电机原理基础知识

第一部分：电机基础知识
一、小功率电动机的分类
按国家标准规定，小功率电动机指折算至1500r/min(转/分)时连续额定功率不超过1.1kw的电动机，也称为微电动机或马力电动机，其分类如下：
1、小功率电动机分为以下4种：
1)小功率异步电动机；
①三相异步电动机；
②单相电阻起动电动机；
③单相电容起动电动机；
④单相电容运转电动机；
⑤单相电容双值电动机；
⑥罩极异步电动机。

2)小功率同步电动机；
①永磁同步电动机；
②磁阻同步电动机；
③磁滞（zhi）同步电动机；
3)小功率直流电动机；
①有刷直流电动机；
A、励磁直流电动机；
B、永磁直流电动机。

②无刷直流电动机。

4)小功率交流换向器电动机；
①单相串激电动机；
②交直流两用电动机；
③推斥电动机。

二、电机的运行原理
1、安培环路定律——全电流定律
本定律阐（chan）述电流产生磁场的规律，由式表达：
上式说明沿任一条闭合回路L,磁场强度的线积分等于该闭合路所包围的全电流。

将全电流定律用到电机中，由于电机磁路通常可按不同的材料和几何尺寸分成几段，每段中的磁场强度是相同的，因此可将上式写成：
H i----第i段磁路磁场强度（A/m）
Li----第i段磁路计算长度（m）
Wi----磁势（A）
W---线圈匝数
磁场感应电流产生的强弱及方向由磁感应强度表示。

形象的描绘磁场用磁力线，磁力线是闭合曲线，磁力线的方向与产生磁场的电流之间符合右螺旋法则。

穿过单位面积的磁力线数就是感应强度B.
磁感应强度不仅与电流有关，而且与周围介质有关，当周围放有铁磁物质时，磁场会大大加强，这是因为不同的介质有不同的磁导率，磁导率用u0表示。

真空磁导率磁场物质u为u0的几百倍至几千倍，而且与磁场强度有关，不是常数，磁场强与磁感应强度关系为H=B/u
式中B——表示磁感应强度（T）
U——表示磁导率（H/m）
H——表示磁场强度，也叫磁势（A/m）
在均匀磁场中，穿过面积S的磁力线定义为磁通
2、电磁力定律
本定律阐述处于磁场中的载流导体受有电磁力作用。

当磁场与载流导体相互垂直时，作用在导体相互垂直时，作用在导体的电磁力为f=BiL
式中f——电磁力（N）
B———磁感应强度（T）
i-----导体的电流（A）
L-----导体的有效长度（m）
电磁力f的方向由左手定则判定：磁通指向手心，伸直四指指电流方向，垂直的拇指指电磁方向。

3、电磁感应定律
本定律阐述磁通变化产生感生电势的规律。

⑴变化磁通产生的感应电势——变压器电势
式中W—与磁通Φ相交链的线圈匝数
Φ—与线圈交链的磁通（Wb）
t —时间（s）
e —感应动势（V）
⑵切割电势，导线在磁场中运动并切割磁力线时，导体中产生感应电动势：
e =BL.V
式中B—磁感应强度（T）
L—导线有效长度
V—导线垂直于磁场的运动速度
上式感应电势方向由右手定则确定，手心迎着磁通、垂直的拇指指向导体运动方向，平行四指指向感应电势方向。

4、能量守恒原理
在质量不变的物理系统中，能量总是守恒的，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，而仅能变换的形式。

在电动机能量的平衡关系式为：
电源输入的电能=磁场储能的增加+热能的能量损耗+机械能的输出
式中：转换为热能的能量损耗主要包括三部分
⑴定、转子绕组铜耗；
⑵交变磁通在铁芯的铁耗
⑶通风、摩擦产生的机械损耗
三、单相异步电动机工作原理
在三项点集中，当定子三相绕组接到三相交流电源时，对称三相交流电流在三相对称绕组中流通，产生圆形旋转磁势和磁场，从下图表示：
电流随时间变化，产生磁势和磁场在空间旋转，旋转速度由电源频率f和电机极数p决定。

n =2x60/p*f
式中n—旋转磁转速（r/min）
p—电机极数
f—电源频率（HZ）
在单相电机中，由于单相绕组产生的使脉振磁场，电机没有起动转矩，不能起动，如下图所示：
因此在单相电机定子铁芯中嵌放两绕组且其轴线在空间相隔90°电角度，两相绕组的线径、匝数分布个不相同，其中一项绕组称为主绕组（用M表示）。

