哈工大电气工程导论报告文档格式.docx
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永磁材料；
蒸发冷却技术。
开关磁阻电机；
横向、径向、轴向永磁电机；
高速电机；
高性能交流调速系统等。
2、电机在国民经济中的作用
电能是现代社会最主要的能源，并对人类文明的发展起到了重要的推动作用。
电机是和电能的生产、输送与利用密切相关的能量转换机械。
电机不仅是国民经济各行业中的重要或关键设备，而且在人们日常生活中的应用也越来越广泛。
工业：
机床、机器人、轧钢机、纺织机、造纸机、风机、水泵、压缩机、吊车、卷扬机、传送带等。
农业：
电力排灌设备、脱粒机、碾米机、榨油机、粉碎机等。
交通运输业：
电气机车、磁悬浮列车、城市轨道列车、无轨电车、电动汽车等。
二、电机名称、分类、基本结构及工作原理
1、电机的分类
将电机按结构和工作原理分类，可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
同步电动机可划分：
永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电动机可划分：
感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机可划分：
三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。
交流换向器电动机可划分：
单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
2、直流电机
直流电机的结构：
直流电机可分为固定的定子和转动的转子两大部分；
定子由主磁极，换向磁极，机座以及电刷装置等组成。
（1）主磁极；
主磁极用来产生磁场，使电枢绕组感应电动势。
它由铁芯和励磁绕组组成，铁芯用厚0．5—1．5ram的低碳钢板冲击，叠装后用铆钉铆紧。
靠近气隙的扩大部分称为极靴，极靴对励磁绕组起支撑作用，且使气隙磁通有较好的波形分布。
（2）换向极；
换向极用来改善直流电机的换向，又称附加极。
它由铁芯和套在铁芯上的换向极绕组组成。
铁芯常用整块钢或厚钢板制成，匝数不多的换向极绕组与电枢绕组串联。
换向极的极数一般与主磁极的极数相同。
换向极与电枢之间的气隙可以调整。
（3）机座；
机座既是电机的外壳，又是电机磁路的一部分，一般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成。
机座的两端有端盖。
中小型电机前后端盖都装有轴承，用于支撑转轴。
大型电机则采用座式滑动轴承。
（4）电刷装置；
电刷装置的作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。
电枢装置由电刷刷握、刷杆座和汇流条等零件组成，电刷一般采用石墨和铜粉压制焙烧而成。
它放置在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上，电刷杆数一般等于主磁极的数目。
转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等部件组成。
（1）电枢铁芯；
电枢铁芯作为电机磁路的一部分，通常用0.35mm或0.5mm厚、冲有齿和槽的两面漆有绝缘漆的硅钢片叠装而成。
电枢绕组放置在铁芯的槽内。
小容量电机的电枢铁芯上有轴向通风孔，而大容量电机的还有径向通风沟。
（2）电枢绕组；
电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量的转换。
电枢绕组是用绝缘铜线制成元件，然后嵌放在电枢铁芯槽内，元件的引线端头按一定的规律与换向片连接。
电枢绕组的槽部用绝缘的槽楔压紧，其端部用钢丝或无纬玻璃丝带帮扎。
（3）换向器；
换向器是直流电机的关键部件，它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势。
换向器由彼此绝缘的换向片构成，外表呈圆形。
换向片用硬质电解铜（铜镉合金）制作。
换向片垫以0.4～1.0mm厚的云母绝缘，整个圆筒的端部用V形压环夹紧，换向片与V形压环之间亦用云母绝缘。
每片换向片的端部有凸出的升高片，用来与绕组元件引线端头连接。
直流电机的原理：
带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL。
在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。
此时电枢线圈中将有电流流过。
如图1。
