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1、精选优质文档-倾情为你奉上电动机介绍目 录专心-专注-专业一、电机原理与结构1.1 电机的应用在日常生活中电动机（Electric motor）是占有不可或缺的零件。电动机又称为电动马达，是一种将电能转换成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。电动机的用途有用在电风扇、玩具车、洗衣机、录音机，等等。1.2 基本原理通电导线在磁场中会受到力的作用。力左电右：左手定则，摊开左手，使大拇指与其余四指垂直且在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则大拇指所指为导体受力方向；右手定则，摊开右手，使大拇指与其余四指垂直且在同一平面内，让大拇指指向导体运动方向，则其余四
2、指所指为感应电流方向。1.3 电机基本结构电动机一般称为马达，能将电能转换为机械能，以驱动机械作旋转、振动或直线运动，被广泛运用于动控制与与机电整合领域。电动机的种类很多，对于基本结构来说，组成主要由于定子（Stator）和转子（Rotor）所组成。定子在空间中禁止不动，转子则可绕轴转动。定子与转子之间会有一定空气间隙，以确保转子能自由转动。定子与转子绕上线圈，同上电流产生磁场，就会为电磁组，定子和转子其中之一可为永久磁铁。直流马达的原理是定子不动，转子一相互作用所产生作用力的方向运动如图一，所示。交流马达则是定子转主线圈通上交流电，产生旋转运动（如图一 直流马达基本原理图）。图一 直流马达基
3、本原理图1.4 常用电机主要类型按结构和工作原理可划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。具体电机分类(见表一电动机种类)。表一 电动机种类按工作电源分类直流电动机交流电动机：单相交流电动机、三相交流电动机按结构原理分类异步电动机同步电动机（转子转速与磁场转速是否同步）按用途分类驱动用电动机控制用电动机：步进电动机（开环控制）、伺服电动机（闭环控制，更精确）按转子结构分类鼠笼型电动机绕线型电动机二、直流电动机2.1 概念直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和
4、机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。2.2 直流有刷电机直流有刷电机XYD-18功能描述由实物图，和，功能图结构图构成（如图二 直流有刷电机XYD-18）。图二 直流有刷电机XYD-182.3 工作原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。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
5、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）。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形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。所有尺寸单位为：mm表二 XYD-18功能电压范围额定功率额定转速额定效率尺寸A控制器DC 24V-485000W380RPM75%96XK-022EDC 24V-4875
6、0W390RPM75%106XK-022DDC 24V-481000W395RPM75%116XK-022D2.4 控制原理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
7、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续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
8、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 分辨率是否足以掌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定正确性、 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
