，设计为在直流或单相交流电源下运行。通用电机之所以如此命名，是因为它们既可以交流也可以直流运行。通用电机具有高启动扭矩和变速特性，这种电机在空载时以危险的高速度运行。

1.2 根据有无电刷 : 有刷电机 / 无刷电机

电刷的一般实现是：碳刷，故又称为：碳刷电机

  • 有刷电机：有电刷的电机（通常使用直流电）
  • 1、需要基于电刷接触电枢驱动电机。
  • 2、优点：结构简单，成本低
  • 3、缺点：摩擦大/噪音大/发热大/寿命短（几百小时-一千多小时）/损耗大/效率低(输出功率小)/维护成本高

通常动力设备使用的都是有刷电机。如：吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电机的转速也能达到很高，但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机。
通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。

  • 无刷电机(Brushless Motor)：无电刷的电机（通常使用直流电）
  • 1、不需要基于电刷接触电枢驱动电机。
  • 2、优点：无电刷/低干扰/噪音小/损耗低/节能/寿命长（几万小时）/维护成本低

通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上。如：航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。
无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。
通常地，无刷电机特指：无刷直流电机。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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像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，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（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。
位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

1.3 根据转子结构 : 异步电机 / 同步电机

  • 异步电机：没有同步的转子，内部的转子是永磁体或者由电流产生的磁场
  • 异步电动机是一种运行时具有异步特点的电动机。
  • 它没有同步的转子，而是通过感应方式来产生电流。
  • 异步电动机广泛应用于工业自动化、家电、汽车等领域。
  • 同步电机：通过外部的同步装置来实现转子的同步旋转

1.4 根据交流电的电源类型划分：单相电机 / 双相电机 / 三相电机

  • 单相电：单相电(Single-phase electric power)是一根相线（俗称：火线）和一根零线构成的电能输送形式。必要时，会有第三根线（地线）用来防止触电

换言之，是用两根导线（火线x1 + 零线x1）引入的交流电源（电压），导线上流过的则是单相电流。
定义2：单相电是指电压和电流的变化在相同时间内只有一个方向的电流。（等效于上述定义）

  • 单相电就是单根火线和单根零线;而两相电的电压在220V。
  • L表示火线（FireWire，Live wire），N表示零线(zero line，Null line / Neutral Line)，E是地线(Earth Line)
  • 中国民用电(家用电)即为单相电，单相电为220伏，两根导线分别称作火线（相线）和零线（中性线）

  • 双相电(两相电)
  • 双相电是指电压和电流的变化在相同时间内有两个方向的电流。

这意味着在同一时间内，单相电只有一个电流的波形，而双相电有两个电流的波形。

  • 单相电通常用于家庭、商业和小型工业应用中，而双相电主要用于大型电力系统和高负载工业应用中。
  • 三相电：是用三根导线引入的交流电源。
  • 三导线彼此之间的电压叫作线电压，三个单相线电压大小相等、但相位互相差120°。
  • 三根导线上的电流叫作线电流。
  • 三根导线都是火线，分别叫作A相线、B相线和C相线。
  • 如果再用上零线，那么火线和零线之间的电压叫作相电压，线电压是相电压的√3倍，常用的低压三相电线电压为380伏。
  • 三相电他其中任意两相之间的电压为380v，而任意一相和零线之间的电压为220v。
  • 三相电源主要供三相交流电动机及功率较大的用电设备使用。工业制造领域使用居多。
  • 大小、频率和相位是交流电的三要素。
  • 交流电是大小和方向随时间不断变化的，变化的快慢程度用频率表达，同一频率的两个交流电其最大值出现的时刻有先有后，则是这两个交流电的相位不同。
交流电的数学表达式 u = UMsin(ωt+φ0)
  式中UM是最大值
  t是自变量，时间（秒）
  ω为常数，叫 角频率
  φ0 叫 初相位
  ωt+φ0 合称 相位

三相交流电：
  uA=UMsinωt；
  uB=UMsin(ωt+120°)
  uC=UMsin(ωt+240°)

1.5 是否变频：非变频电机(普通电机) / 变频电机

  • 普通电机
  • 工作原理：基于电磁感应定律，通过磁场和电流的作用产生旋转力矩，驱动电机旋转。
  • 转速调节方式：普通电机通常是通过机械方式调节转速，例如通过减速器、变速箱等来实现转速的调节。
  • 节能效果：普通电机的效率一般在70%左右。
  • 调速性能：普通电机的调速性能较差，一般只能够在额定转速的上下一定范围内进行调节。
  • 维护保养：普通电机由于使用机械式调节装置，容易出现磨损和故障，需要定期进行维护和保养。
  • 应用范围：普通电机由于其简单的结构和原理，在许多场合都有广泛的应用。
  • 变频电机
  • 工作原理：采用变频器对电机供电，变频器可以改变电源的频率，从而改变电机的转速。

