電機(jī)原理基礎(chǔ)知識

　　一、小功率電動機(jī)的分類 按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，小功率電動機(jī)指折算至1500r/min（轉(zhuǎn)/分）時連續(xù)額定功率不超過1.1kw的電動機(jī)，也稱為微電動機(jī)或馬力電動機(jī)，其分類如下：

　　1、小功率電動機(jī)分為以下4種：

　　1） 小功率異步電動機(jī)；

　　① 三相異步電動機(jī)；

　?、?單相電阻起動電動機(jī)；

　?、?單相電容起動電動機(jī)；

　?、?單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動機(jī)；

　?、?單相電容雙值電動機(jī)；

　　⑥ 罩極異步電動機(jī)。

　　2） 小功率同步電動機(jī)；

　?、?永磁同步電動機(jī)；

　?、?磁阻同步電動機(jī)；

　　③ 磁滯（zhi）同步電動機(jī)；

　　3） 小功率直流電動機(jī)；

　　① 有刷直流電動機(jī)；

　　A、勵磁直流電動機(jī)；B、永磁直流電動機(jī)。

　?、?無刷直流電動機(jī)。

　　4） 小功率交流換向器電動機(jī)；

　?、?單相串激電動機(jī)；

　　② 交直流兩用電動機(jī)；

　?、?推斥電動機(jī)。 二、電機(jī)的運(yùn)行原理

　　1、安培環(huán)路定律——全電流定律本定律闡（chan

　?。┦鲭娏鳟a(chǎn)生磁場的規(guī)律，由式表達(dá)：上式說明沿任一條閉合回路L，磁場強(qiáng)度的線積分等于該閉合路所包圍的全電流。

　　將全電流定律用到電機(jī)中，由于電機(jī)磁路通?？砂床煌牟牧虾蛶缀纬叽绶殖蓭锥危慷沃械拇艌鰪?qiáng)度是相同的，因此可將上式寫成：Hi----第i段磁路磁場強(qiáng)度（A/m）Li----第i段磁路計(jì)算長度（m）Wi----磁勢（A）W---線圈匝數(shù)

　　磁場感應(yīng)電流產(chǎn)生的強(qiáng)弱及方向由磁感應(yīng)強(qiáng)度表示。形象的描繪磁場用磁力線，磁力線是閉合曲線，磁力線的方向與產(chǎn)生磁場的電流之間符合右螺旋法則。穿過單位面積的磁力線數(shù)就是感應(yīng)強(qiáng)度B.磁感應(yīng)強(qiáng)度不僅與電流有關(guān)，而且與周圍介質(zhì)有關(guān)，當(dāng)周圍放有鐵磁物質(zhì)時，磁場會大大加強(qiáng)，這是因?yàn)椴煌慕橘|(zhì)有不同的磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率用u0表示。真空磁導(dǎo)率磁場物質(zhì)u為u0的幾百倍至幾千倍，而且與磁場強(qiáng)度有關(guān)，不是常數(shù)，磁場強(qiáng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系為H=B/u式中B—— 表示磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）U——表示磁導(dǎo)率（H/m）H——表示磁場強(qiáng)度，也叫磁勢（A/m）在均勻磁場中，穿過面積S的磁力線定義為磁通。

　　2、電磁力定律本定律

　　闡述處于磁場中的載流導(dǎo)體受有電磁力作用。當(dāng)磁場與載流導(dǎo)體相互垂直時，作用在導(dǎo)體相互垂直時，作用在導(dǎo)體的電磁力為f=BiL式中

　　f——電磁力（N）

　　B———磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）

　　i-----導(dǎo)體的電流（A）

　　L-----導(dǎo)體的有效長度（m）

　　電磁力f的方向由左手定則判定：磁通指向手心，伸直四指指電流方向，垂直的拇指指電磁方向。

　　3、電磁感應(yīng)定律本定律

　　闡述磁通變化產(chǎn)生感生電勢的規(guī)律。

　?、抛兓磐óa(chǎn)生的感應(yīng)電勢——變壓器電勢

　　式中W—與磁通Φ相交鏈的線圈匝數(shù)Φ—與線圈交鏈的磁通（Wb）t—時間（s）e—感應(yīng)動勢（V）

　?、魄懈铍妱?，導(dǎo)線在磁場中運(yùn)動并切割磁力線時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：e=BL.V式中B—磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）L—導(dǎo)線有效長度V—導(dǎo)線垂直于磁場的運(yùn)動速度