另一项绕组称为付绕组（用A表示）。

付绕组铁移相元件接入电源。

结构原理如下图：
在单相电机中，若定子上的主、付两相绕组完全对称，两相绕组接到两相对称电源，则与三相电机一样也产生在空间旋转的圆形旋转磁势和磁场，如下图：
可见对称绕组通入对称两相电流产生的旋转磁势与三相电机产生旋转磁势
一样。

其旋转速度与电源频率和电机极数有关：
n=120f/p
在单相电机的转子中铸有许多彼此相连通的鼠笼形铝导条，如图示：
当电机中磁场以n速度旋转时，处于旋转磁场中的转子导条就会切割磁力线而产生感应电势和感应电流，感应电流在磁场的作用下产生电磁力和电磁力矩，形成一定得转速n’。

一般情况下电机转速n’不等于旋转磁场转速n。

因为n’=n时，转子导条相对旋转磁场是静止的，导条中就不会产生感应电势和感应电流，电机就不会电磁力矩，电机的转速就会自然下降。

因转子速度始终低于旋转磁场速度，故此种电机为“单相异步电动机”。

四、电容运转单相异步电动机
工作绕组及主绕组M与副绕组A的轴线在空间相隔90°电角度，副绕组串联一个电容C在于工作绕组并接与电源，由于付绕组串联了电容所以副绕组中的电流在相位上超前于主绕组电流，这样由单相电流i分解成具有时间相位差的两相电流iM和Ia,因而电机的两相绕组能产生圆形或椭圆形的旋转磁场。

五、电机的调速方法及原理
作为单相异步电动机其调速方法有三种：⑴变极调速；⑵降压调速；⑶抽头调速。

1、变极调速
在单相电机中，有倍极调速和非倍极调速之分。

倍极调速电机一般定子上只有一套绕组，用改变绕组端部联接方法获得不同的极对数以达到调整旋转磁场的转速。

在极对数比较大的变极调速中，定子槽中安放两套不同极对的独立绕组，实际上相当于两台不同极对数的单速电机的组合，其原理和性能与一般单相异步电机一样。

2、降压调速
降压调速方法很多，如串联电抗器、串联电容、自耦变压器和串联可控硅调压调速。

空调中最常用的调速调压是可控硅调压、调速。

可控硅调速是改变可控硅导通角的方法，改变电动机端电压的波形，从而改变了电动机的端电压的有效值。

可控硅导通角a1=180°时电机端电压为额定值，a1＜180°时电压波形如果是实线部分，电机端电压有效值小于额定值，a1越小，电压越低。

3、抽头调速
电容运转电动机在调速范围不大时，普通采用定子绕组抽头调速。

此时定子槽中放置有主绕组、付绕组及调速绕组。

通过改变调速绕组与主、付绕组的联接方式，调整气隙磁场大小及椭圆度来实现调速的目的。

抽头调速分为T型抽头调速和L型抽头调速。

L型抽头调速又可分为主绕组抽头L-1型和付绕组抽头L-2型。

目前我司最常用的是T型抽头调速和副绕组抽头L-2 型。

原理线路图见下。

T型抽头调速优点：中低档运行绕组温升低；缺点：电机高档效力低，主绕组易形成匝间。

L型抽头调速优点：电机高档效力高，绕组不易形成匝间；缺点：中低档运行温升高。

六、直流电机
直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机，有刷直流电机又分为励磁式直流电机和永磁直流电动机。

在工作原理上永磁直流电机和励磁直流电机是相同的。

下面主要以永磁直流电机与无刷直流电机进行简要介绍。

1、永磁直流电机
永磁直流电机与励磁直流电机不同之处在于，提供电机的主磁场的方式不同，永磁直流电机提供主磁场的是永磁体，而励磁式直流电机提供的主磁场则是直流通电的线圈。

