电动机原理

电动机是将电能转换为机械动力的机电转换器(电机)。 在传统的电动机中产生载流导体线圈磁场,其相互吸引力和排斥力在运动中实现。 因此,电动机与非常相似的构造的发电机相对应,该发电机将电动机功率转换成电能。 电动机通常产生旋转运动,但它们也可以用于平移运动(线性致动器)。 电动机用于驱动许多设备,机械和车辆。

工作原理
电动机是将电能转换成机械能的装置。 电动机中这种能量转换的手段是磁场。 存在不同类型的电动机,并且每种类型具有不同的部件,其结构决定了引起电动机的力或扭矩的电流和磁流的相互作用。

基本原理是描述如何通过电场和磁场中的点电荷q的相互作用引起力是洛伦兹定律:

其中:
q:准时电荷
E:电场
v:粒子速度
B:磁场密度

在纯电场的情况下,等式的表达式被简化为:

在这种情况下,力仅由电荷q和电场E确定。库仑力沿着导体产生电流,例如在感应电机的定子线圈中或在转子中。直流电机

在纯磁场的情况下:

力由电荷,磁场密度B和负载v的速度决定。该力垂直于磁场和负载速度的方向。 通常运动中有很多负载,因此在电荷密度Fv(每单位体积的力)方面重写表达式很方便:

到产品  它被称为电流密度J(安培每平方米):

然后得到的表达式描述了电流与磁场相互作用产生的力:

这是一个基本原理,解释了力量如何来自机电系统,如电动机。 但是,每种电动机的完整描述取决于其组件和结构。

直线电机
直线电动机基本上是任何已经“展开”的电动机,因此它不会产生扭矩(旋转),而是沿其长度产生直线力。

直线电机通常是感应电机或步进电机。 直线电动机通常存在于许多过山车中,其中无电动轨道车的快速运动由轨道控制。 它们也用于磁悬浮列车,火车在地面上“飞行”。 在较小的规模上,1978年代HP 7225A笔式绘图仪使用两个线性步进电机沿X轴和Y轴移动笔。

电磁

力和扭矩
世界上绝大多数电动机的基本目的是电磁地引起定子和转子之间的气隙中的相对运动,以产生有用的扭矩或线性力。

根据洛伦兹力定律,绕组导体的力可以简单地通过以下方式给出:

或更一般地说,处理任何几何形状的导体:

计算电机力的最常用方法是使用张量。

功率
其中rpm是轴速度,T是扭矩,电机的机械功率输出Pem由下式给出,

英国单位,T表示英尺 – 磅,
 (马力),和,

SI单位,轴角速度以弧度/秒表示,T表示为牛顿米,
 (瓦)。

对于线性电机,力F以牛顿表示,速度v以米/秒表示,

 (瓦)。

在异步或感应电动机中,电动机速度和气隙功率之间的关系忽略了趋肤效应,由下式给出:
 ,其中

Rr – 转子电阻
r 2 – 转子中感应的电流平方
s – 电机滑差; 即同步速度和滑动速度之间的差异,其提供转子中电流感应所需的相对运动。

背部电动势
由于直流或通用电动机的电枢绕组正在通过磁场移动,因此它们具有感应电压。 该电压倾向于与电动机电源电压相反,因此被称为“反电动势(emf)”。 电压与电动机的运行速度成比例。 电动机的反电动势加上绕组内部电阻和电刷上的电压降必须等于电刷的电压。 这提供了直流电动机中速度调节的基本机制。 如果机械负载增加,电机减速; 产生较低的反电动势,从电源中抽取更多电流。 这种增加的电流提供额外的扭矩以平衡新的负载。
在交流电机中,考虑机器内的反电动势源有时很有用; 例如,这对于VFD上的感应电动机的近速调节尤其重要。

