電機原理基礎知識

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

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368153.htm

　　1、小功率電動機分為以下4種：

　　1） 小功率異步電動機；

　　① 三相異步電動機；

　　② 單相電阻起動電動機；

　　③ 單相電容起動電動機；

　　④ 單相電容運轉電動機；

　　⑤ 單相電容雙值電動機；

　　⑥ 罩極異步電動機。

　　2） 小功率同步電動機；

　　① 永磁同步電動機；

　　② 磁阻同步電動機；

　　③ 磁滯（zhi）同步電動機；

　　3） 小功率直流電動機；

　　① 有刷直流電動機；

　　A、勵磁直流電動機；B、永磁直流電動機。

　　② 無刷直流電動機。

　　4） 小功率交流換向器電動機；

　　① 單相串激電動機；

　　② 交直流兩用電動機；

　　③ 推斥電動機。 二、電機的運行原理

　　1、安培環路定律——全電流定律本定律闡（chan

　　）述電流產生磁場的規律，由式表達：上式說明沿任一條閉合迴路L，磁場強度的線積分等於該閉合路所包圍的全電流。

　　將全電流定律用到電機中，由於電機磁路通常可按不同的材料和幾何尺寸分成幾段，每段中的磁場強度是相同的，因此可將上式寫成：Hi----第i段磁路磁場強度（A/m）Li----第i段磁路計算長度（m）Wi----磁勢（A）W---線圈匝數

　　磁場感應電流產生的強弱及方向由磁感應強度表示。形象的描繪磁場用磁力線，磁力線是閉合曲線，磁力線的方向與產生磁場的電流之間符合右螺旋法則。穿過單位面積的磁力線數就是感應強度B.磁感應強度不僅與電流有關，而且與周圍介質有關，當周圍放有鐵磁物質時，磁場會大大加強，這是因為不同的介質有不同的磁導率，磁導率用u0表示。真空磁導率磁場物質u為u0的幾百倍至幾千倍，而且與磁場強度有關，不是常數，磁場強與磁感應強度關係為H=B/u式中B—— 表示磁感應強度（T）U——表示磁導率（H/m）H——表示磁場強度，也叫磁勢（A/m）在均勻磁場中，穿過面積S的磁力線定義為磁通。

　　2、電磁力定律本定律

　　闡述處於磁場中的載流導體受有電磁力作用。當磁場與載流導體相互垂直時，作用在導體相互垂直時，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

　　闡述磁通變化產生感生電勢的規律。

　　⑴變化磁通產生的感應電勢——變壓器電勢

　　式中W—與磁通Φ相交鏈的線圈匝數Φ—與線圈交鏈的磁通（Wb）t—時間（s）e—感應動勢（V）

　　⑵切割電勢，導線在磁場中運動並切割磁力線時，導體中產生感應電動勢：e=BL.V式中B—磁感應強度（T）L—導線有效長度V—導線垂直於磁場的運動速度

　　上式感應電勢方向由右手定則確定，手心迎著磁通、垂直的拇指指嚮導體運動方向，平行四指指向感應電勢方向。

　　4、能量守恆原理

　　在質量不變的物理系統中，能量總是守恆的，能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，而僅能變換的形式。在電動機能量的平衡關係式為：電源輸入的電能=磁場儲能的增加+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

　　⑴定、轉子繞組銅耗；

　　⑵交變磁通在鐵芯的鐵耗；

　　⑶通風、摩擦產生的機械損耗。

　　三、單相異步電動機工作原理

　　在三項點集中，當定子三相繞組接到三相交流電源時，對稱三相交流電流在

　　三相對稱繞組中流通，產生圓形旋轉磁勢和磁場，從下圖表示：電流隨時間變化，產生磁勢和磁場在空間旋轉，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，由於單相繞組產生的使脈振磁場，電機沒有起動轉矩，不能起動，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在空間相隔90°電角度，兩相繞組的線徑、匝數分布個不相同，其中一項繞組稱為主繞組（用M表示）。另一項繞組稱為付繞組（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，兩相繞組接到兩相對稱電源，則與三相電機一樣也產生在空間旋轉的圓形旋轉磁勢和磁場，如下圖：

　　可見對稱繞組通入對稱兩相電流產生的旋轉磁勢與三相電機產生旋轉磁勢一樣。其旋轉速度與電源頻率和電機極數有關：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。

　　當電機中磁場以n速度旋轉時，處於旋轉磁場中的轉子導條就會切割磁力線而產生感應電勢和感應電流，感應電流在磁場的作用下產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』不等於旋轉磁場轉速n。因為n』=n時，轉子導條相對旋轉磁場是靜止的，導條中就不會產生感應電勢和感應電流，電機就不會電磁力矩，電機的轉速就會自然下降。因轉子速度始終低於旋轉磁場速度，故此種電機為「單相異步電動機」。

　　四、電容運轉單相異步

　　電動機工作繞組及主繞組M與副繞組A的軸線在空間相隔90°電角度，副繞組串聯一個電容C在於工作繞組並接與電源，由於付繞組串聯了電容所以副繞組中的電流在相位上超前於主繞組電流，這樣由單相電流i分解成具有時間相位差的兩相電流iM和Ia，因而電機的兩相繞組能產生圓形或橢圓形的旋轉磁場。