中国家用电的频率默认为 50Hz

  • 转速调节方式：变频电机通过改变电源的频率来调节转速，实现更加灵活和精确的转速控制。
  • 节能效果：变频电机采用更加优化的设计和技术，效率可以达到90%以上。在实际应用中，变频电机能够实现更加节能的运行效果，为企业节省大量的能源成本。
  • 调速性能：变频电机通过变频器的控制，可以实现宽范围、高精度的调速，并且调节速度更快，动态响应性能更好。
  • 维护保养：变频电机由于采用电子控制方式，机械结构相对简单，因此具有更长的使用寿命和更少的维护保养需求。
  • 应用范围：变频电机由于其高效、精确的转速控制等特点，在自动化生产线、数控机床、智能制造等领域的应用更加广泛。
  • 优点：
    1. 提高能效

变频电机可以通过调节电源频率，实现电机的负载匹配，每时每刻都保持最优的工作状态，从而提高能效。与传统的电源供给方式相比，变频电机可以降低电机耗能，使得机器的整体运行效率更高。

    1. 降低噪音

由于变频电机在运行过程中可以平稳、精确地控制电机的电源频率，使得电机运行时噪音更小。在市政工程、医疗设备和办公区域等室内场所，减少噪音的要求越来越高，采用变频电机可以有效降低噪音。

    1. 减少电力损耗

在电机正常工作的情况下，常规的电源供给方式会存在一些额外的电力损耗。而变频电机通过精准的控制，减少电路电阻和磁通损耗，从而降低电力损耗。这对于需要长时间运行的设备，如冰箱、空调等家电，能够有效节约能源。

  • 缺点：
    1. 成本较高

由于变频电机需要配置额外的变频器等设备，因此对于初期成本来说，相对于传统电机而言，变频电机价格较高。但是从长时间的运营来看，变频电机可以带来明显的节约，可以理解为一种长期投资。

    1. 对环境要求较高

由于变频电机通过调节电源频率来控制电机转速，如果使用的环境电压波动较大，就可能会对电机的输出能力产生影响，甚至损坏电机。因此，在选择和使用电机时，需要考虑定位和环境电压的合理性，以确保设备的正常运行。

2 常见电机类型

2.0 通用电机/串励电机

  • 通用电机是一种可以同时使用交流和直流电源的电机，广泛应用于家用电器、小型机械、仪器仪表等领域。

通用电机的转速和转矩稳定，可靠性高，成本相对较低。
不过需要注意的是，在选择通用电机时要根据使用的电源电压和频率以及负载特性来匹配电机型号。

2.1 无刷直流电机

  • 无刷直流电机是一种新型的电机，它使用电子控制器来控制转子的运动，无需使用电刷和电极。

  • 无刷直流电机结构简单，能够提供高效率和低噪音的运行，适用于电动工具、自行车等场景。

  • 无刷直流电机是一种使用交流电源供电，但是内部使用直流电机控制器来控制转速和方向的电机。

与传统的有刷直流电机相比，无刷直流电机使用寿命更长，转速范围更广，效率更高，并且没有刷子摩擦引起的电火花和磨损等问题。
无刷直流电机广泛应用于航空模型、机器人、电动工具等领域。

2.2 交流同步电机

  • 交流同步电动机是一种恒速驱动电动机，其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系。
  • 它广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。

2.3 步进电机

  • 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它具有高精度、高可靠性和低噪音等优点，常用于数控机床、印刷机、医疗设备等领域。
  • 步进电机通过控制脉冲的个数和频率来控制电机的角位移量，实现精确的定位和加工。

2.4 单相异步电动机

  • 单相异步电动机是一种常见的电动机类型，由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。
  • 它采用交流电源运行，转子为笼型铸铝转子，由铝铸入铁心的槽中，并和铁心一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。
  • 单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪声小、对无线电系统干扰小的优点，因此常用于小型动力机械和家用电器等设备上。

3 知识扩展

3.1 数学：三角函数 （电流变换的基础）

回忆一下：初中/高中的三角函数

  • 振幅 / 相位 / 周期 / ...

  • 三角函数中相位究竟是什么、代表什么、或几何意义是什么?

设图象对应的解析式为y=Asin(ωx+∮)
A，ω，∮为常数。这里的(ωx+∮)就是相位了
它们的关系就是，当X=0时的相位，也就是∮称为初相位

  • 三角函数中相位一说是借用物理概念

在电学f(t)=Asin(ωt+φ)，g(t)=Acos(ωt+φ)，表示一个单频率的电信号，A称为信号幅度，ω称为角频率(弧度/秒)，ω=2πf，f称为信号频率

周期 T = 1/频率 1/f = 2π/ω

即：角频率 ω = 2πf = 2π/T
即：频率 f = ω/2π = 1/T

X 参考与推荐文献

Y olio

posted @ 2024-03-09 08:56  千千寰宇  阅读(47)  评论(0)  编辑  收藏  举报