电动机原理（电机原理及其分类论述）

结构
①定子总成:由铁芯与绕组组成，承担建立电机磁场功能
②转子总成:由铁芯与绕组/导条/磁钢组成，承担建立电机转矩输出功能
③轴承:一个支撑轴的零件，它可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的部件
④接线盒:将绕组线引出，与电源接入的机构
⑤轴承:用来支撑电机轴承和转子的作用
⑥风叶:工业电机用来冷却机座，吹走多余热量作用
⑦机座:固定端盖和支撑定子铁心，液体冷却电机还承担液体管路的作用
交流电机理论简述
交流模型
虽然同步电机与异步电机在原理、性能、励磁方面差异很大，但在定子的铁芯结构、绕组特点、感应电势，产生旋转磁场等方面是相同的。
绕组的作用是产生磁场，转子无论是磁源与否，均产生对应磁场与之旋转。
绕组
一般情况下，电机定子都是有铁芯与绕组构成，这是交流电机的共有性质，为了有效利用铁芯，将绕组沿铁芯内圆呈圆周均匀分布，为了达到降低或消除特定谐波目的，将跨距由整矩变换成短矩，理论与大量实践证明，利用分布因数与短矩因数可以提高电机运行性能。
在电机绕组设计中，分布因数与短矩因数作为重要的参数，参与电机电磁计算。
节距因数
无论单层或上层绕组均由线圈构成，线圈的节距y1通常为整距或者短距，如下图所示，线圈电动势 为构成线圈的两根导体感应电动势差，线圈感应电动势Ec1，当线圈节距为y1时，线圈两边导体感应电动势相位差为：
绕组基波节距因数可表示为：
当线圈为整距时，线圈导体节距为y=τ，电动势相位差为180度，此时 Kp1=1，但短矩时，Kp1＜1，因此，节距因数代表线圈短矩后感应电动势比整距时所打的折扣。
短距因数
一个线圈组由q个分布线圈构成，利用电动势星形图确定其电动势如右图所示，对于双或双层绕组，q个线圈是等距的，每个线圈电动势为E1，彼此之间的相位差即为相邻槽角度α，线圈组感应电动势大小相等，彼此差α电角度的q个线圈电动势向量和，下图可知，这q个向量可视作正多边形的一部分，作为正多边形的外界圆，可得线圈组电动势：
绕组分布因数kd1
其表征为由集中到分布对电动势打的折扣。
磁动势简介
右图给出了两极电机下一个整距绕组通以有效值为I的交流电后电机内的磁场分布，这是一个两极磁场，当电流从右边导体流入，从左边导体流出时，磁力线在电机上半部分进入定子，在下半部分流出定子，上半部分为S极，下半部分为N极，极性相反。
根据安培全电流定律，图中所示任何一个闭合回路的磁动势等于所包含围的全电流，该总磁动势的一半作用上半个铁芯和一个气隙当中另一半作用与先半部分，其单边磁势最大幅值为：
三相旋转磁动势
三相绕组由三个单相绕组组成，这三个单相绕组通以对称三相交流电流时，各自产生单相脉振磁动势，其总和即为三相绕组合成磁动势，对于A相绕组中的电流如果为：
其A相产生的基波脉振磁动势为：
同理B、C相对应相差120度电角度。三相合成基波磁动势为：
三相交流电机由以下重要结论：
三相合成基波磁动势为一个幅值恒定，大小为（3/2）Fφ1的旋转磁动势，当用旋转矢量表示其端点轨迹为圆。
基波磁动势的同步转速为：n1=60f/p,其中f为频率，P为极对数，如2对极的电枢绕组通以50赫兹激励，则产生的转速为1500转每分钟。
当某项电流达到最大值时，基波旋转磁动势恰好位于该相绕组的轴线上。如果相序相反，则磁动势旋转方向也随之相反。
电机分类
我们了解的感应电机一般都是当做电动机运行，实际上，包括感应电机在内的其他电机，还可以做发电机与电磁制动状态运行，这三种运行转态的本质区别在于机电能量转换方向不同，在电动机运行，电机拖动负载，将电能转换为机械能；而在发电机运行状态时，在原动机驱动下将机械能转换为电能；在电磁制动状态下，转子输入的机械能和电源输入的电能均转换为热能。
为了理解这三种的差别，必须先了解转差率的概念：
ns为旋转磁动势的转速，n为感应电机转子的转速
异步电机构造
