电动机基础知识介绍

电动机基础知识介绍空间磁场电磁感应直流电机基础交流电机基础微特电机同步电机中的永磁体结构新型永磁电机主要内容靠电流产生稀土永磁产生效率低功率因数低可靠性低高效、高功率因数结构简单、运行可靠体积小、重量轻形状和尺寸灵活多样电机磁场反应快，动态性能好稀土永磁电机与电力电子技术、现代控制技术等先进技术相结合

可以部分替代传统的电励磁电机可以实现电励磁电机所难以达到的高性能稀土永磁电机的发展方向大功率化

高功能化

微型化

小型

大型功率体积重量几mW直径0.8mm、长1.2mm几十MW直径12m一百多吨转速几小时1转每分钟几十万转永磁同步变频调速电机应用电动汽车伴随汽车工业的急速发展，环保问题也越来越严重，为了解决上述问题，并且大幅改善燃油经济型，毫无疑问就是使用电动汽车。永磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。永磁同步变频调速电机应用磁悬浮列车、直线电机、线型电机利用磁极间的排斥力，实现列车停空悬浮运动轨道交通领域2007年，阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速AGV列车—V150，创下列车速度世界新纪录574.8km/h。永磁同步变频调速电机应用电梯领域永磁同步电机产生较小的谐波噪声，应用于电梯系统中，可以带来更佳的舒适感；永磁同步变频调速电机应用医疗机械领域传统高速旋转的整流子电机不仅故障率高，且寿命短、噪声大、无法做消毒处理。用电子换向无刷直流永磁电机可以极大的提高工作可靠性，降低噪声，延长寿命，是开发新一代医疗器械的关键。永磁同步变频调速电机应用家电行业领域由于永磁电机在低运转时效率极高，可以有效的降低频繁启动的损耗，是实现家电节能的较佳技术途径之一。永磁同步变频调速电机应用船舶电力推进领域推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。永磁同步变频调速电机应用挤出机领域螺杆驱动电机是挤出机动力系统的重要组成部分、永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、可靠性高、可维护性好等优点，是挤出机驱动电机的理想选择。永磁同步变频调速电机应用条形磁铁的磁感线磁感线分布规律：在磁体外部，从磁体Ｎ极出来，回到S极；两极密，中间疏。蹄形磁铁的磁感线磁感线分布规律：在磁体的外部，从磁体N极出来，回到S极；两极密，其它部位疏。SN画出异名磁极之间的磁感线：N根据磁感线，标出磁体的N、S极及小磁针的N、S极。NNS空间磁场磁感线分布规律：在磁体外部，从磁体Ｎ极出来，回到S极。地磁场分布空间磁场1.单块磁铁的磁力线分布

2.附近有铁磁性物体时单块磁铁的磁力线分布3.两块磁铁不同极性面对的磁力线分布

4.两块磁铁相同极性面对的磁力线分布

5.两块磁铁不同极性并列时磁力线分布

6.两块磁铁相同极性并列时磁力线分布

8.附加铁壳的吸附磁铁的磁力线分布

7.附加铁壳的两块磁铁不同极性面对的磁力线分布旋转定转子间磁场分布图非均匀磁场的空间有序分布→←NSNS←→排斥NSNS←→→←排斥NSNS吸引→←NSNS→←吸引同极异极当两块磁铁相互靠近时，同极相互排斥，异极相互吸引。磁悬浮陀螺同极相互排斥门吸异极相互吸引门吸磁铁能指示南北的性质指南针电动机为何能持续运动？1820年奥斯特电流的磁效应电的本质——电荷磁的本质——磁荷？磁的本质——运动电荷（电流）运动电荷传导电流：电荷的定向运动分子电流：分子、原子中的电子、质子运动基本磁现象磁场与磁感应强度无矩分子——分子内电子磁矩之和为零对外不显磁性