9、以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。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，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，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。（如图三 直XYD-18 功能图）。
10、图三 XYD-18 功能图图四 XYD-18 结构图2.5 组成结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。（1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴
11、，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，（2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。（3）机座电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，
12、一般为铸钢件或由钢板焊接而成。（4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。三 异步电动机3.1 异步电动机概念感应电动机又称“异步电动机（asynchronousmotor）”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场
13、并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，单相电动机用在如洗衣机，电风扇等；三相电动机则作为工厂的动力设备。3.2 工作原理通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描
14、述转子转速n与同步转速n1之间的差别，引入转差率（slip）。3.3工作方式3.3.1 异步电动机软起动随着微型计算机控制技术的迅猛发展，在相关的控制工程领域中先后研制成功了一批电子式软起动控制器，广泛应用在电动机的起动过程，降压启动器随之被替代。当前电子式的软起动设施都使用的是晶闸管的调压电路，其电路构成如下所描述：晶闸管六只，两两反并联后串联至三相电源上，待系统发送起动信号后，微机控制起动器系统立即进行数据计算，令晶闸管输送触发信号，使晶闸管的导通角得到控制，根据给定的输出，调节输出电压，实现电动机的控制。该起动方式适合各种功率值的三相交流异步电动机包括六根和三根连接方式的起动控制。3.3
15、.2 直接起动此种起动方式是电机起动方式中最基础最简单的，首先借助用刀开关使电动机与电网进行连接，此时在额定电压下电动机起动并运行起来，该方式特点为：投资少，设备简单、数量少，虽然起动时间短，但起动时的转矩较小，电流较大，比较适合应用在容量小的电动机起动。3.3.3 降压起动由于直接起动存在较大的缺点，降压起动随之产生。这种起动方式适用的起动环境为空载和轻载这两种情况，由于降压起动方式是在同时实现了限制起动转矩和起动电流的，因此起动工作结束后需要使工作的电路恢复到额定状态。3.4 特点一般来说，小型异步电机指的就是感应运转型异步电机。这种电机不只在启动时，在运转时也使用辅助线圈和电容器。虽然启
16、动转矩不是很大，但其结构简单，信赖度高，效率也高；随负荷的大小，电机的额定转速也会改变；可以连续运转；使用于不需要速度制动的应用场合；用E种绝缘等级，而UL型电机则用A种；有感应运转型单相异步电机和三相异步电机两种；单相电机为感应运转型异步电机，效率高，噪声低；单相异步电机运转时，产生和旋转方向相反的转矩，因此不可能在短时间内改变方向。应在电机完全停止以后，再转换其旋转方向；单相电机的电源有A（110V 60Hz）、B（22V 60Hz）、C（100V 50/60Hz）、D（200V 50/60Hz）、E（115V 60Hz）、X（200-240V50Hz）等；三相电机时使用U（200V 50
17、/60Hz）、T（220V 50/60Hz）、S（380-440V 50/60Hz）电源的异步电机。表三 特别事项项目事项绝缘阻抗在常温金属阻和电动机外壳之间的绝缘电阻超过100M绝缘内压在常温金属绕组和电动机箱之间的电压温度上升以1500V、50/60Hz输入1min时没有任何问题。绝缘等级E种（120）过热保护装置开放（1205）；复归（775）使用温度-1050（UL CE规格电动机使用温度为-1040）电机机座号、型号示例：Y180M-6异步电动机实物图见图五图五 异步电动机图六 内部结构图3.5 交流异步电特点性能优良，节能省电，结构可靠，通用性强。可作为空气压缩机，电冰箱，医疗器械
