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电工技师论文

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——论电动机工作原理及其应用

单位：

承德巨丰源煤炭有限公司职业：

机电管理作者：

左献强

电动机是人们生产和生活中必不可少的电力设备，当今社会，一切与电有关的设备都与电动机必不可分，现就电动机的有关理论加以剖析。

一、电机的定义：

　电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

电动机俗称马达，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

二、电动机的分类：

1．按工作电源种类划分：

可分为直流电机和交流电机。

2、按结构和工作原理划分：

可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

3．按起动与运行方式划分：

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．按用途划分：

驱动用电动机和控制用电动机。

5．按转子的结构划分：

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．按运转速度划分：

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。

三、主要电机的结构和工作原理简介：

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。

　直流电动机的工作原理是导体受力的方向用左手定则确定。

这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

　　当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。

这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

　因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

2、、三相异步电动机的旋转原理

三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。

我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，定子绕组产生旋转磁场后，转子导体（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。

一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

3、单相交流电动机的旋转原理

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。

单相电不能产生旋转磁场.要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。

这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。

交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

⑵定子绕组散热比较方便。

⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

⑷适应于高速大力矩工作状态。

⑸同功率下有较小的体积和重量。

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。

正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。

1.步进电动机的种类

　　目前常用的有三种步进电动机：

（1）反应式步进电动机（VR）。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

（2）永磁式步进电动机（PM）。

永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

　　（3）混合式步进电动机（HB）。

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。

它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

2.步进电动机的工作原理

图1三相反应式步进电动机的结构示意图

1——定子 2——转子 3——定子绕组{{分页}}

　　图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。

电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。

各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。

转子上均布40个小齿。

所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。

由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。

若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。

因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。

若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。

接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。

依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。

若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。

因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。

单三拍运行时的步矩角θb为30º。

三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。

六拍运行时的步矩角将减小一半。

反应式步进电动机的步距角可按下式计算：

                         θb=360º/NEr                                

（1）

式中  Er——转子齿数；

      N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

3.步进电动机的驱动方法

　　步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。

图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。

驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。

图2步进电动机驱动控制器

1. 单电压功率驱动接口

　　实用电路如图3所示。

在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。

一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。

Rs对步进电动机单步响应的改善如图3（b）。

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图3单电压功率驱动接口及单步响应曲线

图4双电压功率驱动接口

2.双电压功率驱动接口

　　双电压驱动的功率接口如图4所示。

双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。

这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。

图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。

当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。

反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。

这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。

3.高低压功率驱动接口

图5高低压功率驱动接口

　　高低压功率驱动接口如图5所示。

高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。

这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。

高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。

图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。

一般可取1~3ms。

（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。

4.斩波恒流功率驱动接口

　　恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。

使电机具有恒转矩输出特性。

这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。

图6是斩波恒流功率接口原理图。

图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。

当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。

由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。

此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。

当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。

如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。

图6斩波恒流功率驱动接口

　　斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。

这种功率接口的特点是：

高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。

目前已有相应的集成功率模块可供采用。

5.升频升压功率驱动接口

　　为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。

这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。

它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。

6.集成功率驱动接口

　　目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。

　　L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。

H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。

L298（或XQ298，SGS298）的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。

L298（等）采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。

它的内部结构如图7所示。

H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。

L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。

图7L298原理框图

　　与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。

SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。

　　图8是使用L297（环形分配器专用芯片）和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。

图8专用芯片构成的步进电动驱动系统

四、电动机启动前的检查方法

（1）新的或长期停用的电机，使用前应检查绕组间和绕组对地绝缘电阻。

通常对500V以下的电机用500V绝缘电阻表；对500-1000V的电机用1000V绝缘电阻表；对1000V以上的电机用2500V绝缘电阻表。

绝缘电阻每千伏工作电压不得小于1MΩ，并应在电机冷却状态下测量。

（2）检查电机的外表有无裂纹，各紧固螺钉及零件是否齐全，惦记的固定情况是否良好。

（3）检查电机传动机构的工作是否可靠。

（4）根据铭牌所示数据，如电压、功率、频率、联结、转速等与电源、负载比较是否相符。

（5）检查电机的通风情况及轴承润滑情况是否正常。

（6）扳动电机转轴，检查转子能否自由转动，转动时有无杂声。

（7）检查电机的电刷装配情况及举刷机构是否灵活，举刷手柄的位置是否正确。

（8）检查电机接地装置是否可靠。

五、对电动机轴电流的分析及防范

1 轴电流的危害 

    在电动机运行过程中，如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在，那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。

轻微的可运行上千小时，严重的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。

同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。

    2 轴电压和轴电流的产生 

    轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种：

（1）磁不平衡产生轴电压 

    电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。

（2）逆变供电产生轴电压 

    电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。

    （3）静电感应产生轴电压 

    在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。

    （4）外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保 

    护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。

    （5）其他原因 

    如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。

轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。

    3 轴电流对轴承的破坏 

    正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。

对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不会产生轴电流。

但是当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过，由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。

一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

    4 轴电流的防范 

    针对轴电流形成的根本原因，一般在现场采用如下防范措施：

（1）在轴端安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电流。

（2）为防止磁不平衡等原因产生轴电流，往往在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，以切断轴电流的回路。

    （3）为了避免其他电动机附件导线绝缘破损造成的轴电流，往往要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘，以消除不必要的轴电流隐患。

    一般通过以上处理，大多电动机的轴电流微乎其微，已对电动机构不成实质上危害。

现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压电动机轴电流的防范效果好，对安全生产具有积极作用.

六、主要电动机的应用范围

　1、直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。

2、异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。

异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。

在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。

3、步进电动机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

4、同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件。

其中三相同步电动机是其主体。

此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。

2009年10月11日