电动马达

电动马达(Electric motor)是将电能转换成机械能的电机。 大多数电动机通过电动机的磁场和绕组电流之间的相互作用来操作,以产生旋转形式的力。 电动机可以由直流(DC)电源供电,例如来自电池,机动车辆或整流器,或者通过交流(AC)电源,例如电网,逆变器或发电机。 发电机在机械上与电动机相同,但是在相反的方向上操作,接受机械能(例如来自流动的水)并将该机械能转换成电能。

电动马达可以根据诸如电源类型,内部结构,应用和运动输出类型等考虑因素进行分类。 除了AC型和DC型之外,电动机可以是刷式或无刷式的,可以是各种相(参见单相,两相或三相),并且可以是空气冷却或液体冷却。 具有标准尺寸和特性的通用电动机为工业用途提供方便的机械动力。 最大的电动机用于船舶推进,管道压缩和抽水蓄能应用,额定功率达到100兆瓦。 电动机存在于工业风扇,鼓风机和泵,机床,家用电器,电动工具和磁盘驱动器中。 电动手表中可能有小型电动机。

在某些应用中,例如在牵引电动机的再生制动中,电动机可以反向用作发电机,以回收可能因热量和摩擦而损失的能量。

电动机产生线性或旋转力(扭矩)并且可以区别于诸如磁电磁阀和扬声器之类的装置,其将电转换成运动但不产生可用的机械力,其分别被称为致动器和换能器。

组件

转子
在电动机中,运动部件是转子,其转动轴以提供机械动力。 转子通常具有放置在其中的导体,其承载电流,该电流与定子的磁场相互作用以产生转动轴的力。 或者,一些转子带有永磁体,定子保持导体。

轴承
转子由轴承支撑,允许转子在其轴上转动。 轴承又由电机壳体支撑。 电机轴穿过轴承延伸到电机外部,在那里施加负载。 因为负载的力施加在最外轴承之外,所以负载被称为悬臂。

定子
定子是电动机电磁回路的固定部分,通常由绕组或永磁体组成。 定子铁芯由许多薄金属板制成,称为叠片。 层压用于减少使用实心芯时可能导致的能量损失。

气隙
转子和定子之间的距离称为气隙。 气隙具有重要影响,并且通常尽可能小,因为大间隙对性能具有强烈的负面影响。 它是电机运行的低功率因数的主要来源。 磁化电流随气隙而增加。 因此,气隙应该是最小的。 除噪声和损耗之外,非常小的间隙可能造成机械问题。

绕组
绕组是铺设成线圈的导线,通常缠绕在叠层软铁磁芯上,以便在通电时形成磁极。

电动马达有两种基本磁场磁极配置:凸极和非极配置。 在凸极电机中,磁极的磁场是由缠绕在极面下方的磁极上的绕组产生的。 在非零极点或分布式磁场或圆形转子机器中,绕组分布在极面槽中。 阴极电动机具有围绕杆的一部分的绕组,其延迟该极的磁场的相位。

一些电动机具有由较厚金属构成的导体,例如金属条或金属片,通常是铜,或者铝。 这些通常由电磁感应提供动力。

换向器
换向器是用于切换大多数DC电机和某些AC电机的输入的机构。 它由彼此绝缘和与轴绝缘的滑环段组成。 电动机的电枢电流通过与旋转换向器接触的固定电刷供电,这导致所需的电流反转,并且当转子从极到极旋转时以最佳方式向机器供电。 在没有这种电流反转的情况下,电动机将制动到停止。 鉴于电子控制器,无传感器控制,感应电机和永磁电机领域的改进技术,外部换向感应和永磁电机正在取代机电换向电机。

电机供电和控制

电机供应
如上所述,DC电动机通常通过滑环换向器提供。 交流电动机的换向可以是滑环换向器或外部换向型,也可以是定速或变速控制型,也可以是同步或异步型。 通用电机可以在AC或DC上运行。

电机控制
定速控制的交流电机配有直接在线或软启动启动器。

变速控制的交流电动机配有一系列不同的功率逆变器,变频驱动或电子换向器技术。

术语电子换向器通常与自换向无刷直流电动机和开关磁阻电动机应用相关联。

主要类别
电动机以三种不同的物理原理运行:磁性,静电和压电性。 到目前为止,最常见的是磁力。

在磁电动机中,在转子和定子中都形成磁场。 这两个区域之间的产品产生一个力,从而产生电机轴上的扭矩。 必须使这些场中的一个或两个随着电动机的旋转而改变。 这是通过在正确的时间打开和关闭电极杆或改变电杆的强度来完成的。