18、等机械的动力装置。根据需要可采用铸铝机壳或铸铁机壳。3.6 运行参数绝缘等级E级，冷却方式IC0141，外壳防护等级IP44。在海拔不超过1000米，环境空气温度不超过40，采用连续工作制（S1）为基准的连续定额等条件下，能额定运行。基本系列电动机额定电压为220V，额定频率为50HZ。根据客户需要，可提供110V/220V、110V、240V;60HZ等电源电动机。四、同步电动机4.1 同步电动机概念同步电动机（synchronous motor）是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。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
19、机。4.2 同步电动机特点转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。4.3 同步电动机结构同步电动机
20、的结构和同步发电机基本相同，转子也分凸极和隐极。但大多数同步电动机为凸极式。安装形式也分卧式和立式。为了解决同步电动机的启动问题，在其转子上一般装有起动绕组。它还可以在运行中抑制振荡,故又称阻尼绕组。除了上述传统结构外,还有一种无滑动接触的爪极式转子结构。 以6极电机为例，在转轴上相向地装上两组爪形磁极。一组在爪盘上沿轴向向右伸出3个极身；另一组反向安装在右边,使爪盘上沿轴向向左伸出3个极身。这种结构的主要优点是旋转部分没有绕组，也无集电环和电刷之间的滑动接触，故运行可靠，绝缘结构简单，维修也方便。但它的主磁路长且有较多气隙，使励磁所需功率增大；电机外壳有强磁性，这会引起轴承发热；而转轴也必须
21、采用隔磁措施。4.4起动特点同步电动机仅在同步转速下才能产生平均的转矩。如在起动时立即将定子接入电网而转子加直流励磁,则定子旋转磁场立即以同步转速旋转,而转子磁场因转子有惯性而暂时静止不动，此时所产生的电磁转矩将正负交变而其平均值为零，故电动机无法自行起动。要起动同步电动机须借助其他方法，主要有以下两种方法。4.4.1 异步起动法在电动机主磁极极靴上装设笼型起动绕组。起动时，先使励磁绕组通过电阻短接，而后将定子绕组接入电网。依靠起动绕组的异步电磁转矩使电动机升速到接近同步转速，再将励磁电流通入励磁绕组，建立主极磁场，即可依靠同步电磁转矩，将电动机转子牵入同步转速。4.4.2辅助电动机起动法通常
22、选用与同步电动机同极数的感应电动机（容量约为主机的1015%）作为辅助电动机，拖动主机到接近同步转速，再将电源切换到主机定子，励磁电流通入励磁绕组，将主机牵入同步转速。4.5 同步电动机结构同步电动机在结构上大致有两种：转子用直流电进行励磁。它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子
23、的周围，结构与异步电动机相似。当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。如图四 同步电动机图七 同步电动机立体解剖图图八 同步电动机平面图五、单相三相交流电动机5.1 单相分相起动单相电机定子中有主副两根绕组，主绕组较粗，电阻一般为几欧，副绕组较细，电阻一般十几欧到几十欧。主绕组与副绕组在空间上呈九十度，且因为负绕组支
24、路中电容的作用，两绕组上的电流在相位上相差九十度，以此来产生一个旋转磁场起动电机。转子为鼠笼式。结构图图九 单相交流电动机内部结构图为了不断开是为了提高功率因数，增加转矩，但最佳运行电容往往不是最佳起动电容，所以有下面的双电容形式。起动电容容量远大于运行电容5.2 模型设计三相异步电机的仿真模型分别由定子模型、转子模型、磁链以及转矩模型组成。定子模型根据dq0系统下电机的定子电压方程即可建立电机的定子仿真模型，如实例图所示。图十 三相异步电机定子仿真模型转子电压模型转子电压模型三相异步电机转子电压模型 图十一 相异步电机磁链模型5.3 电机模型将上述各模块按照数学模型的要求进行正确连接，既可以
25、得到三相异步电机的合成模型，如图所示。经封装后，得到其封装模型如实例图所示图十二 封装模型由此可见，对于一个电气工程技术人员来说，熟悉各种电机的类型及其性能是很重要的一件事情。通常人们根据旋转电机的用途进行基本分类。下面我们就从控制电动机开始，逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电动机控制电动机和功率电动机以及信号电机。六、国内外电机的发展前景6.1 厂家为汽车电机供应首先通过表三看出各个电机厂家为汽车提供的电机情况，2015年以来，电机电控行业已经进入存量竞争的阶段，随着兼并重组的不断进行，行业集中程度将会提高。新能源汽车电机作为新兴行业，技术和经验上的积累尤为重要，行业新进入者如果从