　　上式感應(yīng)電勢方向由右手定則確定，手心迎著磁通、垂直的拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，平行四指指向感應(yīng)電勢方向。

　　4、能量守恒原理

　　在質(zhì)量不變的物理系統(tǒng)中，能量總是守恒的，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，而僅能變換的形式。在電動機(jī)能量的平衡關(guān)系式為：電源輸入的電能=磁場儲能的增加+熱能的能量損耗+機(jī)械能的輸出式中：轉(zhuǎn)換為熱能的能量損耗主要包括三部分

　?、哦?、轉(zhuǎn)子繞組銅耗；

　　⑵交變磁通在鐵芯的鐵耗；

　　⑶通風(fēng)、摩擦產(chǎn)生的機(jī)械損耗。

　　三、單相異步電動機(jī)工作原理

　　在三項(xiàng)點(diǎn)集中，當(dāng)定子三相繞組接到三相交流電源時，對稱三相交流電流在

　　三相對稱繞組中流通，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，從下圖表示：電流隨時間變化，產(chǎn)生磁勢和磁場在空間旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度由電源頻率f和電機(jī)極數(shù)p決定。n=2x60/p*f式中n—旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)速（r/min）p—電機(jī)極數(shù)

　　f—電源頻率（HZ）在單相電機(jī)中，由于單相繞組產(chǎn)生的使脈振磁場，電機(jī)沒有起動轉(zhuǎn)矩，不能起動，如下圖所示：

　　因此在單相電機(jī)定子鐵芯中嵌放兩繞組且其軸線在空間相隔90°電角度，兩相繞組的線徑、匝數(shù)分布個不相同，其中一項(xiàng)繞組稱為主繞組（用M表示）。另一項(xiàng)繞組稱為付繞組（用A表示）。付繞組鐵移相元件接入電源。結(jié)構(gòu)原理如下圖：

　　在單相電機(jī)中，若定子上的主、付兩相繞組完全對稱，兩相繞組接到兩相對稱電源，則與三相電機(jī)一樣也產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，如下圖：

　　可見對稱繞組通入對稱兩相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與三相電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢一樣。其旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率和電機(jī)極數(shù)有關(guān)：n=120f/p

　　在單相電機(jī)的轉(zhuǎn)子中鑄有許多彼此相連通的鼠籠形鋁導(dǎo)條。

　　當(dāng)電機(jī)中磁場以n速度旋轉(zhuǎn)時，處于旋轉(zhuǎn)磁場中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條就會切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在磁場的作用下產(chǎn)生電磁力和電磁力矩，形成一定得轉(zhuǎn)速n’。一般情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速n’不等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n。因?yàn)閚’=n時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相對旋轉(zhuǎn)磁場是靜止的，導(dǎo)條中就不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流，電機(jī)就不會電磁力矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會自然下降。因轉(zhuǎn)子速度始終低于旋轉(zhuǎn)磁場速度，故此種電機(jī)為“單相異步電動機(jī)”。

　　四、電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步

　　電動機(jī)工作繞組及主繞組M與副繞組A的軸線在空間相隔90°電角度，副繞組串聯(lián)一個電容C在于工作繞組并接與電源，由于付繞組串聯(lián)了電容所以副繞組中的電流在相位上超前于主繞組電流，這樣由單相電流i分解成具有時間相位差的兩相電流iM和Ia，因而電機(jī)的兩相繞組能產(chǎn)生圓形或橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。

　　2、無刷直流電動機(jī)

　　無刷直流電動機(jī)就是變頻技術(shù)與直流電機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，其具有效率高、噪音低、調(diào)速精度高、振動小、調(diào)速范圍寬、壽命長等特點(diǎn)。下面就空調(diào)用無刷直流電機(jī)的組成及工作原理作簡要介紹：

　?、胖绷麟姍C(jī)的組成

　　直流電機(jī)本體：定子主要采取集中式繞組，根據(jù)控制不同，繞組相數(shù)有單相、二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)，用的最多的是三相繞組結(jié)構(gòu)，繞組接法有星型接法和環(huán)形接法兩種，絕大部分繞組采用星型接法。轉(zhuǎn)子部分采用磁鋼，磁鋼提供電機(jī)的主磁場。電機(jī)控制部分：無刷電機(jī)的控制方式主要有PAM（脈幅調(diào)制技術(shù)）和 PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)），兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　高壓油位置傳感器PWM驅(qū)動電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發(fā)生器、比較器、保護(hù)電路等組成。從原理框圖可以看出，無刷直流電機(jī)的控制部分只包含一直一交變頻電路中的逆

