電機在生活工業(yè)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、2011-2012學(xué)年第一學(xué)期電機及拖動基礎(chǔ)期末考試論文電機在生活農(nóng)業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用 摘 要近幾十年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，中、小功率電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中都有極其廣泛的的應(yīng)用。特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及家用電器的迅速，更需要大量的中小功率電動機。由于這種電動機的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用，它的使用、保養(yǎng)和維護工作也越來越重要。、在生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也非常受人們的關(guān)注。關(guān)鍵詞 技術(shù)現(xiàn)狀 工作原理 生活 工業(yè) 農(nóng)業(yè) 應(yīng)用 運行維護電動機分類、發(fā)展現(xiàn)狀及未來 電動機分類 電動機機應(yīng)用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。 1.根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動

2、機和交流電動 機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。 2.電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。 同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯 同步電動機。異步電動機可分為感應(yīng)電動機和交流換向器電動 機。感應(yīng)電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩 極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交 直流兩用電動機和推斥電動機。 3.電動機按起動與運行方式可分為電容起動式電動機、電容運 轉(zhuǎn)式電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式電動機和分相式電動機。 按用途分類。電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動 機。驅(qū)動用電動機又分為電動工具用電動機、家電用電動機及 其它

3、通用小型機械設(shè)備用電動機。控制用電動機又分為步進電 動機和伺服電動機等。 4.電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動機和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng) 電動機。 5.電動機按運轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電 動機、調(diào)速電動機。 電動機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 電動機是一種實現(xiàn)機、電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置。它是隨著生產(chǎn) 力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產(chǎn) 力的不斷提高。從19 世紀(jì)末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作 為拖動生產(chǎn)機械的原動機，一個多世紀(jì)以來，雖然電動機的基 本結(jié)構(gòu)變化不大，但是電動機的類型增加了許多，運行性能， 經(jīng)濟指標(biāo)等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控 制系統(tǒng)和計算機技術(shù)的

4、發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電動機的理論基礎(chǔ)上 又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性、 好精確度、快速響應(yīng)的特點，已成為電動機學(xué)科的一個獨立分 支。 電動機的功能是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，它可以作為拖動各種生產(chǎn)機械的動力，是國民經(jīng)濟各部門應(yīng)用最多的動力機械。 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程，需要 各種各樣的生產(chǎn)機械。拖動各種生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，可以采用氣動， 液壓傳動和電力拖動。由于電力拖動具有控制簡單、調(diào)節(jié)性能好、耗損小、經(jīng)濟，能實現(xiàn)遠距離控制和自動控制等一系列優(yōu) 點，因此大多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動。 按照電動機的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng) 和交流電力拖動系統(tǒng)兩

5、大類。 縱觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩種拖動方式并存于各個 生產(chǎn)領(lǐng)域。在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動是唯一的一種電 力拖動方式，19 世紀(jì)末期，由于研制出了經(jīng)濟實用的交流電動 機，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著生 產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進 步，對電力拖動在起動，制動，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度與范圍等 靜態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)方面提出了新的，更高的要求。由于交流 電力拖動比直流電力拖動在技術(shù)上難以實現(xiàn)這些要求，所以20世紀(jì)以來，在可逆，可調(diào)速與高精度的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng) 時期內(nèi)幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖動則主要用 于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。 雖然直流電動

6、機具有調(diào)速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它 具有電刷與換向器（又稱整流子），使得他的故障率較高，電 動機的使用環(huán)境也受到了限制（如不能在有易爆氣體及塵埃多 的場合使用），其電壓等級，額定轉(zhuǎn)速，單機容量的發(fā)展也受 到了限制。所以，在20 世紀(jì)60 年代以后，隨著電力電子技術(shù) 的發(fā)展，半導(dǎo)體交流技術(shù)的交流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電 動機的串級調(diào)速，各種類型的變頻調(diào)速，無換向器電動機調(diào)速 等，使得交流電力拖動逐步具備了調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高， 動態(tài)響應(yīng)快以及在四象限做可逆運行等良好的技術(shù)性

7、能，在調(diào) 速性能方面完全可與直流電力拖動媲美。除此之外，由于交流 電力拖動具有調(diào)速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應(yīng)用 于各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中，并逐步取代直流電力拖動而成 為電力拖動的主流。 電動機工作原理目前較常用的主要是交流電動機，它可分為兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。下面以三相異步電動機為例介紹其基本工作原理。三相異步電動機轉(zhuǎn)動的基本工作原理是： （1） 三相對稱繞組中通人三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 （2） 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電動勢和電流； （3） 轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)距，驅(qū)使電

