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电动马达 编辑

词条创建者 匿名用户

什么是电动马达

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电动机是将电能转换为机械能的电机。大多数电动机通过电动机的磁场和绕组中的电流之间的相互作用来运行,以产生施加在电动机轴上的扭矩形式的力。发电机机械上与电动机相同,但以反向的功率流动,将机械能转化为电能。

电动机可以由直流(DC)电源供电,例如来自电池或整流器,或者由交流(AC)电源供电,例如电网、逆变器或发电机。

电动机可以根据电源类型、结构、应用和运动输出类型等因素进行分类。它们可以由交流或直流供电,有刷或无刷,单相,两相或三相,轴向或径向通量,并且可以是风冷或液冷。

标准化电机为工业应用提供方便的机械动力。xxx的用于船舶推进、管道压缩和抽水蓄能应用,输出功率超过100兆瓦。

应用包括工业风扇、鼓风机和泵、机床家用电器电动工具、车辆和磁盘驱动器。小型电机可以在电子手表中找到。在某些应用中,例如在牵引电动机的再生制动中,电动机可以反向用作发电机,以回收可能以热和摩擦形式损失的能量。

电动机产生线性或旋转力(扭矩),旨在推动某些外部机构,例如风扇或电梯。电动机通常设计用于连续旋转,或与其尺寸相比在相当长的距离上进行线性运动。电磁螺线管也是将电能转换为机械运动的传感器,但只能在有限的距离内产生运动。

电动机比工业和运输中使用的其他原动机内燃机(ICE)效率更高;电动机的效率通常超过95%,而内燃机的效率远低于50%。它们更轻、体积更小、机械更简单、制造成本更低、更耐用、可以在任何速度下提供即时和一致的扭矩、可以使用可再生能源产生的电力运行,并且不会向大气排放碳。由于这些原因,在大多数应用中,电动机正在取代内燃机。

电动马达的历史

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早期马达

在现代电磁马达之前,人们研究了通过静电力工作的实验马达。xxx台电动机是苏格兰僧侣安德鲁·戈登和美国实验者本杰明·富兰克林在1740年代的实验中描述的简单静电装置。其背后的理论原理,库仑定律,由亨利卡文迪许于1771年发现但未发表。该定律由查尔斯-奥古斯丁·德·库仑于1785年独立发现,并于1785年发表,因此以他的名字而闻名.由于难以产生所需的高压,静电电机从未用于实际用途。

1799年,亚历山德罗·伏打发明了电化学电池,使产生持续电流成为可能。HansChristianØrsted在1820年发现电流会产生磁场,该磁场可以对磁铁施加力。André-MarieAmpère只用了几周时间就开发了电磁相互作用的xxx个公式并提出了安培力定律,该定律描述了电流和磁场相互作用产生的机械力。迈克尔·法拉第在1821年首次演示了旋转运动的效果。一根自由悬挂的金属丝浸入水银池中,上面有一根放置永磁体(PM)。当电流通过导线时,导线围绕磁铁旋转,表明电流在导线周围产生了一个封闭的圆形磁场。这种电机经常在物理实验中得到证明,用盐水代替(有毒)汞。巴洛的轮是法拉第演示的早期改进,尽管这些和类似的单极电机直到本世纪后期仍然不适合实际应用。

1827年,匈牙利物理学家ÁnyosJedlik开始试验电磁线圈。杰德利克通过发明换向器解决了连续旋转的技术问题后,将他早期的设备称为电磁自转子。尽管它们仅用于教学,但在1828年,Jedlik展示了xxx台包含实用直流电机的三个主要部件:定子、转子和换向器的设备。该设备不使用永磁体,因为静止和旋转部件的磁场仅由流经其绕组的电流产生。

直流电机

1832年,英国科学家威廉·斯特金发明了xxx台能够转动机械的换向器直流电动机。继斯特金的工作之后,美国发明家托马斯·达文波特和他的妻子艾米丽·达文波特制造了一种换向器式直流电动机,他在1837年获得了专利。电机以每分钟600转的速度运行,并为机床和印刷机提供动力。由于一次电池电源的高成本,这些电机在商业上并不成功,达文波特也破产了。几位发明家跟随鲟鱼开发直流电机,但都遇到了同样的电池成本问题。由于没有配电系统当时可用,这些电机没有出现实际的商业市场

在使用相对较弱的旋转和往复装置进行许多其他或多或少的成功尝试后,普鲁士/俄罗斯的莫里茨·冯·雅可比于1834年5月创造了xxx台真正的旋转电动机。它产生了显着的机械输出功率。他的马达创造了一项世界纪录,四年后的1838年9月,雅可比改进了这项纪录。他的第二台马达足够强大,可以驾驶一艘载有14人的船穿过一条宽阔的河流。也是在1839/40年,其他开发人员设法制造了具有类似然后更高性能的电机。

1855年,Jedlik使用与他的电磁自动转子中使用的原理相似的原理制造了一种能够进行有用工作的设备。同年,他制造了一辆电动汽车模型

一个重要的转折点出现在1864年,当时安东尼奥·帕西诺蒂(AntonioPacinotti)首次描述了环形电枢(尽管最初是在直流发电机中构思的,即发电机)。其特点是对称分组的线圈自身闭合并连接到换向器的条上,其电刷提供几乎没有波动的电流。在ZénobeGramme的开发之后,xxx台商业上成功的直流电机在1871年重新发明了Pacinotti的设计并采用了WernerSiemens的一些解决方案。

