电机在生活工业农业中的应用Word格式.docx

1、4. 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应 电动机。5.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。电动机技术发展现状 电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是 随着生产 力的发展而发展的， 反过来，电动机的发展也促进了社会生产 力的不 断提高。从 19 世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作 为拖动生产机械的原 动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基 本结构变化不大，但是电动机的类型 增加了许多，运行性能， 经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随 着自动控 制系统和计算机技术的发展， 在一般旋转电动机的理论基础上 又发展 出许多种类的

2、控制电动机，控制电动机具有高可靠性、 好精确度、快速响应的 特点，已成为电动机学科的一个独立分 支。 电动机的功能是将电能转换成机械 能，它可以作为拖动各种生产机械的动力， 是国民经济各部门应用最多的动力机 械。 在现代化工业生产过程中， 为了实现各种生产工艺过程， 需要 各种各样的 生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动， 液压传动和电力拖动。由 于电力拖动具有控制简单、调节性能好、耗损小、经济，能实现远距离控制和自 动控制等一系列优 点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。 按照电动机的种 类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统 和交流电力拖动系统两大类。 纵 观电力拖动的发展过程，

3、交、直流两种拖动方式并存于各个 生产领域。在交流 电出现以前， 直流电力拖动是唯一的一种电 力拖动方式， 19 世纪末期， 由于研 制出了经济实用的交流电动 机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用， 但随着生 产技术的发展， 特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进 步，对 电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等 静态特性和动态响应方 面提出了新的，更高的要求。由于交流 电力拖动比直流电力拖动在技术上难以 实现这些要求， 所以 20世纪以来， 在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中， 相当 时期内几乎都是采用直流电力拖动， 而交流电力拖动则主要用 于恒转速系 统。 虽然直流电动

4、机具有调速性能优异这一突出特点， 但是由于它 具有电刷与 换向器（又称整流子），使得他的故障率较高， 电 动机的使用环境也受到了限制 （如不能在有易爆气体及尘埃多 的场合使用），其电压等级， 额定转速， 单机容 量的发展也受 到了限制。所以，在20 世纪 60 年代以后，随着电力电子技术 的 发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是 70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电 力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电 动机的串级调速，各种类型的 变频调速， 无换向器电动机调速 等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽， 稳态精度高， 动态响应快以及在四

5、象限做可逆运行等良好的技术性能， 在调 速 性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流 电力拖动具有调速 性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用 于各个工业电气自动化领域中，并 逐步取代直流电力拖动而成 为电力拖动的主流。电动机工作原理目前较常用的主要是交流电动机，它可分为两种： 1、三相异步电动机。 2、 单相交流电动机。 第一种多用在工业上， 而第二种多用在民用电器上。 下面以三 相异步电动机为例介绍其基本工作原理。三相异步电动机转动的基本工作原理是：（1） 三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。（2） 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；（3） 转子载流导体在磁场中

6、受到电磁力的作用，从而形成电磁转距， 驱使电动机转子转动。三相异步电动机的结构是三相异步电动机的结构主要由两个部分组成， 一是固定不动的 部分（简称 定子），二是可以自由旋转的部分（简称转子） 。 定子与转子之间有一个很小的 气隙。此外，还有机座、端盖轴 承、接线盒、风扇等其他部分。 异步电动机根 据转子的绕组的结构不同，可分为鼠笼式和绕线 式两种。鼠笼式异步电动机的 转子绕组本身自成闭合回路， 整 个转子形成一个坚实的整体， 其结构简单牢固、 运行可靠、价 格便宜，应用最为广泛，小型异步电动机绝大部分属于这类。 绕线式异步电动机的结构比鼠笼式复杂，但启动性能较好，需 要时还可以调节电 动机的

7、转速。三相鼠笼式异步电动机的结构。 1. 定子 10 定子是用来产生旋转 磁场的，主要由定子铁心、定子绕组和机 座等部分组成。鼠笼式和绕线式异步 电动机的定子结构是完全 一样的。 2. 转子 转子是异步电动机的转动部分，它 在定子绕组旋转磁场的作用 下获得一定的转矩而旋转，通过联轴器或皮带轮带 动其他机械 设备做功。 转子由转子铁心、 转子绕组和转轴等部分组成。 3. 机座 机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子铁心、 定子绕组并支 撑端盖，所以要求机座具有足够的机械强度和刚 度，能承受运输和运行过程中 的各种作用力。 中、小型异步电动机通常采用铸铁机座， 定子铁心紧贴在机座 的