有矩分子——分子内电子磁矩之和不为零

固有磁矩对大块介质，固有磁矩排列无序，对外不显磁性无外场时，磁介质对外无磁性磁介质的磁化机理加外场时

有矩分子：磁矩在磁场中受磁力矩的作用尽力朝外磁场方向排列对外产生磁效应顺磁质无矩分子：在磁场中由于电子的运动产生感生磁矩，其方向与外磁场方向相反抗磁质

静止电荷静止电荷静止电荷之间——电力运动电荷之间——电力+磁力

运动电荷运动电荷说明1、磁场对运动电荷(或电流)有力的作用2、磁场有能量、有质量…磁场

电场

磁场传递磁相互作用电场强度磁感应强度磁通量：穿过一个闭合电路的磁通量的大小表示穿过一个闭合电路磁感线条数的多少1、当闭合电路的面积相同时，磁感线比较密集，磁感应强度B越大，穿过这个闭合电路的磁通量越大2、当磁感应强度B一样时，闭合电路的面积越大，穿过这个闭合电路的磁通量越大结论：穿过S1的磁通量比S2的大哪一个磁通量大呢？结论：只要穿过闭合电路的磁通量变化，闭合电路中就有感应电流产生。

闭合回路中一部分导体做切割磁感线运动时，产生的感应电流的方向可用右手定则确定。

1.右手定则伸开右手，使拇指与其余四指垂直，且都与手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导线运动方向，则四指所指的方向就是导线中感应电流的方向。感应电流的方向洛伦兹力（1）含义：运动电荷在磁场中受到的力（2）大小：①

:安培力是洛伦兹力的宏观表现提问：导线垂直于B时，电流——安培力I电流方向I电流方向电机动力类控制电机变压器直流电机交流电机电动机发电机异步电机同步电机电动机发电机电动机发电机电机分类步进电机伺服电机测速发电机直流电机交流电机同步电机有刷动机无刷电机电机分类定子转子小功率电动机、小型发电机（汽车）电动车、航模、医疗器械异步电机无永磁部件水泵、冰箱、空调、风扇、大功率动力转子电梯、铁道机车、机器人、电动汽车、永磁部件应用场合直流电机二、电磁感应现象——感应电流产生的条件

1.利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，所产生的电动势称为感应电动势，所产生的电流称为感应电流.2.产生感应电流的条件：①闭合电路；②穿过闭合电路的磁通量发生变化；闭合电路的一部分做切割磁感线的运动穿过闭合电路的磁通量发生变化1.2.8电磁感应定律eBvev1.2.7载流导体在磁场中的安培力电磁定律Bfi左手定则：载流导体在磁场中受到的电磁力。直流电机的基本结构直流电动机

图1.5小型直流电机的结构剖面图

1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；

5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心一、定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

图1.6直流电机的主磁极

1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢二、转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