26、研发开始做起，到配套供应整车使用，至少要经过三年时间。在当前时间点了，三年时间意味着将错过行业快速发展的黄金时期，因而资源整合和存量竞争将是未来的主要趋势，从这个角度来看，强强联手的龙头企业胜出的可能性最大。表三 汽车电机供应情况主要电机厂客户南车时代安凯汽车、北汽福田、大中汽车、丹东黄海、湖南巴士、金华青年、少林客车、亚星客车、依维柯、宇通客车、中通客车浙江尤奈特海马汽车、力帆汽车、奇瑞汽车、众泰汽车深圳大地和广汽汽车、东风汽车、天津清源比亚迪比亚迪大连电机北汽福田、华晨金杯上海电驱动东风汽车、华晨汽车、华普汽车、奇瑞汽车、上汽集团、一汽汽车东风电机东风渝安、柳州五菱、陆地方舟福工动力厦门金
27、旅上海大郡上海申沃、上汽集团、厦门金龙、五洲龙、宇通、中通、东风精进电动北京汽车、北汽福田、戴姆勒南洋电机安凯客车、苏州金龙、厦门金龙、江淮汽车襄樊特种电机安源客车、上海申沃、丹东黄海大洋电机北汽福田、上汽、一汽、宇通客车、青年汽车、江淮、东风江苏微特利吉利汽车、华晨汽车、海马汽车、众泰汽车湘潭电机苏州金龙、厦门金龙6.2 国家政策中国制造2025明确提出，到2020年，我国将实现自主品牌新能源汽车销量100万辆，根据我们大致测算，按照乘用车75万辆，商用车25万辆划分，乘用车动力总成平均2万/套，商业车动力总成平均10万/套，合计市场空间将达到400亿元。6.3 电驱动汽车电驱动系统包括电机
28、和电机控制器两大部分，电机属于重资产的电机领域，而电机控制器则属于轻资产的电子领域，两个领域之间的本身的相关性很低，分开制造很容易造成配套上的不契合，因而电驱动系统领域的其中一个发展趋势即为产业整合，电机控制器厂商和电机厂商互相跨界整合。而在电驱动系统的“春秋时代”能够最后胜出的企业，一定需要同时具备“懂车懂电机懂电子”三个方面，三方面结合制造出来的电驱动系统才是真正适合新能源汽车的电驱动系统。6.4 电机行业市前景随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展，电机的应用不再局限于工业应用，电机产品的使用范围扩展到商业及家用设备等领域。同时，随着新材料如稀土永磁材料、磁性复合材料的出现，使得各
29、种新型、高效、特种电机层出不穷。近十几年，由于国际社会对节约能源、环境保护及可持续发展的重视程度迅速提高，生产高效电机已成为全球电机工业的发展方向。目前，世界电机制造业正从通用产品向通用与专用特殊产品并举的方向发展，高效、节能、高品位电机和机电一体化的变频电机将有良好的市场前景。6.5 国外电机国外电机企业将其电机产品的主要部件外包给专业生产企业为其制造，促进了国内电机制造企业的发展，以及电机行业专业分工的业务模式的形成。随着国外电机生产企业将制造基地向发展中国家转移，我国电机制造行业产量逐年增长，出口额逐年上升，出口产品档次不断提高，部分技术含量较高的产品已打入国际市场。根据全国海关信息中心
30、的统计数据，2007年我国电机出口贸易额为56.19亿美元，2014年我国电机出口贸易金额达107.29亿美元，期间年复合增长率为9.67%。经过多年的发展，国内电机行业已形成一批规模较大的电机企业，这些企业为了应对全球化格局下的市场竞争，逐步由“大而全”向“专业化、集约化”转变，进一步推动了电机行业中专业化生产模式的发展。根据国家统计局数据，截至2015年6月，我国电机制造业规模以上的企业共有2,685家，总资产规模达到7,288.40亿元。电机作为基础能量转换设备，近年保持稳定快速增长，根据国家统计局数据，2014 年，我国电机制造企业实现营业收入为7,948.08 亿元，实现利润总额46
31、7.95亿元，同比分别增长7.04和7.66。2010 年以来，我国电机制造业收入及利润复合增长率分别为：11.88%和7.73%。七、 总结从全球电机市场的竞争格局来看，占主导地位的仍是几家大型跨国企业，全球电机产品主要制造商有通用电气、西门子、ABB、东芝、日立、三菱等，这些企业掌握着世界上最先进的电机制造技术，尤其在大中型电机产品的技术上占有优势。这些国际厂商凭借技术实力和品牌的双重优势，占据了海外大部分市场份额。基于广阔的市场空间和劳动力成本优势，国际知名电机企业都已在中国设立生产基地，在带来新产品和新技术的同时，也为国内的电机配套行业带来了市场机遇。电机在我国还有很大的发展潜力与市场需求，尤其是在新能源产业的快速发展，对电机的要求也越来越严格，只有把握好机会，放眼未来，才能在激烈的竞争中出于不败之地。