电机的定义及种类

　　电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

　　发电机在电路中用字母“G”表示。它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电，随着风力发电技术的日趋成熟，风电也慢慢走进我们的生活。

　　变压器，在有的书上称之为静止的电机。从电机的定义发现，这么说也有它的道理的。

　　电动机的种类

　　1．按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。

　　1.1直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。

　　1.1.1有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。

　　1.1.1.1电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

　　1.1.1.2永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

　　1.1其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。

　　2．按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

　　2.1同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

　　2.2异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。

　　2.2.1感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

　　2.2.2交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

　　3．按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

　　4．按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。

　　4.1驱动用电动机划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

　　4.2控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。

　　5．按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

　　6．按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

　　调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

　　2．无刷直流电动机

　　无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等长处，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

　　无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，如图18-13所示。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

　　位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

　　采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

　　采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

　　采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

　　此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模仿/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

　　直流无刷电机的控制结构

　　直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响：

　　n=120．f / p。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中央反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

　　直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。

　　电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，假如输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

　　直流无刷电机的控制原理

　　要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序， inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继承转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法可举例如下：

　　ah、bl一组→ah、cl一组→bh、cl一组→bh、al一组→ch、al一组→ch、bl一组

　　但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

　　当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(ah、bl或ah、cl或bh、cl或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由pwm来完成。pwm是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的pwm才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的clock 分辨率是否足以把握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判断准确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得十分重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，p.i.d.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如p.i.d.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的结实耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全把握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型p.i.d.控制的重要理论。

　　一、直流发电机工作原理

　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

　　感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）

　　当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。

　　和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。假如电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。

　　二、直流电动机的工作原理

　　导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力构成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

　　电机行业标准

　　GB/T 1993-1993 旋转电机冷却方法

　　GB 20237-2006 起重冶金和屏蔽电机安全要求

　　GB/T 2900.25-2008 电工术语 旋转电机

　　GB/T 2900.26-2008 电工术语 控制电机

　　GB 4831-1984 电机产品型号编制方法

　　GB 4826-1984 电机功率等级

　　JB/T 1093-1983牵引电机 基本试验方法

　　电机的用途

　　1：伺服电动机

　　伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。
伺服电动机有直流和交流之分，最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲就是小功率的直流电动机其励磁多采用电枢控制和磁场控制但通常采用电枢控制。

　　2：步进电动机

　　步进电动机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

　　除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

　　(3)动刚度高由于“直接驱动”避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象 同时也提高了其传动刚度。

　　(4)速度快、加减速过程短

　　由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500km/h)所以用在机床进给驱动中要满意其超高速切削的最大进给速度(要求达60～100M/min 或更高)当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速 高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度一般可达2～10g(g=9.8m/s2)而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

　　(5) 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机 就可以无限延长其行程长度。

　　(6)运动动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触)其运动时噪音将大大降低。

　　(7)效率高。由于无中间传动环节消除了机械摩擦时的能量损耗传动效率大大提高。

　　电动机法则

　　法则1：电动机的力矩是与一定时间内通过的电流与电压的乘积成比例、并在启动时(未转动时)取得最大值。(根据这个，通常因为电压一定，所以只和电流量成比例)

　　法则2：要增大电流，可以通过加粗线圈减少电阻、或减少线圈数(线圈的总长度)。或者，增加负荷。

　　法则3：线圈线

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