一、交流異步電機(jī)
1．單相異步電動機(jī)
單相異步電動機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)殼、端蓋等構(gòu)成。
定子由機(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)又分為單相電阻起動異步電動機(jī)，單相電容起動異步電動機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)和單相雙值電容異步電動機(jī)
2．三相異步電動機(jī)
三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與單相異步電動機(jī)相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈?zhǔn)健螌油氖胶蛦螌咏徊媸饺N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(jī)旋轉(zhuǎn)。
3．罩極式電動機(jī)
罩極式電動機(jī)是單向交流電動機(jī)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(jī)隱極式罩極電動機(jī)。
凸極式罩極電動機(jī)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(gè)磁極上均有1個(gè)或多個(gè)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(jī)的定子鐵心與普通單相電動機(jī)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(jī)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)。
4．單相串勵(lì)電動機(jī)
單相串勵(lì)電動機(jī)的定子由凸極鐵心和勵(lì)磁繞組組成，轉(zhuǎn)子由隱極鐵心、電樞繞組、換向器及轉(zhuǎn)軸等組成。勵(lì)磁繞組與電樞繞組之間通過電刷和換向器形成串聯(lián)回路。圖18-16是單向串勵(lì)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。
單相串勵(lì)電動機(jī)屬于交、直流兩用電動機(jī)，它既可以使用交流電源工作，也可以使用直流電源工作。
二、交流同步電動機(jī)
交流同步電動機(jī)是一種恒速驅(qū)動電動機(jī)，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(jī)械等。
1．永磁同步電動機(jī)
永磁同步電動機(jī)屬于異步啟動永磁同步電動機(jī)，其磁場系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)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(jī)類似。
當(dāng)定子繞組接通電源后，電動機(jī)以異步電動機(jī)原理起動動轉(zhuǎn)，加速運(yùn)轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時(shí)，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(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行。
磁阻同步電動機(jī) 磁阻同步電動機(jī)也稱反應(yīng)式同步電動機(jī)，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(jī)，其定子與異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)類似，只是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。
2．磁阻同步電動機(jī)
同籠型異步電動機(jī)演變來的，為了使電動機(jī)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(lì)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(diǎn)，直軸與交軸差別較大，使電動機(jī)的力能較大。磁阻同步電動機(jī)也分為單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式、單相電容起動式、單相雙值電容式等多種類型。
3．磁滯同步電動機(jī)
磁滯同步電動機(jī)是利用磁滯材料產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩而工作的同步電動機(jī)。它分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機(jī)、外轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機(jī)和單相罩極式磁滯同步電動機(jī)。
內(nèi)轉(zhuǎn)子式磁滯同步電動機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在電動機(jī)異步運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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。
軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動過程結(jié)束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。
直流無刷電機(jī)的優(yōu)越性
直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到�，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/div>
此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來越��；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流無刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類似直流電機(jī)特性又沒有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。
直流無刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)
直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響：n=120．f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個(gè)功率晶體管(q1～q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)�？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。
直流無刷電機(jī)的控制原理
要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，ah、bh、ch(這些稱為上臂功率晶體管)及al、bl、cl(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。
基本上功率晶體管的開法可舉例如下：ah、bl一組→ah、cl一組→bh、cl一組→bh、al一組→ch、al一組→ch、bl一組但絕不能開成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(ah、bl或ah、cl或bh、cl或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由pwm來完成。pwm是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的pwm才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的clock 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要�；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，p.i.d.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如p.i.d.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型p.i.d.控制的重要理論。
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