　　變部分，整流及濾波部分由空調(diào)的主電控完成。

　?、乒ぷ髟?/strong>

　　眾所周知，永磁體提供的磁極磁場在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中固定不變的，這就是要求每個時刻定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場必須與轉(zhuǎn)子的磁極磁場相對應(yīng)，即繞組的電流方向、導(dǎo)通與關(guān)斷受轉(zhuǎn)子位置的控制。因此，無刷直流電機(jī)必須有轉(zhuǎn)子位置信號輸出給電機(jī)的控制電路，電機(jī)的控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號來控制相應(yīng)的功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制相應(yīng)繞組的電流方向、導(dǎo)通與關(guān)斷。定子繞組若按一定的通電順序進(jìn)行切換，就可以形成一個與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機(jī)按要求的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。相對磁鋼的某一磁極而言，每個時刻與它對應(yīng)的電樞磁場是固定的，即繞組的電流方向是固定的，這與有刷直流電機(jī)類似。

　　無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理圖，繞組為三相星形接法，120度均布，采用三相半橋驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)子為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線與A相繞組對齊，此時的控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測信號，使S1開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，B相繞組通電，在B相繞組磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)120獨(dú)門，到達(dá)虛線轉(zhuǎn)子所示的位置，磁鋼的磁極中心線與B相繞組對齊，此時，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測信號，使S1開關(guān)管關(guān)斷，使S3開關(guān)管導(dǎo)通，A相繞組通電，轉(zhuǎn)子在A相繞組磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)120度，按上述通電順序循環(huán)導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子就順時針旋轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機(jī)采集轉(zhuǎn)子位置信號，前者，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但電機(jī)起動困難；后者，電機(jī)結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但起動平穩(wěn)、可靠，目前大部分的無刷直流電機(jī)均采用后者。位置傳感器的種類很多，空調(diào)用的無刷直流電機(jī)一般采用霍爾元件作為位置傳感器。

　　無刷直流電機(jī)大部分采用三相星形繞組結(jié)構(gòu)，橋式控制電路，下面就二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)的驅(qū)動原理作詳細(xì)介紹：在此電機(jī)結(jié)構(gòu)中，電機(jī)一般需要三個霍爾元件。兩個霍爾元件之間的空間夾角為120度電角度，所以輸出的脈沖信號相隔120度電角度。從真值表可以看出，每個霍爾元件一次導(dǎo)通 180度，每隔60度必有一個霍爾元件的輸出狀態(tài)發(fā)生卻換，三個霍爾元件的輸出狀態(tài)的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態(tài)相對應(yīng)，在一個周期內(nèi)，三相繞組間隔60度電角度換相一次，每個時刻有兩條相繞組導(dǎo)通，每相繞組連續(xù)導(dǎo)通120度。每相繞組正反向各導(dǎo)通一次，導(dǎo)通時間占三分之二周期。假定電樞各相繞組的導(dǎo)通次序?yàn)椋篣VUWVWVUWUWV。

　　電機(jī)在該電樞磁場的作用下，按既定方向旋轉(zhuǎn)。真值表的參數(shù)必須與控制電路的邏輯程序相吻合，電樞磁場與轉(zhuǎn)子主磁場將不匹配，電機(jī)將能運(yùn)轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)。

　?、请姍C(jī)調(diào)速

　　就調(diào)速原理來說，無刷直流電機(jī)類似于一般的直流電機(jī)，通過改變電樞兩端的直流電壓大小來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)有兩種改變電壓的方法：PAM 和PWM，PAM是電壓的脈沖度保持不變，調(diào)節(jié)電壓的幅值大小來改變電壓的平均值大?。籔WM正好相反，即電壓脈沖幅值不變，脈沖寬度磕掉。PAM方式調(diào)速。其調(diào)速線性度好、噪音低，控制電路簡單，但線路較復(fù)雜，噪音較大，主要用于高壓電機(jī)。