图1.7直流电机的电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

直流电机原理直流电机原理图1.1.1直流电动机物理模型

图1.1.2直流发电机物理模型3.1.2基本工作原理1、直流发电机的工作原理电刷换向片直流电机原理直流发电机原理结构简单,可靠性高能量转换效率高,电能消耗少低速性能好,调整率小环境适应性强功率密度高延长蓄电池使用寿命稀土永磁电机优点与电磁式直流电动机相比，稀土永磁直流电动机优点：无励磁绕组结构简单节省了用铜降低了损耗提高了效率和可靠性，与普通永磁式直流电动机相比，减少了磁钢用量，其磁钢均为薄片式体积、重量进一步缩小力能指标进一步提高稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机永磁直流电机磁极示意图稀土永磁直流电动机永磁直流电动机的磁路一般由电枢铁心(包括电枢齿、电枢扼)、气隙、永磁体、机壳等构成。永磁体作为磁源，它的性能、结构形式和尺寸对电机的技术性能、经济指标和体积尺寸等有重要影响。目前电机中使用的永磁材料的性能差异很大，因而在电机中使用时与其性能相适应的、适宜的结构形式也大不相同。稀土永磁直流电动机由于铁氧体水磁在性能上具有Br小、Hc相对高的特点，因此结构上一般做成扁而粗的形状，即增加磁极面积，相对缩短磁化方向长度。铝镍钴永磁具有Br高、Hc低的特点，在结构上一般做成磁极面积小、磁化方向长度大的细长形状，以弥补其Hc低的缺点。稀土永磁的特点是剩磁感应强度Br、磁感应矫顽力Hc及最大磁能积(BH)max都很高，在磁极结构上可做成磁极面积和磁化长度均很小的结构形状。永磁直流电动机磁极结构种类很多，其中常用的有瓦片形、圆筒形、弧形和矩形结构。稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机瓦片形磁极瓦片形磁极结构大多在高矫顽力的稀土永磁和铁氧体水磁直流电动机中采用。当采用各向异性的铁氧体永磁或稀土永磁时，对瓦片形磁极可以沿辐射方向定向和充磁，称为径向充磁；也可沿与滋极中心线平行的方向定向相充磁，称为平行充磁。采取径向充磁对提高水磁体的磁性能有利。稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机圆筒型磁极缺点圆筒形磁极的材料利用率差，极间的一部分水磁材料不起什么作用；而且圆筒形永磁体较难制成各向异性，磁性能较差。优点一个圆筒形整体，结构简单，容易获得较精确的结构尺寸，加工和装配方便有利于大量生产对于价格低廉的铁氧体水磁，有时总成本反而降低。因而对于尺寸小的电动机和精度要求较高的电动机更多地使用圆筒形水磁磁极。稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机弧形磁极结构印端面式磁路结构可以增加磁化方向长度一般应用在铝镍钻永磁直流电动机中。改进的圆筒形结构在磁极中心外因处有两个凹槽，以利于充磁，在与Ns极垂直的轴线内圆处也开凹槽以减少交轴电枢反应相改善换向形状复杂，加工较难。端面式结构的磁路较长．漏磁系数较大(可达1.5~1.6)，仅在40w以下微型电机。稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机瓦片形和弧形水磁体的形状复杂，加工费时，有时其加工费用甚至高于水磁材料本身的成本。因此，目前的趋势之一是尽可能使用矩形或近似矩形结构。为了减少配合面之间的附加间隙，对配合面的加工精度要求较高。切向式结构起聚磁作用，可以提高气隙磁密，使之接近甚至大于水磁材料的剩磁密度。稀土永磁直流电动机稀土永磁直流电动机理想化永磁直流电动机模型，电枢铁心表面元齿槽，导体在电沤铁心表面均匀连续分布，电枢绕组为整距，电刷位于几何中性线上。由于电枢绕组各支路中的电流是由电刷引入或引出的，电刷是电枢表面电流分布的分界线，因此电枢磁动势的轴线正好位于交轴(与磁极中心线正交的轴线，又叫q铀)方向，为交纳电枢磁动势。稀土永磁直流电动机稀土永磁无刷直流电机稀土永磁无刷直流电机永磁无刷电动机结构外转子永磁无刷直流电动机稀土永磁无刷直流电机盘式转子无刷直流电动机稀土永磁无刷直流电机图9无刷直流电动机转子结构形式交流电机交流电机电枢绕组的电动势交流电机电枢绕组的电动势6.1交流电机电枢绕组的电动势6.1.1导体电动势6.2.1三相单层绕组Z＝24，p＝42、三相单层分布绕组1、三相单层集中整距绕组(1)计算槽距角三相异步电动机的结构定子铁心定子冲片定子线圈铁心和机座鼠笼转子鼠笼转子照片绕线转子照片异步电动机的工作原理e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致

结论：2.线圈比磁场转得慢概述作为电动机运行是同步电机又一种重要的运行方式。同步电机转速恒定、功率因数可调。在需要改变功率因数和不需要调速的场合，例如大型空气压缩机、粉碎机、离心泵等常常优先采用同步电动机。18-1

同步电动机工作原理

先从一台并联在无穷大电网上的同步发电机着手分析。同步电机的气隙中同时存在着对应于电网电压U

的合成磁势F和对应于励磁电势E0的转子磁势Ff,F的转速由电网频率决定，是固定不变的。

定子绕组的合成磁势与转子磁势之间的空间相位关系同步电机结构优点1、稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波铁、铜耗。

2、稀土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因数可达到或接近于1.0。

3、功率因数的提高，一方面节约了无功功率，另一方面也使定子电流下降，定子铜耗减少，效率提高。稀土永磁同步电动机的极弧系数一般均大于异步电动机的极弧系数，当电源电压和定子结构一定时，稀土永磁同步电动机的平均磁感应强度较异步机小，铁损耗小。

4、至于稀土永磁同步电动机的杂散损耗，一般认为由于其永磁体磁场的非正弦性而增加了杂散损耗，但另一方面稀土永磁电动机较大的气隙，降低了杂散损耗。

5、稀土永磁同步电动机的不变损耗（铁耗+机械损耗）小，稀土永磁同步电动机的额定效率比异步电动机高4%-7%，但在整个负载变化范围内的平均效率，稀土永磁同步电动机比三相异步电动机可高出12%。