主要类型是直流电动机和交流电动机,前者越来越多地被后者取代。

交流电动机可以是异步或同步的。

一旦启动,同步电机需要与所有正常扭矩条件下的移动磁场同步速度同步。

在同步电机中,磁场必须通过除感应之外的其他方式提供,例如来自单独激励的绕组或永磁体。

分马力(FHP)电机的额定功率低于约1马力(0.746千瓦),或者标准机架尺寸小于标准1马力电机。 许多家用和工业用电机都处于分马力级别。

缩写:

BLAC – 无刷AC
BLDC – 无刷DC
BLDM – 无刷直流电机
EC – 电子换向器
PM – 永磁体
IPMSM – 内置永磁同步电动机
PMSM – 永磁同步电动机
SPMSM – 表面永磁同步电动机
SCIM – 鼠笼式感应电动机
SRM – 开关磁阻电动机
SyRM – 同步磁阻电动机
VFD – 变频驱动
WRIM – 绕线转子感应电动机
WRSM – 绕线转子同步电动机
LRA – 锁定转子电流:当您施加全电压时,在启动条件下可以获得的电流。 它在启动期间立即发生。
RLA – 额定负载电流:电机在任何工作条件下应吸收的最大电流。 经常错误地称为运行负载放大器,这导致人们不正确地相信电机应该总是拉动这些放大器。
FLA – 满载电流:1976年更改为“RLA – 额定负载电流”。

自换电电机

有刷直流电机
根据定义,所有自换向直流电动机都使用直流电源。 大多数直流电机都是小型永磁(PM)类型。 它们包含拉丝内部机械换向,以与旋转同步地反转电机绕组的电流。

电激励直流电动机
换向直流电动机具有一组缠绕在安装在旋转轴上的电枢上的旋转绕组。 轴还带有换向器,这是一种持久的旋转电气开关,当轴旋转时,该开关周期性地反转转子绕组中的电流。 因此,每个有刷直流电动机都有AC流过其旋转绕组。 电流流过一对或多对支撑在换向器上的电刷; 电刷将外部电源连接到旋转电枢。

旋转电枢由一个或多个缠绕在层叠的磁性“软”铁磁芯周围的线圈组成。 来自电刷的电流流过换向器和电枢的一个绕组,使其成为临时磁铁(电磁铁)。 由电枢产生的磁场与由PM或另一个绕组(励磁线圈)产生的静止磁场相互作用,作为电动机框架的一部分。 两个磁场之间的力倾向于使电动机轴旋转。 当转子转动时,换向器将电源切换到线圈,使转子的磁极不会与定子磁场的磁极完全对齐,这样转子就不会停止(就像罗盘针一样),而是保持旋转只要有电源。

传统换向器直流电动机的许多局限性是由于需要刷子压在换向器上。 这会产生摩擦。 当电刷穿过换向器部分之间的绝缘间隙时,通过转子线圈的电刷制作和断开电路产生火花。 根据换向器的设计,这可能包括电刷在相邻的部分之间短路 – 因此线圈端部 – 在穿过间隙时瞬间短路。 此外,转子线圈的电感使得每个电路的电压在其电路打开时上升,从而增加了电刷的火花。 这种火花限制了机器的最大速度,因为过快的火花会使换向器过热,腐蚀甚至熔化。 电刷每单位面积的电流密度与其电阻率相结合,限制了电动机的输出。 电触点的产生和断开也会产生电噪声; 引发产生RFI。 刷子最终会磨损并需要更换,换向器本身会受到磨损和维护(在较大的电机上)或更换(在小型电机上)。 大型电动机上的换向器组件是昂贵的元件,需要许多部件的精确组装。 在小型电动机上,换向器通常永久地集成在转子中,因此更换它通常需要更换整个转子。

虽然大多数换向器是圆柱形的,但是一些是由安装在绝缘体上的若干段(通常至少三个)组成的扁平盘。

需要较大的刷子以获得较大的刷子接触区域以使马达输出最大化,但是需要小的刷子以获得低质量以最大化马达可以在没有刷子过度弹跳和点火的情况下运行的速度。 (小刷子也是理想的,以降低成本。)更硬的刷子弹簧也可用于制造给定质量的刷子以更高的速度工作,但代价是更大的摩擦损失(更低的效率)和加速的刷子和换向器磨损。 因此,直流电动机电刷设计需要在输出功率,速度和效率/磨损之间进行权衡。

