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电动机的分类及应用

电机:也称电动机(俗称马达),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。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。电动机被广泛应用的推动力来自直流电动机的问世,在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械,并把它大量制造出来,而后还不断的对电动机的效率进行提高。电动机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究,几乎也是在格拉姆成功的同一时间,西门子推出了电机车,这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的,最早的交流电动机根据电磁感应原理设计,结构比起直流电动机更为简单,同时也比起只能使用在电车上的直流电动机用途更广泛,它的发明让电动机真正进入了家庭电器领域。交流电动机问世之后,同步电动机、串激电动机、交流换向器电动机等也逐步被人们发明出来,并投入实际的生产,为人们的生活提供更多便利。电动机的发明和应用对人类来说具有极大的意义,可以说它为人类生活带来了翻天覆地的变化。


电动机的分类

1.1  电动机的分类

      电动机按工作电源种类划分:可分为直流电机和交流电机。直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分:永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机划分:串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机划分:稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。其中交流电机还可分:同步电机和异步电机。同步电机可划分:永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电机可划分:感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可划分:三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机可划分:单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。



  分类电机的特点及应用场合

2.1直流电动机
  直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机,广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。

2.1.1无刷直流电动机

  无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的,即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点,广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

  无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化,沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路,按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

  位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

  采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上,用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

  采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

  采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等),当永磁体转子位置发生变化时,电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。

2.1.2永磁式直流电动机

  永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成,定子磁极采用永磁体(永久磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体,而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。

  转子一般采用硅钢片叠压而成,较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽,较高档的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组),其各接头分别焊在换向器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件,具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

录放机中使用的永磁式直流电动机,采用电子稳速电路或离心式稳速装置。

2.1.3电磁式直流电动机

     电磁式直流电动机电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成,

  电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同,定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的规律也不同。

  串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联,励磁电流与电枢电流成正比,定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大,转矩近似与电枢电流的平方成正比,转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上,短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上,转速变化率较大,空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。

  并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联,其励磁电流较恒定,起动转矩与电枢电流成正比,起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降,短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小,为5%~15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。

  他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电,其励磁电流也较恒定,起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%~15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。

  复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外,还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同,起动转矩约为额定转矩的4倍左右,短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%~30%(与串联绕组有关)。转速可通过消弱磁场强度来调整。

2.2交流电动机

2.2.1  交流同步电动机

交流同步电动机是一种恒速驱动电动机,其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系,被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。

2.2.1.1.永磁同步电动机
  永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机,其磁场系统由一个或多个永磁体组成,通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部,按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。

  当定子绕组接通电源后,电动机以异步电动机原理起动动转,加速运转至同步转速时,由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩(由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成)将转子牵入同步,电动机进入同步运行。

  磁阻同步电动机磁阻同步电动机也称反应式同步电动机,是利用转子交轴和直轴磁阻不等而产生磁阻转矩的同步电动机,其定子与异步电动机的定子结构类似,只是转子结构不同。

2.2.1.2.磁阻同步电动机
  同笼型异步电动机演变来的,为了使电动机能产生异步起动转矩,转子还设有笼型铸铝绕阻。转子上开设有与定子极数相对应的反应槽(仅有凸极部分的作用,无励磁绕组和永久磁铁),用来产生磁阻同步转矩。根据转子上反应槽的结构的不同,可分为内反应式转子、外反应式转子和内外反应式转子,其中,外反应式转子反应槽开地转子外圆,使其直轴与交轴方向气隙不等。内反应式转子的内部开有沟槽,使交轴方向磁通受阻,磁阻加大。内外反应式转子结合以上两种转子的结构特点,直轴与交轴差别较大,使电动机的力能较大。磁阻同步电动机也分为单相电容运转式、单相电容起动式、单相双值电容式等多种类型。

2.2.1.3.磁滞同步电动机
  磁滞同步电动机是利用磁滞材料产生磁滞转矩而工作的同步电动机。它分为内转子式磁滞同步电动机、外转子式磁滞同步电动机和单相罩极式磁滞同步电动机。

  内转子式磁滞同步电动机的转子结构为隐极式,外观为光滑的圆柱体,转子上无绕组,但铁心外圆上有用磁滞材料制成的环状有效层。

定子绕组接通电源后,产生的旋转磁场使磁滞转子产生异步转矩而起动旋转,随后自行牵入同步运转状态。在电动机异步运行时,定子旋转磁场以转差频率反复地磁化转子;在同步运行时,转子上的磁滞材料被磁化而出现了永磁磁极,从而产生同步转矩。

2.2.2  交流异步电动机

       交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机,广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、油烟机、洗碗机、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中。

电机的转速(转子转速)小于旋转磁场的转速,从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率, ns为磁场转速,n为转子转速。

     基本原理:

(1)当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场。

(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。

(3)根据电磁力定律,载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。

2.2.2.1 单相异步电动机
  单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。

  定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成,槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组(也称运行绕组)和辅绕组(也称起动绕组成副绕组)。主绕组接交流电源,辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后,再接入电源。

  转子为笼型铸铝转子,它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中,并一起铸出端环,使转子导条短路成鼠笼型。

  单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机,单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。

2.2.2.2  三相异步电动机
  三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似,其定子铁心槽中嵌装三相绕组(有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构)。定子绕组成接入三相交流电源后,绕组电流产生的旋转磁场,在转子导体中产生感应电流,转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下,又产生电磁转柜(即异步转柜),使电动机旋转。

2.2.2.3 罩极式电动机
  罩极式电动机是单向交流电动机中最简单的一种,通常采用笼型斜槽铸铝转子。它根据定子外形结构的不同,又分为凸极式罩极电动机隐极式罩极电动机。