6、采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达85%；有功功率节电率可达23%-25%，节电效果十分明显。稀土永磁同步电机与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有以下优点：

1、稀土永磁同步电动机无需电流励磁,不设电刷和肩环,因此结构简单、使用方便、可靠性高。

2、由于上述结构的特点，使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近。

3、稀土永磁同步电动机转子结构多样、结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。

4、稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。稀土永磁同步电机稀土永磁同步电机积和重量。图2为不同励磁形式同步电动机转子的一个极矩的横截面：

（a）电磁式

（b）稀土永磁径向磁化

（c）稀土永磁切向磁化图1高效永磁同步电动机结构示意图

1-转轴2-轴承3-端盖4-定子绕组5-机座

6-定子铁心7-转子铁心8-永磁体9-起动笼

10-风扇11-风罩转子直流励磁原动机拖动转子磁场以速度n0旋转定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过定子电流产生旋转磁场，速度为n0转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡同步电机稀土永磁同步电机

这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转于铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在水磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。有的调速水磁同步电动机的永磁磁极用许多矩形小条拼装成瓦片形，能降低电动机的制造成本。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。稀土永磁同步电机

微特电机通常指的是结构、性能、用途或原理等与常规电机不同，且体积和输出功率较小的微型电机和特种精带电机一般其外样不大于13mm，输出功率从数百毫瓦到数百瓦。现在有的特种lt机的功率已做到10kw，甚至更大。微特电机

航空航天：卫星天线的展开和偏转，飞行器的姿态控制。现代军事装备：火炮自动瞄准、飞机军舰自动导航。潜艇导航仪表90台自动火炮60台导弹60台现代工业：机器人、机床信息与电子产业：计算机存储器、打印机手机振动：空心杯式直流电机，外径4mm，质量1.2~5.4g现代交通运输：汽车：普通汽车15台；高级轿车40~50台；豪华轿车70~80台现代农业：水位显示、水坝闸站、鱼群探测日常生活：医疗设备、录音录像、空调。微特电机应用汽车中的微特电机微特电机分类微特电机分类无刷化微型化机电一体化永磁化：智能化研制新原理、新结构电机微特电机发展趋势一、

概述：

伺服电机分类直流伺服电机（DCMotor）交流伺服电机（ACMotor）控制电机伺服电机是进给伺服系统中一个重要的组成环节，其性能决定了进给伺服系统的性能。伺服电机及其调速通电线圈产生的磁场与永久磁铁产生的磁场之间的相互作用产生了伺服电机的转矩。定子：磁场—永磁体转子：电枢绕组换向：换向器与碳刷直流伺服电机为了得到连续的旋转方向,必须随着转子的转动角度不断改变电流方向,因此,必须有换向器与碳刷。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机，也称为大惯量宽调速直流伺服电机。特点：调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便优点：起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高。特点（Features）:缺点：由于电刷和换向器的存在，其寿命、噪声等方面存在不足。开发研制了无刷直流电机（brushless）一、结构和分类按结构，直流伺服电动机(DCServoMotor)可分为传统型和低惯量型两大类。(一)传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机的结构形式与普通直流电动机相同，只是它的容量和体积要小得它由定子和转子两部分组成。按励磁方式它又可以分为电磁式和永磁式两种。电磁式直流伺服电动机的定子铁心通常由硅钢片冲制叠压而成，励磁绕组直接统制在磁极铁心上。永磁式直流伺服电动机的定子上安装由永久磁钢制成的磁极。直流伺服电动机(二)

低惯量直流伺服电动机1、空心杯形转子交流伺服电动机直流伺服电动机外定子可以由永久磁钢制成，也可以是通常的电磁式结构。内定子由软磁材料制成，以减小磁路的磁阻，仅作为主磁路的一部分。空心杯形转子上的电枢绕组，可以采用印制绕组，也可先绕成单个成型绕组，然后将它们沿圆周的轴向排列成丰心杯形，再用环氧树脂固化。电枢绕组的端侧与换向器相连，由电刷引出。空心杯转子直接固定在转轴上，在内、外定子的气隙中旋转。(二)

低惯量直流伺服电动机2．盘式电枢直流伺服电动机直流伺服电动机(二)

