其他电机介绍

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1 永磁同步电机 内容简介：涉及下列两类永磁同步电动机基本运行原理、电磁过程、数学模型及运行特性正弦波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机（永磁无刷直流电动机）永磁同步电动机的优缺点：功率密度高转子的转动惯量小运行效率高转轴上无滑环和电刷转子励磁无法灵活控制永磁体存在失磁现象转子磁势受环境温度影响滞后定子功率因数

分类： 按永磁体结构分类 • 表面永磁同步电动机 • 内置式永磁同步电动机按定子绕组感应电势波形分类正弦波永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 梯形波永磁同步电动机(Brushless DC Motor, BLDC)

1.1 正弦波永磁同步电动机 图10.1 正弦波永磁同步电动机的基本组成框图

1.1 正弦波PMSM的基本运行原理 • 定子三相绕组采用正弦绕组; • 由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转; • 定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速; • 转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得; 正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机

1.2 正弦波PMSM的结构特点与矩角特性 表面永磁同步电动机内置式永磁同步电动机 1. 正弦波表面永磁PMSM 图10.2 表面永磁同步电动机的结构

A、表面永磁同步电动机的特点： 永磁体粘接到转子铁心表面，转子转速低；有效气隙较大，则同步电抗小，电枢反应小；气隙均匀，呈现隐极式同步电机的特点，即： B、电压平衡方程式与相量图（10-1）图10.3 正弦波表面永磁同步电动机的时空相量图

C、矩角特性： （10-2）式中，；为转子永磁磁场在定子绕组内所匝链的磁链，且。对永磁同步电动机， =常数。鉴于上述特点，表面永磁PMSM基本运行在恒励磁状态，相应的电动机运行在恒转矩区域，其弱磁调速范围很小。

2. 正弦波内置永磁PMSM 图10.4 内置永磁同步电动机的转子结构示意图

2. 正弦波内置永磁PMSM A、内置永磁同步电动机的特点： • 永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，适用于高速运行场合； • 有效气隙较小，d 轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，从而存在相当大的弱磁空间； • 直轴的有效气隙比交轴的大（一般直轴的有效气隙是交轴的几倍），因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，即：或。 B、电压平衡方程式与相量图（10-3）

图10.6 内置式永磁同步电机的矩角特性曲线 矩角特性的特点： • 对应于凸极效应的同步转矩：； • 最大功率角较转子直流励磁凸极同步电动机大。

2 无刷永磁直流电动机建模与分析 用途： • 高性能伺服系统，如数控机床、机器人、载人飞船等； • 家用电器，如高档洗衣机、变频空调、电动自行车等类型：无刷永磁直流电动机是一种典型的机电一体化电机。图10.15 永磁无刷直流电动机的系统组成

结构特点： 定子绕组采用整距、集中绕组；永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构；上述结构特点决定了转子永磁体所产生的主磁场波形如图10.16所示。图10.16 永磁无刷直流电动机的主磁场磁密波形图

当转子以恒定转速旋转时，三相定子绕组所感应的相电势波形及电流波形如图10.17所示。当转子以恒定转速旋转时，三相定子绕组所感应的相电势波形及电流波形如图10.17所示。图10.17 永磁无刷直流电动机定子绕组感应的相电势和电流波形

图10.15中,电力电子变流器的开关规律(又称为 导通型):

永磁无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机的比较永磁无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机的比较 • 从结构上看： • 对于永磁无刷直流电机，其定子三相采用集中、整矩绕组，而转子永磁体则采用表面瓦片式结构，永磁体厚度均匀； • 对于正弦波永磁PMSM，其定子三相则采用分布、正弦绕组，转子永磁体主要有两大类：一类是表面永磁结构；另一种为内置永磁体结构，这两种结构均可确保气隙磁密的波形接近正弦。 • 从转子位置传感器上看： • 对于永磁无刷直流电机，仅需提供六个（通常为三个）离散的转子位置反馈信息即可； • 对于正弦波永磁PMSM，需要提供连续的转子位置反馈信息。 • 从所产生的电磁转矩看： • 永磁无刷直流电机存在一定的转矩脉动； • 正弦波永磁PMSM所产生的电磁转矩基本上是恒定的。 • 从体积和重量角度看：永磁无刷直流电动机的功率密度是永磁同步电动机的1.15倍。

3 步进电动机的建模与分析 步进电机的特点： • 每输入一个电脉冲，转子则移动一步距角； • 输出步距角的精度主要取决于自身的结构； • 可以看作为是一种按脉冲方式工作的同步电动机； • 转角或转速仅受控于定子绕组的通电频率，与负载以及电压的变化无关，也不受环境等因素的影响；步进电机的类型： • 反应式步进电机 • 永磁式步进电机 • 混合式步进电机

