摘要：

電機：也稱電動機（俗稱馬達(dá)），是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。電動機被廣泛應(yīng)用的推動力來自直流電動機的問世，在1870年時比利時的工程師格拉姆發(fā)明了這種實用機械，并把它大量制造出來，而后還不斷的對電動機的效率進(jìn)行提高。電動機的另一個研究單位德國西門子也在努力研究，幾乎也是在格拉姆成功的同一時間，西門子推出了電機車，這個不燒油的車在柏林工業(yè)展覽會上獲得一片喝彩聲。交流電動機的發(fā)明是由美國發(fā)明家特斯拉完成的，最早的交流電動機根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計，結(jié)構(gòu)比起直流電動機更為簡單，同時也比起只能使用在電車上的直流電動機用途更廣泛，它的發(fā)明讓電動機真正進(jìn)入了家庭電器領(lǐng)域。交流電動機問世之后，同步電動機、串激電動機、交流換向器電動機等也逐步被人們發(fā)明出來，并投入實際的生產(chǎn)，為人們的生活提供更多便利。電動機的發(fā)明和應(yīng)用對人類來說具有極大的意義，可以說它為人類生活帶來了翻天覆地的變化。

關(guān)鍵字：電動機分類原理應(yīng)用

第一章電動機的分類

1.1 電動機的分類

電動機按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可劃分：永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機。永磁直流電動機劃分：稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。其中交流電機還可分：同步電機和異步電機。同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電機可劃分：感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。感應(yīng)電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。如圖一

圖一

第二章分類電機的特點及應(yīng)用場合

2.1直流電動機
　　直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，廣泛應(yīng)用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。

2.1.1無刷直流電動機
　　無刷直流電動機是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

　　無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成，如圖18-13所示。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。

　　位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

　　采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。

　　采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

　　采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。

2.1.2永磁式直流電動機
　　永磁式直流電動機也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成，定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電多數(shù)為圓筒型磁體，而電動工具及汽車用電器中使用的電動機多數(shù)采用專塊型磁體。

　　轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。錄放機中使用的小功率電動機多數(shù)為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)電部件，具備導(dǎo)電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。

2.1.3電磁式直流電動機

電磁式直流電動機電磁式直流電動機由定子磁極、轉(zhuǎn)子（電樞）、換向器（俗稱整流子）、電刷、機殼、軸承等構(gòu)成，

　　電磁式直流電動機的定子磁極（主磁極）由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵磁（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁）方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通（由定子磁極的勵磁線圈通電后產(chǎn)生）的規(guī)律也不同。

　　串勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時間過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的4倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大，空載轉(zhuǎn)速甚高（一般不允許其在空載下運行）。可通過用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)（或并聯(lián)）、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調(diào)速。

　　并勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為5%~15%。可通過消弱磁場的恒功率來調(diào)速。

　　他勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為5%~15%。可以通過消弱磁場恒功率來提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。

　　復(fù)勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵繞組（其匝數(shù)較少）。串聯(lián)繞組產(chǎn)生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右，短時間過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3.5倍左右。轉(zhuǎn)速變化率為25%~30%（與串聯(lián)繞組有關(guān)）。轉(zhuǎn)速可通過消弱磁場強度來調(diào)整。

2.2交流電動機

2.2.1 交流同步電動機

交流同步電動機是一種恒速驅(qū)動電動機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電源頻率保持恒定的比例關(guān)系，被廣泛應(yīng)用于電子儀器儀表、現(xiàn)代辦公設(shè)備、紡織機械等。

2.2.1.1．永磁同步電動機
　　永磁同步電動機屬于異步啟動永磁同步電動機，其磁場系統(tǒng)由一個或多個永磁體組成，通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，按所需的極數(shù)裝鑲有永磁體的磁極。定子結(jié)構(gòu)與異步電動機類似。

　　當(dāng)定子繞組接通電源后，電動機以異步電動機原理起動動轉(zhuǎn)，加速運轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時，由轉(zhuǎn)子永磁磁場和定子磁場產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩（由轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩合成）將轉(zhuǎn)子牽入同步，電動機進(jìn)入同步運行。

　　磁阻同步電動機磁阻同步電動機也稱反應(yīng)式同步電動機，是利用轉(zhuǎn)子交軸和直軸磁阻不等而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩的同步電動機，其定子與異步電動機的定子結(jié)構(gòu)類似，只是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。

2.2.1.2．磁阻同步電動機
　　同籠型異步電動機演變來的，為了使電動機能產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子還設(shè)有籠型鑄鋁繞阻。轉(zhuǎn)子上開設(shè)有與定子極數(shù)相對應(yīng)的反應(yīng)槽（僅有凸極部分的作用，無勵磁繞組和永久磁鐵），用來產(chǎn)生磁阻同步轉(zhuǎn)矩。根據(jù)轉(zhuǎn)子上反應(yīng)槽的結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)反應(yīng)式轉(zhuǎn)子、外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子和內(nèi)外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子，其中，外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子反應(yīng)槽開地轉(zhuǎn)子外圓，使其直軸與交軸方向氣隙不等。內(nèi)反應(yīng)式轉(zhuǎn)子的內(nèi)部開有溝槽，使交軸方向磁通受阻，磁阻加大。內(nèi)外反應(yīng)式轉(zhuǎn)子結(jié)合以上兩種轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點，直軸與交軸差別較大，使電動機的力能較大。磁阻同步電動機也分為單相電容運轉(zhuǎn)式、單相電容起動式、單相雙值電容式等多種類型。