低惯量直流伺服电动机3.无槽电枢直流伺服电动机直流伺服电动机

直流力矩电动机就是为了满足低转速、大转矩负载要求而设计制造的电动机。它可以低速运行甚至长期堵转时产十足够大的转矩，不需要齿轮减速而直接带动负载。日前生产的直流力矩电机的输出转炬可达几千牛·米，而转速可低至10r/min左右。它具有动态响应快，转短波动小，机械特性和调节特性线性度好，能在低速下稳定运行等优点，特别适合于在位置伺服系统和低速伺服系统中作执行元件，也适用于在需要转炬调节、转矩反馈和一定张力的场合使用。直流力矩电动机结构特点直流力矩电动机结构特点直流力矩电动机的工作原理与普通自流伺服电动机相同，只是结构和外形尺寸比例有所不同。为减小转动惯量，一般的直流伺服电动机做成细长圆柱形。而直流力矩电动机，为了能在相同的体积和电枢电压下产生比较大的转矩和低的转速，一般做成扁平式结构，电枢长度与直径之比一般为0.2左右，结构上采用永磁式结构，并选取较多的极对数。为了减小转矩和转速的被动，选用较多的槽数、换向片数和串联导体数。直流力矩电动机交流伺服电机－－无刷电机改变电机的结构–—磁极作转子，线圈作定子；线圈中的电流方向可以使用电子方式换向在换向过程中，需要测量磁场磁力线与线圈的夹角•霍尔传感器可以测量转子的磁场

感应式电动机（InductionMotor）同步式电动机（SynchronousMotor）---应用较多无刷电机（BrushlessMotor）三种类型永磁同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流三种交流伺服电机的结构结构特点交流异步伺服电动机的转子通常有三种结构型式：高电阻率导条的笼形转子、非磁性空心杯形转子和铁磁性空心转子。交流异步伺服电动机按转子结构的不同，同步伺服电动机又分为永滋式、磁阻式和滋滞式三种。交流同步伺服电动机一、永磁式同步电动机1结构型式二、磁阻式同步电动机第五节交流同步伺服电动机三、磁滞式同步电动机交流同步伺服电动机这种外转子结构的磁滞电动机常用在陀螺、电唱机等装置中。三、磁滞式同步电动机交流同步伺服电动机第五节伺服电动机应用测速发电机

测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。(1)输出电压与转速保持良好的线性关系；(2)剩余电压(转速为零时的输出电压)要小；(3)输出电压的极性和祁位能反映被测对象的转向；(4)温度变化对输出特性的影响小；(5)输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大；(6)摩擦转矩和惯性要小：此外，还要求它体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通信的干扰小、噪声小等。性能要求直流测速发电机

直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–••••

1转子定子励磁绕组输出绕组

异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组+–励磁绕组+–交流测速发电机

交流测速发电机又分为同步式和异步式两种。转子直流励磁原动机拖动转子磁场以速度n0旋转定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过定子电流产生旋转磁场，速度为n0转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡同步电机永磁式离灵敏度直流调速发电机的结构特点是直径大、袖向尺寸小、电枢元件数多，因而输出电压斜率大、低速精度高，其灵敏度比普通测速发电机高出一千多倍。它的换向器是用塑料或绝缘材料制志薄板基板，在其上面印刷很多换向片。换向器是固定在轴的端面上，故称之印制电路端面换向器。串联的元件数多，纹波电压较低。转速可很低，最低转速可低于每天一转，输出电压约为几毫伏。特别适合于作为低速伺服系统中的检测。永磁式高灵敏度直流测速发电机(一)霍尔无刷直流测速发电机1．霍尔元件在一块半导体薄片的相对两侧通入控制电流I，在薄片的垂直方向加以磁场B，则在半导体薄片的另外两侧会产生一个电动势，这一现象叫做霍尔效应，所产生的电动势叫霍尔电动势。该半导体薄片称为霍尔元件。永磁式高灵敏度直流测速发电机霍尔电动势可能是直流的，也可能是交流的。当磁场和控制电流都是直流时，霍尔电动势为直流电动势；若磁场和控制电流其中之一是交流的，霍尔电动势为交流电动势。霍尔无刷直流测速发电机的工作原理永磁式高灵敏度直流测速发电机电子转向式无刷直流测速发电机永磁式高灵敏度直流测速发电机

（一）步进电机结构和工作原理二、步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。结构：主要由定子、转子和励磁绕组三部分组成。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。定子和转子均由带齿的硅钢片叠成。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。