3.1 步进电动机的基本运行原理 1. 步进电动机的基本运行原理原理：转子齿与定子齿对齐、磁路磁阻最小，从而获得单方向的电磁转矩图11.17 反应式步进电动机的运行原理示意图（模型电机）图中，步进电机的转向取决于通电顺序。

2. 定子绕组的通电控制方式 以三相定子绕组为例加以说明。 • 单三拍通电方式；即：，步距角。 • 双三拍通电方式；即：，步距角 • 单、双六拍通电方式。即：步距角。为了减小步距角，实际步进电动机的定、转子皆采用多齿结构，如图11.18a所示。

图11.18 三相步进电动机的典型结构与展开图（实际电机）对于实际反应式步进电机，其转子齿数需满足下列条件：式中，2p为反应式步进电动机定子的极数；m为定子相数；K为任意正整数。（11-37）

由于经过一个通电周期后转子转过一个齿距，同时考虑到每个电脉冲周期是由由于经过一个通电周期后转子转过一个齿距，同时考虑到每个电脉冲周期是由 N拍组成，则每个电脉冲（或每拍）作用下转子所转过的角位移即步距角为：（11-38）上式表明，步距角与转子齿数和拍数有关，而拍数又进一步与步进电动机定子绕组的相数和通电方式有关。结论 • 步进电动机转子的转角（或转速）与定子绕组的输入脉冲保持严格的比例（或同步）关系。 • 步进电动机相当于一个速比为或的齿轮减速机构。

说明如下： 设通电脉冲的频率为，则经过一个通电周期（即 N个电脉冲）后转子转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为秒，转子每转过一周所用的时间为。因此，转子转速为：（11-39）而定子步进磁场的转速为：（11-40）考虑到对于反应步进电动机，于是得反应式步进电机定子步进磁场与转子的转速之比为：（11-41）若采用单拍通电方式，则，从而；若采用双拍通电方式，则，从而，由此可见，步进电动机相当于一个速比为或的齿轮减速机构。

微特电机的分类： • 驱动微电机:在电力拖动系统中作为执行机构使用,如单相异 • 步电机、伺服电机、力矩电机、直线电机以及超声波电机等； • 控制电机：在电力拖动系统中以完成信号的转换和传递为目 • 的，如测速发电机、自整角机以及旋转变压器等。 4 单相异步电动机单相异步电动机：单相异步电动机是单相电源供电异步电动机的总称。它一般是由定子两相绕组和转子鼠笼绕组组成。 A、单相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性单相异步电动机的结构如图12.1a所示。

图12.1 单相异步电动机的结构图与磁场情况 图12.1中，定子包括两相绕组：一相为主绕组（又称为工作绕组）；另一相为起动绕组（又称为辅绕组），两相定子绕组空间互差，转子为鼠笼式结构。主绕组单独通电、起动绕组开路时异步电动机所产生电磁转矩的分析：利用6.5节的结论：单相绕组通以单相正弦交流电流将产生脉振磁势。该脉振磁势可分解为两个幅值相等（大小为脉振磁势幅值的一半）、转速相同（均为同步速）且转向相反的旋转磁势（见图12.1b），其解析表达式可由下式给出：（6-56）

式中，两个旋转磁势、 将分别产生两个转向相反的旋转磁场。旋转磁场分别切割转子绕组，在转子绕组中感应电势和电流。定子旋转磁场与转子感应电流相互作用分别在转子上产生正、反转的电磁转矩和。其中，对正向旋转磁场而言，转子的转差率为：（12-1）对于反向旋转磁场而言，转子的转差率为：（12-2）考虑到正、反转旋转磁势的幅值相等、且其幅值均为脉振磁势幅值的一半，因此相应的激磁电抗、漏电抗以及转子绕组电阻均可平均分配。这样，借助于三相异步电机的等效电路便可得到单相异步电动机的等效电路，如图12.2所示。图12.2 单相异步电动机的等效电路

根据图12.2所示的等效电路，同时忽略激磁电流，则单相异步电动机的电磁转矩可通过下式求得：根据图12.2所示的等效电路，同时忽略激磁电流，则单相异步电动机的电磁转矩可通过下式求得：（12-3）其中，转子电流为：（12-4）图12.3分别给出了正向旋转磁场所产生的电磁转矩与转差率之间的关系和反向旋转磁场所产生的电磁转矩与转差率之间的关系，以及上述两条曲线的合成结果即单相异步电动机总的电磁转矩与转差率之间的关系。纵、横坐标颠倒即得到单相异步电动机的机械特性 ,如图12.3b所示。