8、動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)是 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)主要由兩個部分組成，一是固定不動的 部分（簡稱定子），二是可以自由旋轉(zhuǎn)的部分（簡稱轉(zhuǎn)子）。 定子與轉(zhuǎn)子之間有一個很小的氣隙。此外，還有機座、端蓋軸 承、接線盒、風(fēng)扇等其他部分。 異步電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子的繞組的結(jié)構(gòu)不同，可分為鼠籠式和繞線 式兩種。鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組本身自成閉合回路，整 個轉(zhuǎn)子形成一個堅實的整體，其結(jié)構(gòu)簡單牢固、運行可靠、價 格便宜，應(yīng)用最為廣泛，小型異步電動機絕大部分屬于這類。 繞線式異步電動機的結(jié)構(gòu)比鼠籠式復(fù)雜，但啟動性能較好，需 要時還可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。三相鼠籠式異步電動機的結(jié)構(gòu)。 1.定子 10 定子是用

9、來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的，主要由定子鐵心、定子繞組和機 座等部分組成。鼠籠式和繞線式異步電動機的定子結(jié)構(gòu)是完全 一樣的。 2.轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是異步電動機的轉(zhuǎn)動部分，它在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用 下獲得一定的轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器或皮帶輪帶動其他機械 設(shè)備做功。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸等部分組成。 3.機座 機座是電動機的外殼和支架，它的作用是固定和保護定子鐵心、 定子繞組并支撐端蓋，所以要求機座具有足夠的機械強度和剛 度，能承受運輸和運行過程中的各種作用力。 中、小型異步電動機通常采用鑄鐵機座，定子鐵心緊貼在機座 的內(nèi)壁，電動機運行時鐵心和繞組產(chǎn)生的熱量主要通過機座表 面散發(fā)到空氣中去，因此，為了增加

10、散熱面積，在機座表面裝 有散熱片。 對大型異步電動機，一般采用鋼板焊接機座，此時為了滿足通 風(fēng)散熱的要求，機座內(nèi)表面與鐵心隔開適當(dāng)距離，以形成空腔， 作為冷卻空氣的通道。 11 對稱三相交流電流通入對稱三相繞組時，便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。 下面選取各相電流出現(xiàn)最大值的幾個瞬間進行分析。 當(dāng) =0°時，U 相電流達到正最大值，電流從首端U1 流入，用 表 示，從末端U2 流出，用表示；V 相和W 相電流均為負，因此 電流均從繞組的末端流入，首端流出，故末端V2 和W2 應(yīng)填上 ， 首端V1 和W1 應(yīng)填上，合成磁場的軸線正好位于U 相繞組的軸 線上。 當(dāng) =120°時，V 相電流

11、為正的最大值，因此V 相電流從首端V1流入，用 表示，從末端V2 流出，用表示。U 相和W 相電流均 為負,則U1 和W1 端為流出電流，用表示，而U2 和W2 為流入電 流，用表示，此時合成磁場的軸線正好位于V 相繞組的軸線上， 磁場方向已從 =0°時的位置沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)了120°。 當(dāng) =240°和 =360°時，合成磁場的位置。當(dāng) =360°時，合成 磁場的軸線正好位于U 相繞組的軸線上，磁場方向從起始位置 逆時針方向旋轉(zhuǎn)了360°，即電流變化一個周期，合成磁場旋 轉(zhuǎn)一周。 由此可見，對稱三相交流電流通入對稱三相繞組所形成的磁

12、場 是一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)的方向從UVW，正好和電流出現(xiàn)正 的最大值順序相同，即由電流超前相轉(zhuǎn)向電流滯后相。 12 如果三相繞組通入負序電流，則電流出現(xiàn)正的最大值的順序是UWV。通過圖解法分析可知，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向也為U WV。 綜上分析可知，三相異步電動機轉(zhuǎn)動的基本工作原則是： (1)三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn) 速為異步轉(zhuǎn)速（ 1）且 1= 式中： 為電源頻率，單位為Hz； 為電機極對數(shù)。 (2)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流。 (3)轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電 磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速（ ）小于同步轉(zhuǎn)速（ 1）。 異步電動