在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，s极下导体cd受力方向从左向右。
该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。
当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。
当电枢旋转到图2所示位置时，原N极性下导体ab转到s极下，受力方向从左向右，原s极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。
线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。
图1图2
3、感应电机
感应电机的结构：
定子设计。
定子是电机外部结构，它覆盖在围绕于—个铁12'
周围的转子电枢上。
在速度～定的三相电机的设计中，定子有三相绕组，单相电机由两相绕组构成。
定子锲由一些圆形打孔的迭片叠压而成，这些迭片的材料有可能是铝片或铸铁。
这些迭片是圆形的，并且在圆形的迭片上有一个圆形的孔用于放置转子。
在定子的内表面有一些深槽，在这些槽内放置着绕组。
这些爹谶的排列决定电机的极数。
绕组的结构，槽结构和迭片的材料都会影响到电机的性能。
电机的额定电压由电机的转速决定，电机的额定功率也受着电机的铜耗和铁耗的影响，并且电机产生的热量也是由这些因素产生。
定子的设计决定着电机的额定转速，全负载特性的最大值和全速时特性的最大值。
转子设计。
转子包括一个由压在电机轴上的圆形迭片结构组成的组成。
绕线由—些贯穿转子的导条组成。
导条互相连接围绕在转子表面。
这些导条突出在定子表面，在末端由一个短环连接在—起。
这些导条的材料通常是铝或铜。
转子表面的位置、形状、连接区域和导条的材料决定了转子的特性。
导条的位置比较深入转子，会增加围绕导条的铁的用量，并且增加转子的电感值。
导条的电抗由电感和电阻组成，因此两个相同尺寸的导条可能显示出来不同的交流电抗，因为这个数值与它们相对于转子表面的位置有关。
—个薄导条由径向方向插入到转子当中，一边接近转子的表面，另一边朝向轴心。
那么随着电流频率的变化它的电阻也会随着变化。
这是因为导条外部的交流电抗要比内部的交流电抗低，高频会提高与导条电抗有关的导条的有效电抗。
在低频时，到条的两个边缘的电抗都会降低并且基本相等。
转子的设计决定了电机的启动特性。
感应电机的原理：
直线电机从原理上讲可以看成是将普通的旋转电机沿通过轴线的平面剖开，然后展开成一条直线而成，这时旋转电机的定子演变成直线电机的初级，转子演变成次级，如图3。
直线感应电机初级通入三相对称正弦电流后，产生气隙磁场并且沿直线方向呈正弦分布。
当三相电流随时间变化时，气隙磁场按定向相序沿直线方向平移，称为行波磁场。
次级感应电流再与气隙磁场相互作用便产生电磁推力。
为减少发热和降低成本，高速机床一般采用次级固定，初级（较短）与工作台固联做直线运动。
在电机结构上，直线感应电机的初级与旋转电机的定子之间的差别在于，前者初级铁心的纵向两端是开断的，形成了两个纵向边缘，线相比铁心和绕组不能像旋转电动机那样在两端互相连接。
这种结构直接导致了直线感应电机比旋转感应电机多了所谓的边缘效应（endefect），这是由于在行波磁场方向上涡流的分布不对称引起的。
该边缘效应既能产生有效的电磁推力，但也增加了直线电机的损耗。
图3
4、永磁同步电机
永磁同步电机的结构：
交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。
其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。
伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图4所示。
功率板（驱动板）是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源：
控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。
控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率．以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
图4
永磁同步电机的原理：
同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场。
而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。
