1.電動機的定義和原理

 

電動機和發(fā)電機都是轉(zhuǎn)換電能和機械功的裝置。使用電能執(zhí)行機械功的設(shè)備稱為電動機，將電能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備稱為發(fā)電機。它是電動機還是發(fā)電機取決于電流是在磁場中流過導(dǎo)體還是在磁場中移動。電磁力產(chǎn)生的基本原理可以用弗萊明的左右定律來解釋。

 

圖1顯示了如何通過使電流在磁場中流過導(dǎo)體來產(chǎn)生力。力量的產(chǎn)生可以用弗萊明的左手定律來解釋。如果磁場強度為B（T），電流大小為i（A），并且導(dǎo)體在磁場中的長度為l（m），則洛倫茲力F = Bli（N）由麥克斯韋方程計算。會發(fā)生。

 

圖1：根據(jù)弗萊明左手定則生成力

 

圖2說明了根據(jù)弗萊明右手法則通過在磁場中移動導(dǎo)體來產(chǎn)生電壓的原理。如果導(dǎo)體的移動速度為v（m / s），則生成的電壓e = Blv（V）。圖2中的磁場由永磁體制成，但是也可以通過使電流通過繞組的線圈產(chǎn)生磁場。那些產(chǎn)生磁場的磁體（例如永磁體和線圈）稱為場磁體。

 

圖2：根據(jù)弗萊明右手定則產(chǎn)生電壓

 

電動機通過流過勵磁線圈和導(dǎo)體的電流的相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。電機發(fā)展的早期（約1830年）面臨的挑戰(zhàn)是如何將產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電機的旋轉(zhuǎn)運動。由于磁場產(chǎn)生的磁通方向是恒定的，因此有必要通過旋轉(zhuǎn)電流流過的導(dǎo)體來切換電流方向。使之成為可能的本發(fā)明是電刷和換向器機構(gòu)。結(jié)果，實現(xiàn)了能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)的DC電動機。當(dāng)時，直流電是主流，因此創(chuàng)建了由DC（直流）電源驅(qū)動的電動機。

 

后來隨著交流（AC）發(fā)電機的商業(yè)化，還開發(fā)了以三相交流電為電源的電動機。在交流電動機中，三相交流電被提供給作為磁場線圈的定子繞組。由三相交流電產(chǎn)生的磁場的合成與交流電頻率同步旋轉(zhuǎn)。因此，與直流電動機不同，交流電動機自動切換電流方向，不需要特殊的機構(gòu)。交流電動機的定子繞組產(chǎn)生的磁場稱為旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)頻率為f且極數(shù)為P時，磁場以N = 120 f / P（rpm）的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

 

大多數(shù)當(dāng)前的電動機，例如DC（直流）電動機和AC（交流）電動機，都按照弗萊明左手定則及其所產(chǎn)生的洛倫茲力（Bli法則）運行。然而，在電動機開發(fā)的早期，也將利用電磁體的吸引力的方法作為電磁力產(chǎn)生的原理。圖3示出了通過電磁力吸引產(chǎn)生力的原理。

 

圖3：磁阻力原理

 

當(dāng)電流通過線圈狀磁體時，磁體被磁化，并且在附近的磁體中被磁化，從而在磁軸重合的方向上產(chǎn)生力。該力的作用是使間隙之間的磁阻最小化，稱為磁阻力。利用該力的磁阻電動機的缺點在于，由于磁阻力隨著位移而變化，因此難以獲得恒定的旋轉(zhuǎn)力。為了克服這些缺點，需要高級控制，因此，與直流電動機和交流電動機相比，磁阻電動機的使用速度有所降低。

 

2.電機類型

 

可以根據(jù)功率，旋轉(zhuǎn)，磁場，驅(qū)動器和配置對電動機進(jìn)行分類（圖4）。

 

圖4：按電動機驅(qū)動原理分類

 

在通過逆變器等控制電動機之前，根據(jù)提供給電動機的功率將其大致分為兩種。直流電源驅(qū)動器和交流電源驅(qū)動器。由直流電源驅(qū)動的直流電動機稱為直流電動機，可以根據(jù)磁場是纏繞（線圈）還是永磁體來對直流電動機進(jìn)行分類。小容量直流電動機使用永磁體（PM）作為磁場來實現(xiàn)高效率，而大容量電動機則使用繞組磁場。

