电机的选用

电机分为：发电机，电动机和变压器。

发电机与电动机有什么区别？

发电机是将其他能（如动能，热能等）转换成电能的装置 电动机是将电能转换成动能的装置 两者结构基本一样 .

什么是电动机及其分类有哪些?

电动机也称电机（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。

本文介绍的电动机为家用电器或电子产品中使用的小功率电动机，即所谓的微电机。 （一）电动机的种类 电动机有多种类型。

1．按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2．按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为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。 3．按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为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．按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（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。 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5．按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（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．按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、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极变速电动机外，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。

（二）直流电动机

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动

剃须刀、电吹风、电子表动玩具等。

1．电磁式直流电动机 电磁式直流电动机由定子磁极、转子（电枢）、换向器（俗称整流子）、电刷、机壳、轴承等构成，

电磁式直流电动机的定子磁极（主磁极）由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁（旧标准称为激磁）方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通（由定子磁极的励磁线圈通电后产生）的规律也不同。

串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高（一般不允许其在空载下运行）。可通过用外用电阻器与串励绕组串联（或并联）、或将串励绕组并联换接来实现调速。 并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5%~15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。

他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%~15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。

复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组（其匝数较少）。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%~30%（与串联绕组有关）。转速可通过消弱磁场强度来调整。

换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。 电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。

转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。 2．永磁式直流电动机

永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成， 定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。图18-12是两种永磁体的磁路示意图。 转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换各器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。 3．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、机械噪声低等优点，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）。 （三）交流异步电动机

交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机，广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、油烟机、洗碗机、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中。

交流电异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为单相异步电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

1．单相异步电动机 单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。

定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔900电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。

转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机，图18-14是几种单相异步电动机的电原理线路。 2．三相异步电动机 三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。定子绕组成接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又产生电磁转柜（即异步转柜），使电动机旋转。 3．罩极式电动机 罩极式电动机是单向交流电动机中最简单的一种，通常采用笼型斜槽铸铝转子。它根据定子外形结构的不同，又分为凸极式罩极电动机隐极式罩极电动机。

凸极式罩极电动机的定子铁心外形为方形、矩形或圆形的磁场框架，磁极凸出，每个磁极上均有1个或多个起辅助作用的短路铜环，即罩极绕组。凸极磁极上的集中绕组作为主绕组。 隐极式罩极电动机的定子铁心与普通单相电动机的铁心相同，其定子绕组采用分布绕组，主绕组分布于定子槽内，罩极绕组不用短路铜环，而是用较粗的漆包线绕成分布绕组（串联后自行短路）嵌装在定子槽中（约为总槽数的1/3），起辅助组的作用。主绕组与罩极绕组在空间相距一定的角度。

当罩极电动机的主绕组通电后，罩极绕组也会产生感应电流，使定子磁极被罩极绕组罩住部分的磁通与未罩部分向被罩部分的方向旋转。 34．单相串励电动机 单相串励电动机的定子由凸极铁心和励磁绕组组成，转子由隐极铁心、电枢绕组、换向器及转轴等组成。励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路。图18-16是单向串励电动机的结构。

单相串励电动机属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流电源工作。

（四）交流同步电动机

交流同步电动机是一种恒速驱动电动机，其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系，被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。 1．永磁同步电动机 永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。

当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。

磁阻同步电动机 磁阻同步电动机也称反应式同步电动机，是利用转子交轴和直轴磁阻不等而产生磁阻转矩的同步电动机，其定子与异步电动机的定子结构类似，只是转子结构不同。 磁阻同步电动机是同笼型异步电动机演变来的，为了使电动机能产生异步起动转矩，转子还设有笼型铸铝绕阻。转子上开设有与定子极数相对应的反应槽（仅有凸极部分的作用，无励磁绕组和永久磁铁），用来产生磁阻同步转矩。根据转子上反应槽的结构的不同，可分为内反应式转子、外反应式转子和内外反应式转子，其中，外反应式转子反应槽开地转子外圆，使其直轴与交轴方向气隙不等。内反应式转子的内部开有沟槽，使交轴方向磁通受阻，磁阻加大。内外反应式转子结合以上两种转子的结构特点，直轴与交轴差别较大，使电动机的力能较大。磁阻同步电动机也分为单相电容运转式、单相电容起动式、单相双值电容式等多种类型。 3．磁滞同步电动机 磁滞同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而工作的同步电动机。它分为内转子式磁滞同步电动机、外转子式磁滞同步电动机和单相罩极式磁滞同步电动机。 内转子式磁滞同步电动机的转子结构为隐极式，外观为光滑的圆柱体，转子上无绕组，但铁心外圆上有用磁滞材料制成的环状有效层。 定子绕组接通电源后，产生的旋转磁场使磁滞转子产生异步转矩而起动旋转，随后自行牵入同步运转状态。在电动机异步运行时，定子旋转磁场以转差频率反复地磁化转子；在同步运行时，转子上的磁滞材料被磁化而出现了永磁磁极，从而产生同步转矩。

电机选用与机械设备的配合应用

我们了解到电机的选用是建构在「能量转换」基础上，一切是由「需求」开始也就

是使用者的机构设备，一般我们统称为「负载」，负载的型式种类会依机构传动的方式而产生种种的变化，本文不谈各种机构型态的计算公式，太复杂的公式反而让各位怯步，而是要带着各位从这些千变万化的计算公式中进行寻根之旅，了解物体运动的本质。

