电机分类及简单原理性知识

电机的种类按工作电源分类。根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。按结构及工作原理分类。电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。按起动与运行方式分类。电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容运转式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。按用途分类。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具用电动机、家电用电动机及其它通用小型机械设备用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。按转子的结构分类。电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。按运转速度分类。电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。电机：以电磁场作为媒介将电能转化为机械能，实现旋转或直线运动（又叫电动机）；或将机械能转化为电能，给用电负荷供电（这种叫发电机）；因此电机是一种典型的机电能量转换装置。电动机的结构及其作用：一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑。电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时，因内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状。电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。转子绕组的作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩。转轴是支撑转子的重量，传递转矩，输出机械功率的主要部件。变压器：变压器是一种变换交流电能的静止电机，利用一，二次侧的匝数不同，通过电磁感应作用，把一种等级的电压或电流转换成同频率的另一种等级的电压或电流。伺服电机原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出业数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。伺服电机特点：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。一般分类如下：直流伺服电机（DC）（线圈在转子上）优点：接上直流电源就可运转。改变电压或电流即可成比例的控制转速和转矩。缺点：转子上有电刷和换向器，需维护。交流伺服电机（AC）优点：不需维护。缺点：电路复杂，成本高。交流伺服电机分为同步和异步。（1） 同步电机转子由永磁体构成，线圈在定子上。特点:电源频率一定时，其转速是恒定的，多用在长期连续工作且转速不变的场合。（2） 异步电机转子有绕组形成的电磁铁构成，转子和定子上都有线圈，定子绕组叫一次绕组，转子绕组叫二次绕组。（绕组即多组线圈缠绕的意思）异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。异步电机主要用于日常生活，用途很广，异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。步进电机步进电机原理：通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机也叫脉冲电机。可直接用数字信号控制，与计算机接口方便。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。步进电机缺点：能量利用率低，有失步（输入脉冲而电机未转动）和越步（也叫过冲即多走步数）错误。失步和越步多出现在启动和停止时。而且容易发生低频振动现象。步进电机的主要特性：1步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。3改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。步进电机只有周期性的误差而无累积误差！！！因此，目前打印机，绘图仪，机器人等等设备都以步进电机为动力核心。其他分类：按其功能可分为驱动电动机和控制电动机（概括为微特电机或叫伺服电机）；从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机；同步电机转速恒定不变，与负载大小无关，主要用于大型设备。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有不变的关系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。按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等；按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等。二、永磁同步电机永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石(Fe3O;)，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大。上世纪60年代开发出的稀土钻永磁和钕铁硼永磁(二者统称稀土永磁)使永磁电机的性能得到很大的提高，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。特别是价格相对较低的钕铁硼永磁出现后，永磁电机的应用范围迅速向工业和民用电机转移。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。以前由于受到永磁材料的温升与磁能积等方面的制约，大容量永磁电机的研究与产业化比较缓慢，特别是自起动永磁电机的性能无法达到同容量普通电机的水平。2000年以后，随着这几年永磁材料的磁性能大大提高，特别是SH、UH、EH级钕铁硼(NdFeB)的出现，为现在研究大容量自起动永磁电机打下了基础。永磁电机是国内外电机发展的重要方向。能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。据国际电工委员会(IEC)统计，工业用电动机消耗全世界发电量的30%—40%，改善整个驱动系统(电动机和调速传动)和应用技术(或工艺技术)的效率对节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30%〜60%。据国际能源机构(IEA)2006年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7%的电能，其中大致有1/4〜1/3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则来自系统的改进。目前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。为协调各国能效分级标准，2006年IEC制定一项新的能效标准IEC60034—30。该标准将一般用途电动机效率水平分为IEl(InternationalEfficiency，简称IE)、IE2、IE3和IE4四级，其中IEl为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动枫的效率水平；IE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2.75个百分点，损耗平均下降20%左右；IE3为超高效率，即效率再提高1.5--—2个百分点，损耗平均再降低15%左右，目前只有美国预计2010年达到IE3能耗水平，强制执行；IE4为超超高效率，损耗预计再下降20%左右，需要进行全新的电机设计，建也新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。由于IE4的技术目前尚不成熟，该标准仅在附录中给出供参考的指标。IEC规定的各级效率指标如表I〜表4所示。表150Hz时1E1级效率值MW极敝Pj/kW极数246246@•7572J72J70.02289.989.9明2LI757572.93。90.7W90.21.577.277,275.23?91.29L290EZ279.779.777,745qm9179L£381.58U7殖5592,192A91.9481183.18】.47592.792.79265J84.7K4.783.190939392,97.5S684.7no93.393.393J_1187.6$7,686,4U2935鳄,59351588.788.787.716093,893893.818.5S9.389.388.6泓9494表Z50Hz时IE2级效率值EWMW极敷2462460.75网981」75.92291.491.790.9LI8@882.778.1309X192.491.7IJ82.383.979J3792,592192.22.2B435381,84592.993.】92.73853863683.35593.393.593,1486487384.675-93E949375587.58S2869094J94.294738V5«9.187,211094.394.5943II89,690J88.7132哄闻794.61590,590.989.716094S94.994.81859194.4J90.4J^20095.195.195表350HzlE3级效率值表MWJVkW松数2462460.75mS480.62292.7<0.192.5_LI83,&«5,382.430_._93,393.1158586383.83793.79493.5228M8738544594皿393.9387.5眺4稣655帆394.5942_4.83469,287.77594,7959475.589,49088.7909595294.97S90.3雄89.711095.295.49521191291.7知8】3295.49W95#1591.992391.616095.695*958l«.592.492.792.13=20095.S9695.8

