一文讀懂電機的分類與應用

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摘要:

     電機:也稱電動機(俗稱馬達),是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產生驅動轉矩,作為用電器或各種機械的動力源。電動機被廣泛應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展覽會上獲得一片喝彩聲。交流電動機的發明是由美國發明家特斯拉完成的,最早的交流電動機根據電磁感應原理設計,結構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,它的發明讓電動機真正進入了家庭電器領域。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明出來,并投入實際的生產,為人們的生活提供更多便利。電動機的發明和應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。


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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。直流電動機按結構及工作原理可劃分: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:感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機可劃分: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。

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  分類電機的特點及應用場合

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,廣泛應用于收錄機、錄像機、影碟機、電動剃須刀、電吹風、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體開關器件來實現電子換向的,即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點,廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

  無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化,沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路,按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。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、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。

  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,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,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、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

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。按其結構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采用專塊型磁體。

  轉子一般采用硅鋼片疊壓而成,較電磁式直流電動機轉子的槽數少。錄放機中使用的小功率電動機多數為3槽,較高檔的為5槽或7槽。漆包線繞在轉子鐵心的兩槽之間(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子繞組的導電部件,具備導電與耐磨兩種性能。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,采用電子穩速電路或離心式穩速裝置。

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、轉子(電樞)、換向器(俗稱整流子)、電刷、機殼、軸承等構成,

  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成。根據其勵磁(舊標準稱為激磁)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生)的規律也不同。

  串勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器相串聯,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,轉矩近似與電樞電流的平方成正比,轉速隨轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上,短時間過載轉矩可達額定轉矩的4倍以上,轉速變化率較大,空載轉速甚高(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(或并聯)、或將串勵繞組并聯換接來實現調速。

  并勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯,其勵磁電流較恒定,起動轉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。轉速則隨電流及轉矩的增大而略有下降,短時過載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小,為5%~15%。可通過消弱磁場的恒功率來調速。

  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,起動轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5%~15%。可以通過消弱磁場恒功率來提高轉速或通過降低轉子繞組的電壓來使轉速降低。

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

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動電動機,其轉子轉速與電源頻率保持恒定的比例關系,被廣泛應用于電子儀器儀表、現代辦公設備、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子的內部,按所需的極數裝鑲有永磁體的磁極。定子結構與異步電動機類似。

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

  磁阻同步電動機磁阻同步電動機也稱反應式同步電動機,是利用轉子交軸和直軸磁阻不等而產生磁阻轉矩的同步電動機,其定子與異步電動機的定子結構類似,只是轉子結構不同。

2.2.1.2.磁阻同步電動機  同籠型異步電動機演變來的,為了使電動機能產生異步起動轉矩,轉子還設有籠型鑄鋁繞阻。轉子上開設有與定子極數相對應的反應槽(僅有凸極部分的作用,無勵磁繞組和永久磁鐵),用來產生磁阻同步轉矩。根據轉子上反應槽的結構的不同,可分為內反應式轉子、外反應式轉子和內外反應式轉子,其中,外反應式轉子反應槽開地轉子外圓,使其直軸與交軸方向氣隙不等。內反應式轉子的內部開有溝槽,使交軸方向磁通受阻,磁阻加大。內外反應式轉子結合以上兩種轉子的結構特點,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生磁滯轉矩而工作的同步電動機。它分為內轉子式磁滯同步電動機、外轉子式磁滯同步電動機和單相罩極式磁滯同步電動機。

  內轉子式磁滯同步電動機的轉子結構為隱極式,外觀為光滑的圓柱體,轉子上無繞組,但鐵心外圓上有用磁滯材料制成的環狀有效層。

定子繞組接通電源后,產生的旋轉磁場使磁滯轉子產生異步轉矩而起動旋轉,隨后自行牽入同步運轉狀態。在電動機異步運行時,定子旋轉磁場以轉差頻率反復地磁化轉子;在同步運行時,轉子上的磁滯材料被磁化而出現了永磁磁極,從而產生同步轉矩。