8、内壁，电动机运行时铁心和绕组产生的热量主要通过机座表 面散发到空气中去， 因此，为了增加散热面积，在机座表面装 有散热片。 对大型异步电动机，一般 采用钢板焊接机座，此时为了满足通 风散热的要求，机座内表面与铁心隔开适 当距离，以形成空腔， 作为冷却空气的通道。 11 对称三相交流电流通入对称 三相绕组时，便产生一个旋转磁场。 下面选取各相电流出现最大值的几个瞬间 进行分析。当=0 时，U相电流达到正最大值，电流从首端U1流入，用 表示, 从末端U2流出，用。表示；V相和W相电流均为负，因此 电流均从绕组的末 端流入，首端流出，故末端V2和W2应填上,首端V1和W1应填上合成 磁场的轴线正好位

9、于 U 相绕组的轴 线上。 当 =120时， V 相电流为正的最大 值，因此V相电流从首端V1流入，用 表示，从末端V2流出，用。表示。U相 和W相电流均 为负,则U1和W1端为流出电流，用。表示，而 U2和W2为流 入电 流，用表示，此时合成磁场的轴线正好位于 V 相绕组的轴线上， 磁场方 向已从 =0时的位置沿逆时针方向旋转了 120。 当 =240和 =360时，合 成磁场的位置。当 =360时，合成 磁场的轴线正好位于 U 相绕组的轴线上， 磁场方向从起始位置 逆时针方向旋转了 360，即电流变化一个周期，合成磁 场旋 转一周。 由此可见，对称三相交流电流通入对称三相绕组所形成的磁场

10、是 一个旋转磁场。旋转的方向从LHV-W正好和电流出现正 的最大值顺序相同， 即由电流超前相转向电流滞后相。 12 如果三相绕组通入负序电流， 则电流出现 正的最大值的顺序是LH W V。通过图解法分析可知，旋转磁场的旋转方向也为 LH WHV。 综上分析可知，三相异步电动机转动的基本工作原则是： （1） 三相 对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场， 其转 速为异步转速（ 1 ）且 1= 式中： 为电源频率，单位为 Hz； 为电机极对数。 （2） 转子导体切割旋转磁场 产生感应电动势和电流。 （3） 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用， 从而形 成电 磁转矩，驱使电动机转子转动，其转速

11、（ ）小于同步转速（ 1 ）。 异步电 动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转速，即同步转 速，因为如果到达同步 转速，则转子导体与旋转磁场之间没有 相对运动，随之在转子导体中不能感应 出电势和电流，也就不 能产生推动转子的电磁力。因此，异步电动机的转速总 是低于 同步转速，即两种转速之间总是存正在差异，异步电动机因此而 得名。 又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的， 所以又称为感应电动机。 13 （4）异步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致， 而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序，因此， 三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只要 改变电流的相序即

12、可，即任意对调电 动机的两根电源线，便可使电动机反转。电机在生活中的应用环顾一下您的房间， 您就会发现到处都有电动机的身影。 您可以尝试展开下面这 个有趣的调查：在房间里走一遍，统计一下找到的所有电动机。从厨房开始，以 下位置会使用电动机： 炉子上方和微波炉中的风扇洗涤槽下面的排污器搅拌机开罐器冰箱 事实上它有两到三个电动机：一个供压缩机用，一个供冰箱内部风扇 用，还有一个供制冰机用混合器 应答机中的磁带播放机 甚至烘箱上的时钟也有可能使用了电动机 杂物间中的以下位置使用了电动机：洗衣机干燥机电动螺丝刀真空吸尘器和微型真空除尘器电锯电钻火炉鼓风机甚至在浴室也可以找到电动机：风扇电动牙刷吹风机电

13、动刮胡刀汽车中也装有一些电动机： 自动开闭式车窗（每个车窗配有一个电动机） 自动调节座位（每个座位配有多达七个电动机） 加热器和散热器的风扇挡风玻璃雨刷启动马达 无线装置电动天线 此外，其他场所也存在各种各样的电动机： VCR 中有若干个电动机CD 播放器或大型录音机中有若干个电动机 计算机中有许多电动机（磁盘驱动器使用两至三个，加上一至两个风扇使用的 电动机）大多数运动玩具至少包含一个电动机（例如 Tickle-me-Elmo 在振动时使用的电 动机）电子时钟车库开门装置鱼缸水泵在房间里转了一遭后， 我统计到各种设备中隐藏有 50多个电动机。 每个运动设 备都是使用电动机来实现其运动的。电机

