電機原理基礎知識

　　一、小功率電動(dòng)機的分類(lèi) 按國家標準規定，小功率電動(dòng)機指折算至1500r/min（轉/分）時(shí)連續額定功率不超過(guò)1.1kw的電動(dòng)機，也稱(chēng)為微電動(dòng)機或馬力電動(dòng)機，其分類(lèi)如下：

　　1、小功率電動(dòng)機分為以下4種：

　　1） 小功率異步電動(dòng)機；

　?、?三相異步電動(dòng)機；

　?、?單相電阻起動(dòng)電動(dòng)機；

　?、?單相電容起動(dòng)電動(dòng)機；

　?、?單相電容運轉電動(dòng)機；

　?、?單相電容雙值電動(dòng)機；

　?、?罩極異步電動(dòng)機。

　　2） 小功率同步電動(dòng)機；

　?、?永磁同步電動(dòng)機；

　?、?磁阻同步電動(dòng)機；

　?、?磁滯（zhi）同步電動(dòng)機；

　　3） 小功率直流電動(dòng)機；

　?、?有刷直流電動(dòng)機；

　　A、勵磁直流電動(dòng)機；B、永磁直流電動(dòng)機。

　?、?無(wú)刷直流電動(dòng)機。

　　4） 小功率交流換向器電動(dòng)機；

　?、?單相串激電動(dòng)機；

　?、?交直流兩用電動(dòng)機；

　?、?推斥電動(dòng)機。 二、電機的運行原理

　　1、安培環(huán)路定律——全電流定律本定律闡（chan

　?。┦鲭娏鳟a(chǎn)生磁場(chǎng)的規律，由式表達：上式說(shuō)明沿任一條閉合回路L，磁場(chǎng)強度的線(xiàn)積分等于該閉合路所包圍的全電流。

　　將全電流定律用到電機中，由于電機磁路通?？砂床煌牟牧虾蛶缀纬叽绶殖蓭锥?，每段中的磁場(chǎng)強度是相同的，因此可將上式寫(xiě)成：Hi----第i段磁路磁場(chǎng)強度（A/m）Li----第i段磁路計算長(cháng)度（m）Wi----磁勢（A）W---線(xiàn)圈匝數

　　磁場(chǎng)感應電流產(chǎn)生的強弱及方向由磁感應強度表示。形象的描繪磁場(chǎng)用磁力線(xiàn)，磁力線(xiàn)是閉合曲線(xiàn)，磁力線(xiàn)的方向與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流之間符合右螺旋法則。穿過(guò)單位面積的磁力線(xiàn)數就是感應強度B.磁感應強度不僅與電流有關(guān)，而且與周?chē)橘|(zhì)有關(guān)，當周?chē)庞需F磁物質(zhì)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì )大大加強，這是因為不同的介質(zhì)有不同的磁導率，磁導率用u0表示。真空磁導率磁場(chǎng)物質(zhì)u為u0的幾百倍至幾千倍，而且與磁場(chǎng)強度有關(guān)，不是常數，磁場(chǎng)強與磁感應強度關(guān)系為H=B/u式中B—— 表示磁感應強度（T）U——表示磁導率（H/m）H——表示磁場(chǎng)強度，也叫磁勢（A/m）在均勻磁場(chǎng)中，穿過(guò)面積S的磁力線(xiàn)定義為磁通。

　　2、電磁力定律本定律

　　闡述處于磁場(chǎng)中的載流導體受有電磁力作用。當磁場(chǎng)與載流導體相互垂直時(shí)，作用在導體相互垂直時(shí)，作用在導體的電磁力為f=BiL式中

　　f——電磁力（N）

　　B———磁感應強度（T）

　　i-----導體的電流（A）

　　L-----導體的有效長(cháng)度（m）

　　電磁力f的方向由左手定則判定：磁通指向手心，伸直四指指電流方向，垂直的拇指指電磁方向。

　　3、電磁感應定律本定律

　　闡述磁通變化產(chǎn)生感生電勢的規律。

　?、抛兓磐óa(chǎn)生的感應電勢——變壓器電勢

　　式中W—與磁通Φ相交鏈的線(xiàn)圈匝數Φ—與線(xiàn)圈交鏈的磁通（Wb）t—時(shí)間（s）e—感應動(dòng)勢（V）

　?、魄懈铍妱?，導線(xiàn)在磁場(chǎng)中運動(dòng)并切割磁力線(xiàn)時(shí)，導體中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢：e=BL.V式中B—磁感應強度（T）L—導線(xiàn)有效長(cháng)度V—導線(xiàn)垂直于磁場(chǎng)的運動(dòng)速度