2.2.1.3．磁滯同步電動機
　　磁滯同步電動機是利用磁滯材料產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩而工作的同步電動機。它分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機、外轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機和單相罩極式磁滯同步電動機。

　　內(nèi)轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為隱極式，外觀為光滑的圓柱體，轉(zhuǎn)子上無繞組，但鐵心外圓上有用磁滯材料制成的環(huán)狀有效層。

定子繞組接通電源后，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使磁滯轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩而起動旋轉(zhuǎn)，隨后自行牽入同步運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在電動機異步運行時，定子旋轉(zhuǎn)磁場以轉(zhuǎn)差頻率反復(fù)地磁化轉(zhuǎn)子；在同步運行時，轉(zhuǎn)子上的磁滯材料被磁化而出現(xiàn)了永磁磁極，從而產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩。

2.2.2 交流異步電動機

交流異步電動機是領(lǐng)先交流電壓運行的電動機，廣泛應(yīng)用于電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機、空調(diào)器、電吹風(fēng)、吸塵器、油煙機、洗碗機、電動縫紉機、食品加工機等家用電器及各種電動工具、小型機電設(shè)備中。

電機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而叫為異步電機。它和感應(yīng)電機基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s為轉(zhuǎn)差率，　ns為磁場轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　基本原理：(1)當(dāng)三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉(zhuǎn)磁動勢）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

　　(2)該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對切割運動,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生感應(yīng)電流。

　?。?）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動機軸上帶機械負(fù)載時，便向外輸出機械能。

2.2.2.1單相異步電動機
　　單相異步電動機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼、端蓋等構(gòu)成。

　　定子由機座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝兩套空間互隔90°電角度的主繞組（也稱運行繞組）和輔繞組（也稱起動繞組成副繞組）。主繞組接交流電源，輔繞組串接離心開關(guān)S或起動電容、運行電容等之后，再接入電源。

　　轉(zhuǎn)子為籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子，它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中，并一起鑄出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。

　　單相異步電動機又分為單相電阻起動異步電動機，單相電容起動異步電動機、單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機和單相雙值電容異步電動機。

2.2.2.2 三相異步電動機
　　三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與單相異步電動機相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈?zhǔn)?、單層同心式和單層交叉式三種結(jié)構(gòu)）。定子繞組成接入三相交流電源后，繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子在感應(yīng)電流和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用下，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)柜（即異步轉(zhuǎn)柜），使電動機旋轉(zhuǎn)。

2.2.2.3罩極式電動機
　　罩極式電動機是單向交流電動機中最簡單的一種，通常采用籠型斜槽鑄鋁轉(zhuǎn)子。它根據(jù)定子外形結(jié)構(gòu)的不同，又分為凸極式罩極電動機隱極式罩極電動機。

　　凸極式罩極電動機的定子鐵心外形為方形、矩形或圓形的磁場框架，磁極凸出，每個磁極上均有1個或多個起輔助作用的短路銅環(huán)，即罩極繞組。凸極磁極上的集中繞組作為主繞組。

　　隱極式罩極電動機的定子鐵心與普通單相電動機的鐵心相同，其定子繞組采用分布繞組，主繞組分布于定子槽內(nèi)，罩極繞組不用短路銅環(huán)，而是用較粗的漆包線繞成分布繞組（串聯(lián)后自行短路）嵌裝在定子槽中（約為總槽數(shù)的2/3），起輔助組的作用。主繞組與罩極繞組在空間相距一定的角度。

　　當(dāng)罩極電動機的主繞組通電后，罩極繞組也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使定子磁極被罩極繞組罩住部分的磁通與未罩部分向被罩部分的方向旋轉(zhuǎn)。

第三章電機的應(yīng)用實例

某CD制造廠包裝車間進(jìn)行技術(shù)改造，項目為兩臺包裝機進(jìn)行連線生產(chǎn)，方案為用輸送帶配以機械手輸送，整體用PLC控制，輔以氣動元件、定位元件、低壓電路元件、機械傳動元件等，組成一個閉環(huán)控制回路。輸送帶電機選擇依據(jù)及相關(guān)計算如下：

一、工況分析：

上機SKS包裝機的最大產(chǎn)量為每小時6120盒，下機片式包裝機的一般產(chǎn)量為每小時70包，按十盒每包即為7000盒，輸送帶的輸送量應(yīng)大于上機生產(chǎn)速度而小于下機生產(chǎn)速度，所以輸送帶的輸送速度確定為每小時6500盒，65包，CD盒的尺寸為：142×124×10，所以輸送皮帶的最小輸送速度為：每小時9.23米，約為每分鐘0.154米，而輸送帶傳動棍子直徑為Φ20mm，則輸送帶傳動棍子速度最小約為2.45r/min。