直流电机定义如下:

电枢电路 – 承载负载电流的绕组,可以是电动机或发电机的静止或旋转部分。
励磁电路 – 一组产生磁场的绕组,使电磁感应可以在电机中进行。
换向:一种机械技术,可以在直流电机中实现整流,或从中获得直流电。

有刷直流电机有五种类型: –

直流并联电动机
直流串联电机
直流复合电机(两种配置):
累积化合物
差异复杂化
PM直流电机(未显示)
单独激动(未显示)。

永磁直流电动机
PM(永磁体)电动机在定子框架上没有励磁绕组,而是依靠PM来提供磁场,转子磁场与磁场相互作用以产生转矩。 与电枢串联的补偿绕组可以用在大型电动机上,以改善负载下的换向。 由于此字段已固定,因此无法调整速度控制。 PM场(定子)在微型电动机中很方便,以消除励磁绕组的功耗。 大多数较大的直流电动机属于“发电机”型,具有定子绕组。 从历史上看,如果拆卸后,PM不能保持高通量; 励磁绕组更加实用,可以获得所需的助焊剂量。 然而,大型PM成本高,危险且难以组装; 这有利于大型机器的伤口领域。

为了减小整体重量和尺寸,微型永磁电机可以使用由钕或其他战略元素制成的高能磁铁; 大多数是钕 – 铁 – 硼合金。 由于其较高的磁通密度,具有高能PM的电机至少与所有优化设计的单馈同步和感应电机竞争。 微型电动机类似于图中的结构,除了它们具有至少三个转子磁极(以确保启动,无论转子位置如何)并且它们的外壳是钢管,其磁性连接弯曲磁场的外部。

电子换向器(EC)电动机

无刷直流电机
在BLDC设计中消除了有刷直流电机的一些问题。 在该电动机中,机械“旋转开关”或换向器由与转子位置同步的外部电子开关代替。 BLDC电机的效率通常为85-90%或更高。 据报道,BLDC电机的效率高达96.5%,而带有电刷的直流电机的效率通常为75-80%。

BLDC电机的特征梯形反电动势(CEMF)波形部分来自定子绕组均匀分布,部分来自转子永磁体的放置。 也称为电子换向直流或内向直流电动机,梯形无刷直流电动机的定子绕组可以是单相,两相或三相,并使用霍尔效应传感器安装在其绕组上,用于转子位置传感和低成本闭合 – 电子换向器的回路控制。

BLDC电机通常用于需要精确速度控制的地方,例如计算机磁盘驱动器或录像机,CD中的主轴,CD-ROM(等)驱动器以及办公产品中的机构,如风扇,激光打印机和复印机。 它们比传统电机有几个优点:

与使用罩极电机的交流风扇相比,它们非常高效,运行温度比同等交流电机低得多。 这种冷却操作可以大大提高风扇轴承的使用寿命。
如果没有换向器磨损,与使用电刷和换向器的直流电机相比,BLDC电机的寿命可以显着延长。 换向也会导致大量的电气和射频噪声; 在没有换向器或电刷的情况下,BLDC电机可以用在诸如音频设备或计算机的电敏设备中。
提供换向的相同霍尔效应传感器也可为闭环控制(伺服控制)应用提供方便的转速计信号。 在风扇中,转速计信号可用于获得“风扇正常”信号以及提供运行速度反馈。
电机可以很容易地与内部或外部时钟同步,从而实现精确的速度控制。
与有刷电机不同,BLDC电机不会产生火花,使其更适合挥发性化学品和燃料的环境。 此外,火花会产生臭氧,臭氧会积聚在通风不良的建筑物中,从而有可能危害居住者的健康。
BLDC电机通常用于小型设备,如计算机,通常用于风扇以消除不必要的热量。
它们也是声学非常安静的电动机,如果用于受振动影响的设备,这是一个优点。
现代BLDC电机的功率范围从几瓦到几千瓦不等。 在电动车辆中使用额定值大约100kW的较大BLDC电动机。 它们还在高性能电动模型飞机中得到了广泛应用。