异步电机的构造主要包含定转子铁芯、绕组、机壳、端盖、端环、轴、轴承、风扇风罩、接线盒、以及固定用的螺栓螺母等结构件。
一般工业电机采用自然风冷或强制风冷来解决散热问题，异步电机因其结构可靠，价格低，被广泛应用在各行各业。
异步电机工作原理
感应电机也成异步电机原因，是因为转子与定子转速不同步，只有在不同步的情况下，才会有感应电流，才会有相对运动进而切割磁感线产生转矩，上文中的转差率作为表征感应电机的重要参数，一般为一个较小值，正常运行下转差率在0.01~0.06之间。
旋转磁场
在不同时刻，输入对称三相电流，下图显示了随着时间不同的磁场旋转过程，一般绕组由三角形或者星型连接方式，星型接法时，线间电动势为两相电动势向量差，因3次和3的倍数次谐波在三相绕组中相同，相减为0，在线电动势中不存在这些谐波，三角形接法时，因同相位的3次谐波电动势在闭合的三角形回路中产生3次谐波循环电流，3次谐波电势全部落在内阻抗上，产生附加损耗。
机械特性_固有特性
两式子分别表示转差率与转矩关系、转速与转差率关系。
在启动瞬间，电机转子转速为0，s=1,此时定转子磁场相对位移变化率最大，产生较大转子电流，一般为额定电流的5~7倍，此时产生较大的启动转矩（一般在2倍额定转矩以内），随着转速逐步上升，电流逐渐下降，直至达到稳定状态。
在启动过程中（直接启动），电机转矩会有从启动转矩→最大转矩→稳定负载转矩的一个过程，此时转差率从1到接近0的一个过渡过程。
机械特性_额定转态
额定状态说明了电动机长期运行能力。
在额定 UN 下，以额定转速 nN 运行、输出额定功率 P 时，电动机转轴上输出的额定转矩为：
电机在额定的频率、电压、负载下运行即为额定运行状态，实际上，在右图的曲线中，nM作为最高转矩对应的转速点，在0~nM曲线段上转矩不稳定，只有在nM ~n0曲线段上运行才会稳定，图中TN为额定转矩，nN为额定转速，n0为同步转速
机械特性_人为特性
铭牌数据
根据国标要求，电机在出厂时应贴加铭牌，铭牌作为唯一识别电机性能的标识，通过读取铭牌数据，可以了解电机性能参数，下图是某电机铭牌数据，在这里加以解读。
型号：Y132S-6 异步电机，中心高132mm短铁芯6极电机。
功率：3kW 转轴输出功率为3千瓦，也称机械功率。
频率：50Hz 额定频率为50赫兹的正弦激励。
转速：960r/min 额定频率与转矩下，转子输出转速值。
电流：7.2A 额定工况下电机输入线电流值。
功率因数：0.76 额定工况下电机电压与电流的相位夹角。
连接方式：Y 电机内部绕组连接方式的一种。
绝缘等级：H 电机的绝缘防护热等级。
此外，电机铭牌中还应有额定点效率指标。
对于车用驱动电机，铭牌内容会略有不同，主要包含有冷却方式、工作制，最高转速限值等方面的差异。
永磁同步电机
永磁电机与异步电机最大的区别在于转子，永磁电机转子是永磁体，含有磁源，永磁体贴在转子表面或者镶嵌在铁芯内部。
为了保护永磁体，在转子两端加设护板。同时，对于汽车用驱动电机，一般还有检测转子位置和速度的装置，电机通常由直流经过电机控制器来完成激励输入。
运行原理
两永磁体之间存在相互吸引与相互排斥的力，如果将一个磁极用电流来代替产生磁场，也就是永磁电机模型，
同样，永磁电机也有三种运行状态，通俗来说就是谁拖谁的问题，如果定子拖转子运行，则为电动机，如果转子拖定子，则为发电机，还有一种情况是谁也不拖说谁，这种情况主要是调节功率因数的作用。
数学模型
永磁同步电机定子上装有三相交流相位相差120度的对称绕组，而转子安装的是永磁体，他们之间通过气隙磁场来强耦合，控制对象的数学模型应能够准确反应系统的动静态特性。由于定转子之间电磁耦合的复杂性，对永磁电机做出假设：
（1）忽略铁心的铁耗。
（2）忽略电机绕组的电感和电阻参数的变化。
（3）忽略铁心的饱和现象。
（4）转子上无阻尼绕组（无阻尼作用）。
（5）忽略磁场产生的高次谐波，定子电流产生正弦变化(在空间相差120度电角度且完全对称)。