13、機的轉(zhuǎn)速不可能達到定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn) 速，因為如果到達同步轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有 相對運動，隨之在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中不能感應(yīng)出電勢和電流，也就不 能產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子的電磁力。因此，異步電動機的轉(zhuǎn)速總是低于 同步轉(zhuǎn)速，即兩種轉(zhuǎn)速之間總是存正在差異，異步電動機因此而 得名。又因為異步電動機轉(zhuǎn)子電流是通過電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的， 所以又稱為感應(yīng)電動機。 13 （4）異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致， 而旋轉(zhuǎn)磁場的方向又取決于異步電動機的三相電流相序，因此， 三相異步電動機的轉(zhuǎn)向與電流的相序一致。要改變轉(zhuǎn)向，只要 改變電流的相序即可，即任意對調(diào)電動機的兩根電源線，便可使電動機反轉(zhuǎn)

14、。電機在生活中的應(yīng)用環(huán)顧一下您的房間，您就會發(fā)現(xiàn)到處都有電動機的身影。您可以嘗試展開下面這個有趣的調(diào)查：在房間里走一遍，統(tǒng)計一下找到的所有電動機。從廚房開始，以下位置會使用電動機： 爐子上方和微波爐中的風(fēng)扇 洗滌槽下面的排污器 攪拌機 開罐器 冰箱事實上它有兩到三個電動機：一個供壓縮機用，一個供冰箱內(nèi)部風(fēng)扇用，還有一個供制冰機用 混合器 應(yīng)答機中的磁帶播放機 甚至烘箱上的時鐘也有可能使用了電動機 雜物間中的以下位置使用了電動機： 洗衣機 干燥機 電動螺絲刀 真空吸塵器和微型真空除塵器 電鋸 電鉆 火爐鼓風(fēng)機 甚至在浴室也可以找到電動機： 風(fēng)扇 電動牙刷 吹風(fēng)機 電動刮胡刀 汽車中也裝有一些電動

15、機： 自動開閉式車窗（每個車窗配有一個電動機） 自動調(diào)節(jié)座位（每個座位配有多達七個電動機） 加熱器和散熱器的風(fēng)扇 擋風(fēng)玻璃雨刷 啟動馬達 無線裝置電動天線 此外，其他場所也存在各種各樣的電動機： VCR中有若干個電動機 CD播放器或大型錄音機中有若干個電動機 計算機中有許多電動機（磁盤驅(qū)動器使用兩至三個，加上一至兩個風(fēng)扇使用的電動機） 大多數(shù)運動玩具至少包含一個電動機（例如Tickle-me-Elmo在振動時使用的電動機） 電子時鐘 車庫開門裝置 魚缸水泵 在房間里轉(zhuǎn)了一遭后，我統(tǒng)計到各種設(shè)備中隱藏有50多個電動機。每個運動設(shè)備都是使用電動機來實現(xiàn)其運動的。 電機在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中的驅(qū)

16、動電機常用的有交流異步電動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機（包括無刷直流電動機）三大類按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的要求，電機驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動和精密控制驅(qū)動三類。1、 定速驅(qū)動工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行，例如風(fēng)機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅(qū)動。異步電動機成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅(qū)動。但是，異步電動機效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥來完成的，這其中又浪費

17、了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機、水泵中異步電動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)它們的流量，取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機本身的低效率依然存在。例如，家用空調(diào)壓縮機原先都是采用單相異步電動機，開關(guān)式控制其運行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機控制上采用了異步電動機的變頻調(diào)速，變頻調(diào)速的優(yōu)點促進了變頻空調(diào)的發(fā)展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機來替代異步電動機的變頻調(diào)速，顯著提高了效率，獲得更好的節(jié)能效果和進一步降低了噪聲，在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，設(shè)單相異步電動要的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電

18、動機的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上，而且調(diào)速方便，價格和異步電動機變頻調(diào)速相當(dāng)。永磁無刷直流電動機在空調(diào)中的應(yīng)用促進了空調(diào)劑的升級換代。再如儀器儀表等設(shè)備上大量使用的冷卻風(fēng)扇，以往都采用單相異步電動機外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經(jīng)完全被永磁無刷直流電動機驅(qū)動的無刷風(fēng)機所取代?，F(xiàn)代迅速發(fā)展的各種計算機等信息設(shè)備上更是無例外地使用著無刷風(fēng)機。這些年，使用無刷風(fēng)機已形成了完整的系列，品種規(guī)格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規(guī)格有直流1.5V、3V、5V、