永磁式（PM）反应式（VR）

混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。（二）步进电机的类型反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

三相四相五相六相等励磁相数转子结构应用最广泛

不需反馈控制，电路简单

易于微机联接没有积累误差停止时有自锁能力维修方便价廉（三）特点(Features)：

效率低

容易失步（脱调）低频时易发生震荡优点缺点3、步进电机的应用步进电动机是用脉冲信号控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、反转，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。TSKJ

下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子ABCIAIBIC转子1、工作原理下图为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。TSKJ步进电机的三相单、双六拍运行方式TSKJ反应式步进电动机的结构步进工作原理

反应式步进电动机的结构步进工作原理

按定转子铁心的段数分为单段式和多段式两种反应式步进电动机的结构

单段步进电动机单段式是指定转子为一段铁心。由于各相绕组沿圆周方向均匀排列，所以又称为径向分相式。它是步进电动机中使用最多的一种结构形式。按定转子铁心的段数分为单段式和多段式两种反应式步进电动机的结构2．多段式多段式是指定转子铁心沿电机抽向按相数分成m段：由于各相绕组沿着轴向分布，所以又称为轴向分相式。按其磁路的结构特点有两种，一种是主磁路仍为径向，另一种是主磁路包含有轴向部分。反应式步进电动机的结构2．多段式

定于为凸极式，装有两相(或多相)绕组。转子为凸极式星形磁钢，其校对数与定于每相绕组的极对数相同。图中定于为两相集中绕组(A、B)，每相为两对极，所以转子也是两对极，即P＝2。永磁式步进电动机永磁式步进电动机的特点是：步距角大，起动和运行频率较低；但它所需的控制功率较小，效率高，且在断电情况下具有定位转矩。主要用于新型自动化仪表。混合式步进电动机也称为感应子式步进电功机，这是一种十分流行的步进电动机。既有反应式步进电动机小步距角的特点，义有永磁式步进电动机的高效率、绕组电感比较小的特点。常常也作为低速同步电动机运行。混合式步进电动机混合式步进电动机

垃转变压器或称问转变压器，是一种将转子转角变换成与之呈某一函数关系电信号的元件，是自动控制系统中一类精密控制微电机，它既可以单机远行，也可以像自整角机那样成对或多机组合使用。当变压器的一次侧外施单相交流励磁电压时，其二次侧的输出电压与转子转角呈严格的园数关系。旋转变压器

在自动控制系统中，旋转变压器可以作为解算元件，主要用于坐标变换、三角运算等，也可作为传感元件，用于随动系统中远距离测量、传输或再现一个角度。此外，还可以用作移相器和角度一数字转换装置永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机励磁绕组和电枢绕组串联而得名。这种电动机具有以下一些(1)使用方便。改变输入电压大小，可以调节其转速，且调速十分方便。(2)转速高、体积小、质量轻。(3)起动转矩大、过载能力强。单相串励电动机的起动转矩很大，可高达额定转矩的4—6倍，而其它单相交流电机大多在1倍以下以既适用于电动工具，不易被卡住、制动，有大的过载能力，也适宜于作带重负载起动用的伺服电动机。单相交流串励电动机

双凸极电机主要是指开关磁阻(SR)电机和双凸极永磁(DSPM)电机，由于它们在机械结构上十分相似，定子和转子均呈凸极形式，故将它们统称为双凸极电机。因为电机每相磁路的磁阻随转子位置而变，所以在一·些文献小也称之为可变磁阻电机。SR电机与DSPM电机虽同为双凸板结构，但前者属于磁阻电机，后者则应归居于永磁电机。双凸极电机