直流电机的一个好处是发现了电机的可逆性,这是西门子在1867年宣布并在1869年被帕西诺蒂观察到的。格莱姆在1873年维也纳世界博览会上偶然展示了它,当时他将两个这样的直流设备连接起来,彼此相距最多2公里,其中一个用作发电机,另一个用作电动机。

1872年Siemens&Halske的FriedrichvonHefner-Alteneck引进了鼓形转子来代替Pacinotti的环形电枢,从而提高了机器效率。次年,Siemens&Halske推出了叠片转子,降低了铁损并提高了感应电压。1880年,JonasWenström为转子提供了用于容纳绕组的槽,进一步提高了效率。

1886年,弗兰克·朱利安·斯普拉格发明了xxx台实用的直流电机,这是一种在可变负载下保持相对恒定速度的无火花装置。这段时间的其他Sprague电气发明极大地改善了电网配电(ThomasEdison之前所做的工作),允许电动机的电力返回电网,通过架空电线和电车杆为电车配电,并为电动操作提供控制系统。这使得Sprague在1887-88年间在弗吉尼亚州里士满使用电动机发明了xxx个电动手推车系统,1892年的电动电梯和控制系统,以及独立供电的中央控制车厢的电动地铁。后者于1892年由南侧高架铁路首次安装在芝加哥,在那里它被普遍称为L。Sprague的电机和相关发明引起了人们对工业电机的兴趣和使用的爆炸式增长。由于未能认识到转子和定子之间气隙的极端重要性,效率可接受的电动机的开发被推迟了几十年。高效的设计具有相对较小的气隙。圣路易斯电机,长期以来在课堂上用于说明电机原理,由于同样的原因效率低下,而且看起来一点也不像现代电机。

电动机彻底改变了工业。工业过程不再受到使用传动轴、皮带、压缩空气液压的动力传输的限制。相反,每台机器都可以配备自己的电源,在使用点提供轻松控制,并提高电力传输效率。用于农业的电动机消除了人类和动物在处理谷物或抽水等任务中的肌肉力量。电动机的家庭用途(如洗衣机洗碗机、风扇、空调冰箱(更换冰盒))减少了家庭中的繁重劳动,并提高了便利性、舒适性和安全性的标准。今天,电动机消耗了美国一半以上的电能。

交流电机

1824年,法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈(FrançoisArago)提出了旋转磁场的存在,称为阿拉戈的旋转,通过手动打开和关闭开关,沃尔特·贝利(WalterBaily)在1879年证明了它实际上是xxx台原始感应电动机。在1880年代,许多发明家试图开发可工作的交流电机,因为交流电在远距离高压传输方面的优势被无法在交流电上运行电机所抵消。

1885年,伽利略·费拉里斯发明了xxx台交流无换向器感应电动机。1886年,费拉里斯通过生产更先进的装置改进了他的xxx个设计。1888年,都灵皇家科学院发表了费拉里斯的研究,详细介绍了电机操作的基础,而当时得出的结论是,基于该原理的设备不能作为电机具有任何商业重要性。

尼古拉特斯拉设想了可能的工业发展,他于1887年独立发明了他的感应电机,并于1888年5月获得了专利。同年,特斯拉向AIEE提交了他的论文ANewSystemofAlternateCurrentMotorsandTransformers描述了三个专利两相四定极电机类型:一种是四极转子组成非自启动磁阻电机,另一种是绕线转子组成自启动感应电机,第三种是真同步电机。转子绕组的励磁直流电源。然而,特斯拉在1887年提交的其中一项专利也描述了一种短路绕组转子感应电动机。乔治威斯汀豪斯已经从法拉利手中获得权利(1000美元)的人,迅速买下了特斯拉的专利(6万美元外加2.50美元/马力,一直到1897年才付款),聘请特斯拉开发自己的电机,并指派CFScott帮助特斯拉;然而,特斯拉在1889年转而从事其他工作。人们发现恒速交流感应电机不适用于有轨电车,但西屋工程师于1891年成功地将其改装为科罗拉多州特柳赖德的采矿作业提供动力。西屋实现了它的xxx个实用感应电机1892年的电动机,并于1893年开发了一系列多相60赫兹感应电动机,但这些早期的西屋电动机是带有绕线转子的两相电动机。BGLamme后来开发了一种旋转条形绕组转子。

坚定推动三相发展的米哈伊尔·多利沃-多布罗沃尔斯基于1889年发明了三相感应电动机,包括带有起动变阻器的笼式转子和绕线转子,并于1890年发明了三臂变压器。达成协议后在AEG和MaschinenfabrikOerlikon、Doliwo-Dobrowolski和CharlesEugeneLancelotBrown之间开发了更大的模型,即20马力的鼠笼式和带有启动变阻器的100马力的绕线转子。这是xxx批适合实际操作的三相异步电动机。自1889年以来,Wenström开始了类似的三相机械开发。在1891年法兰克福国际电工展览会上,xxx台长距离三相系统成功亮相。它的额定电压为15kV,从内卡河上的劳芬瀑布延伸超过175公里。劳芬发电站包括一个240kW86V40Hz交流发电机和一个升压变压器,而在展览中,一个降压变压器为一个100马力的三相感应电机供电,该电机为人工瀑布提供动力,代表了原能量源。MikhailDolivo-Dobrovolsky声称特斯拉的电机因为两相脉动而不实用,这促使他坚持三相工作。