枣4SOlfa时IE4级效率值极数 _2_46L5| 8889-788」Z2融739029L390490J9L790,6559L792.6卜"17,592J939X211 9393-893.11593・494J18-5「93.894A94_2294J94.894.43094.59594.73794.895.395高效节能永磁电机与异步电机（感应电动机）相比，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，从而使它的效率比同容量感应电动机提高2〜8百分点，功率密度比同容量异步电动机提高15%左右。更重要的是，永磁同步电机在20%—120%额定负载范围内均可以保持较高的效率与功率因数，使轻载运行时节能效果显著，这是永磁同步电动机一个极为可贵的优点。图2—1显示了某一规格永磁同步电机与同容量异步电机在不同功率时的效率曲线和功率因数曲线。

100—]Pz/Pn1-永磁电机 2感应电机100—]Pz/Pn1-永磁电机 2感应电机0.5 L0Pz/Pn1-水磁电机 2-感应电机0.51.50.4根据上图可知当感应电动机运行在低于在50%额定负载后，感应电动机的效率及功率因数急剧下降，而永磁电动机效率仍高于94%，功率因数仍高于0.95三电动机的基础知识1、 功率P="3cosU2、 极数与转速由同步电动机转速公式，可知：式中Pn—电动机极对数；3、 扭距与功率f一定子电源频率（Hz）电机的“扭矩”，单位是N・m（牛米）计算公式是T=9549*P/n。P是电机的额定（输出）功率单位是千瓦（KW）分母是额定转速n单位是转每分（r/min）P和n可从电机铭牌中直接查到。因为Pn都是电机的额定值，故T就是电机的额定转矩了4、 电机效率电动机内部功率损耗的大小是用效率来衡量的，输出功率与输入功率的比值叫做电动机的效率，其代表符号为n,常用百分比表示。由于电动机的效率不同，所以无表格可查，但可以按下式计算：q=P2/P1x100%式中n——电动机的效率P2——电动机的输出功率P1——电动机的输入功率电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角中的余弦cos中来表示。cos中称为功率因数，功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。cos中 功率因数；P——有功功率，kW；Q——无功功率,kVar；S——视在功率,kV。A；U——用电设备的额定电压,V；I——用电设备的运行电流,A。可知，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如发电机、变压器等）的潜力。因为用电器总是在一定电压U和一定有功功率P的条件下工作。5、功率因数功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时输电线路上输电电流增