双凸极电机主要是指开关磁阻(SR)电机和双凸极永磁(DSPM)电机，由于它们在机械结构上十分相似，定子和转子均呈凸极形式，故将它们统称为双凸极电机。因为电机每相磁路的磁阻随转子位置而变，所以在一·些文献小也称之为可变磁阻电机。SR电机与DSPM电机虽同为双凸板结构，但前者属于磁阻电机，后者则应归居于永磁电机。双凸极电机双凸极电机开关磁阻(SR)电机双凸极电机开关磁阻(SR)电机开关磁阻(SR)电机在小功率家用电器(如吊扇)、轻工设备等应用中，电路简单、成本低的单相SR电机往往更有吸引力。图9—10所示为一外转子单相SR电机，环形绕组设子内定子的6个磁极槽内，通电后将形成径向一铀向组合磁路。当转子极接近定子极时接通电源，转子受力旋转，在定、转子极重合之前断开电源，转子靠惯性继续运动，待转子极接近下一个定子极时再接通定子绕组，如此重复，电机可连续转动。为了解决自起动问题，可采取适当措施，如附加永磁体,使电机断电时转子能停在适当的位置，以保证下次通电起动时存在一定的转矩。双凸极永磁(DSPM)电机基本结构与阳电机相向，即定转子均为凸极结构；定子齿上装有集中式绕组，径向相对齿上的绕组申联构成一相；转子上既没有绕组，也没有永磁体，适合高速运行。与SR电机的不同之处在于，DSMP电机在定子铁心中放置了二块(或多块)高性能永久磁铁。为获得足够高的气隙磁通密度，一方面可选用磁能积大、去磁曲线线性度好的永磁材料；另一方面可适当增大水磁体的面积，故常特定子铁心制成橄榄形或方形，这样虽然电机的实际体积和质量有所增加，但是，只要外凸部分不超出由定子圆周所界定的正方形(图9—21中虚线所示)，就不增加铁心材料的消耗和成本，而是利用了本该成为边角料的部分。如果定子槽空间在放置了电枢绕组后仍有富裕，也可将定子铁心设计成“内凸”结构．以保持定子铁心为圆形，如图9—22所示双凸极永磁(DSPM)电机双凸极永磁(DSPM)电机双凸极永磁(DSPM)电机双凸极永磁(DSPM)电机开关磁阻(SR)电机双凸极永磁(DSPM)电机直线电动机出于不需要仟何中间转换机构就能产生直线运功，驱动直线运动的生广机械，所以使整个装置或系统结构简单、运行可靠、精度高、效率高等，因此是近年来国内外积极研究开发的电动机之一。日前直线电动机的府用非常广泛，例如在交通运输方面的磁悬浮列车、磁浮船、公路高速车等；在物流输送力而的各种流水生产线；在工业上的冲压机、车床进刀机构等；在信息与自动化方向的绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等；在自动控制系统中的驱动、指示和信号元件，如快速记录仪等。此外，在民用和军事方面也有许多应用，如民用自动门、电动缝纫机、制茶机、以及军用导弹、电磁炮、鱼雷等装置。直线电机直线电机直线电机永磁直线电机永磁直线电机电机中的磁极结构图4-2永磁电机横截面示意图1－定子2－永磁体3－转轴4－转子铁心

定子铁心转子铁心图4-3非常规分布的永磁同步电动机绕组矩形波采用集中整距绕组正弦波采用分布短距绕组采用一些非常规绕组减少杂耗采用星形接法2、转子磁极结构

永磁体在转子位置的不同

表面式内置式爪极式

凸出式插入式

径向式切向式混合式

（1）表面式转子磁极结构

（a）凸出式

（b)插入式图4-4表面式转子磁极结构1—永磁体2—转子铁心3—转轴

特点：工艺简单、成本低

无异步起动能力A）表面凸出式转子结构

特点：结构简单、制造成本较低、转动惯量小

永磁磁极易于实现最优设计

B）表面插入式转子结构

特点：动态性能较凸出式有所改善

漏磁因数和制造成本都较凸出式大。

（2）内置式转子磁极结构

A）径向式结构特点：漏磁因数小

极弧因数易于控制转子冲片机械强度高安装永磁体后转子不易变形

次之图3-5内置径向式转子磁极结构1—转轴2—空气隔磁槽3—永磁体4—转子导条

磁性转轴磁力线非磁性转轴磁力线模型模型空载场磁力线（B）切向式结构

特点：漏磁因数较大，需采用相应的隔磁措施

制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加每极磁通由相邻两个磁极并联提供磁阻转矩在电动机总电磁转矩的比例可达40％最大图3-6内置切向式转子磁极结构1—转轴2—空气隔磁槽3—永磁体4—转子导条