　　上式感應電勢方向由右手定則確定，手心迎著(zhù)磁通、垂直的拇指指向導體運動(dòng)方向，平行四指指向感應電勢方向。

　　4、能量守恒原理

　　在質(zhì)量不變的物理系統中，能量總是守恒的，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，而僅能變換的形式。在電動(dòng)機能量的平衡關(guān)系式為：電源輸入的電能=磁場(chǎng)儲能的增加+熱能的能量損耗+機械能的輸出式中：轉換為熱能的能量損耗主要包括三部分

　?、哦?、轉子繞組銅耗；

　?、平蛔兇磐ㄔ阼F芯的鐵耗；

　?、峭L(fēng)、摩擦產(chǎn)生的機械損耗。

　　三、單相異步電動(dòng)機工作原理

　　在三項點(diǎn)集中，當定子三相繞組接到三相交流電源時(shí)，對稱(chēng)三相交流電流在

　　三相對稱(chēng)繞組中流通，產(chǎn)生圓形旋轉磁勢和磁場(chǎng)，從下圖表示：電流隨時(shí)間變化，產(chǎn)生磁勢和磁場(chǎng)在空間旋轉，旋轉速度由電源頻率f和電機極數p決定。n=2x60/p*f式中n—旋轉磁轉速（r/min）p—電機極數

　　f—電源頻率（HZ）在單相電機中，由于單相繞組產(chǎn)生的使脈振磁場(chǎng)，電機沒(méi)有起動(dòng)轉矩，不能起動(dòng)，如下圖所示：

　　因此在單相電機定子鐵芯中嵌放兩繞組且其軸線(xiàn)在空間相隔90°電角度，兩相繞組的線(xiàn)徑、匝數分布個(gè)不相同，其中一項繞組稱(chēng)為主繞組（用M表示）。另一項繞組稱(chēng)為付繞組（用A表示）。付繞組鐵移相元件接入電源。結構原理如下圖：

　　在單相電機中，若定子上的主、付兩相繞組完全對稱(chēng)，兩相繞組接到兩相對稱(chēng)電源，則與三相電機一樣也產(chǎn)生在空間旋轉的圓形旋轉磁勢和磁場(chǎng)，如下圖：

　　可見(jiàn)對稱(chēng)繞組通入對稱(chēng)兩相電流產(chǎn)生的旋轉磁勢與三相電機產(chǎn)生旋轉磁勢一樣。其旋轉速度與電源頻率和電機極數有關(guān)：n=120f/p

　　在單相電機的轉子中鑄有許多彼此相連通的鼠籠形鋁導條。

　　當電機中磁場(chǎng)以n速度旋轉時(shí)，處于旋轉磁場(chǎng)中的轉子導條就會(huì )切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生感應電勢和感應電流，感應電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁力和電磁力矩，形成一定得轉速n’。一般情況下電機轉速n’不等于旋轉磁場(chǎng)轉速n。因為n’=n時(shí)，轉子導條相對旋轉磁場(chǎng)是靜止的，導條中就不會(huì )產(chǎn)生感應電勢和感應電流，電機就不會(huì )電磁力矩，電機的轉速就會(huì )自然下降。因轉子速度始終低于旋轉磁場(chǎng)速度，故此種電機為“單相異步電動(dòng)機”。

　　四、電容運轉單相異步

　　電動(dòng)機工作繞組及主繞組M與副繞組A的軸線(xiàn)在空間相隔90°電角度，副繞組串聯(lián)一個(gè)電容C在于工作繞組并接與電源，由于付繞組串聯(lián)了電容所以副繞組中的電流在相位上超前于主繞組電流，這樣由單相電流i分解成具有時(shí)間相位差的兩相電流iM和Ia，因而電機的兩相繞組能產(chǎn)生圓形或橢圓形的旋轉磁場(chǎng)。

　　2、無(wú)刷直流電動(dòng)機

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機就是變頻技術(shù)與直流電機相結合的產(chǎn)物，其具有效率高、噪音低、調速精度高、振動(dòng)小、調速范圍寬、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。下面就空調用無(wú)刷直流電機的組成及工作原理作簡(jiǎn)要介紹：

