電機原理基礎知識

1、第一部分：電機基礎知識一、小功率電動機的分類按國家標準規(guī)定，小功率電動機指折算至1500r/min（轉(zhuǎn)/分）時連續(xù)額定功率不超過1.1kw的電動機，也稱為微電動機或馬力電動機，具分類如下：1、小功率電動機分為以下4種：1）小功率異步電動機； 三相異步電動機； 單相電阻起動電動機； 單相電容起動電動機； 單相電容運轉(zhuǎn)電動機；單相電容雙佰電動機；罩極異步電動機。2）小功率同步電動機；永磁同步電動機；磁阻同步電動機；磁滯（zhi）同步電動機；3）小功率直流電動機； 有刷直流電動機；A、勵磁直流電動機；B、永磁直流電動機。 無刷直流電動機。4）小功率交流換向器電動機；單相用激電動機；交直流兩用電動機；

2、推斥電動機。二、電機的運行原理1、安培環(huán)路定律一一全電流定律本定律闡（chan）述電流產(chǎn)生磁場的規(guī)律，由式表達：上式說明沿任一條閉合回路L,磁場強度的線積分等于該閉合路所包圍的全電流。將全電流定律用到電機中，由于電機磁路通?？砂床煌牟牧虾蛶缀纬叽绶殖蓭锥?，每段中的磁場強度是相同的，因此可將上式寫成：Hi-第i段磁路磁場強度（A/m）Li-第i段磁路計算長度（MWi磁勢（A）W-線圈匝數(shù)磁場感應電流產(chǎn)生的強弱及方向由磁感應強度表示。形象的描繪磁場用磁力線，磁力線是閉合曲線，磁力線的方向與產(chǎn)生磁場的電流之間符合右螺旋法則。穿過單位面積的磁力線數(shù)就是感應強度B.磁感應強度不僅與電流有關，而且與周圍

3、介質(zhì)有關，當周圍放有鐵磁物質(zhì)時，磁場會大大加強，這是因為不同的介質(zhì)有不同的磁導率，磁導率用U0表示。真空磁導率磁場物質(zhì)u為U0的幾百倍至幾千倍，而且與磁場強度有關，不是常數(shù)，磁場強與磁感應強度關系為H=B/u式中B表示磁感應強度（T）U表示磁導率（H/m）H表示磁場強度，也叫磁勢（A/m）在均勻磁場中，穿過面積S的磁力線定義為磁通2、電磁力定律本定律闡述處于磁場中的載流導體受有電磁力作用。當磁場與載流導體相互垂直時，作用在導體相互垂直時，作用在導體的電磁力為f=BiL式中f電磁力（N）B磁感應強度（T）i-導體的電流（A）L-導體的有效長度（項電磁力f的方向由左手定則判定：磁通指向手心，伸直四

4、指指電流方向，垂直的拇指指電磁方向。3、電磁感應定律本定律闡述磁通變化產(chǎn)生感生電勢的規(guī)律。變化磁通產(chǎn)生的感應電勢變壓器電勢dtpe=wdt式中w與磁通相交鏈的線圈匝數(shù)一與線圈交鏈的磁通（Wbt一時間（s）e感應動勢（V切割電勢，導線在磁場中運動并切割磁力線時，導體中產(chǎn)生感應電動勢:e=BL.V式中B磁感應強度（T）L一導線有效長度V一導線垂直于磁場的運動速度上式感應電勢方向由右手定則確定，手心迎著磁通、垂直的拇指指向?qū)w運動方向，平行四指指向感應電勢方向。4、能量守恒原理在質(zhì)量不變的物理系統(tǒng)中，能量總是守恒的，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，而僅能變換的形式。在電動機能量的平衡關系式為：電

5、源輸入的電能=磁場儲能的增加+熱能的能量損耗+機械能的輸出式中：轉(zhuǎn)換為熱能的能量損耗主要包括三部分定、轉(zhuǎn)子繞組銅耗；交變磁通在鐵芯的鐵耗通風、摩擦產(chǎn)生的機械損耗三、單相異步電動機工作原理在三項點集中，當定子三相繞組接到三相交流電源時，對稱三相交流電流在三相對稱繞組中流通，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，從下圖表示：電流隨時間變化，產(chǎn)生磁勢和磁場在空間旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度由電源頻率f和電機極數(shù)p決定。n=2x60/p*f式中n旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)速（r/min）p電機極數(shù)f電源頻率（H23在單相電機中，由于單相繞組產(chǎn)生的使脈振磁場，電機沒有起動轉(zhuǎn)矩，不能起動，如下圖所示：900電角度，M表示）o因此在單相電機定子鐵芯中嵌