根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。
5、开关磁阻电动机
开关磁阻电动机的结构：
图5所示是开关磁阻电动机的典型结构原理图，电机为双凸极结构。
转子仅由普通硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体；
定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。
图5
开关磁阻电动机的原理：
其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。
顺序给A—B—c—D相绕组通电，则转
子便按逆时针方向连续转动起来。
当主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流电源Ud吸收电能，而当Sl、S2关断时，绕组电流通过续流二极管D1、D2，将剩余能量回馈给电源Ud。
因此，开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。
反之，依次给D—C—B—A相通电，则电动机会顺时针方向转动。
开关磁阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序。
开关磁阻电动机可设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配，图1所示电动机为8／6极。
开关磁阻电动机的结构比鼠笼式交流异步电动机还要简单，其突出的优点是定子上只有几个集中绕组，转子上无任何形式的绕组，机械强度很高，制造简单、可靠性高。
磁阻转矩的物理解释如图6所示，当不励磁的凸极转子放在磁场里，如果转子轴线与磁极的轴线重合，这时转子虽然也被磁化，但气隙磁场并不被扭歪，在这样的情况下，显然只有径向的磁拉力，而没有切向的磁拉力，转子无电磁转矩作用。
如果将转子转过一个角度0磁场的磁通总是通过磁阻最小的途径，因此气隙磁场被扭歪，磁极与转子之间除径向磁拉力外，还出现了切向磁拉力，这种切向磁拉力就形成了一种电磁转矩。
所以开关磁阻电动机的凸极效应使直轴与交轴上的磁阻不相等会产生一种附加的电磁转矩M，相应地产生附加的电磁功率P，故这种转矩也称为磁阻转矩，这也是开关磁阻电机的转子结构形式为凸极的原因。
图6
6、直线电机
直线电机的结构：
直线电机从原理上讲可以看成是将普通的旋转电机沿通过轴线的平面剖开，然后展开成一条直线而成，这时旋转电机的定子演变成直线电机的初级，转子演变成次级。
直线电机的原理：
直线感应电机初级通入三相对称正弦电流后，产生气隙磁场并且沿直线方向呈正弦分布。
当三相电流随时间变化时，气隙磁场按定向相序沿直线方向平移，称为行波磁场。
次级感应电流再与气隙磁场相互作用便产生电磁推力，如图7。
为减少发热和降低成本，高速机床一般采用次级固定，初级（较短）与工作台固联做直线运动。
在电机结构上，直线感应电机的初级与旋转电机的定子之间的差别在于，前者初级铁心的纵向两端是开断的，形成了两个纵向边缘，线相比铁心和绕组不能像旋转电动机那样在两端互相连接。
这种结构直接导致了直线感应电机比旋转感应电机多了所谓的边缘效应（endefect），这是由于在行波磁场方向上涡流的分布不对称引起的。
该边缘效应既能产生有效的电磁推力，但也增加了直线电机的损耗。
图7
7、步进电机
步进电机的结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'
与齿5相对齐，（A'
就是A，齿5就是齿1）如图8是定转子的展开图：
图8
步进电机的原理：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度f称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差f精度为100％）1~特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相．转矩和体积较小，步进角一般为7．5度或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1．5度。
但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成。
定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1．8度而五相步进角一般为0．72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
三、电机控制技术的概念和基本方法
1、电机控制技术的概念：