　?、胖绷麟姍C的組成

　　直流電機本體：定子主要采取集中式繞組，根據控制不同，繞組相數有單相、二相、三相、四相等結構，用的最多的是三相繞組結構，繞組接法有星型接法和環(huán)形接法兩種，絕大部分繞組采用星型接法。轉子部分采用磁鋼，磁鋼提供電機的主磁場(chǎng)。電機控制部分：無(wú)刷電機的控制方式主要有PAM（脈幅調制技術(shù)）和 PWM（脈寬調制技術(shù)），兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　高壓油位置傳感器PWM驅動(dòng)電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發(fā)生器、比較器、保護電路等組成。從原理框圖可以看出，無(wú)刷直流電機的控制部分只包含一直一交變頻電路中的逆

　　變部分，整流及濾波部分由空調的主電控完成。

　?、乒ぷ髟?/strong>

　　眾所周知，永磁體提供的磁極磁場(chǎng)在電機旋轉過(guò)程中固定不變的，這就是要求每個(gè)時(shí)刻定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)必須與轉子的磁極磁場(chǎng)相對應，即繞組的電流方向、導通與關(guān)斷受轉子位置的控制。因此，無(wú)刷直流電機必須有轉子位置信號輸出給電機的控制電路，電機的控制電路根據轉子位置信號來(lái)控制相應的功率開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷，從而控制相應繞組的電流方向、導通與關(guān)斷。定子繞組若按一定的通電順序進(jìn)行切換，就可以形成一個(gè)與轉子位置對應的旋轉磁場(chǎng)，使電機按要求的旋轉方向旋轉。相對磁鋼的某一磁極而言，每個(gè)時(shí)刻與它對應的電樞磁場(chǎng)是固定的，即繞組的電流方向是固定的，這與有刷直流電機類(lèi)似。

　　無(wú)刷直流電機運行原理圖，繞組為三相星形接法，120度均布，采用三相半橋驅動(dòng)方式，轉子為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線(xiàn)與A相繞組對齊，此時(shí)的控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開(kāi)關(guān)管觸發(fā)導通，B相繞組通電，在B相繞組磁場(chǎng)的作用下，轉子將順時(shí)針旋轉120獨門(mén)，到達虛線(xiàn)轉子所示的位置，磁鋼的磁極中心線(xiàn)與B相繞組對齊，此時(shí)，控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，使S3開(kāi)關(guān)管導通，A相繞組通電，轉子在A(yíng)相繞組磁場(chǎng)的作用下，轉子將順時(shí)針旋轉120度，按上述通電順序循環(huán)導通，轉子就順時(shí)針旋轉下去。無(wú)刷直流電機采集轉子位置信號，前者，電機結構簡(jiǎn)單，但電機起動(dòng)困難；后者，電機結構稍復雜，但起動(dòng)平穩、可靠，目前大部分的無(wú)刷直流電機均采用后者。位置傳感器的種類(lèi)很多，空調用的無(wú)刷直流電機一般采用霍爾元件作為位置傳感器。

　　無(wú)刷直流電機大部分采用三相星形繞組結構，橋式控制電路，下面就二相導通星形三相六狀態(tài)的無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)原理作詳細介紹：在此電機結構中，電機一般需要三個(gè)霍爾元件。兩個(gè)霍爾元件之間的空間夾角為120度電角度，所以輸出的脈沖信號相隔120度電角度。從真值表可以看出，每個(gè)霍爾元件一次導通 180度，每隔60度必有一個(gè)霍爾元件的輸出狀態(tài)發(fā)生卻換，三個(gè)霍爾元件的輸出狀態(tài)的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態(tài)相對應，在一個(gè)周期內，三相繞組間隔60度電角度換相一次，每個(gè)時(shí)刻有兩條相繞組導通，每相繞組連續導通120度。每相繞組正反向各導通一次，導通時(shí)間占三分之二周期。假定電樞各相繞組的導通次序為：UVUWVWVUWUWV。

　　電機在該電樞磁場(chǎng)的作用下，按既定方向旋轉。真值表的參數必須與控制電路的邏輯程序相吻合，電樞磁場(chǎng)與轉子主磁場(chǎng)將不匹配，電機將能運轉或倒轉。