6、放兩繞組且其軸線在空間相隔兩相繞組的線徑、匝數(shù)分布個不相同，其中一項繞組稱為主繞組（用另一項繞組稱為付繞組（用A表示）。付繞組鐵移相元件接入電源。結構原理如下圖：在單相電機中，若定子上的主、付兩相繞組完全對稱，兩相繞組接到兩相對稱電源，則與三相電機一樣也產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，如下圖：可見對稱繞組通入對稱兩相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與三相電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢一樣。其旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率和電機極數(shù)有關：n=120f/p在單相電機的轉(zhuǎn)子中鑄有許多彼此相連通的鼠籠形鋁導條，如圖示：當電機中磁場以n速度旋轉(zhuǎn)時，處于旋轉(zhuǎn)磁場中的轉(zhuǎn)子導條就會切割磁力線而產(chǎn)生感應電勢和感應電流，感應電流在磁場的作用下產(chǎn)生電

7、磁力和電磁力矩，形成一定得轉(zhuǎn)速n'。一般情況下電機轉(zhuǎn)速n'不等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n。因為n'=n時,轉(zhuǎn)子導條相對旋轉(zhuǎn)磁場是靜止的，導條中就不會產(chǎn)生感應電勢和感應電流，電機就不會電磁力矩，電機的轉(zhuǎn)速就會自然下降。因轉(zhuǎn)子速度始終低于旋轉(zhuǎn)磁場速度，故此種電機為“單相異步電動機”。四、電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機工作繞組及主繞組M與副繞組A的軸線在空間相隔900電角度，副繞組串聯(lián)一個電容C在于工作繞組并接與電源，由于付繞組串聯(lián)了電容所以副繞組中的電流在相位上超前于主繞組電流，這樣由單相電流i分解成具有時間相位差的兩相電流iM和Ia,因而電機的兩相繞組能產(chǎn)生圓形或橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。五、電機

8、的調(diào)速方法及原理作為單相異步電動機具調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速；降壓調(diào)速；抽頭調(diào)速。1、變極調(diào)速在單相電機中，有倍極調(diào)速和非倍極調(diào)速之分。倍極調(diào)速電機一般定子上只有一套繞組，用改變繞組端部聯(lián)接方法獲得不同的極對數(shù)以達到調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。在極對數(shù)比較大的變極調(diào)速中，定子槽中安放兩套不同極對的獨立繞組，實際上相當于兩臺不同極對數(shù)的單速電機的組合，其原理和性能與一般單相異步電機一樣。2、降壓調(diào)速降壓調(diào)速方法很多，如用聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容、自耦變壓器和串聯(lián)可控硅調(diào)壓調(diào)速?？照{(diào)中最常用的調(diào)速調(diào)壓是可控硅調(diào)壓、調(diào)速?？煽毓枵{(diào)速是改變可控硅導通角的方法，改變電動機端電壓的波形，從而改變了電動機的端電壓的有效值

9、?？煽毓鑼ń莂1=1800時電機端電壓為額定值，a1<180°時電壓波形如果是實線部分，電機端電壓有效值小于額定值，a1越小，電壓越低。3、抽頭調(diào)速電容運轉(zhuǎn)電動機在調(diào)速范圍不大時，普通采用定子繞組抽頭調(diào)速。此時定子槽中放置有主繞組、付繞組及調(diào)速繞組。通過改變調(diào)速繞組與主、付繞組的聯(lián)接方式，調(diào)整氣隙磁場大小及橢圓度來實現(xiàn)調(diào)速的目的。抽頭調(diào)速分為T型抽頭調(diào)速和L型抽頭調(diào)速。L型抽頭調(diào)速又可分為主繞組抽頭L-1型和付繞組抽頭L-2型。目前我司最常用的是T型抽頭調(diào)速和副繞組抽頭L-2型。原理線路圖見下。T型抽頭調(diào)速優(yōu)點：中低檔運行繞組溫開低；缺點：電機高檔效力低，主繞組易形成匝間。L

