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关于电机

What is a Motor?

关于电机

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电机的基础知识

第1章
重新认识电机的体系

1-3-3 交流电机

交流电机(alternating-current motor)英文大多缩略表述成 AC motor ,因此,在日语中很多情况下也表述成AC 电机,本书就采用这种表述。
AC 电机大致可分成整流子型电机、同步电机及感应电机。
同步电机及感应电机均是由旋转磁场决定转速的AC 电机。
这里所谓旋转磁场,是指在定子线圈中接入三相交流及二相交流等多相交流电流时,产生的磁场以多相交流电流频率所决定的转速(=同步速度)旋转的现象。转子通过旋转磁场被吸引而旋转,AC 电机是依据其旋转方法的不同而分类的。
旋转磁场式 AC 电机(同步电机、感应电机的总称)大致分为使用2线家用AC100V为电源的电机和3线工业用AC200V为电源的电机。
前者称为单相交流电机(single-phase motor),后者称为三相交流电机(three-phase motor)。
最近,使用的电力转换电路中采用了半导体元件变频器(inverter),通过这种电路来驱动三相交流电机。这是为了通过变频器来控制电压和频率,以所需的转速和扭矩运行。

[3]-(1) 整流子型电机

整流子型电机(commutator motor)是转子使用图1.12 所示的整流子型转子的电机总称。现在大量使用,是称为通用型电机(也称为交流系列、交流串激电机)的一类电机产品。
主要用途为电动吸尘器、电动工具及榨汁机。即,以单相交流为电源,需高速运行的领域。
通用(universal)这一说法含有可以使用交流也可以使用直流进行旋转(即交直两用)的意思。
构造在原理上与直流串激电机相同,但交流时,必须考虑以下情况。

斜槽(扭斜)型/直槽型
图1.12整流子型转子
有线圈,具备由多个铜片构成的整流子。

①直流时,定子的磁通固定,但交流时会发生变化。因此,需通过铁心绝缘层积的方式减轻由变化的磁通产生的涡电流。

②电压下降,如果是直流,则仅仅是电阻导致的下降,如果是交流,则还会出现电磁感应导致的相位偏移,因此,功率因数会变差,输出会减少。

[3]-(2) 同步电机

同步电机(synchronous motor)是转速与同步速度相同的电机,包括以下3种。

[3]-(2)-① 磁阻电机

磁阻电机(reluctance motor)的定子使用分布式绕组定子(图1.13左),转子使用凸极笼式转子(图1.14右)。
由于刚开始时作为感应电机进行旋转,运行时与电源频率同步旋转,因此,在50Hz和60Hz频段转速不同。这是一种起动扭矩比较大的电机。此外,这种电机也称为反应式电机。

图1.13分布式绕组定子(左)和6线圈集中式绕组定子(右)

图1.14(左)鼠笼式转子(鼠笼式感应电机用)。
(右)凸极笼式转子(磁阻电机用)。
导体使用铜、黄铜、铝。

[3]-(2)-② 磁滞电机

图 1.15半硬磁钢转子
不会磁化的较弱永久磁钢。

磁滞电机(hysteresis motor)的定子使用分布式绕组定子(图1.13左),转子使用半硬磁钢转子(图1.15)。
磁滞电机利用磁滞特性旋转,是旋转偏差及振动非常少的马达。此外,由于起动扭矩和停止扭矩相同,因此,最好在固定负载条件下运行。如果没有特殊的磁滞环,则无法制造出来该电机。

[3]-(2)-③ 感应电机

感应同步电机(inductor-type synchronous motor)的动作原理是将转子动作与流向定子线圈(电磁铁)的电流频率同步,在进行吸引及反弹的同时,形成旋转运动。
即,转子的转速为电流频率单独决定的转速(同步速度)的整数分之一。根据转子构造,可分为

  • 凸极式(claw-pole motor)
  • 混合式步进电机型(超低速同步电机)(slow-synchronous motor)