开关磁阻电动机
SRM没有电刷或永久磁铁,转子没有电流。 相反,扭矩来自转子上的极点与定子上的极点的轻微错位。 转子与定子的磁场对准,而定子励磁绕组依次通电以使定子磁场旋转。

由励磁绕组产生的磁通量遵循最小磁阻的路径,这意味着磁通将流过最靠近定子的通电极的转子的磁极,从而磁化转子的那些磁极并产生转矩。 当转子转动时,不同的绕组将被激励,从而保持转子转动。

SRM用于某些家用电器和车辆。

通用AC / DC电机
换向电励磁串联或并联绕组电动机被称为通用电动机,因为它可以设计成在AC或DC电源上运行。 通用电机可以在AC上很好地工作,因为磁场和电枢线圈中的电流(以及由此产生的磁场)将同步交替(反极性),因此产生的机械力将在恒定的旋转方向上发生。

在通常的电力线频率下运行,通用电动机通常在小于1000瓦的范围内。 通用电机也是电气铁路中传统铁路牵引电机的基础。 在这个应用中,使用AC为最初设计为在DC上运行的电动机提供动力将导致由于其磁性部件的涡流加热而导致的效率损失,特别是对于DC而言将使用固体的电动机磁极片(没有层压的铁,它们现在很少使用。

通用电动机的一个优点是交流电源可用于具有直流电动机中更常见的某些特性的电动机,特别是如果使用高运行速度则具有高启动转矩和非常紧凑的设计。 负面影响是由换向器引起的维护和短寿命问题。 这种电动机用于诸如食物混合器和电动工具之类的设备中,这些设备仅间歇地使用,并且通常具有高启动转矩要求。 励磁线圈上的多个分接头提供(不精确的)步进速度控制。 宣传许多速度的家用搅拌机经常将励磁线圈与多个分接头和二极管组合在一起,二极管可以与电机串联插入(使电机在半波整流AC上运行)。 通用电机也适用于电子速度控制,因此是家用洗衣机等设备的理想选择。 通过相对于电枢切换励磁绕组,电动机可用于搅拌鼓(向前和向后)。

虽然SCIM不能比电力线频率允许的更快地转动轴,但通用电机可以以更高的速度运行。 这使得它们可用于需要高速和轻质的搅拌器,真空吸尘器和吹风机等器具。 它们也常用于便携式电动工具,例如钻头,砂光机,圆形和曲线锯,其中电机的特性很好。 许多真空吸尘器和杂草修剪器电机超过10,000 rpm,而许多类似的微型研磨机超过30,000 rpm。

外部换向交流电机
交流感应和同步电机的设计针对单相或多相正弦或准正弦波形功率进行了优化,例如为交流电网的固定速度应用或VFD控制器的变速应用提供。 AC电动机具有两个部分:固定定子,其具有供应AC的线圈以产生旋转磁场;以及转子,其附接到输出轴,该转子通过旋转场施加扭矩。

感应电动机
笼式和绕线转子感应电动机
感应电动机是异步交流电动机,其中电力通过电磁感应传递到转子,就像变压器动作一样。 感应电动机类似于旋转变压器,因为定子(静止部分)基本上是变压器的初级侧,而转子(旋转部分)是次级侧。 多相感应电动机广泛用于工业中。

感应电动机可进一步分为鼠笼式感应电动机和绕线转子感应电动机(WRIM)。 SCIM具有由实心杆(通常为铝或铜)组成的重型绕组,通过转子端部的环连接。 当人们只考虑杆和环作为一个整体时,它们就像动物的旋转运动笼,因此得名。

感应到该绕组中的电流提供转子磁场。 转子条的形状决定了速度 – 转矩特性。 在低速时,鼠笼中感应的电流几乎处于线路频率,并且倾向于位于转子笼的外部。 随着电动机加速,转差频率变低,绕组内部有更多电流。 通过使杆成形以改变保持架的内部和外部中的绕组部分的电阻,有效地将可变电阻插入转子电路中。 然而,大多数这种电动机具有均匀的杆。

在WRIM中,转子绕组由多圈绝缘线制成,并连接到电机轴上的滑环。 可以在转子电路中连接外部电阻器或其他控制装置。 电阻器允许控制电动机速度,尽管外部电阻消耗了大量功率。 转换器可以从转子电路馈电并且返回滑差频率功率,否则该滑差频率功率将通过逆变器或单独的电动发电机被浪费回到电力系统中。