　　2、無刷直流電動機

　　無刷直流電動機就是變頻技術與直流電機相結合的產物，其具有效率高、噪音低、調速精度高、振動小、調速範圍寬、壽命長等特點。下面就空調用無刷直流電機的組成及工作原理作簡要介紹：

　　⑴直流電機的組成

　　直流電機本體：定子主要採取集中式繞組，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形接法兩種，絕大部分繞組採用星型接法。轉子部分採用磁鋼，磁鋼提供電機的主磁場。電機控制部分：無刷電機的控制方式主要有PAM（脈幅調製技術）和 PWM（脈寬調製技術），兩種控制方式各有優缺點。

　　高壓油位置傳感器PWM驅動電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發生器、比較器、保護電路等組成。從原理框圖可以看出，無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。

　　⑵工作原理

　　眾所周知，永磁體提供的磁極磁場在電機旋轉過程中固定不變的，這就是要求每個時刻定子繞組產生的電樞磁場必須與轉子的磁極磁場相對應，即繞組的電流方向、導通與關斷受轉子位置的控制。因此，無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控制相應的功率開關管的導通與關斷，從而控制相應繞組的電流方向、導通與關斷。定子繞組若按一定的通電順序進行切換，就可以形成一個與轉子位置對應的旋轉磁場，使電機按要求的旋轉方向旋轉。相對磁鋼的某一磁極而言，每個時刻與它對應的電樞磁場是固定的，即繞組的電流方向是固定的，這與有刷直流電機類似。

　　無刷直流電機運行原理圖，繞組為三相星形接法，120度均布，採用三相半橋驅動方式，轉子為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線與A相繞組對齊，此時的控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開關管觸發導通，B相繞組通電，在B相繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉120獨門，到達虛線轉子所示的位置，磁鋼的磁極中心線與B相繞組對齊，此時，控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開關管關斷，使S3開關管導通，A相繞組通電，轉子在A相繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉120度，按上述通電順序循環導通，轉子就順時針旋轉下去。無刷直流電機採集轉子位置信號，前者，電機結構簡單，但電機起動困難；後者，電機結構稍複雜，但起動平穩、可靠，目前大部分的無刷直流電機均採用後者。位置傳感器的種類很多，空調用的無刷直流電機一般採用霍爾元件作為位置傳感器。

　　無刷直流電機大部分採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的無刷直流電機的驅動原理作詳細介紹：在此電機結構中，電機一般需要三個霍爾元件。兩個霍爾元件之間的空間夾角為120度電角度，所以輸出的脈衝信號相隔120度電角度。從真值表可以看出，每個霍爾元件一次導通 180度，每隔60度必有一個霍爾元件的輸出狀態發生卻換，三個霍爾元件的輸出狀態的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態相對應，在一個周期內，三相繞組間隔60度電角度換相一次，每個時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，導通時間佔三分之二周期。假定電樞各相繞組的導通次序為：UV\UW\VW\VU\WU\WV。

　　電機在該電樞磁場的作用下，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，電樞磁場與轉子主磁場將不匹配，電機將能運轉或倒轉。

　　⑶電機調速

　　就調速原理來說，無刷直流電機類似於一般的直流電機，通過改變電樞兩端的直流電壓大小來改變電動機的轉速。無刷直流電機有兩種改變電壓的方法：PAM 和PWM，PAM是電壓的脈衝度保持不變，調節電壓的幅值大小來改變電壓的平均值大小；PWM正好相反，即電壓脈衝幅值不變，脈衝寬度磕掉。PAM方式調速。其調速線性度好、噪音低，控制電路簡單，但線路較複雜，噪音較大，主要用於高壓電機。

　　⑷PWM調速的實現

　　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大於Vi時，比較器輸出信號Vo為高電平，當Vsp小於Vi時，比較器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈衝波形，調節Vsp電壓的大小，即可調節Vo的脈衝寬度的大小。直流高壓 Vm施加到電機繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈衝電壓幅值不變，脈衝電壓寬度可調的電壓，調節Vo的脈寬佔空比，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。

　　在某些場合，為了減少諧波對電機產生的不良影響，如轉矩脈動、振動噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦波，因此控制方式就要採用正弦脈寬調製技術（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衝波。用Vo來控制逆變電路的開關管的導通與關斷，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合，可以改變 Vsp電壓的性質來改變PWM控制方式的特性，是PWM控制方式滿足使用要求。

　　⑸應用

　　因為採用了變頻技術和位置傳感技術，使無刷直流電機繼承了有刷直流電機的特性，又無有刷直流電機的缺點，所以直流電機得到迅速發展，在各個領域得到了廣泛的應用。以家用變頻空調為例，使用無刷直流電機，電機轉速的調節範圍很寬，在變頻空調需要快速製冷、制熱；無刷直流電機易於實現精確控制；無刷直流電機的效率高，為變頻空調實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，流入電動機的電流稱為空載電流。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，流入電動機的功率稱為空載功率。這部分功率消耗主要體現在磁場儲能，定、轉子繞組銅耗和鋁耗，交變磁通在鐵芯損耗，通風、軸承摩擦產生機械耗損。單位：W（瓦）

　　3、負載輸入電流：是指電動機在額定工作電壓、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於測試環境溫度的升高值。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，磁場過於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、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化狀態下，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