损失
电动机损耗主要是由于绕组中的电阻损耗,轴承中的磁芯损耗和机械损耗以及空气动力学损失,特别是在存在冷却风扇的情况下。

换向,机械换向器火花和电子换向器也会发生损耗,并且还会散热。

效率
要计算电机效率,机械输出功率除以电输入功率:
 ,

哪里  是能量转换效率,  是电输入功率,和  是机械输出功率:

哪里  是输入电压,  是输入电流,T是输出转矩,和  是输出角速度。 可以从分析上得出最大效率点。 它通常小于失速扭矩的1/2。

许多国家的各种监管机构已经引入并实施立法,以鼓励制造和使用更高效的电动机。

善良因素
Eric Laithwaite提出了一个衡量电动机“良好性”的指标: 

其中:
 是良好因素(高于1的因素可能是有效的)
 是磁路和电路的横截面积
 是磁路和电路的长度
 是核心的渗透性
 是电机驱动的角频率

由此可见,他表明最高效的电机可能具有相对较大的磁极。 然而,该等式仅直接涉及非PM电动机。

性能参数

电机类型的扭矩能力
所有电磁电动机,包括这里提到的类型,都是从相互作用场的矢量积中得出的。 为了计算扭矩,必须知道气隙中的磁场。 一旦通过使用FEA或其他工具的数学分析建立了这些,可以将扭矩计算为所有力矢量乘以每个矢量半径的积分。 在绕组中流动的电流产生磁场,而对于使用磁性材料的电动机,磁场与电流不成线性比例。 这使计算变得困难,但计算机可以进行所需的许多计算。

完成此操作后,将电流与转矩相关联的数字可用作电机选择的有用参数。 电动机的最大扭矩取决于最大电流,尽管这通常只有在热考虑优先时才可用。

当在给定的磁芯饱和约束和给定的有功电流(即转矩电流),电压,极对数,激励频率(即同步速度)和气隙磁通密度下进行最佳设计时,所有类别的电动机或者发电机在给定的气隙区域内具有几乎相同的最大连续轴扭矩(即,操作扭矩),其具有绕组槽和背铁深度,这确定了电磁芯的物理尺寸。一些应用需要超过最大操作扭矩的扭矩突发,例如短暂的扭矩突发以使电动车辆从静止状态加速。 始终受到磁芯饱和或安全工作温度上升和电压的限制,超过最大工作转矩的转矩突发容量在电动机或发电机类别之间显着不同。

扭矩爆发的容量不应与弱磁能力相混淆。 弱磁允许电机超出设计的激励频率。 当通过增加施加的电压不能达到最大速度时,进行弱磁。 这仅适用于具有电流控制场的电动机,因此不能用永磁电动机实现。

没有变压器电路拓扑的电机,例如WRSM或PMSM的电机,不能实现高于最大设计扭矩的扭矩突发,而不会使磁芯饱和并使电流的任何增加无用。 此外,如果尝试超过最大操作扭矩额定值的扭矩突发,则PMSM的永磁体组件可能会受到不可修复的损坏。

具有变压器电路拓扑结构的电机,例如感应电机,感应双馈电机,以及感应或同步绕线转子双馈电机(WRDF),由于电动势引起的有功电流,因此具有非常高的转矩脉冲。变压器的一侧彼此相对,因此对变压器耦合的磁芯磁通密度没有贡献,否则会导致磁芯饱和。

依赖于感应或异步原理的电机使变压器电路的一个端口短路,结果,变压器电路的无功阻抗随着滑差的增加而变得占主导地位,这限制了有源(即,实际)电流的大小。 仍然可以实现比最大设计扭矩高两到三倍的扭矩突发。

无刷绕线转子同步双馈(BWRSDF)机器是唯一具有真正双端口变压器电路拓扑的电机(即,两个端口独立地激励而没有短路端口)。 已知双端口变压器电路拓扑结构是不稳定的,并且需要多相滑环组件以将有限的功率传播到转子绕组组。 如果可以使用精密装置来瞬时控制转矩角和滑差以便在电动或发电期间进行同步操作,同时为转子绕组设置提供无刷电源,则BWRSDF电机的有功电流将与变压器电路的无功阻抗无关。扭矩突然显着高于最大操作扭矩,并且远远超出任何其他类型的电机的实际能力将是可实现的。 已经计算出大于8倍操作扭矩的扭矩爆发。