19、12V、24V、48V，轉(zhuǎn)速范圍從2100rpm到14000rpm，分為低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速和超高轉(zhuǎn)速4種，壽命30000小時以上，電機是外轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電動機。近年來的實踐表明，在功率不大于10kW而連續(xù)運行的場合，為減小體積、節(jié)省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的異步電動機驅(qū)動正被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅(qū)動器，故還較少有應(yīng)用。2、 調(diào)速驅(qū)動有相當(dāng)多的工作機械，其運行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動系統(tǒng)在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有

20、大量應(yīng)用。在這類調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的變頻調(diào)速迅速滲透到原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因為一方面異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價格完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，另一方面異步電動機與直流電動機相比有著容量大、可靠性高、干擾小、壽命長等優(yōu)點。故異步電動機變頻調(diào)速在許多場合迅速取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。中小功率的異步電動機變頻調(diào)速正逐步為永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)所取代。電梯驅(qū)動就是一個典型的例子。電梯的驅(qū)動系統(tǒng)對

21、電機的加速、穩(wěn)速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，其缺點是不言而喻的。70年代變頻技術(shù)發(fā)展成熟，異步電動機的變頻調(diào)速驅(qū)動迅速取代了電梯行業(yè)中的直流調(diào)速系統(tǒng)。而這幾年電梯行業(yè)中最新驅(qū)動技術(shù)就是永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的驅(qū)動系統(tǒng)，適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產(chǎn)品已有多種牌號上市?？梢灶A(yù)見，在調(diào)速驅(qū)動的場合，將會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機產(chǎn)品相配的變頻控制器，功率從0

22、.4kW300kW,體積比同容量異步電動機小12個機座號，力能指標(biāo)明顯高于異步電動機，可用于泵、運輸機械、攪拌機、卷揚機、升降機、起重機等多咱場合。3、 精密控制驅(qū)動 高精度的伺服控制系統(tǒng)伺服電動機在工業(yè)自動化領(lǐng)域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應(yīng)用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應(yīng)用中，伺服電動機有各種不同的控制方式，例如轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進口的各類自動化設(shè)備、自動加工裝置和機器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動機的交流伺服系統(tǒng)

23、。 信息技術(shù)中的永磁同步電動機當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計算機外設(shè)和辦公自動化設(shè)備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動，精度要求更是特別高。例如，硬盤驅(qū)動器用主軸驅(qū)動電機是永磁無刷直流電動機，它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉(zhuǎn)，盤片上執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.10.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。信息技術(shù)中各種設(shè)備如打印機、軟硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動、傳真機、復(fù)印機等中所使用的驅(qū)動電機絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動機。受技術(shù)水平限制，這類微電機目前國內(nèi)還不

24、能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內(nèi)組裝。 電機在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 眾所周知，直流電動機有優(yōu)良的控制性能，其機械特性和調(diào)速特性均為平行的直線，這是各類交流電動機所沒有的特性。此外，直流電動機還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動態(tài)特性好等特點。優(yōu)良的控制特性使直流電動機在70年代前的很長時間里，在有調(diào)速、控制要求的場合，幾乎成了唯一的選擇。但是，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其定子上有激磁繞組產(chǎn)生主磁場，對功率較大的直流電動機常常還裝有換向極，以改善電機的換向性能。直流電機的轉(zhuǎn)子上安放電樞繞組和換向器，直流電源通過電刷和換向器將直流電送入電樞繞組并轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交變電流，即進行機械式電流換向。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)限制了直

25、流電動機體積和重量的進一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動接觸造成了機械磨損和火花，使直流電動機的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護工作量大。換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個無線電干擾源，會對周圍的電器設(shè)備帶來有害的影響。電機的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問題就越嚴(yán)重。所以，普通直流電動機的電刷和換向器限制了直流電動機向高速度、大容量的發(fā)展。在交流電網(wǎng)上，人們還廣泛使用著交流異步電動機來拖動工作機械。交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護簡便。但是，與直流電動機相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，輕載時尤甚

26、，這大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在不要求調(diào)速的場合，例如風(fēng)機、水泵、普通機床的驅(qū)動中，異步電動機占有主導(dǎo)地位，當(dāng)然這類拖動中，無形中損失了大量電能。過去的電力拖動中，很少彩同步電動機，其主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。人們亦知道變頻電源可解決同步電動機的起動和調(diào)速問題，但在70年代以前，變頻電源是可想而不可得的設(shè)備。所以，過去的電力拖動中，很少看到用同步電動機作原動機。在大功率范圍內(nèi)，偶爾也有同步電動機運行的例子，但它往往是用來改善大企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)。永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁

27、體又有第一代釤鈷1：5，第二代釤鈷2：17和第三釹鐵硼。鋁鎳鈷是本世紀(jì)三十年代研制成功的永磁材料，雖其具有剩磁感應(yīng)強度高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但它矯頑力低，抗退磁能力差，而且要用貴重的金屬鈷，成本高，這些不足大大限制了它在電機中的應(yīng)用。鐵氧體磁體是本世紀(jì)五十年代初開發(fā)的永磁材料，其最大的特點是價格低廉，有較高的矯頑力，其不足是剩磁感應(yīng)強度和磁能積都較低。釤鈷稀土永磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應(yīng)強度，矯頑力比鐵氧體高，但釤稀土材料價格較高。80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應(yīng)強度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，

28、居里點低，容易氧化生銹而需涂復(fù)處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達180，一般也可達150，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。自58年世界上第一個功率半導(dǎo)體開關(guān)晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件（大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)管MOSFET）的三代復(fù)合場控器件（絕緣柵功率晶體管IGBT、靜電感應(yīng)式晶體管SIT、MOS控制的晶體管MCT等）直至90年代出現(xiàn)的第四代功率集成電路IPM。半導(dǎo)體開關(guān)器件性

29、能不斷提高，容量迅速增大，成本大降低，控制電路日趨完美，它極大地推動了各類電機的控制。70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設(shè)定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調(diào)整，這對同步電動機而言就是解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導(dǎo)體開關(guān)組成的逆變電路是其控制系統(tǒng)的必不可少的功率環(huán)節(jié)。規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機的控制集成電路和計算機技術(shù)是電子技術(shù)發(fā)展的代表，它不僅是高新電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，又是不少傳統(tǒng)

30、產(chǎn)業(yè)的改造基礎(chǔ)。它們的飛速發(fā)展促進了電機控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。70年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。這種理論的主要思想是將交流電機電樞繞組的三相電流通過坐標(biāo)變換分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，從而將交流電動機模擬成直流電動機來控制，可獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。這種控制方法已經(jīng)成熟，并已成功地在交流伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因為這種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器地運算速度、數(shù)據(jù)處理能力，控制地實時性和控制精度等提出了很高的要求，單片機往往都不能滿足要求。近年來各種集成化的數(shù)字信號處理器（DSP）發(fā)展很快，性能不斷改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，出現(xiàn)了專門用于電機控制的高性能、低價

31、位的DSP。集成電路和計算技術(shù)的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術(shù)起到了重要的推動作用。永磁同步電動機的運行可分為外同步和自同步二類。用獨立的變頻電源向永磁同步電動機供電，同步電動機轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地跟隨電源頻率而變化，此即為外同步式永磁同步電動機運行。外同步運行常用于開環(huán)控制，由于轉(zhuǎn)速與頻率的嚴(yán)格關(guān)系，此運行方式適合在多臺電動機要求嚴(yán)格同步運行的場合使用。例如，紡織行業(yè)紗錠驅(qū)動，傳送帶錕道驅(qū)動等場合。為此可選用一臺較大容量的變頻器，同時向多臺永磁同步電動機供電。當(dāng)然，變頻器必須能軟起動，輸出頻率能由低到高逐步上升到以解決同步電動機的起動問題。所謂自同步的永磁同步電動機，其定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場位置由永磁轉(zhuǎn)

32、子的位置所決定，能自動地維持與轉(zhuǎn)子磁場有900的空間夾角，以產(chǎn)生最大的電機轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速則嚴(yán)格地由永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速所決定。用此種方式運行的永磁同步電動機除仍需逆變器開關(guān)電路外，還需要一個能檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器，逆變器的開關(guān)工作，即永磁同步電動機定子繞組得到的多相電流，完全由轉(zhuǎn)子位置檢測裝置給出的信號來控制。這種定子旋轉(zhuǎn)磁場由定子位置來決定的運行方式即自同步的永磁同步電動機運行方式，這是從60年代后期發(fā)展起來的新方式。自同步的永磁同步電動機運行方式從原理上分析可知，它具有直流電動機的特性，有穩(wěn)定的起動轉(zhuǎn)矩，可以自行起動，并可類似于直流電動機對電機進行閉環(huán)控制。自同步的永磁同步電動機已成為當(dāng)今