WRIM主要用于启动高惯性负载或在整个速度范围内需要非常高的启动转矩的负载。 通过正确选择次级电阻或滑环启动器中使用的电阻,电机能够在从零速到全速的相对较低的电源电流下产生最大转矩。 这种类型的电动机还提供可控的速度。

电动机速度可以改变,因为电动机的扭矩曲线通过连接到转子电路的电阻量有效地改变。 增加阻力值会使最大扭矩的速度降低。 如果连接到转子的电阻增加到超过零速度时发生最大扭矩的点,则扭矩将进一步减小。

当使用具有随速度增加的扭矩曲线的负载时,电动机将以电动机产生的扭矩等于负载扭矩的速度运行。 减小负载将导致电机加速,并且增加负载将导致电机减速直到负载和电机转矩相等。 以这种方式操作,滑差损耗在次级电阻器中消散并且可能非常显着。 速度调节和净效率也很差。

扭矩马达
扭矩电动机是一种特殊形式的电动机,可以在失速时无限期地运行,也就是说,转子被阻止转动,而不会造成损坏。 在这种操作模式下,电动机将向负载施加稳定的扭矩(因此得名)。

扭矩马达的常见应用是磁带驱动器中的供带盘和卷带盘。 在这种应用中,由低电压驱动,这些电动机的特性允许相对恒定的光张力施加到带上,无论绞盘是否通过带头供给带。 由更高的电压驱动(并提供更高的扭矩),扭矩电机还可以实现快进和倒带操作,而无需任何额外的机械装置,如齿轮或离合器。 在计算机游戏领域,扭矩马达用于力反馈方向盘。

另一种常见的应用是结合电子调速器控制内燃机的节流阀。 在这种用法中,电动机抵抗复位弹簧,以根据调速器的输出移动节流阀。 后者通过计算来自点火系统或磁性拾取器的电脉冲来监测发动机速度,并且根据速度对施加到电动机的电流量进行小的调节。 如果发动机相对于所需速度开始减速,则电流将增加,电动机将产生更大的扭矩,拉动复位弹簧并打开节气门。 如果发动机运转得太快,调速器将减少施加在电机上的电流,导致复位弹簧拉回并关闭油门。

同步电动机
同步电动机是交流电动机,其特征在于转子旋转,其中线圈以与AC相同的速率通过磁体并产生驱动它的磁场。 另一种说法是在通常的操作条件下它没有滑动。 相比之下,感应电机必须滑动才能产生扭矩。 一种类型的同步电动机类似于感应电动机,除了转子由DC场激励之外。 滑环和电刷用于将电流传导至转子。 转子磁极彼此连接并以相同的速度移动,因此称为同步电动机。 另一种类型,对于低负载扭矩,平面接地到传统的鼠笼式转子上以产生离散的极。 另一个,例如哈蒙德为其二战前时钟制造的,以及在较老的哈蒙德机构中,没有转子绕组和离散的极。 这不是自我启动。 时钟需要通过背面的小旋钮手动启动,而较旧的Hammond机关有一个辅助启动马达通过弹簧加载的手动操作开关连接。

最后,磁滞同步电动机通常是(基本上)两相电动机,其具有用于一相的相移电容器。 它们像感应电动机一样启动,但当滑移率充分降低时,转子(光滑的圆柱体)会暂时被磁化。 它的分布式极点使其像永磁同步电机(PMSM)。 与普通钉子一样,转子材料将保持磁化,但也可以很难消磁。 一旦运转,转子磁极就会保持原位; 他们不漂移。

低功率同步定时电机(例如用于传统电子钟的电机)可以具有多极永磁体外杯转子,并且使用遮光线圈来提供启动转矩。 远程时钟电机具有用于启动转矩的阴极和用于离散双极转子的双辐环转子。

双馈电机
双馈电动机具有两个独立的多相绕组组,其为能量转换过程提供有效(即工作)功率,其中至少一个绕组组被电子控制以用于变速操作。 两个独立的多相绕组组(即双电枢)是单个封装中提供的最大值,没有拓扑重复。 双馈电动机是具有有效恒定转矩速度范围的机器,其对于给定的激励频率是两倍同步速度。 这是单馈电机的恒转矩速度范围的两倍,单电机只有一个有源绕组。

双馈电机允许更小的电子转换器,但转子绕组和滑环的成本可能抵消电力电子元件的节省。 控制速度接近同步速度限制应用的困难。