14、在工业中的应用现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁 同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类 按照不同的工农业生产机械的要求， 电机驱动又分为定速驱动、 调速驱动和精密 控制驱动三类。1、 定速驱动 工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行， 例如 风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动 机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的 驱动。但是，异步电动机效率、 功率因数低、 损耗大，而该类电机使用面广量大， 故有大量的电能在使用中被浪费了。 其次，工农业中大量使用的风机、 水泵往往

15、亦需要调节其流量， 通常是通过调节风门、 阀来完成的， 这其中又浪费了大量的 电能。 70 年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们 的流量，取得可观的节能效果， 但变频器的成本又限制了它的使用， 而且异步电 动机本身的低效率依然存在。例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机， 开关式控制其运行， 噪声 和较高的温度变化幅度是它的不足。 90 年代初，日本东芝公司首先在压缩机控 制上采用了异步电动机的变频调速， 变频调速的优点促进了变频空调的发展。 近 年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频 调速，显著提高了效率， 获得更好的节能效果和

16、进一步降低了噪声， 在相同的额 定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为 100%，则永磁无刷直流电动机的体积为 38.6%，重量为 34.8%，用铜量为 20.9%，用铁量为 36.5%， 效率提高 10%以上，而且调速方便， 价格和异步电动机变频调速相当。 永磁无刷 直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。 再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇， 以往都采用单相异步电动机外转子 结构的驱动方式， 它的体积和重量大， 效率低。 近年来它已经完全被永磁无刷直 流电动机驱动的无刷风机所取代。 现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是 无例外地使用着无刷风机。 这些年， 使用无

17、刷风机已形成了完整的系列， 品种规 格多，外框尺寸从 15mm 到 120mm 共有 12 种，框架厚度有 6mm 到 18mm 共 7 种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到 14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速 4种，寿命30000小时以 上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于 10kW 而连续运行的场合，为减小体积、节省 材料、提高效率和降低能耗等因素， 越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直 流电动机逐步替代。 而在功率较大的场合， 由于一次成本和投资较大， 除了永磁 材料外，还要功率较

18、大的驱动器，故还较少有应用。2、 调速驱动 有相当多的工作机械， 其运行速度需要任意设定和调节， 但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺 织机械和交通车辆中有大量应用 在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统， 70 年代后随电力 电子技术和控制技术的发展， 异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速 系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与 直流调速系统相媲美， 另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、 可靠 性高、干扰小、 寿命长等优点。 故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直 流调速

19、系统。交流永磁同步电动机由于其体积小、 重量轻、 高效节能等一系列优点， 越来越引 起人们重视，其控制技术日趋成熟， 控制器已产品化。 中小功率的异步电动机变 频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例 子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人 们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。 70 年代变频技术发展成熟， 异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。 而这几年电 梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统， 其体积小、 节能、控制性 能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒

20、 适性都优于以前的驱动系统， 适合在无机房电梯中使用。 永磁同步电动机驱动系 统很快得到各大电梯公司青睐， 与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上 市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公 司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW300kW, 体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可 用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。3、 精密控制驱动1高精度的伺服控制系统 伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色， 应用场合的 不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。 实际应

21、用中， 伺服电动机有各种 不同的控制方式，例如转矩控制 /电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动 机系统也经历了直流伺服系统、 交流伺服系统、 步进电机驱动系统， 直至近年来 最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。 最近几年进口的各类自动化设备、 自 动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。2信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展， 各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展， 与 其配套的关键部件微电机需求量大， 精度和性能要求也越来越高。 对这类微电机 的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求 更是特别高。 例如，硬盘驱动器

22、用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机， 它以近 10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面 只有 0 . 1 0 . 3微米处作悬浮运动， 其精度要求之高可想而知了。 信息技术中各种 设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电 机绝大多数是永磁无刷直流电动机。 受技术水平限制， 这类微电机目前国内还不 能自己制造，有部分产品在国内组装。电机在农业中的应用众所周知， 直流电动机有优良的控制性能， 其机械特性和调速特性均为平行 的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。 此外，直流电动机还有起动转矩大、 效率高、调速方便、动态特性好等特点。