　　⑷PWM調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

　　Vi為固定頻率和固定電壓的三角波，Vsp為直流電機(jī)電壓，兩者輸入一比較，Vi輸入比較器的同相端。當(dāng)Vsp大于Vi時，比較器輸出信號Vo為高電平，當(dāng)Vsp小于Vi時，比較器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈沖波形，調(diào)節(jié)Vsp電壓的大小，即可調(diào)節(jié)Vo的脈沖寬度的大小。直流高壓 Vm施加到電機(jī)繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈沖電壓幅值不變，脈沖電壓寬度可調(diào)的電壓，調(diào)節(jié)Vo的脈寬占空比，機(jī)可調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端的電壓平均值的大小，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM控制方式輸出給繞組的電壓波形是一系列等寬度的矩形波，矩形波含義較大成分的諧波。

　　在某些場合，為了減少諧波對電機(jī)產(chǎn)生的不良影響，如轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦波，因此控制方式就要采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）在PWM控制方式的基礎(chǔ)上，吧Vsp電壓由輸入直流電壓該為輸入正弦波電壓，Vo即為一組幅值不變，寬度按正弦波規(guī)律變化的矩形脈沖波。用Vo來控制逆變電路的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，輸給電機(jī)繞組的電壓的平均值即按正弦規(guī)律變化，從而改善電機(jī)的性能。在有特殊要求應(yīng)用場合，可以改變 Vsp電壓的性質(zhì)來改變PWM控制方式的特性，是PWM控制方式滿足使用要求。

　?、蓱?yīng)用

　　因?yàn)椴捎昧俗冾l技術(shù)和位置傳感技術(shù)，使無刷直流電機(jī)繼承了有刷直流電機(jī)的特性，又無有刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)，所以直流電機(jī)得到迅速發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以家用變頻空調(diào)為例，使用無刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍很寬，在變頻空調(diào)需要快速制冷、制熱；無刷直流電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)精確控制；無刷直流電機(jī)的效率高，為變頻空調(diào)實(shí)現(xiàn)高能效比提供保障。

　　七、電機(jī)主要參數(shù)

　　1、空載輸入電流：是指電機(jī)在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運(yùn)行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動機(jī)的電流稱為空載電流。單位：A或mA.

　　2、空載輸入功率：是指電機(jī)在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運(yùn)行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動機(jī)的功率稱為空載功率。這部分功率消耗主要體現(xiàn)在磁場儲能，定、轉(zhuǎn)子繞組銅耗和鋁耗，交變磁通在鐵芯損耗，通風(fēng)、軸承摩擦產(chǎn)生機(jī)械耗損。單位：W（瓦）

　　3、負(fù)載輸入電流：是指電動機(jī)在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負(fù)載運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下，所輸入電機(jī)的電流。單位：A或mA.

　　4、負(fù)載輸出功率：是指電動機(jī)在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負(fù)載運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下，軸伸端所輸出的功率。單位：W（瓦）。

　　5、溫升：是指電動機(jī)在制定測試條件下運(yùn)行，內(nèi)部繞組與鐵芯部分的溫度相對于測試環(huán)境溫度的升高值。目前較常用的測試方法為繞組電阻法。K=（R1-R0）（234.5+T0）-（T1-T0）

　　6、噪音：電機(jī)噪音可分為機(jī)械噪音和電磁噪音。機(jī)械噪音通常由電機(jī)裝配不良定、轉(zhuǎn)子擦邊及軸承噪音等形成。定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻受裝配零件同軸度的影響較大，磁場過于飽受設(shè)計(jì)功率較大電機(jī)的材料限制造成。噪音用dB表示。

　　八、設(shè)計(jì)

　　單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)必須提供參數(shù)：目前空調(diào)電機(jī)設(shè)計(jì)而言具備下述條件之一即可：1、額定電壓、頻率、電容、負(fù)載轉(zhuǎn)速、負(fù)載輸出功率、外形安裝；2、額定電壓、頻率、電容、負(fù)載轉(zhuǎn)速、實(shí)際負(fù)載、外形安裝；3、額定電壓、頻率、電容、負(fù)載轉(zhuǎn)速、樣機(jī)、外形安裝；4、額定電壓、頻率、電容、負(fù)載轉(zhuǎn)速、T-S曲線、外形安裝；

　　九、那些參數(shù)變化可引起電機(jī)成本增加在電機(jī)設(shè)計(jì)已是最優(yōu)化狀態(tài)下，下述要求必須增加成本：1、負(fù)載不變情況下，要求提高轉(zhuǎn)速；2、負(fù)載不變情況下，要求降低溫升；

　　十、目前空調(diào)電機(jī)的種類