10、型抽頭調(diào)速優(yōu)點：電機高檔效力高，繞組不易形成匝問；缺點：中低檔運行溫升高。六、直流電機直流電機分為有刷直流電機和無刷直流電機，有刷直流電機又分為勵磁式直流電機和永磁直流電動機。在工作原理上永磁直流電機和勵磁直流電機是相同的。下面主要以永磁直流電機與無刷直流電機進行簡要介紹。1、永磁直流電機永磁直流電機與勵磁直流電機不同之處在于，提供電機的主磁場的方式不同，永磁直流電機提供主磁場的是永磁體，而勵磁式直流電機提供的主磁場則是直流通電的線圈。樞（shu）繞組，電樞電流Ia在永磁體所建立的磁場中使得通電導體產(chǎn)生的磁場中使得通電導體產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩使電機旋轉(zhuǎn)。2、無刷直流電動機無刷直流電動機就是變頻

11、技術與直流電機相結合的產(chǎn)物，具具有效率高、噪音低、調(diào)速精度高、振動小、調(diào)速范圍寬、壽命長等特點。下面就空調(diào)用無刷直流電機的組成及工作原理作簡要介紹：直流電機的組成直流電機本體：定子主要采取集中式繞組，根據(jù)控制不同，繞組相數(shù)有單相、二相、三相、四相等結構，用的最多的是三相繞組結構，繞組接法有星型接法和環(huán)形接法兩種，絕大部分繞組采用星型接法。轉(zhuǎn)子部分采用磁鋼，磁鋼提供電機的主磁場。電機控制部分：無刷電機的控制方式主要有PAM脈幅調(diào)制技術）和PWM（c寬調(diào)制技術），兩種控制方式各有優(yōu)缺點。下圖1為高壓油位置傳感器PWME動電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發(fā)生器、比較器、保護電路等組成。

12、從原理框圖可以看出，無刷直流電機的控制部分只包含一直一交變頻電路中的逆變部分，整流及濾波部分由空調(diào)的主電控完成。工作原理眾所周知，永磁體提供的磁極磁場在電機旋轉(zhuǎn)過程中固定不變的，這就是要求每個時刻定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場必須與轉(zhuǎn)子的磁極磁場相對應，即繞組的電流方向、導通與關斷受轉(zhuǎn)子位置的控制。因此，無刷直流電機必須有轉(zhuǎn)子位置信號輸出給電機的控制電路，電機的控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號來控制相應的功率開關管的導通與關斷，從而控制相應繞組的電流方向、導通與關斷。定子繞組若按一定的通電順序進行切換，就可以形成一個與轉(zhuǎn)子位置對應的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機按要求的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。相對磁鋼的某一磁極而言，每個時刻與它對應

13、的電樞磁場是固定的，即繞組的電流方向是固定的，這與有刷直流電機類似。圖2為無刷直流電機運行原理圖，繞組為三相星形接法，120度均布，采用三相半橋驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)子為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線與A相繞組對齊，此時的控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測信號，使S1開關管觸發(fā)導通，B相繞組通電，在B相繞組磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)120獨門，到達虛線轉(zhuǎn)子所示的位置，磁鋼的磁極中心線與B相繞組對齊，此時，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測信號，使S1開關管關斷，使S3開關管導通，A相繞組通電，轉(zhuǎn)子在A相繞組磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)120度，按上述通電順序循環(huán)導通，轉(zhuǎn)子就順時針旋轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機采集轉(zhuǎn)子位

14、置信號，前者，電機結構簡單，但電機起動困難；后者,電機結構稍復雜，但起動平穩(wěn)、可靠，目前大部分的無刷直流電機均采用后者。位置傳感器的種類很多，空調(diào)用的無刷直流電機一般采用霍爾元件作為位置傳感無刷直流電機大部分采用三相星形繞組結構，橋式控制電路，下面就二相導通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機的驅(qū)動原理作詳細介紹（下圖3為原理框圖）：在此電機結構中，電機一般需要三個霍爾元件，三個霍爾元件輸出的邏輯波形圖和真值表如圖4所示。兩個霍爾元件之間的空間夾角為120度電角度，所以輸出的脈沖信號相隔120度電角度。從真值表可以看出，每個霍爾元件一次導通180度，每隔60度必有一個霍爾元件的輸出狀態(tài)發(fā)生卻換，三個霍