一盒CD最重的包裝是70克，一包是10盒，700克，輸送帶一般都有5—7包，所以輸送帶一次輸送重量為3.5KG—4.9KG，計算時取最大重量5KG。由于有物料定位，要求輸送距離精確，過轉(zhuǎn)量小，所以電機必需要有以下特點：斷電后即制動保持負(fù)載；制動速度快，過轉(zhuǎn)量?。豢蓪崿F(xiàn)頻繁啟動，上文已經(jīng)算出每小時要輸送65包，即輸送1包55秒，所以電機每分鐘至少要啟停2次。

二、具體計算如下：

①皮帶輪機構(gòu)：

皮帶與工作物的總重量m1=10kg

滑動面的摩擦系數(shù)μ=0.3

滾輪的直徑D=20mm

滾輪的重量m2=1kg

皮帶滾輪的效率η=0.9

皮帶的速度V=28mm/s±10%

電機電源單相220V50Hz

工作時間1天24小時運轉(zhuǎn)

②決定減速箱的減速比：

減速比輸出軸轉(zhuǎn)速：NG=(V?60)/(π?D)=((28±14)×60)/(π×20)=26.7±2.7[r/min]

因電機（4極）在50Hz時的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min左右，所以應(yīng)選擇在此范圍內(nèi)的減速比i=60。

減速箱的減速比i為：i=(1500)/NG=(1500)/(26.7±2.7)=51~62.5

③計算必要轉(zhuǎn)矩：輸送帶起動時所需的轉(zhuǎn)矩為最大。先計算起動時的必要轉(zhuǎn)矩。

滑動部的摩擦力F=μm·g=0.3×10×9.807=29.4[N]

負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=F·D/2·η=(29.4×10-3)/(2×20×0.9)=0.326[N·m]

此負(fù)載轉(zhuǎn)矩為減速箱輸出軸的數(shù)值，因此需換算成電機輸出軸的數(shù)值。電機輸出軸的必要轉(zhuǎn)矩TM

TM=TL/i·ηG=0.326/(60×0.66)=0.00824[N·m]=8.24[mN·m]減速箱的傳導(dǎo)效率ηG=0.66）按使用電源電壓波動（220V±10%）等角度考慮，設(shè)定安全率為2倍。8.24×2≈16.48[mN·m]

電機所需功率Pm=(1.5~2.5)TLPnLP取系數(shù)為2，則

Pm=2T·2πn=2×0.01648×2×π×1500/60=5.17W

起動轉(zhuǎn)矩為16.48N·以上的電機，可參閱標(biāo)準(zhǔn)電機型號/性能表來選擇。

電機：60YB06DV22，再選用可與60YB06DV22組合的減速箱60GK60H。

④確認(rèn)負(fù)載慣性慣量：皮帶·工作物的慣性慣量

Jm1=m1×(π×D/2π)2 =5×(π×20×-3/2π)210 =5×-4[kg·2]10m2

滾輪的慣性慣量Jm2=1/8×2×mD=1/8×(20×-3)21×10-4=0.5×[kg·2]10m

減速箱輸出軸的全負(fù)載慣性慣量J=5×-4+0.5×-4×10102=6×-4[kg·2]10m

查廠家技術(shù)手冊得60GK60H電機輸出軸的容許負(fù)載慣性慣量Jm=0.062×-4[kg·2]。10m2

JG=Jm×=0.062×-4×2=223.2×-4[kg·2]i106010m因J＜JG，即負(fù)載慣性慣量為容許值以下，故可以使用。且所選用的電機額定轉(zhuǎn)矩為40mN·m，較實際負(fù)載轉(zhuǎn)矩為大，因此電機能以比額定轉(zhuǎn)速更快的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

再依據(jù)無負(fù)載時的轉(zhuǎn)速（約1500r/min）來計算皮帶的速度，確認(rèn)所選制品是否符合規(guī)格要求。

V=(NM·π·D)/60·i=(1500×π×20)/(60×60)=26.17[mm/s]

以上確認(rèn)結(jié)果為均能滿足規(guī)格要求。

綜上所述，對負(fù)載工況的分析、負(fù)載計算，是選用電機、減速箱的基礎(chǔ)。

三、確定電機及相關(guān)配件型號。

結(jié)合結(jié)合工廠實際使用電源與備件情況，選用電磁制動電機，型號為60-YB-06D-V22（機座號60，YB電磁制動電機，6W圓軸，單相220V）；配套減速箱型號為60-GK-60H（機座號60,6W減速箱，減速比60，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）；采用彈性聯(lián)軸器直接與輸送帶傳動棍子連接，彈性聯(lián)軸器型號為28MC08-08（公稱外徑Φ28，內(nèi)徑為Φ8）；電動機直角安裝腳型號為RAL60。