33、永磁同步電動機應(yīng)用的主要方式。自同步永磁同步電動機按電機定子繞組中加入的電流形式可分為方波電動機和正弦波電動機二類。方波電動機繞組中的電流式方波形電流，分析其工作原理可知，它與有刷直流電動機工作原理完全相同。不同處在于它用電子開關(guān)電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器取代了有刷直流電動機的換向器和電刷，從而實現(xiàn)了直流電動機的無刷化，同時保持了直流電動機的良好控制特性，故該類方波電動機人們習(xí)慣稱為無刷直流電動機。這是當(dāng)前使用最廣泛的，很有前途的一種自同步永磁同步電動機。正弦波自同步永磁同步電動機其定子繞組得到的是對稱三相交流電，但三相交流電的頻率、相位和幅值由轉(zhuǎn)子的位置信號所決定。轉(zhuǎn)子位置檢測通常使用光電編碼器，

34、可精確地獲得瞬間轉(zhuǎn)子位置信息。其控制通常采用單片機或數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制器的核心單元。因其控制性能、控制精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性較無刷直流電動機控制系統(tǒng)為好，故主要用于現(xiàn)代高精度的交流伺服控制系統(tǒng)中。電動機的運行維護 1 電動機啟動前的準(zhǔn)備 為了保證電動機正常安全地啟動，一般啟動前應(yīng)作好下述準(zhǔn)備：（1） 檢查電源是否有電，電壓是否正常，若電源電壓過高或 過低，都不宜啟動。（2） 啟動器是否正常，如零部件有無損壞，使用是否靈活， 觸頭接觸是否良好，接線是否正確、牢固等。（3）熔絲規(guī)格大小是否合適，安裝是否牢固，有無熔斷或損 傷。（4）電動機接線板上接頭有無松動或氧化。（5）檢查傳動裝置，如

35、皮帶輕緊是否合適，連接是否牢固， 聯(lián)軸器的螺絲、銷子是否緊固等。（6）傳動電動機轉(zhuǎn)子和負載機械的轉(zhuǎn)軸，看其轉(zhuǎn)動是否靈活。（7）檢查電動機及啟動電器外殼是否接地，接地線有無斷路， 接地螺絲是否松動、脫落等。（8）搬開電動機周圍的雜物并清除機座表面灰塵、油垢等。（9）檢查負載機械是否妥善地作好了啟動準(zhǔn)備。 啟動時應(yīng)注意的問題（1）接通電源后，如果電動機不轉(zhuǎn)，應(yīng)立即切斷電源，絕不 能遲疑等待，更不能帶電檢查電動機發(fā)故障，否則將會燒毀電 動機和發(fā)生危險。（2）啟動時應(yīng)注意觀察電動機、傳動裝置、負載機械的工作 情況，以及線路上的電流表和電壓表的指示，若有異?，F(xiàn)象， 應(yīng)立即斷電檢查，待故障排除后，載行啟動

36、。（3）利用手動補償器或手動星三角啟動器啟動電動機時，特 別要注意操作順序。一定要先將手柄推到啟動位置，待電動機 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再拉到運轉(zhuǎn)位置，防止誤操作造成設(shè)備和人身事故。（4）同一線路上的電動機不應(yīng)同時啟動，一般應(yīng)由大到小逐 臺啟動以免多太電動機同時啟動，線路上電流太大。電壓降低 過多，造成電動機啟動困難引起線路故障或使開關(guān)設(shè)備跳閘。（5）啟動時，若電動機的旋轉(zhuǎn)方向反了，應(yīng)立即切斷電源， 將三相電源線中的任意兩相互換一下位置，即可改變電動機轉(zhuǎn)向。 電動機運行中的監(jiān)視 電動機在運行時，值班工作人員可以通過儀表和感覺器官監(jiān)視 其運行情況，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，減少或避免故障的發(fā)生。 監(jiān)視電動機的溫度 電動機正常運行時會發(fā)熱，使電動機溫度升高，但不應(yīng)超出允許的限度。判斷電動機是否過熱，可以用以下方 法：（1）憑手的感覺：如果以手接觸外殼，沒有燙手的感覺，說 明電動機溫度正常；如果手放上去燙得馬上縮回來，說明電動 機已經(jīng)過熱。（2）在電動機外殼上滴2-3 滴水，如果只冒熱氣沒有聲音， 則說明電動機沒有過熱，如果水滴急劇汽化同時伴有"咝咝"聲， 說明電動機已經(jīng)過熱。（3）判別電動機是否過熱的準(zhǔn)確方法還是用溫度計測量。