  凸极式罩极电动机的定子铁心外形为方形、矩形或圆形的磁场框架,磁极凸出,每个磁极上均有1个或多个起辅助作用的短路铜环,即罩极绕组。凸极磁极上的集中绕组作为主绕组。

  隐极式罩极电动机的定子铁心与普通单相电动机的铁心相同,其定子绕组采用分布绕组,主绕组分布于定子槽内,罩极绕组不用短路铜环,而是用较粗的漆包线绕成分布绕组(串联后自行短路)嵌装在定子槽中(约为总槽数的2/3),起辅助组的作用。主绕组与罩极绕组在空间相距一定的角度。

  当罩极电动机的主绕组通电后,罩极绕组也会产生感应电流,使定子磁极被罩极绕组罩住部分的磁通与未罩部分向被罩部分的方向旋转。

     

 电机的应用实例

    某CD制造厂包装车间进行技术改造,项目为两台包装机进行连线生产,方案为用输送带配以机械手输送,整体用PLC控制,辅以气动元件、定位元件、低压电路元件、机械传动元件等,组成一个闭环控制回路。输送带电机选择依据及相关计算如下:

    一、工况分析

   上机SKS包装机的最大产量为每小时6120盒,下机片式包装机的一般产量为每小时70包,按十盒每包即为7000盒,输送带的输送量应大于上机生产速度而小于下机生产速度,所以输送带的输送速度确定为每小时6500盒,65包,CD盒的尺寸为:142×124×10,所以输送皮带的最小输送速度为:每小时9.23米,约为每分钟0.154米,而输送带传动棍子直径为Φ20mm,则输送带传动棍子速度最小约为2.45r/min。

   一盒CD最重的包装是70克,一包是10盒,700克,输送带一般都有5—7包,所以输送带一次输送重量为3.5KG—4.9KG,计算时取最大重量5KG。由于有物料定位,要求输送距离精确,过转量小,所以电机必需要有以下特点:断电后即制动保持负载;制动速度快,过转量小;可实现频繁启动,上文已经算出每小时要输送65包,即输送1包55秒,所以电机每分钟至少要启停2次。

   二、具体计算如下

①皮带轮机构:

皮带与工作物的总重量m1=10kg

滑动面的摩擦系数μ=0.3

滚轮的直径D=20mm

滚轮的重量m2=1kg

皮带滚轮的效率η=0.9

皮带的速度V=28mm/s±10%

电机电源单相220V50Hz

工作时间1天24小时运转

②决定减速箱的减速比:

减速比输出轴转速:NG=(V?60)/(π?D)=((28±14)×60)/(π×20)=26.7±2.7[r/min]

因电机(4极)在50Hz时的额定转速为1500r/min左右,所以应选择在此范围内的减速比i=60。

 减速箱的减速比i为:i=(1500)/NG=(1500)/(26.7±2.7)=51~62.5

③计算必要转矩:输送带起动时所需的转矩为最大。先计算起动时的必要转矩。

滑动部的摩擦力F=μm·g=0.3×10×9.807=29.4[N]

负载转矩TL=F·D/2·η=(29.4×10-3)/(2×20×0.9)=0.326[N·m]

此负载转矩为减速箱输出轴的数值,因此需换算成电机输出轴的数值。电机输出轴的必要转矩TM

TM=TL/i·ηG=0.326/(60×0.66)=0.00824[N·m]=8.24[mN·m]减速箱的传导效率ηG=0.66)按使用电源电压波动(220V±10%)等角度考虑,设定安全率为2倍。8.24×2≈16.48[mN·m]

电机所需功率Pm=(1.5~2.5)TLPnLP取系数为2,则

Pm=2T·2πn=2×0.01648×2×π×1500/60=5.17W

 起动转矩为16.48N·以上的电机,可参阅标准电机型号/性能表来选择。

电机:60YB06DV22,再选用可与60YB06DV22组合的减速箱60GK60H。

④确认负载惯性惯量:皮带·工作物的惯性惯量

Jm1=m1×(π×D/2π)2 =5×(π×20×-3/2π)210 =5×-4[kg·2]10m2

滚轮的惯性惯量Jm2=1/8×2×mD=1/8×(20×-3)21×10-4=0.5×[kg·2]10m

减速箱输出轴的全负载惯性惯量 J=5×-4+0.5×-4×10102=6×-4[kg·2]10m

查厂家技术手册得60GK60H电机输出轴的容许负载惯性惯量Jm=0.062×-4[kg·2]。10m2

JG=Jm×=0.062×-4×2=223.2×-4[kg·2]i106010m因J<JG,即负载惯性惯量为容许值以下,故可以使用。且所选用的电机额定转矩为40mN·m,较实际负载转矩为大,因此电机能以比额定转速更快的转速运转。

    再依据无负载时的转速(约1500r/min)来计算皮带的速度,确认所选制品是否符合规格要求。

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

 以上确认结果为均能满足规格要求。

综上所述,对负载工况的分析、负载计算,是选用电机、减速箱的基础。

  三、确定电机及相关配件型号:

结合结合工厂实际使用电源与备件情况,选用电磁制动电机,型号为60-YB-06D-V22(机座号60,YB电磁制动电机,6W圆轴,单相220V);配套减速箱型号为60-GK-60H(机座号60,6W减速箱,减速比60,标准结构);采用弹性联轴器直接与输送带传动棍子连接,弹性联轴器型号为28MC08-08(公称外径Φ28,内径为Φ8);电动机直角安装脚型号为RAL60。

常州仁成金属制品有限公司 专业的电机壳配件生产商,欢迎广大用户咨询。

电机壳

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