等2种。

根据电机的构造及齿轮头的组合方式,有多种速度的凸极式电机。
凸极式电机的用途包括游戏设备(弹子机)、复印机、防盗摄像头驱动、记录仪、自动风幕、阀开关等。混合式步进电机主要用于制造用机械产品。

同步和不同步

谈到旋转磁场型电机,经常会使用同步/不同步的说法。这与“是否与交流频率同步旋转”的技术因素有关。以下是比较重要的术语。

◎同步速度(synchronous speed)N0

同步速度对旋转磁场型交流电机来讲是有重要意义的参数。由频率(frequency)和极数(number of magnetic poles)决定。

将以同步速度旋转的电机总称为同步电机(synchronous motor)。
以低于同步速度的转速旋转的称为非同步电机(asynchronous motor)。

[3]-(3) 感应电机(induction motor)

一般称为感应电机及induction motor,有时也称非同步电机(asynchronous motor)。
是转速低于同步速度若干的电机总称。包括以下3种。其定子都使用的是分布式绕组定子(图1.13左)。

[3]-(3)-① 鼠笼式感应电机

图 1.16以硝酸溶解铁后,只会剩下铝“笼”。
左边为鼠笼式感应电机,右为磁阻电机的转子

鼠笼式感应电机(squirrel-cage rotor type induction motor)的转子使用鼠笼式转子(图1.14左)。

工业用的通用动力电机就是这种形式。将鼠笼式转子浸入硝酸,溶解其中的铁后,只下剩下图1.16所示的铝“笼”。通过调整转子笼型导体的形状和材质,也可以对特性曲线进行细微调整。

[3]-(3)-② 涡电流电机

图 1.17软钢转子
主要材料是圆筒状的铁块。涡电流电机用

涡电流电机(eddy-current motor)使用软钢转子(图1.17)。具有启动时会发生较大的扭矩,随着速度的上升,扭矩会下降的特性。

[3]-(3)-③ 线圈型感应电机

图 1.18线圈型转子
有3个由电刷进行通电的滑环。

线圈型感应电机(Wound-rotor type induction motor)使用线圈型转子(图1.18)。可利用穿过滑环的可变电阻来改变电机特性。 特别用于大型电机。

[3]-(3)-④ 单相感应电机

上面的①~③,介绍了多相(三相)感应电机。
日常生活中身边常见的电源为单相交流电源,使用以单相交流作电源的电机会比较方便。单相感应电机(single-phase induction motor)就是满足这种要求的电机,输出从数W到数百W的小型电机广泛用于家庭、小规模工业、农业。单相感应电机一般分为电容器电机和屏蔽线圈单相感应电机。

[3]-(3)-④-a) 电容器电机

图 1.19电容器电机的相位关系

图 1.20用于工业用途的电容器电机

电容器电机(capacitor motor)如 图 1.19所示,在A相上插入电容器,VA会移到VM前,变换相位。

电容器电机分为只在起动时插入电容器C的电容起动型电机、从起动时开始预先插入固定电容器C的电容运行型电机、进入运行后,切换并减小电容器容量的二值型电容器电机。

电容器电机除用于家电产品中起动扭矩较小的产品外,在工业用途方面,由于简便及成本低,也用于小型皮带传送机驱动及FA(Factory Automation)。

[3]-(3)-④-b) 屏蔽线圈单相感应电机

屏蔽线圈式单相感应电机(shaded-pole type single-phase induction motor)是除主线圈外,在距主线圈只偏移小于90°电气角的位置还拥有短后的辅助线圈的感应电机。
辅助线圈在来自主线圈的变压器作用下对电压实施感应,产生短路电流,利用该磁动势和主线圈的磁动势产生旋转磁场。 由于屏蔽线圈会出现损耗,因此,效率并不好,但由于构造简单,多用于风扇电机这样的小容量电机。