　?、请姍C調速

　　就調速原理來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機類(lèi)似于一般的直流電機，通過(guò)改變電樞兩端的直流電壓大小來(lái)改變電動(dòng)機的轉速。無(wú)刷直流電機有兩種改變電壓的方法：PAM 和PWM，PAM是電壓的脈沖度保持不變，調節電壓的幅值大小來(lái)改變電壓的平均值大??；PWM正好相反，即電壓脈沖幅值不變，脈沖寬度磕掉。PAM方式調速。其調速線(xiàn)性度好、噪音低，控制電路簡(jiǎn)單，但線(xiàn)路較復雜，噪音較大，主要用于高壓電機。

　?、萈WM調速的實(shí)現

　　Vi為固定頻率和固定電壓的三角波，Vsp為直流電機電壓，兩者輸入一比較，Vi輸入比較器的同相端。當Vsp大于Vi時(shí)，比較器輸出信號Vo為高電平，當Vsp小于Vi時(shí)，比較器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈沖波形，調節Vsp電壓的大小，即可調節Vo的脈沖寬度的大小。直流高壓 Vm施加到電機繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈沖電壓幅值不變，脈沖電壓寬度可調的電壓，調節Vo的脈寬占空比，機可調節電機繞組兩端的電壓平均值的大小，從而調節電機轉速。PWM控制方式輸出給繞組的電壓波形是一系列等寬度的矩形波，矩形波含義較大成分的諧波。

　　在某些場(chǎng)合，為了減少諧波對電機產(chǎn)生的不良影響，如轉矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦波，因此控制方式就要采用正弦脈寬調制技術(shù)（SPWM）在PWM控制方式的基礎上，吧Vsp電壓由輸入直流電壓該為輸入正弦波電壓，Vo即為一組幅值不變，寬度按正弦波規律變化的矩形脈沖波。用Vo來(lái)控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷，輸給電機繞組的電壓的平均值即按正弦規律變化，從而改善電機的性能。在有特殊要求應用場(chǎng)合，可以改變 Vsp電壓的性質(zhì)來(lái)改變PWM控制方式的特性，是PWM控制方式滿(mǎn)足使用要求。

　?、蓱?/strong>

　　因為采用了變頻技術(shù)和位置傳感技術(shù)，使無(wú)刷直流電機繼承了有刷直流電機的特性，又無(wú)有刷直流電機的缺點(diǎn)，所以直流電機得到迅速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。以家用變頻空調為例，使用無(wú)刷直流電機，電機轉速的調節范圍很寬，在變頻空調需要快速制冷、制熱；無(wú)刷直流電機易于實(shí)現精確控制；無(wú)刷直流電機的效率高，為變頻空調實(shí)現高能效比提供保障。

　　七、電機主要參數

　　1、空載輸入電流：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動(dòng)機的電流稱(chēng)為空載電流。單位：A或mA.

　　2、空載輸入功率：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行（軸上輸出功率為零）情況下，流入電動(dòng)機的功率稱(chēng)為空載功率。這部分功率消耗主要體現在磁場(chǎng)儲能，定、轉子繞組銅耗和鋁耗，交變磁通在鐵芯損耗，通風(fēng)、軸承摩擦產(chǎn)生機械耗損。單位：W（瓦）

　　3、負載輸入電流：是指電動(dòng)機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉速下，所輸入電機的電流。單位：A或mA.

　　4、負載輸出功率：是指電動(dòng)機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉速下，軸伸端所輸出的功率。單位：W（瓦）。

　　5、溫升：是指電動(dòng)機在制定測試條件下運行，內部繞組與鐵芯部分的溫度相對于測試環(huán)境溫度的升高值。目前較常用的測試方法為繞組電阻法。K=（R1-R0）（234.5+T0）-（T1-T0）

　　6、噪音：電機噪音可分為機械噪音和電磁噪音。機械噪音通常由電機裝配不良定、轉子擦邊及軸承噪音等形成。定轉子氣隙不均勻受裝配零件同軸度的影響較大，磁場(chǎng)過(guò)于飽受設計功率較大電機的材料限制造成。噪音用dB表示。

　　八、設計

　　單相電容運轉異步電動(dòng)機必須提供參數：目前空調電機設計而言具備下述條件之一即可：1、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、負載輸出功率、外形安裝；2、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、實(shí)際負載、外形安裝；3、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、樣機、外形安裝；4、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、T-S曲線(xiàn)、外形安裝；

　　九、那些參數變化可引起電機成本增加在電機設計已是最優(yōu)化狀態(tài)下，下述要求必須增加成本：1、負載不變情況下，要求提高轉速；2、負載不變情況下，要求降低溫升；

　　十、目前空調電機的種類(lèi)