电机控制是指，对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。
根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。
对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。
2、电机控制技术的内容：
（1）执行机械技术
包括电机的原理与设计；
电机及传感器一体化；
电机及驱动控制一体化；
机械机构的动力学分析；
一体化电机系统；
电机机构的新结构、新原理、新材料新构成等等。
（2）逆变和电机驱动技术
包括电力变换技术；
功率驱动技术；
精密驱动技术；
电力变换的调节控制；
脉宽调制技术；
驱动保护技术；
电磁兼容与可靠性等等。
（3）运动信息及信号检测
包括传感器技术；
信号处理技术；
接口技术等。
（4）自动控制技术
包括控制理论；
控制方法以及控制电路的模拟，仿真和调试技术。
（5）电机控制系统的数字集成
包括电机系统的一体化设计；
电机系统的结构化设计；
电机系统的模拟仿真和实现；
电机系统的综合性能分析和评估。
（6）以嵌入式DSP和FPGA芯片为核心的单片电机系统SOC（SystemOnaChip）技术
将电机系统的主要结构做在一个单芯片中，它以嵌入式DSP或FPGA芯片为核心，采用面向对象的片中软件现实控制系统的可重构、可扩充芯片为核心，采用面向对象的片中软件现实控制系统的可重构、可扩充和通用性。
它可以适用于无刷电动机，感应电动机，同步电动机，开关磁阻电机，步进电动机的反馈控制，矢量控制，智能控制等高层次控制。
（7）网络信息家电中的电机控制技术
“网络信息家电”是一种概念，是一种新领域。
它是信息技术与家用电器智能控制技术的结合。
它是信息时代的重要物质基础。
它是计算机、自动控制、信息技术、电工等学科交叉融合产生的新兴领域。
3、电机控制技术的基本方法：
（1）电机启动控制
三相异步电机启动方式包括：
全电压直接启动、降压启动、增加转子回路电阻启动。
对于降压启动，主要包括：
自耦变压器启动、星-三角变化启动、变电压启动。
异步电机启动时，转子处于静止状态，其转差率s=1。
此时，T型等效电路的转子侧阻值很低，因此启动电流的大小较大，通过降压启动可以降低启动电流。
由于异步电机的启动转矩与电压平方成正比，因此对于降压启动需要保证电机具有一定的启动能力。
增加转子回路启动的方法适用于绕线式转子、深槽转子及双笼式转子。
对于鼠龙式转子无法使用该方法。
增加异步电机转子电阻时，电机的最大转矩将不会受到影响，但最大转矩的出现点将发生移动，电机转矩-转差率曲线将沿转差率轴压缩。
由于电机曲线关于转差率呈现先上升后下降的趋势，因此电机的启动转矩将增大。
但其数值受电机最大转矩的影响。
单相异步电机的启动方式包括：
电容启动、电阻启动、PTC启动等、罩极启动等。
由于感应电机单相绕组在转子静止时，无法产生旋转磁势，因此只有单相绕组的异步电机无法自启动。
对此，需要在单相异步电机上安装有于主绕组成90°
的辅助绕组。
该绕组主要用于电机的启动，当电机启动完成后可以切断该绕组或用于电机的运转。
为了使电机产生旋转磁势，就必须使电机绕组在转子静止时能够产生旋转磁势。
为此，需要有在空间上互成90°
的两个绕组，并通入相位上互差90°
的电流。
由于电机绕组成感性、因此可以利用电容和电阻使2个绕组互成90°
。
PTC启动，是使用PTC电阻，当电机运转到一定速度后，电机的温度将升高，此时PTC电阻达到剧里温度，电阻自动切断。
同步电机由于转子以同步速旋转，不存在转差率。
当转子的速度与同步速相差较大时，将产生失步现象，因此无法自启动。
同步电机的启动方式包括：
变频启动、异步电机带动启动、线性电机自启动。
对于变频启动，通常设定启动电压频率的变化率，当电机运转到额定转速的60至80后，向电机加入额定频率，直接带入同步。
异步电机带动启动类似。
对于线性电机，其转子结构为永磁体+鼠笼。
鼠笼用于启动过程。
当电机运转至同步速后，鼠笼不再产生电磁转矩。
（2）电机运转及调速控制
电机调速方法包括：
串电阻调速、变频调速、变极调速及矢量控制、直接转矩控制等。
串电阻调速主要用于异步电机。
调速范围受到电机最大转矩限制。
变频调速适用于感应电机。
通过调节同步速达到调速的目的。
变极调速通过改变电机极数，产生1/2、1/3...的转速。
四、电机数字控制系统集成技术的应用情况
1、空调机：
空调器的驱动电机有压缩机、风扇电机（轴流风机和贯流风机）、摆动送风叶片（步进电机和同步电机）等部件电机驱动。
1.压缩机电机
（1）单相异步电机：