15、爾元件的輸出狀態(tài)的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態(tài)相對應，在一個周期內(nèi)，三相繞組間隔60度電角度換相一次，每個時刻有兩條相繞組導通，每相繞組連續(xù)導通120度。每相繞組正反向各導通一次，導通時間占三分之二周期。假定電樞各相繞組的導通次序為：UVUWVWVUWUWV電樞磁勢的向量圖如圖5所示。電機在該電樞磁場的作用下，按既定方向旋轉(zhuǎn)。真值表的參數(shù)必須與控制電路的邏輯程序相吻合，電樞磁場與轉(zhuǎn)子主磁場將不匹配，電機將能運轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)。電機調(diào)速就調(diào)速原理來說，無刷直流電機類似于一般的直流電機，通過改變電樞兩端的直流電壓大小來改變電動機的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機有兩種改變電壓的方法：PAMffiPWM,PA

16、M是電壓的脈沖度保持不變，調(diào)節(jié)電壓的幅值大小來改變電壓的平均值大??；PWME好相反，即電壓脈沖幅值不變，脈沖寬度磕掉。PAMPJ式調(diào)速。其調(diào)速線性度好、噪音低，控制電路簡單，但線路較復雜，噪音較大，主要用于高壓電機。PWMB速的實現(xiàn)：如圖6所示，Vi為固定頻率和固定電壓的三角波，Vsp為直流電機電壓，兩者輸入一比較，Vi輸入比較器的同相端。當Vsp大于Vi時，比較器輸出信號Vo為高電平，當Vsp小于Vi時，比較器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈沖波形，調(diào)節(jié)Vsp電壓的大小，即可調(diào)節(jié)Vo的脈沖寬度的大小。直流高壓Vm施加到電機繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈沖電壓幅值不變，脈沖電壓寬度

17、可調(diào)的電壓，調(diào)節(jié)Vo的脈寬占空比，機可調(diào)節(jié)電機繞組兩端的電壓平均值的大小，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。PWM6制方式輸出給繞組的電壓波形是一系列等寬度的矩形波，矩形波含義較大成分的諧波。在某些場合，為了減少諧波對電機產(chǎn)生的不良影響，如轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦波，因此控制方式就要采用正弦脈寬調(diào)制技術（SPWM在PW雕制方式的基礎上，吧Vsp電壓由輸入直流電壓該為輸入正弦波電壓，Vo即為一組幅值不變，寬度按正弦波規(guī)律變化的矩形脈沖波。用Vo來控制逆變電路的開關管的導通與關斷，輸給電機繞組的電壓的平均值即按正弦規(guī)律變化，從而改善電機的性能。在有特殊要求應用場合，可以改變V

18、sp電壓的性質(zhì)來改變PW棉制方式的特性，是PWM6制方式滿足使用要求。應用因為采用了變頻技術和位置傳感技術，使無刷直流電機繼承了有刷直流電機的特性，又無有刷直流電機的缺點，所以直流電機得到迅速發(fā)展，在各個領域得到了廣泛的應用。以家用變頻空調(diào)為例，使用無刷直流電機，電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍很寬，在變頻空調(diào)需要快速制冷、制熱；無刷直流電機易于實現(xiàn)精確控制；無刷直流電機的效率高，為變頻空調(diào)實現(xiàn)高能效比提供保障。七、電機主要參數(shù)1、空載輸入電流：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動機的電流稱為空載電流。單位：A或mA.2、空載輸入功率：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動機的功率稱為空載功率。這部分功率消耗主要體現(xiàn)在磁場儲能，定、轉(zhuǎn)子繞組銅耗和鋁耗，交變磁通在鐵芯損耗，通風、軸承摩擦產(chǎn)生機械耗損。單位：W四）3、負載輸入電流：是指電動機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉(zhuǎn)速下，所輸入電機的電流。單位：A或mA.4、負載輸出功率：是指電動機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉(zhuǎn)速下，