通用电气公司于1891年开始开发三相感应电动机。到1896年,通用电气和西屋公司签署了关于棒绕组转子设计的交叉许可协议,后来称为鼠笼转子。这些发明和创新带来的感应电机改进使得100马力的感应电机目前的安装尺寸与1897年的7.5马力电机相同。

二十一世纪

到2022年,电动机销量估计为8亿台,每年增长10%。电动机消耗了全球约50%的电力。

电动马达组件

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电动机的两个机械部件是运动的转子和不运动的定子。它还包括两个电气部件,一组磁铁和一个电枢,其中一个连接到转子,另一个连接到定子,共同形成磁路:

轴承

转子由轴承支撑,允许转子绕其轴线转动。轴承又由电机外壳支撑。

转子

转子是传递机械动力的运动部件。转子通常固定载有电流的导体,定子的磁场对其施加力以转动轴。或者,一些转子带有永磁体,而定子则保持导体。永磁体在更大的运行速度和功率范围内提供高效率。

定子和转子之间的气隙允许它转动。间隙的宽度对电机的电气特性有显着影响。它通常尽可能小,因为较大的差距会削弱性能。它是电动机运行时的低功率因数的主要来源。磁化电流随着气隙的增加而增加,功率因数降低,因此气隙越窄越好。相反,间隙太小除了噪音和损失外,还可能造成机械问题。

电机轴通过轴承延伸到电机外部,在那里施加负载。因为负载的力施加在最外面的轴承之外,所以负载被称为悬垂的。

定子

定子围绕着转子,通常装有磁场磁铁,这些磁铁要么是由绕在铁磁铁芯周围的导线绕组组成的电磁铁,要么是xxx磁铁。这些会产生穿过转子电枢的磁场,对绕组施加力。定子铁芯由许多相互绝缘的薄金属片组成,称为叠片。叠片用于减少使用实心芯时可能导致的能量损失。用于洗衣机和空调的树脂封装电机利用树脂(塑料)的阻尼特性来降低噪音和振动。这些电机将定子封装在塑料中。

电枢

电枢由铁磁芯上的绕线组成。通过导线的电流会导致来自磁场磁铁的磁场对其施加力(洛伦兹力),从而转动转子,从而提供机械输出。绕组是铺设在线圈中的导线,通常缠绕在层压板上,软,铁,铁磁芯,以便在通电时形成磁极。

电机有凸极和非凸极配置。在凸极电机中,转子和定子上的铁磁芯具有相互面对的称为磁极的突起,在磁极面下方的每个磁极周围都有导线缠绕,当电流流过导线时,它们成为磁场的北极或南极.在非凸极(或分布式磁场或圆转子)电机中,铁磁芯是一个光滑的圆柱体,绕组均匀分布在圆周上的槽中。在绕组中提供交流电会在磁芯中产生连续旋转的磁极。罩极电机在磁极的一部分周围有一个绕组,可以延迟该磁极的磁场相位。

换向器

换向器是向转子提供电流的旋转电气开关。当轴旋转时,它周期性地反转转子绕组中的电流流动。它由一个由多个金属接触段组成的电枢上的圆柱体组成。两个或多个称为电刷的电触点,由碳等软导电材料制成,压在换向器上。电刷在旋转时与连续的换向器片滑动接触,为转子提供电流。转子上的绕组连接到换向器片。换向器周期性地反转电流每半圈(180°)在转子绕组中的方向,因此施加到转子上的扭矩始终是相同的方向。如果没有这种电流反转,每个转子绕组上的扭矩方向每半圈就会反转,因此转子会停止。换向器效率低下,换向电机大多已被无刷直流电机、永磁电机和感应电机所取代。

电机供应和控制

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马达供应

直流电机通常通过如上所述的开口环换向器供电。

交流电机的换向可以使用滑环换向器或外部换向器来实现。它可以是定速或变速控制类型,并且可以是同步或异步的。通用电机可以在交流或直流上运行。

电机控制

直流电机可以通过调整施加在端子上的电压或使用脉宽调制(PWM)以可变速度运行。

以固定速度运行的交流电机通常直接由电网供电或通过电机软启动器供电。

以可变速度运行的交流电机由各种功率逆变器、变频驱动器或电子换向器技术供电。

术语电子换向器通常与自换向无刷直流电机和开关磁阻电机应用相关联。

类型

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电动机以三种物理原理之一运行:磁学、静电学和压电性。

在磁电机中,磁场在转子和定子中都形成。这两个场之间的乘积会产生一个力,从而在电机轴上产生一个扭矩。这些场中的一个或两个必须随着转子的旋转而改变。这是通过在正确的时间打开和关闭杆或改变灯杆的强度来完成的。

主要类型是直流电机和交流电机,后者取代了前者。

交流电动机是异步的或同步的。

一旦启动,同步电机需要在所有正常转矩条件下与移动磁场的速度同步。

在同步电机中,必须通过感应以外的方式提供磁场,例如来自他励绕组或永磁体。

小马力电机的额定功率低于约1马力(0.746kW),或者采用小于标准1HP电机的标准框架尺寸制造。许多家用和工业电机都属于小马力级别。

自换向电机

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有刷直流电机

大多数直流电机是小型永磁体(PM)类型。它们包含有刷内部机械换向,以与旋转同步地反转电机绕组电流。

电励磁直流电机

换向直流电动机具有一组绕在安装在旋转轴上的电枢上的旋转绕组。轴还承载换向器。因此,每个有刷直流电机都有交流电流流过其绕组。电流流过接触换向器的一对或多对电刷;电刷将外部电源连接到旋转电枢。