23、优良的控制特性使直流电动机在 70 年 代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是， 直流电动机的结构复杂， 其定子上有激磁绕组产生主磁场， 对功率较大的直流电 动机常常还装有换向极， 以改善电机的换向性能。 直流电机的转子上安放电枢绕 组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕 组中的交变电流， 即进行机械式电流换向。 复杂的结构限制了直流电动机体积和 重量的进一步减小， 尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花， 使 直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成 了换向器的电腐蚀， 还是一个无线电干扰源

24、， 会对周围的电器设备带来有害的影 响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷 和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上， 人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。 交流异步电 动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流 电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产 生需从电网吸取无功功率， 故功率因素低， 轻载时尤甚， 这大增加了线路和电网 的损耗。长期以来， 在不要求调速的场合， 例如风机、 水泵、普通机床的驱动中， 异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过

25、去的电力拖动中， 很少彩同步电动机， 其主要原因是同步电动机不能在电网电 压下自行起动， 静止的转子磁极在旋转磁场的作用下， 平均转矩为零。 人们亦知 道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在 70 年代以前，变频电源 是可想而不可得的设备。 所以，过去的电力拖动中， 很少看到用同步电动机作原 动机。在大功率范围内， 偶尔也有同步电动机运行的例子， 但它往往是用来改善 大企业的电网功率因数。永磁材料近年来的开发很快， 现有铝镍钴、 铁氧体和稀土永磁体三大类。 稀 土永磁体又有第一代钐钴 1：5，第二代钐钴 2：17 和第三钕铁硼。铝镍钴是本 世纪三十年代研制成功的永磁材料， 虽其具有剩

26、磁感应强度高， 热稳定性好等优 点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足 大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材 料，其最大的特点是价格低廉， 有较高的矫顽力， 其不足是剩磁感应强度和磁能 积都较低。 钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世， 它具有铝镍钴一样高的剩磁 感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。 80 年代初钕铁硼稀土 永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特 点特别适合在电机中使用。 它们不足是温度系数大， 居里点低， 容易氧化生锈而 需涂复处理。 经过这几年的不断改进提高， 这些缺

27、点大多已经克服， 现钕铁硼永 磁材料最高的工作温度已可达 180C, 般也可达150C，已足以满足绝大多数 电机的使用要求。电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口， 是弱电与被控强电之间 的桥梁。自 58 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件 已经历了第一代半控式晶闸管， 第二代有自关断能力的半导体器件 （大功率晶体 管GTR可关断晶闸管GTQ功率场效应管MOSFET的三代复合场控器件（绝缘 栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOSS制的晶体管MCT等）直至90 年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速 增大，成本大降低，控

28、制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。 70 年代出现了通用变频器的系列产品， 可将工频电源转变为频率连续可调的变频电 源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。 这些变频器在频率设定后都有软起 动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率， 而且此上升速率可以在很大的 范围任意调整， 这对同步电动机而言就是解决了起动问题。 对最新的自同步永磁 同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的 功率环节。规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表， 它不仅是高新电子信息产业 的核心，又是不少传统产业的改造

29、基础。 它们的飞速发展促进了电机控制技术的 发展与创新。70 年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将 交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分 量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制， 可获得与直流电动机一样良好 的动态调速特性。 这种控制方法已经成熟， 并已成功地在交流伺服系统中得到应 用。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力， 控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求， 单片机往往都不能满足要求。 近 年来各种集成化的数字信号处理器（DSP发展很快，性能不断改善，软件和开 发工具越来越多，出现了专门用于电机

30、控制的高性能、低价位的 DSP集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。 用独立的变频电源向永 磁同步电动机供电， 同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化， 此即为外同步 式永磁同步电动机运行。 外同步运行常用于开环控制， 由于转速与频率的严格关 系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。 例如，纺织行 业纱锭驱动， 传送带锟道驱动等场合。 为此可选用一台较大容量的变频器， 同时 向多台永磁同步电动机供电。当然，变频器必须能软起动， 输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电 动机的起动问题。所谓自同步的永磁同步电动机， 其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子 的位置所决定， 能自动地维持与转子磁场有 900 的空间夹角， 以产生最大的电机 转矩。旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定。 用此种方式运行的永 磁同步电动机除仍需逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器， 逆变器的开关工作， 即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流， 完全