2.2.2  交流異步電動機

       交流異步電動機是領先交流電壓運行的電動機,廣泛應用于電風扇、電冰箱、洗衣機、空調器、電吹風、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、小型機電設備中。

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

     基本原理:

(1)當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生的三相磁動勢(定子旋轉磁動勢)并產生旋轉磁場。

(2)該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動,根據電磁感應原理,轉子導體產生感應電動勢并產生感應電流。

(3)根據電磁力定律,載流的轉子導體在磁場中受到電磁力作用,形成電磁轉矩,驅動轉子旋轉,當電動機軸上帶機械負載時,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、轉子、軸承、機殼、端蓋等構成。

  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S或起動電容、運行電容等之后,再接入電源。

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

  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構與單相異步電動機相似,其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組(有單層鏈式、單層同心式和單層交叉式三種結構)。定子繞組成接入三相交流電源后,繞組電流產生的旋轉磁場,在轉子導體中產生感應電流,轉子在感應電流和氣隙旋轉磁場的相互作用下,又產生電磁轉柜(即異步轉柜),使電動機旋轉。

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子。它根據定子外形結構的不同,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,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,罩極繞組不用短路銅環,而是用較粗的漆包線繞成分布繞組(串聯后自行短路)嵌裝在定子槽中(約為總槽數的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。

  當罩極電動機的主繞組通電后,罩極繞組也會產生感應電流,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。

     

 電機的應用實例

    某CD制造廠包裝車間進行技術改造,項目為兩臺包裝機進行連線生產,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,組成一個閉環控制回路。輸送帶電機選擇依據及相關計算如下:

    一、工況分析

   上機SKS包裝機的最大產量為每小時6120盒,下機片式包裝機的一般產量為每小時70包,按十盒每包即為7000盒,輸送帶的輸送量應大于上機生產速度而小于下機生產速度,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,過轉量小,所以電機必需要有以下特點:斷電后即制動保持負載;制動速度快,過轉量小;可實現頻繁啟動,上文已經算出每小時要輸送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:

皮帶與工作物的總重量m1=10kg

滑動面的摩擦系數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

②決定減速箱的減速比:

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

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

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

③計算必要轉矩:輸送帶起動時所需的轉矩為最大。先計算起動時的必要轉矩。

滑動部的摩擦力F=μm·g=0.3×10×9.807=29.4[N]

負載轉矩TL=F·D/2·η=(29.4×10-3)/(2×20×0.9)=0.326[N·m]

此負載轉矩為減速箱輸出軸的數值,因此需換算成電機輸出軸的數值。電機輸出軸的必要轉矩TM

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

電機所需功率Pm=(1.5~2.5)TLPnLP取系數為2,則

Pm=2T·2πn=2×0.01648×2×π×1500/60=5.17W

 起動轉矩為16.48N·以上的電機,可參閱標準電機型號/性能表來選擇。

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

④確認負載慣性慣量: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載慣性慣量 J=5×-4+0.5×-4×10102=6×-4[kg·2]10m

查廠家技術手冊得60GK60H電機輸出軸的容許負載慣性慣量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矩為40mN·m,較實際負載轉矩為大,因此電機能以比額定轉速更快的轉速運轉。

    再依據無負載時的轉速(約1500r/min)來計算皮帶的速度,確認所選制品是否符合規格要求。

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

 以上確認結果為均能滿足規格要求。

綜上所述,對負載工況的分析、負載計算,是選用電機、減速箱的基礎。

  三、確定電機及相關配件型號:

結合結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,標準結構);采用彈性聯軸器直接與輸送帶傳動棍子連接,彈性聯軸器型號為28MC08-08(公稱外徑Φ28,內徑為Φ8);電動機直角安裝腳型號為RAL60。



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