旋转电枢由一个或多个绕在层压软磁铁磁芯上的线圈组成。来自电刷的电流流过换向器和电枢的一个绕组,使其成为临时磁铁(电磁铁)。产生的磁场与作为电机框架一部分的PM或另一个绕组(励磁线圈)产生的固定磁场相互作用。两个磁场之间的力使轴旋转。换向器在转子转动时将电源切换到线圈,使磁极永远不会与定子磁场的磁极完全对齐,因此只要通电,转子就会保持转动。

经典换向器直流电机的许多限制是由于需要电刷来保持与换向器的接触,从而产生摩擦。电刷在穿过换向器部分之间的绝缘间隙时会产生火花。根据换向器的设计,电刷可能会在相邻部分之间产生短路,从而导致线圈端部短路。此外,转子线圈的电感会在其电路打开时导致每个线圈两端的电压升高,从而增加火花。这种火花限制了机器的xxx速度,因为过快的火花会使换向器过热、腐蚀甚至熔化。电刷每单位面积的电流密度,连同它们的电阻率,限制电机的输出。穿过缝隙也会产生电噪声;火花产生RFI。电刷最终会磨损并需要更换,而换向器本身也会受到磨损和维护或更换。大型电机上的换向器组件是一个昂贵的元件,需要对许多零件进行精密组装。在小型电机上,换向器通常xxx集成在转子中,因此更换它通常需要更换转子。

虽然大多数换向器是圆柱形的,但有些是安装在绝缘体上的扁平分段圆盘。

大刷子产生较大的接触面积,从而xxx限度地提高电机输出,而小刷子的质量较小,可以xxx限度地提高电机运行速度,而不会产生过多的火花。(较小的电刷因其成本较低而受到青睐。)尽管摩擦损失更大(效率较低)以及电刷和换向器磨损加速,但更硬的电刷弹簧可用于使给定质量的电刷以更高的速度工作。因此,直流电机电刷设计需要在输出功率、速度和效率/磨损之间进行权衡。

有刷直流电机的五种类型是:

  • 永磁体(未显示)
  • 单独兴奋(未显示)。

永磁体

永磁(PM)电机在定子框架上没有励磁绕组,而是依靠PM来提供磁场。与电枢串联的补偿绕组可用于大型电机,以改善负载下的换向。该字段是固定的,不能针对速度控制进行调整。PM磁场(定子)在微型电机中很方便,可以消除磁场绕组的功耗。大多数较大的直流电机属于发电机型,具有定子绕组。从历史上看,如果PM被拆卸,它们就无法保持高通量。励磁绕组更实用以获得所需的通量。然而,大型PM成本高、危险且难以组装;这有利于大型机器的绕线场。

为了最小化整体重量和尺寸,微型永磁电机可以使用钕制成的高能磁铁;大多数是钕铁硼合金。凭借较高的磁通密度,具有高能PM的电机至少可以与所有经过优化设计的单馈同步和感应电机相媲美。微型电机与图中的结构相似,不同之处在于它们至少有三个转子磁极(以确保启动,无论转子位置如何),并且它们的外壳是一个钢管,它以磁性方式连接弯曲磁场磁铁的外部。

电子换向器(EC)

无刷直流

BLDC设计消除了有刷直流电机的一些问题。在这种电机中,机械旋转开关或换向器由与转子位置同步的外部电子开关代替。BLDC电机的效率通常为85%以上,最高可达96.5%,而有刷直流电机的效率通常为75–80%。

BLDC电机特有的梯形反电动势(CEMF)波形部分源自均匀分布的定子绕组,部分源自转子永磁体的放置。梯形BLDC电机的定子绕组也称为电子换向直流或内向外直流电机,可以是单相、两相或三相,并使用安装在其绕组上的霍尔效应传感器进行转子位置感应和低成本闭合环换向器控制。

BLDC电机通常用于需要精确速度控制的地方,例如计算机磁盘驱动器或录像机。CD、CD-ROM(等)驱动器中的主轴,以及办公产品(如风扇、激光打印机复印机)中的机构。与传统电机相比,它们具有以下几个优点:

现代BLDC电机的功率范围从几瓦到几千瓦不等。额定功率高达约100kW的大型BLDC电机用于电动汽车。它们还用于电动模型飞机。

开关磁阻电机

开关磁阻电机(SRM)没有电刷或永磁体,转子没有电流。扭矩来自转子上的磁极与定子上的磁极的轻微错位。转子与定子的磁场对齐,而定子磁场绕组依次通电以旋转定子磁场。

由励磁绕组产生的磁通量遵循最小磁通量的路径,通过最靠近定子励磁磁极的转子磁极发送磁通量,从而磁化转子的这些磁极并产生转矩。当转子转动时,不同的绕组通电,保持转子转动。

SRM用于某些电器和车辆。

通用AC/DC电机

换向、电励磁、串联或并联绕组电机被称为通用电机,因为它可以设计为在交流或直流电源上运行。通用电机可以在交流电上良好运行,因为磁场和电枢线圈(以及由此产生的磁场)中的电流同步反转极性,因此产生的机械力以恒定的旋转方向发生。

在正常电源线频率下运行,通用电机通常用于亚千瓦级应用。通用电机是电气化铁路中传统铁路牵引电机的基础。在此应用中,在设计为以直流方式运行的电机上使用交流电源会由于其磁性组件的涡流加热而导致效率损失,特别是对于直流电机而言,将使用实心(非层压)的电机磁场极片铁。它们现在很少使用。