枢（shu）绕组，电枢电流Ia在永磁体所建立的磁场中使得通电导体产生的磁场中使得通电导体产生电磁力和电磁转矩使电机旋转。

2、无刷直流电动机
无刷直流电动机就是变频技术与直流电机相结合的产物，其具有效率高、噪音低、调速精度高、振动小、调速范围宽、寿命长等特点。

下面就空调用无刷直流电机的组成及工作原理作简要介绍：
⑴直流电机的组成
直流电机本体：定子主要采取集中式绕组，根据控制不同，绕组相数有单相、二相、三相、四相等结构，用的最多的是三相绕组结构，绕组接法有星型接法和环形接法两种，绝大部分绕组采用星型接法。

转子部分采用磁钢，磁钢提供电机的主磁场。

电机控制部分：无刷电机的控制方式主要有PAM(脉幅调制技术)和PWM(脉宽调制技术)，两种控制方式各有优缺点。

下图1为高压油位置传感器PWM驱动电路原理框图，主要由控制电路、逆变电路、三角波发生器、比较器、保护电路等组成。

从原理框图可以看出，无刷直流电机的控制部分只包含一直一交变频电路中的逆变部分，整流及滤波部分由空调的主电控完成。

⑵工作原理
众所周知，永磁体提供的磁极磁场在电机旋转过程中固定不变的，这就是要求每个时刻定子绕组产生的电枢磁场必须与转子的磁极磁场相对应，即绕组的电流方向、导通与关断受转子位置的控制。

因此，无刷直流电机必须有转子位置信号输出给电机的控制电路，电机的控制电路根据转子位置信号来控制相应的功率开关管的导通与关断，从而控制相应绕组的电流方向、导通与关断。

定子绕组若按一
定的通电顺序进行切换，就可以形成一个与转子位置对应的旋转磁场，使电机按要求的旋转方向旋转。

相对磁钢的某一磁极而言，每个时刻与它对应的电枢磁场是固定的，即绕组的电流方向是固定的，这与有刷直流电机类似。

图2为无刷直流电机运行原理图，绕组为三相星形接法，120度均布，采用三相半桥驱动方式，转子为一对极。

在图示位置，磁钢的磁极中心线与A相绕组对齐，此时的控制电路根据转子位置检测信号，使S1开关管触发导通，B相绕组通电，在B相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120独门，到达虚线转子所示的位置，磁钢的磁极中心线与B相绕组对齐，此时，控制电路根据转子位置检测信号，使S1开关管关断，使S3开关管导通，A相绕组通电，转子在A相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120度，按上述通电顺序循环导通，转子就顺时针旋转下去。

无刷直流电机采集转子位置信号，前者，电机结构简单，但电机起动困难；后者，电机结构稍复杂，但起动平稳、可靠，目前大部分的无刷直流电机均采用后者。

位置传感器的种类很多，空调用的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置传感器。

无刷直流电机大部分采用三相星形绕组结构，桥式控制电路，下面就二相导通星形三相六状态的无刷直流电机的驱动原理作详细介绍（下图3为原理框图）：
在此电机结构中，电机一般需要三个霍尔元件，三个霍尔元件输出的逻辑波形图和真值表如图4所示。

两个霍尔元件之间的空间夹角为120度电角度，所以输出
的脉冲信号相隔120度电角度。

从真值表可以看出，每个霍尔元件一次导通180度，每隔60度必有一个霍尔元件的输出状态发生却换，三个霍尔元件的输出状态的组合共有六种。

与上述的霍尔元件的输出状态相对应，在一个周期内，三相绕组间隔60度电角度换相一次，每个时刻有两条相绕组导通，每相绕组连续导通120度。

每相绕组正反向各导通一次，导通时间占三分之二周期。

假定电枢各相绕组的导通次序为：UV\UW\VW\VU\WU\WV,则电枢磁势的向量图如图5所示。

电机在该电枢磁场的作用下，按既定方向旋转。

真值表的参数必须与控制电路的逻辑程序相吻合，电枢磁场与转子主磁场将不匹配，电机将能运转或倒转。

⑶电机调速
就调速原理来说，无刷直流电机类似于一般的直流电机，通过改变电枢两端的直流电压大小来改变电动机的转速。

无刷直流电机有两种改变电压的方法：PAM和PWM,PAM 是电压的脉冲度保持不变，调节电压的幅值大小来改变电压的平均值大小；PWM正好相反，即电压脉冲幅值不变，脉冲宽度磕掉。