连续扭矩密度
传统电机的连续转矩密度由气隙面积和背铁深度决定,这取决于电枢绕组的额定功率,机器的速度和可实现的空气 – 磁芯饱和前的间隙磁通密度。 尽管钕或钐钴永磁体具有高矫顽力,但在具有优化设计的电枢绕组组的电机中,连续转矩密度几乎相同。 连续转矩密度涉及冷却方法和在绕组过热或永磁体损坏破坏之前允许的操作时间。

其他消息来源称各种电子机器拓扑结构具有不同的转矩密度。 一个来源显示以下内容:

电机类型 比扭矩密度(Nm / kg)
SPM – 无刷交流,180°电流传导 1.0
SPM – 无刷交流,120°电流传导 0.9-1.15
IM,异步机器 0.7-1.0
IPM,内置永磁电机 0.6-0.8
VRM,双凸极磁阻电机 0.7-1.0

其中 – SPM的特定转矩密度归一化为1.0 – 无刷交流,180°电流传导,SPM是表面永磁电机。

与空气冷却的电动机相比,液体冷却的电动机的扭矩密度大约是其四倍。

比较直流(DC),感应电动机(IM),永磁同步电动机(PMSM)和开关磁阻电动机(SRM)的电源显示:

特性 DC IM PMSM SRM
扭矩密度 3 3.5 4
功率密度 3 4 3.5

另一位消息人士指出,高达1 MW的永磁同步电机具有比感应电机高得多的转矩密度。

连续功率密度
连续功率密度由电机的连续转矩密度和恒转矩速度范围的乘积确定。

特殊磁电机

无铁芯或无铁芯转子电机
在上述任何电动机的原理中,没有任何要求转子的铁(钢)部分实际上旋转。 如果转子的软磁材料制成圆柱形,那么(除了滞后的影响)扭矩仅施加在电磁铁的绕组上。 利用这一事实的是无铁芯或无铁芯直流电动机,这是一种特殊形式的永磁直流电动机。 这些电机针对快速加速进行了优化,其转子的构造没有任何铁芯。 转子可以采用卷绕填充圆筒的形式,或者仅包括磁线和粘接材料的自支撑结构。转子可以安装在定子磁铁内; 转子内部的软磁静止气缸为定子磁通提供返回路径。 第二种布置具有围绕定子磁铁的转子绕组篮。 在该设计中,转子安装在软磁缸内,该磁缸可用作电动机的壳体,并且同样为磁通提供返回路径。

因为转子的重量(质量)比由钢叠片上的铜绕组形成的传统转子轻得多,所以转子可以更快地加速,通常在1ms内实现机械时间常数。 如果绕组使用铝而不是较重的铜,则尤其如此。 但由于转子中没有金属质量作为散热器,即使是小型无铁芯电机也必须经常用强制空气冷却。 过热可能是无芯直流电机设计的问题。 现代软件,如Motor-CAD,可以在设计阶段帮助提高电机的热效率。

在这些类型中有盘式转子类型,将在下一节中更详细地描述。

蜂窝电话的振动警报有时由微小的圆柱形永磁体场类型产生,但也有盘形类型具有薄的多极盘磁场磁体,以及故意不平衡的模塑塑料转子结构具有两个粘合的无芯线圈。 金属刷和扁平换向器为转子线圈提供电源。

相关的限制行程致动器没有芯和在高磁通薄永磁体的磁极之间放置的粘合线圈。 这些是刚性磁盘(“硬盘”)驱动器的快速定位器。 虽然现代设计与扬声器的设计有很大不同,但它仍然松散地(并且不正确地)被称为“音圈”结构,因为一些早期的刚性磁盘驱动头以直线移动,并且具有很像驱动结构扬声器的那个。