一个优点是,如果使用高运行速度,交流电源可以用于特别具有高启动扭矩和紧凑设计的电机。相比之下,维护成本更高,使用寿命缩短。此类电机用于不大量使用且对启动转矩要求较高的设备中。励磁线圈上的多个抽头提供(不精确的)步进速度控制。宣传多种速度的家用搅拌机通常将励磁线圈与多个抽头和一个可与电机串联插入的二极管组合在一起(使电机在半波整流交流电上运行)。通用电机也适用于电子速度控制因此,它是家用洗衣机等设备的选择。电机可以通过相对于电枢切换励磁绕组来搅动滚筒(正向和反向)。

SCIM的轴转动速度不能超过电力线频率所允许的速度,而通用电机可以以更高的速度运行。这使得它们可用于需要高速和轻质的设备,如搅拌机、真空吸尘器吹风机。它们也常用于便携式电动工具,如电钻、砂光机、圆锯和曲线锯,在这些工具中电机的特性可以很好地发挥作用。许多真空吸尘器和除草机电机超过10,000rpm,而微型研磨机可能超过30,000rpm。

外换向交流电机

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交流感应电机和同步电机针对单相或多相正弦或准正弦波形电源进行了优化,例如由交流电网提供给定速应用或来自变频驱动(VFD)控制器的变速应用.

感应马达

感应电动机是一种异步交流电动机,其中功率通过电磁感应传递到转子,很像变压器的作用。感应电动机类似于旋转变压器,因为定子(静止部分)本质上是变压器的初级侧,转子(旋转部分)是次级侧。多相感应电动机广泛用于工业。

笼式和绕线转子

感应电动机可分为鼠笼式感应电动机(SCIM)和绕线转子感应电动机(WRIM)。SCIM有一个由实心棒(通常是铝或铜)组成的重型绕组,通过转子末端的环进行电气连接。杆和环作为一个整体很像动物的旋转运动笼。

感应到这个绕组的电流提供了转子磁场。转子条的形状决定了速度-转矩特性。在低速时,鼠笼中感应的电流几乎处于线路频率,并倾向于停留在鼠笼的外部。随着电机加速,转差频率变低,更多电流到达内部。通过对棒进行整形以改变保持架内部和外部的绕组部分的电阻,可变电阻有效地插入转子电路中。然而,大多数这样的马达采用均匀的杆。

在WRIM中,转子绕组由多匝绝缘线组成,并连接到电机轴上的滑环。转子电路中可以连接一个外部电阻器或其他控制装置。电阻器允许控制电机速度,但会消耗大量功率。转换器可以从转子电路馈电,并将否则会通过逆变器或单独的电动发电机浪费到电力系统中的转差频率功率返回。

WRIM主要用于启动高惯性负载或在全速范围内需要高启动扭矩的负载。通过正确选择次级电阻或滑环启动器中使用的电阻器,电机能够以相对较低的电源电流从零速到全速产生xxx扭矩。

电机速度可以改变,因为电机的扭矩曲线通过连接到转子电路的电阻量有效地修改。增加阻力会降低xxx扭矩的速度。如果阻力增加超过在零速时出现xxx扭矩的点,则扭矩会进一步降低。

当与具有随速度增加的转矩曲线的负载一起使用时,电机以电机产生的转矩等于负载转矩的速度运行。减少负载会导致电机加速,而增加负载会导致电机减速,直到负载和电机扭矩再次相等。以这种方式操作,滑差损耗在次级电阻器中消散并且可能很大。调速和净效率差。

力矩电机

扭矩电机可以在停转时无限期地运行,也就是说,转子被阻止转动,而不会造成损坏。在这种操作模式下,电机向负载施加稳定的扭矩。

一个常见的应用是磁带驱动器中的供应和收卷电机。在此应用中,由低电压驱动,无论绞盘是否将磁带送入磁带头,这些电机的特性都会对磁带施加稳定的轻微张力。由更高的电压驱动(提供更高的扭矩),扭矩电机可以实现快进和倒带操作,而无需额外的机械装置,例如齿轮或离合器。在计算机游戏世界中,扭矩马达用于力反馈方向盘。

另一个常见的应用是用电子调速器控制内燃机的节气门。电机逆着复位弹簧工作,以根据调速器输出移动节气门。后者通过计算来自点火系统或磁性传感器的电脉冲来监控发动机速度,并根据速度对电流量进行小幅调整。如果发动机相对于所需速度减速,则电流增加,产生更多扭矩,拉动复位弹簧并打开节气门。如果发动机运转过快,调速器会降低电流,使回位弹簧拉回并减小油门。

同步电机

同步电动机是交流电动机。它包括一个转子旋转,线圈以与交流电相同的频率通过磁铁,并产生磁场来驱动它。它在典型操作条件下具有零滑差。相比之下,感应电动机必须打滑才能产生扭矩。一种类型的同步电机类似于感应电机,只是转子由直流磁场激励。滑环和电刷将电流传导至转子。转子磁极相互连接并以相同的速度运动。另一种类型,用于低负载扭矩,在传统的鼠笼式转子上进行平面磨削,以形成离散的磁极。还有一个,是哈蒙德为二战前的时钟和旧的哈蒙德风琴制造的,没有转子绕组和离散磁极。它不是自启动的。时钟需要通过背面的小旋钮手动启动,而较旧的哈蒙德风琴有一个辅助启动马达,由弹簧加载的手动开关连接。