电动机稳定运行时，根据双反应理论可以得出永磁同步电机的电压方程：
永磁同步电机定子是电枢，其结构与普通电励磁同步电机一样，都是采用对称三相交流绕组，因为应用场合和要求的不同，导致其转子的安装位置和结构的多样性，大体可分为两种：
表面式转子永磁极：其特点是，永磁体一般成瓦片形，位于转子铁芯的表面上，提供径向的磁通，其结构简单，成本较低，易于实现最优设计，提高电机性能，其结构如下图，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，故永磁体磁导率相当于空气，气隙均匀，相当于电励磁隐极转子。。
内置式转子磁极：其特点是，永磁体位于转子内部，永磁体外表面与转子铁芯外圆之间有极靴，其转子磁路结构的不对称所产生的磁阻转矩可以提高电动机的过载能力和功率密度，易于实现弱磁扩速。
永磁体
永磁电机的性能与永磁材料密切相关，汽车驱动电机一般采用高性能的稀土永磁材料，稀土永磁体相对比较“脆弱”，在高温和剧烈震动下容易退磁，衡量永磁体的重要参数指标有剩磁与矫顽力，剩磁 与矫顽力 ，
剩磁是表征在自然状态下永磁体可以对外贡献的磁场大小，矫顽力表示在电流作用下对磁场的作用影响程度。
功角特性
车用驱动永磁电机一般采用内置式转子，其优点是可以产生磁阻转矩，磁阻转矩不需要电流产生转矩，完全依靠磁路不对称来产生附加转矩，如下图所示，合成转矩中，有磁阻转矩的贡献，相比表贴式电机，可以提高转矩输出,在矩角特性中，转矩最大值所对应的转矩角大于90度。
直流电机
直流电机在结构上，一般不动固定的是永磁体，转动的部分含有绕组部分，在结构上有别于其他电机的是，直流电机由电刷部件，用来换向的作用。电机的输入端子只有两根线分别接电源正负极即可，此种电机一般用在如四驱车，电钻，家用电器等场合，应用也很广泛。
无刷直流电机工作原理
与交流激励不同，直流电机只要用直流电源即可驱动其旋转，如右图所示，线圈在通入电流在永磁体周围会产生力的作用，无刷直流电机的转子因旋转，需要用电刷来换向，换向的目的是使得在特定磁极下的通电导线 的电流方向始终为一个方向。
无刷直流电机因存在电刷，电机可靠性与耐久性不佳，目前很多应用已经切换到无刷直流电机，无刷直流电机本质上与永磁电机无差异，只是通过电子进行换向。
绕组
调速
直流电机的转速公式 ：
通过公式可以看出转速与相关参数的关系，调速方法有两种，调压调电阻调组、调节磁通调速。其中调节电阻值时，引起特性线的斜率变化，电压调节时，特性曲线为平移变化。
开关磁阻电机简介
开关磁阻电机定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为“一相”，电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。
相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，现今应用较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。
右图为开关磁阻电机在不同相通电下的磁路情况，因磁路总是趋近与最短路径闭合，会产生趋近最短路径的转矩。
磁阻电动机是利用转子磁阻不均匀而产生转矩的小功率同步电动机，又称反应式同步电动机。一种连续运行的电气传动装置，其结构及工作原理与传统的交、直流电动机有很大的区别。
它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠”磁阻最小原理”产生转矩。
所谓”磁阻最小原理”，即:”磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和”磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性。