（C）混合式结构

特点：结构和制造工艺较为复杂，制造成本也比较高

集中了径向式和切向式转子结构的优点

图3-7内置式混合式转子磁极结构1－转轴2—空气隔磁槽3—永磁体4—转子导条

（C）爪极式转子磁极结构特点：不具备异步起动能力结构和工艺较为简单。图3-8爪极式转子磁极结构1—左法兰盘2—圆环形永磁体3—右法兰盘4—非磁性转轴

3、隔磁措施图3-9几种典型的隔磁措施1—永磁体2—永磁体槽3—转子铁心4—转轴5—转子导条

1）隔磁磁桥宽度b

和隔磁磁桥长度w

的选取1

新型结构永磁电机

1.1盘式永磁电机

盘式永磁电机结构a)单边b)外转子c)内转子d)多盘180kW盘式永磁电机其转矩密度达8.5kN/m2，为传统电机的2倍左右。

1.1盘式永磁电机

1.2横向磁通永磁电机

传统电机的齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽互相制约。改成横向磁通电机后可以使转矩密度相当于传统结构电机的2～5倍，特别适用于车、船等直接驱动场合。传统径向磁通电机的磁路1.2横向磁通永磁电机

横向磁通永磁电机结构复杂,内部磁场呈复杂的三维分布,在转子和定子铁心的齿部,磁通沿径向流通,而定子铁心轭部的磁通沿轴向流通,流通方向相互垂直。横向磁通电机的磁路需要用三维电磁场分析计算来弄清其电磁场分布规律和优化设计规律，进而提高其性能。横向磁通电机的一种典型结构图1.2横向磁通永磁电机

定子结构1.2横向磁通永磁电机

转子结构1.2横向磁通永磁电机

1.2横向磁通永磁电机

电机磁密分布端部漏磁很大。定子齿外端的磁密较低，越往里齿磁密越高，在轭部与齿部的交接面最高。1.2横向磁通永磁电机

15kW横向磁通永磁电机照片功率因数为0.8，转矩密度为传统电机的2.5倍左右。传统电机的磁场是由电流产生的，为了减少磁路的磁阻，都选用高磁导率的硅钢片叠压制成定、转子铁心，导致体积大、重量大(铁心重占总重的60%左右)、损耗大(铁心损耗占总损耗的20%~30%)、振动噪声大(铁心有齿有槽是产生电磁噪声的根源)，难以满足高性能调速系统的要求。1.3无铁心永磁电机

利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）的优异特性而不用或少用硅钢片，制成无铁心永磁电机，则电机的重量可以大幅度下降、效率提高、振动噪声显著降低，同时具有更低的转动惯量、更快的响应速度、更宽的调速范围、更长的使用寿命。1.3无铁心永磁电机

无铁心电机的三维磁场是开域的，分析计算的关键技术之一是如何确定三维开域场的边界条件和对计算结果的有效处理。无铁心永磁电机气隙表面磁密的矢量分布

无铁心电机磁密矢量分布图从图中可以看出,沿圆周方向,磁场呈周期性分布,在电机的端部有一个很大的轴向分量磁密。1.3无铁心永磁电机

已制成的2.2kW8极无铁心永磁电机的实物照片，其效率90％，功率密度比传统电机提高1倍以上，噪声57dB。

电机定子、转子实物照片

1.3无铁心永磁电机

无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机的对比分析电机型号Y2-132S-8TYB2200-750比较结果中心高132112额定功率/W22002200效率/％78.089.8提高11.8％功率因数0.710.95提高0.24功率密度/W·kg－133.8568.75提高103％噪声/dB(A)7157降低14dB（A）1.3无铁心永磁电机

该类电机在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等要求较高的控制场合具有广阔的应用前景。2永磁发电机

永磁发电机

直驱低速永磁风力发电机

半直驱式永磁风力发电机混合励磁发电机

2.1直驱低速永磁风力发电机

当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组的应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大提高了可靠性和效率，提高了单位kW的发电量。国内已成功开发出1~3MW的直驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。单支撑结构的直驱式永磁风力发电机结构图

2.1直驱低速永磁风力发电机

计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加相应载荷及约束进行强度分析，可得到不同构件的位移场分布矢量图及重力方向位移云图。2.1直驱低速永磁风力发电机

转子支架位移场分布矢量图及重力方向位移云图锥形支撑位移场分布矢量图及重力方向位移云图2.2半直驱式永磁风力发电机

由于在同样功率时，电机的重量与其转速成反比，MW级的直驱永磁风力发电机重几十吨，甚至一百多吨，运输和吊装都比较困难。发电机的吊装图每台