磁滞同步电机通常(基本上)是两相电机,其中一相具有移相电容器。它们像感应电动机一样启动,但是当滑差率充分降低时,转子(一个光滑的圆柱体)会暂时被磁化。它的分布式磁极使其像永磁同步电机一样工作。转子材料,就像普通的钉子一样,保持磁化,但可以很容易地退磁。一旦运行,转子磁极保持在原位;他们不会漂移。

低功率同步计时电机(例如用于传统电钟的电机)可能具有多极永磁外杯转子,并使用遮蔽线圈提供启动扭矩。Telechron时钟电机具有用于启动扭矩的阴影​​极,以及一个双辐环形转子,其性能类似于离散的两极转子。

双馈电机

双馈电动机具有两个独立的多相绕组组,它们为能量转换过程贡献有功(即工作)功率,其中至少一个绕组组被电子控制用于变速操作。两个独立的多相绕组组(即双电枢)是在单个封装中提供的xxx数量,无需拓扑复制。双馈电动机具有有效的恒转矩速度范围,对于给定的励磁频率,该范围是同步速度的两倍。这是单馈电机恒转矩速度范围的两倍,单馈电机只有一个有源绕组组。

双馈电机允许使用更小的电子转换器,但转子绕组和滑环的成本可能会抵消电力电子元件的节省。困难影响控制速度接近同步限速应用。

特殊磁电机

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旋转

无铁芯或无芯转子电机

无铁芯或无铁芯直流电机是一种专用的永磁直流电机。转子针对快速加速进行了优化,没有铁芯。转子可以采用填充有绕组的圆柱体的形式,或者采用仅包括导线和接合材料的自支撑结构。转子可以安装在定子磁铁内;转子内部的软磁静止圆柱体为定子磁通量提供返回路径。第二种布置具有围绕定子磁体的转子绕组筐。在该设计中,转子安装在可用作电机外壳的软磁圆柱体内,并为磁通提供返回路径。

由于转子的质量比传统转子低得多,它可以更快地加速,通常可以实现低于1毫秒的机械时间常数。如果绕组使用铝而不是(较重的)铜,则尤其如此。转子没有用作散热器的金属块;即使是小型电机也必须冷却。过热可能是这些设计的一个问题。

蜂窝电话的振动警报可以由圆柱形永磁电机产生,也可以由具有薄多极盘磁场磁铁的盘形电机和带有两个粘合空心线圈的故意不平衡模塑转子结构产生。金属刷和扁平换向器将电源切换到转子线圈。

相关的限程执行器没有铁芯,并且在高通量薄永磁体的磁极之间放置了一个粘合线圈。这些是用于刚性磁盘(硬盘)驱动器的快速磁头定位器。尽管现代设计与扬声器的设计有很大不同,但它仍然被松散地(并且不正确地)称为音圈结构,因为一些早期的硬盘驱动磁头沿直线移动,并且驱动结构很像一个扬声器。

煎饼或轴向转子电机

印刷的电枢或薄饼电机的绕组形状为在高通量磁铁阵列之间运行的圆盘。磁体布置成面向转子的圆形,间隔开以形成轴向气隙。这种设计通常被称为煎饼电机,因为它的外形扁平。

电枢(最初在印刷电路板上形成)由冲压铜片制成,这些铜片使用先进的复合材料层压在一起,形成一个薄而坚硬的​​圆盘。电枢没有单独的环形换向器。刷子直接在电枢表面移动,使整个设计紧凑。

另一种设计是使用平放的缠绕铜线与中央传统换向器,呈花朵和花瓣形状。绕组通常用电气环氧树脂灌封系统稳定。这些是填充的环氧树脂,具有中等的混合粘度和较长的凝胶时间。它们的突出特点是低收缩和低放热,通常被UL1446认可为具有180°C(356°F)H级绝缘的灌封化合物。

无铁芯直流电机的独特优势是没有齿槽效应(由铁和磁铁之间的吸引力变化引起的扭矩变化)。寄生涡流不会在转子中形成,因为它是完全无铁的,尽管铁转子是层压的。这可以xxx提高效率,但变速控制器必须使用更高的开关速率(>40kHz)或直流,因为电磁感应降低。

发明这些电机是为了驱动磁带驱动器的绞盘,其中达到运行速度的最短时间和最短的停止距离是至关重要的。煎饼电机广泛应用于高性能伺服控制系统、机器人系统、工业自动化医疗设备。由于现在可用的各种结构,该技术用于从高温军用到低成本泵和基本伺服系统的应用。

另一种方法(Magnax)是使用一个夹在两个转子之间的定子。其中一种设计产生的峰值功率为15kW/kg,持续功率约为7.5kW/kg。这种无轭轴向磁通电机提供更短的磁通路径,使磁铁远离轴。该设计允许零绕组悬垂;100%的绕组处于活动状态。这通过使用矩形横截面的铜线得到增强。电机可以堆叠并行工作。通过确保两个转子盘对定子盘施加相等且相反的力,可将不稳定性降至最低。转子通过轴环直接相互连接,抵消了磁力。

Magnax电机的尺寸范围为直径0.15–5.4米(5.9英寸–17英尺8.6英寸)。

伺服马达

伺服电机是在位置控制或速度控制反馈系统中使用的电机。伺服电机用于机床、笔式绘图仪和其他过程系统等应用。用于伺服机构的电机必须具有可预测的速度、扭矩和功率特性。速度/扭矩曲线很重要,对于伺服电机来说是高比率。绕组电感和转子惯量等动态响应特性很重要;这些因素限制了性能。大型、强大但响应缓慢的伺服回路可以使用传统的交流或直流电机以及具有位置或速度反馈的驱动系统。随着动态响应要求的增加,使用了更专业的电机设计,例如无芯电机。交流电机\'优越的功率密度和加速特性往往有利于永磁同步,