薄饼或轴向转子电动机
印刷的电枢或扁平电动机的绕组形状为在高磁通磁体阵列之间运行的盘。 磁体布置成面向转子的圆形,其间具有空间以形成轴向气隙。 这种设计通常被称为薄饼电机,因为它的扁平轮廓。 该技术自成立以来就拥有许多品牌,如ServoDisc。

印刷电枢电动机中的印刷电枢(最初形成在印刷电路板上)由冲压铜板制成,所述铜板使用先进的复合材料层压在一起以形成薄的刚性盘。 印刷电枢在有刷电机领域具有独特的结构,因为它没有单独的环形换向器。 电刷直接在电枢表面上运行,使整个设计非常紧凑。

另一种制造方法是使用缠绕的铜线与中央传统的换向器平放,呈花形和花瓣形。 绕组通常用电环氧树脂灌封系统稳定。 这些是填充的环氧树脂,具有中等,混合粘度和长凝胶时间。 它们的特点是低收缩率和低放热量,通常认为UL 1446是一种封装化合物,绝缘温度为180°C,H级。

无铁芯直流电机的独特优势是没有齿槽效应(由铁和磁铁之间的吸引力变化引起的扭矩变化)。 寄生涡流不能在转子中形成,因为它完全没有铁,尽管铁转子是层压的。 这可以极大地提高效率,但是由于降低的电磁感应,变速控制器必须使用更高的开关速率(> 40kHz)或DC。

这些电动机最初被发明用于驱动磁带驱动器的绞盘,其中达到操作速度和最小停止距离的最小时间是关键的。 薄饼电机广泛用​​于高性能伺服控制系统,机器人系统,工业自动化和医疗设备。 由于现有各种结构,该技术可用于从高温军用到低成本泵和基本伺服系统的应用。

另一种方法(Magnax)是使用夹在两个转子之间的单个定子。 其中一种设计产生的峰值功率为15 kW / kg,持续功率约为7.5 kW / kg。 这种无轭轴向磁通电机提供更短的磁通路径,使磁铁远离轴线。 该设计允许零绕组悬伸; 100%的绕组是活跃的。 通过使用矩形截面铜线增强了这一点。 电动机可以堆叠在一起工作。 通过确保两个转子盘将相等且相反的力施加到定子盘上来最小化不稳定性。 转子通过轴环直接相互连接,抵消磁力。

Magnax电机的直径范围为15-5.4米(5.9英寸-17英尺8.6英寸)。

伺服电机
伺服电动机是一种电动机,通常作为一个完整的模块出售,用于位置控制或速度控制反馈控制系统。伺服电机用于机床,笔式绘图仪和其他过程系统等应用。 用于伺服机构的电机必须具有明确的速度,扭矩和功率特性。 速度与扭矩曲线非常重要,伺服电机的比率很高。 绕组电感和转子惯量等动态响应特性也很重要; 这些因素限制了伺服机构回路的整体性能。 大而强大但响应慢的伺服回路可以使用传统的AC或DC电机以及在电机上具有位置或速度反馈的驱动系统。 随着动态响应要求的增加,使用更专业的电机设计,例如无芯电机。 与直流电机相比,交流电机具有卓越的功率密度和加速特性,有利于永磁同步,BLDC,感应和SRM驱动应用。

伺服系统与某些步进电机应用的不同之处在于,在电机运行时位置反馈是连续的。 步进系统固有地操作开环 – 依靠电机不会“错过步骤”以获得短期精度 – 任何反馈,例如“原位”开关或位置编码器都在电机系统外部。 例如,当典型的点阵计算机打印机启动时,其控制器使打印头步进电机驱动到其左侧限制,其中位置传感器定义原始位置并停止踩踏。 只要电源打开,打印机微处理器中的双向计数器就会跟踪打印头的位置。