PAM方式调速。

其调速线性度好、噪音低，控制电路简单，但线路较复杂，噪音较大，主要用于高压电机。

⑷PWM调速的实现：
如图6所示，Vi为固定频率和固定电压的三角波，Vsp为直流电机电压，
两者输入一比较，Vi输入比较器的同相端。

当Vsp大于Vi时，比较器输出信号Vo为高电平，当Vsp小于Vi时，比较器输出信号Vo为低电平，Vo为一系列等宽度的脉冲波形，调节Vsp电压的大小，即可调节Vo的脉冲宽度的大小。

直流高压Vm施加到电机绕组两端，即可在绕组两端得到脉冲电压幅值不变，脉冲电压宽度可调的电压，调节Vo的脉宽占空比，机可调节电机绕组两端的电压平均值的大小，从而调节电机转速。

PWM控制方式输出给绕组的电压波形是一系列等宽度的矩形波，矩形波含义较大成分的谐波。

在某些场合，为了减少谐波对电机产生的不良影响，如转矩脉动、振动噪音和附加损耗的增加等，希望输给绕组的电压为正弦波，因此控制方式就要采用正弦脉宽调制技术（SPWM）在PWM控制方式的基础上，吧Vsp电压由输入直流电压该为输入正弦波电压，Vo即为一组幅值不变，宽度按正弦波规律变化的矩形脉冲波。

用Vo来控制逆变电路的开关管的导通与关断，输给电机绕组的电压的平均值即按正弦规律变化，从而改善电机的性能。

在有特殊要求应用场合，可以改变Vsp电压的性质来改变PWM控制方式的特性，是PWM控制方式满足使用要求。

⑸应用
因为采用了变频技术和位置传感技术，使无刷直流电机继承了有刷直流电机的特性，又无有刷直流电机的缺点，所以直流电机得到迅速发展，在各个领域得到了广泛的应用。

以家用变频空调为例，使用无刷直流电机，电机转速的调节范围很宽，在变频空调需要快速制冷、制热；无刷直流电机易于实现精确控制；无刷直流电机的效率高，为变频空调实现高能效比提供保障。

七、电机主要参数
1、空载输入电流：是指电机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行（轴上输出功率为零）情况下，流入电动机的电流称为空载电流。

单位：A或mA.
2、空载输入功率：是指电机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行（轴上输出功率为零）情况下，流入电动机的功率称为空载功率。

这部分功率消耗主要体现在磁场储能，定、转子绕组铜耗和铝耗，交变磁通在铁芯损耗，通风、轴承摩擦产生机械耗损。

单位：W(瓦)
3、负载输入电流：是指电动机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、带额定负载运行在额定转速下，所输入电机的电流。

单位：A或mA.
4、负载输出功率：是指电动机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、带额定负载运行在额定转速下，轴伸端所输出的功率。

单位：W(瓦)。

5、温升：是指电动机在制定测试条件下运行，内部绕组与铁芯部分的温度相对于测试环境温度的升高值。

目前较常用的测试方法为绕组电阻法。

K=(R1-R0)\(234.5+T0)-(T1-T0)
6、噪音：电机噪音可分为机械噪音和电磁噪音。

机械噪音通常由电机装配不良定、转子擦边及轴承噪音等形成。

定转子气隙不均匀受装配零件同轴度的影响较大，磁场过于饱受设计功率较大电机的材料限制造成。

噪音用dB表示。

八设计单相电容运转异步电动机必须提供参数：
目前空调电机设计而言具备下述条件之一即可：
1、额定电压、频率、电容、负载转速、负载输出功率、外形安装；
2、额定电压、频率、电容、负载转速、实际负载、外形安装；
3、额定电压、频率、电容、负载转速、样机、外形安装；
4、额定电压、频率、电容、负载转速、T-S曲线、外形安装；
九、那些参数变化可引起电机成本增加
在电机设计已是最优化状态下，下述要求必须增加成本：
1、负载不变情况下，要求提高转速；
2、负载不变情况下，要求降低温升；。