伺服系统与某些步进电机应用的不同之处在于,在电机运行时位置反馈是连续的。步进系统本质上是开环运行的——依靠电机不会错过步骤以实现短期精度——带有任何反馈,例如电机系统外部的归位开关或位置编码器。

步进电机

步进电机通常用于提供精确的旋转。包含永磁体的内部转子或具有凸极的软磁转子由一组电子开关的外部磁体控制。步进电机也可以被认为是直流电机和旋转螺线管之间的交叉。当每个线圈依次通电时,转子将自身与通电的励磁绕组产生的磁场对齐。与同步电机不同,步进电机可能不会连续旋转;取而代之的是,随着励磁绕组按顺序通电和断电,它分步移动——启动然后停止——从一个位置前进到下一个位置。根据顺序,转子可以向前或向后转动,并且可以随时改变方向、停止、加速或减速。

简单的步进电机驱动器使励磁绕组完全通电或完全断电,从而将转子引导至有限数量的位置。微步进驱动器可以按比例控制励磁绕组的功率,使转子能够定位在齿轮点之间并平稳旋转。计算机控制的步进电机是最通用的定位系统之一,特别是作为数字伺服控制系统的一部分。

步进电机可以轻松地以离散步长旋转到特定角度,因此步进电机用于早期磁盘驱动器中的读/写磁头定位,它们提供的精度和速度可以正确定位读/写磁头。随着驱动器密度的增加,精度和速度限制使它们在硬盘驱动器中过时——精度限制使它们无法使用,速度限制使它们失去竞争力——因此,较新的硬盘驱动器使用基于音圈的磁头执行器系统。(音圈一词在这方面具有历史意义;它指的是锥形扬声器中的结构。)

步进电机通常用于计算机打印机光学扫描仪和数码复印机,以移动有源元件、打印头托架(喷墨打印机)和压板或进纸辊。

所谓的石英模拟手表包含最小的普通步进电机;它们有一个线圈,消耗很少的功率,并且有一个永磁转子。同一种电机驱动电池供电的石英钟。其中一些手表,例如计时码表,包含不止一个步进电机。

在设计上与三相交流同步电机密切相关,步进电机和SRM被归类为可变磁阻电机类型。

直线电机

直线电机本质上是任何已展开的电动机,因此它不会产生扭矩(旋转),而是沿其长度产生直线力。

直线电机最常见的是感应电机或步进电机。直线电机常见于过山车中,其中无电机轨道车的快速运动由轨道控制。它们也用于磁悬浮列车,列车飞越地面。在较小的规模上,1978年的HP7225A笔式绘图仪使用两个线性步进电机沿X轴和Y轴移动笔。

主要类别比较

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电磁

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力和扭矩

世界上电动机的根本目的是通过电磁感应在定子和转子之间的气隙中产生相对运动以产生力。

计算电机力的最通用方法使用张量。

反电动势

直流或通用电机的电枢绕组在磁场中的运动,会在其中感应出电压。该电压倾向于与电机电源电压相反,因此称为反电动势(emf)。电压与电机的运行速度成正比。电机的反电动势加上绕组内阻和电刷上的电压降必须等于电刷上的电压。这提供了直流电机中速度调节的基本机制。如果机械负载增加,电机就会减速;产生较低的反电动势,并从电源中汲取更多电流。这种增加的电流提供了额外的扭矩来平衡负载。

在交流机器中,有时考虑机器内的反电动势源是有用的;这对于VFD上感应电机的密切速度调节尤为重要。

损失

电机损耗主要是由于绕组中的电阻损耗、铁芯损耗和轴承中的机械损耗,以及空气动力损耗,特别是在存在冷却风扇的情况下,也会发生。

换向也有损耗,机械换向器会产生火花;电子换向器,也散热。

效率

各个国家监管机构已颁布立法,以鼓励制造和使用更高效的电机。电动机的效率从罩极电动机的至少15%到永磁电动机的98%不等,效率还取决于负载。峰值效率通常为额定负载的75%。因此(例如)10HP电机在驱动需要7.5HP的负载时效率最高。效率还取决于电机尺寸;较大的电机往往效率更高。某些电机不能连续运行超过指定的时间段(例如,每次运行超过一小时)

性能参数

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扭矩

电磁马达从相互作用场的矢量积中获得扭矩。计算扭矩需要了解气隙中的场。一旦这些已经建立,扭矩是所有力矢量乘以矢量半径的积分。绕组中流动的电流产生磁场。对于使用磁性材料的电机,磁场与电流不成比例。

将电流与扭矩相关联的数字可以告知电机选择。电机的xxx扭矩取决于xxx电流,不考虑热因素。

当在给定的铁芯饱和约束和给定的有功电流(即转矩电流)、电压、极对数、励磁频率(即同步速度)和气隙磁通密度内进行优化设计时,所有类别的电动机/发电机在给定的气隙区域内具有几乎相同的xxx连续轴扭矩(即操作扭矩),具有绕组槽和护铁深度,这决定了电磁铁芯的物理尺寸。一些应用需要超过xxx值的扭矩爆发,例如将电动汽车从静止状态加速的爆发。始终受磁芯饱和或安全工作温度的限制升和电压,超过xxx值的扭矩爆发能力在电动机/发电机类型之间存在显着差异。