步进电机
步进电机是一种在需要精确旋转时经常使用的电机。 在步进电机中,包含永磁体的内转子或具有凸极的软磁转子由一组以电子方式切换的外部磁体控制。 步进电动机也可以被认为是DC电动机和旋转螺线管之间的交叉。 当每个线圈依次通电时,转子将自身与通电励磁绕组产生的磁场对齐。 与同步电动机不同,在其应用中,步进电动机可能不会连续旋转; 相反,它“步进” – 开始然后再次快速停止 – 从一个位置到下一个位置,因为励磁绕组被激励并且依次断电。 根据顺序,转子可以向前或向后转动,并且它可以随时改变方向,停止,加速或减速。

简单的步进电机驱动器完全激励或完全断开励磁绕组,使转子“齿轮”到有限数量的位置; 更复杂的驱动器可以按比例控制励磁绕组的功率,允许转子定位在齿轮点之间,从而非常平稳地旋转。 这种操作模式通常称为微步进。 计算机控制的步进电机是最通用的定位系统之一,特别是当数字伺服控制系统的一部分时。

步进电机可以容易地以离散的步骤旋转到特定角度,因此步进电机用于计算机软盘驱动器中的读/写头定位。 它们在pre-gigabyte时代的计算机磁盘驱动器中用于相同的目的,其中它们提供的精度和速度足以正确定位硬盘驱动器的读/写头。 随着驱动密度的增加,步进电机的精度和速度限制使其成为硬盘驱动器的过时 – 精度限制使它们无法使用,而速度限制使它们失去竞争力 – 因此较新的硬盘驱动器使用基于音圈的磁头驱动器系统。 (在这方面,术语“音圈”是历史性的;它指的是典型(锥形)扬声器中的结构。这种结构用了一段时间来定位磁头。现代驱动器有一个可旋转的线圈支架;线圈摆动来回,类似于旋转风扇的叶片。然而,像音圈一样,现代致动器线圈导体(磁线)垂直于磁力线移动。)

步进电机经常用于计算机打印机,光学扫描仪和数字复印机中以移动光学扫描元件,打印头托架(点阵和喷墨打印机)以及压板或进给辊。 同样,许多计算机绘图仪(自20世纪90年代初以来已被大幅面喷墨和激光打印机取代)使用旋转步进电机进行笔和压板移动; 这里的典型替代方案是线性步进电机或带闭环模拟控制系统的伺服电机。

所谓的石英模拟手表包含最小的普通步进电机; 它们有一个线圈,功率很小,并且有一个永磁转子。同一种电机驱动电池供电的石英钟。 其中一些手表,如计时码表,包含一个以上的步进电机。

在设计上与三相交流同步电动机密切相关,步进电动机和SRM被归类为可变磁阻电动机类型。 步进电机过去常常用于计算机打印机,光学扫描仪和计算机数控(CNC)机器,如路由器,等离子切割机和CNC车床。

无磁电机
静电马达基于电荷的吸引和排斥。 通常,静电电动机是传统的基于线圈的电动机的双重电动机。 它们通常需要高压电源,尽管非常小的电机使用较低的电压。 相反,传统的电动机采用磁吸引力和排斥力,并且在低电压下需要高电流。 在1750年代,第一台静电电机由本杰明富兰克林和安德鲁戈登开发。 今天,静电马达经常用于微电子机械系统(MEMS),其驱动电压低于100伏,而移动时,带电板比线圈和铁芯更容易制造。 此外,运行活细胞的分子机器通常基于线性和旋转静电马达。

压电电动机或压电电动机是一种基于当施加电场时压电材料的形状变化的电动机。 压电马达利用相反的压电效应,由此材料产生声学或超声波振动以产生线性或旋转运动。 在一种机制中,单个平面中的伸长用于进行一系列拉伸和位置保持,类似于履带的移动方式。

电动航天器推进系统使用电动机技术来推进外太空中的航天器,大多数系统基于将推进剂电力驱动到高速,一些系统基于电动力系绳推进到磁层的原理。