常见的电机原理讲解（一）

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电机的定义

电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。

电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“Ｍ”（旧标准用“Ｄ＂）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

电动机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子和其它附件组成。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。

定子（静止部分）

定子铁心：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组；

定子绕组：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场；

机座：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用；

转子（旋转部分）

转子铁心：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组；

转子绕组：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转；

电机的种类

直流电机

直流电机是将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生－矢量磁场。　该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。　每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

单相异步电机

异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。

单相异步电动机的工作原理

在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势,它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。

所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势,该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正传和反转磁场和。

这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。

直流电动机

直流电动机可分为有刷直流电动机和无刷直流电动机。

有刷直流电动机的工作原理。

有刷直流电动机工作时，绕组和换向（相）器旋转，主磁极（定子）和电刷不旋转，直流电源经电刷加到转子绕组上，绕组电流方向的交替变化是随电动机转动的换向器及与其相关的电刷位置变化而变化的。图4-17为典型有刷直流电动机的工作原理。

精彩演示

有刷直流电动机接通电源瞬间，直流电源的正、负两极通过电刷A和B与直流电动机的转子绕组接通，直流电流经电刷A、换向器1、绕组ab和cd、换向器2、电刷B返回到电源的负极。绕组ab中的电流方向由a到b；绕组cd中的电流方向由c到d。两绕组的受力方向均为逆时针方向，这样就产生了一个转矩，使转子铁芯逆时针方向旋转。

当有刷直流电动机转子转到90°时，两个绕组边处于磁场物理中性面，且电刷不与换向器接触，绕组中没有电流流过，F=0，转矩消失。

由于机械惯性的作用，有刷直流电动机的转子将冲过90°继续旋转至180°，这时绕组中又有电流流过，此时直流电流经电刷A、换向器2、绕组dc和ba、换向器1、电刷B返回到电源的负极。根据左手定则可知，两个绕组受力的方向仍是逆时针，转子依然逆时针旋转。

无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的转子由永久磁钢构成，圆周设有多对磁极（N、S），绕组绕制在定子上，当接通直流电源时，电源为定子绕组供电，磁钢受到定子磁场的作用而产生转矩并旋转。

无刷直流电动机定子绕组必须根据转子的磁极方位切换其中的电流方向才能使转子连续旋转，在无刷直流电动机内必须设置一个转子磁极位置的传感器，这种传感器通常采用霍尔元件。

单相交流电是频率为50Hz的正弦交流电。如果电动机定子只有一个运行绕组，则当单相交流电加到电动机的定子绕组上时，定子绕组就会产生交变的磁场。该磁场的强弱和方向是随时间按正弦规律变化的，但在空间上是固定的。

三相交流异步电动机在三相交流供电的条件下工作。图4-23为三相交流异步电动机的工作原理。三相交流异步电动机的定子是圆筒形的，套在转子的外部，电动机的转子是圆柱形的，位于定子的内部。三相交流电源加到定子绕组中，由定子绕组产生的旋转磁场使转子旋转。

三相交流异步电动机需要三相交流电源提供工作条件，满足工作条件后，三相交流异步电动机的转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个沿定子内圆旋转的磁场。

三相交流异步电动机接通三相电源后，定子绕组有电流流过，产生一个转速为n0的旋转磁场。在旋转磁场的作用下，电动机转子受电磁力的作用，以转速n开始旋转。这里n始终不会加速到n0，因为只有这样，转子导体（绕组）与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子导体（绕组）中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向连续旋转。定子磁场对转子的异步转矩是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。

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