扭矩突发能力不应与弱磁能力相混淆。弱磁允许电机在设计的励磁频率之外运行。当通过增加施加的电压无法达到xxx速度时,会进行弱磁。这适用于具有电流控制磁场的电机,因此无法通过永磁电机实现。

没有变压器电路拓扑的电机(例如WRSM或PMSM)无法在不使磁芯饱和的情况下提供扭矩突发。此时,额外的电流无法增加扭矩。此外,PMSM的永磁体组件可能会受到不可修复的损坏。

具有变压器电路拓扑结构的电机,例如感应电机、感应双馈电机以及感应或同步绕线转子双馈(WRDF)电机,由于电动势感应的有功电流在电机的任一侧,因此允许转矩突发。变压器相互对立,因此对变压器耦合磁芯磁通密度没有任何贡献,避免了磁芯饱和。

依靠感应或异步原理的电机将变压器电路的一个端口短路,因此,变压器电路的无功阻抗随着滑差的增加而变得占主导地位,这限制了有功(即实际)电流的幅度。可实现比xxx设计扭矩高2至3倍的扭矩突增。

无刷绕线转子同步双馈(BWRSDF)电机是xxx具有真正双端口变压器电路拓扑结构的电机(即两个端口独立激励,没有短路端口)。众所周知,双端口变压器电路拓扑结构不稳定,需要多相滑环电刷组件才能将有限的功率传播到转子绕组组。如果有一种精密装置可用于瞬时控制转矩角和滑差以在运行期间同步运行,同时为转子绕组组提供无刷电源,BWRSDF电机的有功电流将与变压器电路的无功阻抗无关,并且可以实现显着高于xxx工作转矩且远远超出任何其他类型电机的实际能力的转矩突发。已经计算出大于操作扭矩八倍的扭矩突发。

连续扭矩密度

传统电机的连续转矩密度由气隙面积和护铁深度的大小决定,这由电枢绕组组的额定功率、电机速度和可实现的气隙决定。磁芯饱和前的间隙磁通密度。尽管钕或钐钴永磁体具有高矫顽力,但在具有优化设计的电枢绕组组的电机中,连续转矩密度几乎相同。连续转矩密度与绕组过热或永磁体损坏之前的冷却方法和允许的运行时间有关。

其他消息来源指出,各种电机拓扑具有不同的扭矩密度。一个来源显示以下内容:

其中——表面永磁体(SPM)的比扭矩密度归一化为1.0——无刷交流电,180°电流传导。

与风冷电机相比,液冷电机的扭矩密度大约高出四倍。

比较直流电、感应电机(IM)、PMSM和SRM的来源显示:

另一个消息来源指出,高达1MW的PMSM具有比感应电机高得多的扭矩密度。

电动马达

连续功率密度

连续功率密度由连续转矩密度和恒转矩转速范围的乘积决定。电动机可实现高达20KW/KG的密度,这意味着每公斤的输出功率为20千瓦。

声学噪音和振动

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声学噪声和振动通常分为三个来源:

后一种来源,可造成电动机的呜呜声,称为电磁感应声学噪声。

标准

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以下是涵盖电动机的主要设计、制造和测试标准:

非磁性马达

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静电马达是基于电荷的吸引和排斥。通常,静电电机是传统基于线圈的电机的双重功能。它们通常需要高压电源,尽管小型电机使用较低的电压。传统的电动机改为采用磁吸引和排斥,并且需要低电压下的高电流。在1750年代,本杰明富兰克林和安德鲁戈登开发了xxx台静电马达。静电马达经常用于微机电系统(MEMS),其驱动电压低于100伏特,并且移动的带电板比线圈和铁芯更容易制造。运行活细胞的分子机器通常基于线性和旋转静电马达。

压电马达或压电马达是一种基于施加电场时压电材料形状变化的电动马达。压电马达利用逆压电效应,由此材料产生声学或超声波振动以产生线性或旋转运动。在一种机制中,单个平面中的伸长用于进行一系列拉伸和位置保持,类似于毛毛虫的移动方式。

电动航天器推进系统使用电动机技术在外太空推进航天器。大多数系统是基于将推进剂电加速到高速,而一些系统是基于电动系绳向磁层推进的原理。


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词条目录
  1. 什么是电动马达
  2. 电动马达的历史
  3. 早期马达
  4. 直流电机
  5. 交流电机
  6. 二十一世纪
  7. 电动马达组件
  8. 轴承
  9. 转子
  10. 定子
  11. 换向器
  12. 电机供应和控制
  13. 马达供应
  14. 电机控制
  15. 类型
  16. 自换向电机
  17. 有刷直流电机
  18. 电励磁直流电机
  19. 永磁体
  20. 电子换向器(EC)
  21. 无刷直流
  22. 开关磁阻电机
  23. 通用AC/DC电机
  24. 外换向交流电机
  25. 感应马达
  26. 力矩电机
  27. 同步电机
  28. 双馈电机
  29. 特殊磁电机
  30. 旋转
  31. 无铁芯或无芯转子电机
  32. 煎饼或轴向转子电机
  33. 伺服马达
  34. 步进电机
  35. 直线电机
  36. 主要类别比较
  37. 电磁
  38. 力和扭矩
  39. 反电动势
  40. 损失
  41. 效率
  42. 性能参数
  43. 扭矩
  44. 连续扭矩密度
  45. 连续功率密度
  46. 声学噪音和振动
  47. 标准
  48. 非磁性马达

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