 

與交流（AC）電源一起使用的電動機可以分為與交流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)或不同步旋轉(zhuǎn)。前者稱為同步電動機，而后者的代表是感應(yīng)電動機。還有一種長期使用的電動機，它是使用轉(zhuǎn)子上的短路繞組作為感應(yīng)電動機啟動的，并在達(dá)到接近同步速度的轉(zhuǎn)速時切換為同步旋轉(zhuǎn)。這被歸類為感應(yīng)電動機。

 

同步電動機的缺點是無法以商用頻率啟動。因此，大多數(shù)工業(yè)電動機是能夠通過如上所述將其作為感應(yīng)電動機啟動并將它們切換為同步旋轉(zhuǎn)而利用交流電源來啟動的電動機。同步電動機可分為由永磁體和繞組組成的電動機，以及由感應(yīng)從定子繞組產(chǎn)生的磁通量的磁阻組成的磁阻電動機。繞組式同步電動機用于發(fā)電機等大容量領(lǐng)域，而在其他領(lǐng)域則使用以永磁體（PM）作為磁場的永磁電動機。按照慣例，永磁勵磁同步電動機稱為永磁電動機。

 

由諸如逆變器之類的驅(qū)動電路驅(qū)動的驅(qū)動器已細(xì)分為驅(qū)動器。該驅(qū)動器大致可分為兩種：一種是用正弦波電流作為同步電動機驅(qū)動，另一種是根據(jù)磁極位置以矩形波驅(qū)動的電動機，例如無刷直流電動機。與無刷直流電動機類似，通過根據(jù)轉(zhuǎn)子的磁極位置切換勵磁相位（流過磁場的電流的相位）來將磁阻施加到磁場的開關(guān)磁阻電動機（在圖4中縮寫為SRM）是矩形的。

 

3.超聲波馬達(dá)

 

電能和機械功可以通過電磁力以外的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。已知利用作用在電容器的電極之間的力的靜電電動機和利用壓電元件的超聲電動機。盡管靜電馬達(dá)已作為MEMS（微機電系統(tǒng)）而受到關(guān)注，但很少投入實際使用。另一方面，后一種超聲馬達(dá)用于特殊目的，例如驅(qū)動相機鏡頭，因為該馬達(dá)可以被構(gòu)造成盤狀。

 

壓電元件（PZT：Pb（Zr，Ti）O 3，鋯鈦酸鉛）具有在施加電壓時沿垂直于電壓的方向延伸的特性。最初研究了利用該特性將位移改變?yōu)橹本€或旋轉(zhuǎn)運動以制造電動機。但是膨脹和收縮只有幾微米。為了電動機旋轉(zhuǎn)，需要將壓電體和彈性體組合并以高頻率振動的結(jié)構(gòu)。1980年，通過產(chǎn)生從壓電體到彈性體的行波發(fā)明了一種實用的電動機。使用術(shù)語“超聲波馬達(dá)”是因為其根據(jù)彈性體的共振頻率以高于20kHz或更高的可聽范圍的頻率（超聲波）被驅(qū)動。圖5示出了行波超聲馬達(dá)的操作原理。

 

圖5：行波型超聲波電動機的原理

 

定子由壓電元件和彈性體構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)，該壓電元件由兩組驅(qū)動電極構(gòu)成。每個電極被布置為行波波長的一半，并且被交替極化以具有相反的極性。當(dāng)將頻率接近彈性體的彎曲振動的固有頻率的AC電壓施加到驅(qū)動電極時，壓電元件交替地膨脹和收縮，導(dǎo)致彈性體彎曲。

通過向兩個電極施加相位差為90度的交流電壓，合成在空間和時間上異相的兩個駐波，并獲得如圖4所示的行波。波在彈性體上的最大點通過繪制與行進(jìn)波相反的橢圓形軌跡而移動。因此，當(dāng)在轉(zhuǎn)子（移動體）和定子之間施加高壓時，轉(zhuǎn)子在行波的波前與彈性體接觸，并且沿著振子表面上的橢圓軌跡在與行波相反的方向上發(fā)生摩擦。

 

 

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