空调器用单相压缩机有两个绕组，即启动绕组与运行绕组（主绕组），三个接线头，其中C为公共端，S为启动端，R为运行端，一般采用电容运行式（PSC）驱动，实行定速控制，其接线原理如图9所示。
从图中可以看出，电机从启动到正常运行过程中，副绕组电路始终都串接一只电容，这样电器运行性能好，效率与功率因数高，工作可靠。
（2）三相异步电机
其结构与单相电机类似，不同的是三相电机定子由3组完全对称的绕组组成，这三个绕组嵌在定子铁芯槽中，而且在空间分布上彼此错开120°
电度角。
3
个绕组可接成Y形，亦可接成△形，当定子绕组中通入三相对称电流（即三相电流在时间位相上互差120°
电度角）时，就会在定子、转子间的气隙产生旋转磁场，使转子因电磁感应而产生电磁转矩。
三相异步电动机结构简单，性能优良，转矩、效率与功率因数都较单相异步电动机高，所以功率较大的空调器，如柜式空调器压缩机多采用三相异步电机。
三相异步电动机不需要启动和运行电容就能自动形成旋转磁场，其Y形和△形接线原理如图10所示。
图9图10
2．
风扇电机
空调器风扇用电机为一般为单相异步电机，采用PSC接线方式。
根据使用的需要，风扇电机可进行调速，调速方法有：
定子绕组抽头式调速、可控硅调速等。
2、冶金起重电机：
起重电机及冶金用变频调速电动机为鼠笼转子电动机。
它集传统的起重冶金用电动机优点及变频电机优点于一身，使电动机不仅可以满足频起动、制动、过载、逆转、超速、冲击和振动工作场合的需要，还可满足变频器控制下运行的需要，实现软启动、四象限运行等，从而减少对设备的冲击，节约能源。
电动机额定电压380V，额定频率50Hz，基准工作制S3-40%。
电机采用强迫通风冷却方式，使得电机在宽广的频率范围内均有良好的散热效果。
电机绝缘等级及防护等级的设置与YZ、YZR电机相同。
电机安装尺寸与YZ、YZR电机相同，从而保证了良好的互换性。
电动机外形采用新的设计，美观大方。
H160以上电机带独立供电的冷却风机，以满足低频段运行时通风散热的要求。
基本系列不带编码器、超速开关等（适合于开关控制），编码器、超速开关、制动器等可按用户需求加装。
是冶金、起重机械的理想动力，产品广泛用于冶金、起重、水利电力等行业。
3、风力发电机：
根据风力发电机旋转轴的区别，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
图11图12
水平轴风力发电机：
旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机，如图11。
垂直轴风力发电机：
旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机，如图12。
目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。
目前水平轴风力发电机的功率最大已经做到了5wm左右。
垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。
与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。
4、潜艇及战舰推进电机系统：
对于常规潜艇推进来说，由于柴油发电机组要与铅酸蓄电池配合使用，故直流电动机长期以来一直是一种唯一现实的选择方案。
利用公认而经反复试验证明有用的技术，采用直流电机可达到抵噪声和低振动的目的。
然而直流机的电刷、换向器与重量有关的直径和功率输出限制了它本身的进一步发展。
用传统的交流方式驱动同步交流电动机虽然能够节省空间和重量，但是却会导致不能令人满意曲噪声和振动。
舰船电力推进系统是舰船动力的一种重要类型。
由于电力推进系统具有布置方便、1作噪声低、节能、操纵灵活、易丁实现自动控制等优点，它的使用范围已由潜艇、船舶扩大到水面舰艇，并有逐步取代直接推进之势。
由于直流电动机转速的调节性能和转矩的控制比较理想，所构成的直流调速系统控制简单，所以，在潜艇等电力推进系统中，由直流电动机构成的直流电力推进系统长期以来占统治地位。
但由于直流电动机具有换向器，存在自身的弱点：
结构复杂、体积大、价格高、维护困难、因运行时有火花使容量和转速的极限值受到限制等，因而使用场所受到限制。
交流电动机的输出功率及转速极限值比直流电动机火得多，结构简单，制造成本低，运行可靠，体积小。
随着电力电子技术、数字控制技术、现代控制理论特别是欠量控制技术的发展，交流凋迷系统的性能已可与直流凋速系统相媲美，因而不仅广泛应用于钢铁、造纸、化工等工业领域，在破冰船、客轮、油轮、游船、工程船以及舰艇电力推进中开始得到应用，并逐步取代直流电力推进。
自八十
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