图12.3 单相异步电动机的曲线 与机械特性 • 结论： • 对于单相绕组，当转速为零时，合成电磁转矩为零。亦即单相绕组通电不会产生起动转矩； • 一旦在外力作用下转子沿某一方向开始旋转，则合成电磁转矩将不再为零。即使外力去掉，转子仍将沿该方向继续旋转。因此，转子的转向取决于刚开始施加外力的方向； • 理想空载转速低于同步速，即，表明单相异步电动机的额定转差率高于普通三相异步电动机。

B、两相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性B、两相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性 a、两相绕组通电时异步电动机的旋转磁场设单相异步电动机主、辅绕组（见图12.1a）空间互成，其有效匝数分别为、，主、辅绕组分别通入如下电流： (12-5) 根据6.5节，主、副绕组所产生的定子基波磁势可分别表示为： (12-6) (12-7) 式中，主、辅绕组脉振磁势的基波幅值分别为：，

则定子基波合成磁势为： (12-8) 式中，正向旋转磁势的幅值为；反向旋转磁势的幅值为。由于两种旋转磁势的幅值不相等，且转向相反，其合成磁势为一幅值变化的椭圆形旋转磁势，如图12.5所示。图12.5 定子电流产生的椭圆形旋转磁势图12.5中，定子合成磁势沿x轴、y轴的分量分别为：（12-9）

则定子基波合成磁势的轨迹为： （12-10）结论：两相定子绕组通以两相对称电流所产生的定子基波合成磁势为椭圆形旋转磁势。 b、两相绕组异步电动机的机械特性根据上述椭圆形旋转磁场的结论并采用类似于12.1.1节的方法便可以获得两相绕组异步电动机的机械特性。图12.6给出了两相绕组异步电动机当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流，且时的机械特性。

图12.6 两相绕组异步电动机的机械特性 结论：当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流时，两相绕组异步电动机则产生起动转矩。 C、单相异步电动机的类型 a、电阻分相式单相电动机

图12.7 电阻分相式单相异步电动机 • 特点： • 主、辅绕组（或起动绕组）空间互差； • 辅绕组的电阻与电抗的比值比主绕组高，以确保同一电压作用下两绕组所流过的电流相位不同；图12.7中的离心开关K 为常闭触点，当接至单相交流电源时，由于两相绕组分别通以两相不对称电流，电动机会因椭圆形旋转磁场而产生起动转矩。一旦转子转速达75~80%额定转速时，离心开关K 断开，辅绕组脱离电源，仅主绕组工作。图12.8给出了电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线。

图12.8 电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线 b、电容起动式单相电动机图12.9 电容单相起动式异步电动机

特点： • 主、辅绕组的匝数一般相等（也可以不同）； • 副绕组是通过与电容C以及离心开关K串联后与电源并联。由于电容的作用，副绕组中的电流超前主绕组中的电流接近，从而使得定子旋转磁势接近圆形，可以获得较大的起动转矩，且起动电流较小。图12.10给出了单相电容起动式异步电动机的典型机械特性曲线。图12.10 电容起动式单相异步电动机的典型机械特性曲线

c、电容起动与运转式单相电动机 图12.11 电容起动与运转式异步电动机的接线图 • 特点： • 辅绕组中采用了两个电容器，一个是运行电容；一个为起动电容，且仅起动电容与离心开关串联；上述方案可确保起动与运行时均获得接近圆形的气隙合成旋转磁势，从而既可以获得较大的起动转矩又可以提高运行时的最大电磁转矩。图12.12给出了电容起动与运转式单相异步电动机的典型机械特性曲线。

图12.12 电容起动与运转式异步电动机的典型机械特性曲线 d、罩极式单相电动机图12.13 单相罩极式异步电动机的结构示意图

特点： • 定子采用凸极式结构，主磁极上装有工作绕组； • 在每个磁极的约1/3处开有小槽，其上套有铜短路环（相当于起动绕组）。当主极绕组通电后，流过主极但不流过短路环的磁通为；流过短路环的磁通由两部分组成：，其中，是由主极绕组电流所产生的，是由在短路环中的感应电流所产生的；由图12.13b可见，磁通与在时间上存在相位差。导致转子由未罩部分向被罩部分方向旋转。结论：罩极式电动机转子的转向是固定不变的。单相罩极式电动机典型的机械特性曲线如图12.12c所示。

E 单相串励电动机 单相串励电动机是一种带有电刷和换向器的单相交流电动机，有的串励电动机可由交流亦可直流供电，称为交直流两用电动机。应用：电动工具、家用电器、医疗器械、小型钻床。手电钻、冲击钻、电锯、电锤、电磨、吸尘器、电吹风等定子有：定子铁心、定子绕组、机壳、端盖、电刷装置等部件；转子有：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴。

工作原理 电机接到直流电源，电流通过励磁绕组，产生恒定磁场，电流通过电枢绕组，当电机接入单相交流电源，就是一台单相串励电动机，同向忽略铁耗和换向元件损耗的基础上，励磁磁通与电流电磁转矩

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