一. 负载的基本面貌

1.负载的型式依物体传动的方式可以区分为很多的型式

? 圆周运动类：齿轮、圆盘、滚轮、凸轮、角或圆柱体………等。 ? 直线运动类：链条、皮带、螺杆、连杆、齿条………………等。

上列的机构彼此间都有依存关系，藉由机构的传动将电机的动能由圆周运动转型态转换为直线运动型态或圆周

运动型态来传动物体动作，只要「动」就有能量的存在，也就产生各种形式的「力」，上列的传动方式可以解析

为下列4种力的型态

? 摩擦性---摩擦力 Wf = μ × W μ：摩擦系数 W：物体重量

指的是物体在开始运动时，相对作用面其表面粗度所产生的阻力，与速度没有关系。

? 惯性----直线运动惯性力 F = m × a m：物体的质量 a：直线加速度 圆周运动惯性力 T = I × α I：物体的惯量 α：角加速度

指的是物体的惯性惯量在做加速度运动时的力量。 重力单位的惯性惯量I与SI单位的惯性惯量J的不同

? 重力单位与SI单位的惯性惯量

? I = m × r -----[kgm]

2

2

重量G = mg 直径D = 2 r

? I = G/g ×(D/2) = GD/ 4g --[kgf m s]

2

2

2

? J [kg f m] 与GD的关系

2

2

? GD = 4J

2

? I = GD / 4g = J / g

2

? 故 AC电机,伺服电机用----- GD

2

步进电机用---------------- J

? 重力单位与SI单位的离心力

? F =( W/g) × r × ω ---kgf

2

? F = m × r × ω ----N

2

? g = 9.80665 [ m/s ]

2

? 1 kgf = 9.80665 [ N ] ? ω 角速度[ rad/s ]

? 黏滞性---直线运动黏滞力 FB = B × V B：黏滞系数 V：直线速度

圆周运动黏滞力τb = b × ω b: 黏滞系数 ω：角速度

指的是物体运动过程中因润滑油，软性或黏滞性材质所造成的阻力，速度越快此力量越大。

? 重力--- 物体重量 W [kgf、N]

物体是以质量(密度 × 体积)的形式存在，因有地心引力(g=9.80665[m/s])，所以产生重量

2

W = m × g = [kgf、N]

2.负载的组成

物体在运动的过程是由静止-->运动-->静止故又可分为 :

? 静态负载﹝TL﹞:物体在静止时「力」的组成，包括「摩擦力」「重力」 静态负载﹝TL﹞与上期式(5) TM = TL + Bωr + J(dωr/dt) 中的TL是一样的，指的是物体由静止状态到开始

运动前由外部所需施加的力量，也就是上列摩擦力 F = Wf = μ × W，如何将F转换成转矩T请参考下表

TL = F × r ----[ N.m ] 1kgf.m = 9.80665 [ N.m ]，将r (力臂)以1代入。 ? 动态负载﹝Ta﹞:物体在运动时「力」的组成，包括「惯性惯量」「加速度」「最高速度」

动态负载﹝Ta﹞就是惯性力与上期式(5) TM = TL + Bωr + J(dωr/dt) 中Bωr + J(dωr/dt)= Ta，

故式(5)可以简化TM = TL + Ta ------------(7)

物体作直线运动时惯性力 F = m × a ；物体作圆周运动时惯性力T = I × α

3.负载惯性力与电机转矩的关系

假设物体在做直线运动则可将其惯性力F以下列方式转换为圆周运动时的惯性力T，来与电机的转矩做比较， 因为电机是在做圆周运动。

? 转矩

? T = F × r ----[ N.m ] ? 1 kgf.m = 9.80665 [ N.m ]

? 出力

? P = TM × ωr = N / 60 × 2π × T ----- [ J/sec ] = [ w ]

? P = 9.80665 × N / 60 × 2π × T ? = 1.027 × N × T ----[ w ]

? P = 1.027× 10× N × T ---[ kgf.m] [gf.cm]

-5

? N = 电机回转速 [RPM]

4.负载与电机力量平衡的关系

电机力量的传动型态为圆周运动，故可以上列圆周运动时惯性力T = I × α来做描述，我们将公式中的I以J

来取代可得到 T = J/g × α，因此力量是在加速度的状态下所产生，所以可以将T用Ta来取代，故可获得下式 的结果 Ta = J/g × α ------------(8)

因电机的转子有一转子惯性惯量JO存在，在力量传动的过程中必须与负载的惯性惯量JL相加，所以J = JL + JO

又α角加速度[rad/sec]其物理意义是负载希望电机以每秒钟多少速度的变化来带动负载运动，所以可以下式来

2

描述α =

J与α的等式代入式(8)可

N2为电机最高转速 N1为电机激活时的转速， 再将

得到Ta =×

------------(9)

再将式(9)及TL = μ × W × r 代入式(7) 可得到下式:

TM = (μ × W × r) +×

------------(10)

若电机与负载藉由减速机构连结时，则有减速比i及减速的传动效率η因素存在，则式(10)又可变化为

TM × i × η = (μ × W ×

r) +×

------------(11)

由式(11)我们又可以得到印证

『电机输出转矩的大小取决负载的大小』，『电机输出转矩是为了对抗负载而存在的』

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