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各种电机种类及应用

电机与拖动基础讨论课

课题：

各种电机应用现状调研

班级：

13级工程机械1班

组员：

李昊天张晨阳崔超钰

陈杰董亚飞潘帅

时间：

2016年4月5日

指导老师：

***

前言

从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。

旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。

本文我们主要讨论旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用极其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。

与内燃机和蒸汽机相比，旋转电机的运行效率要高的多；并且电能比其它能源传输更方便、费用更廉价，此外电能还具有清洁无污、容易控制等特点，所以在实际生活中和工程实践中，旋转电机的应用日益广泛。

不同的电机有不同的应用场合，随着电机制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前还出现了许多新型的电机，例如，美国EAD公司研制的无槽无刷直流电动机，日本SERVO公司研制的小功率混合式步进电机，我国自行研制适用于工业机床和电动自行车上的大力矩低转速电机等。

本文下面主要讨论部分电机种类及应用情况。

1、电机产业现状

目前我国电机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kWh，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%，其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kWh，占全国总用电量的40%左右，因此电机上的节能要求极大，也是节能效果最能体现的地方。

采用新型电机设计、新工艺及新材料，通过降低电磁能、热能、机械能的损耗来提高输出效率，高效节能电机比传统电机效率大约高3%-5%，目前达到2级能效指标电机的占比不足10%，因此其发展空间广阔。

随着电力电子技术、计算机技术、微电子技术及控制理论的发展和应用，中小型电机应用领域日益广泛。

2、电机行业格局

电机作为机电能量转换的重要装置，是电气传动的基础部件，应用领域广泛、产品品种众多、规格繁杂，其产品特性决定该产业集中度不高、生产企业及涉及的细分行业较多，无明显的周期性、区域性、季节性特征。

目前，国内微分和中小型电机的生产及配套厂家在2000家以上，已成为国民经济和国防现代化建设中不可缺少的一个基础产品。

国内微分和中小型电机行业的生产厂商众多，市场竞争主要体现在产品的技术含量、价格和生产规模等方面，由于市场机制的不完善，行业的价格竞争较为激烈，已对行业的良性发展带来不利的影响。

随着电机能效标识的强制执行、市场优胜劣汰作用的显化以及行业进入壁垒的进一步强化，价格竞争影响将逐步弱化。

3、电机行业前景预测

目前，中国电机占全球电机的市场份额约21.5％，这一数据随着国际经济大环境的回暖变化还会增加。

而国内市场，在下一个五年规划中将较欧美市场和其他国家市场增长更快，特别是高效能电机的市场将有很大的增大空间。

电机未来的趋势在2015年之后，电机需求将向IE2类标准电机转移，至于超高效率IE4类型的电机的市场占有率并不高。

据预测，2015年，IE4类型的超高效电机市场份额将占5％。

2014年的全球经济环境复苏已初见力度，2015年将更加强劲。

随着这股经济回暖之风，如海工建造、船舶建造等生产建造业和国家基础建设投资的加大、军工产业的投入，及各类电器生产企业的生产复苏，电机需求将比2013年高出7％-10％。

而企业为赶上国家政策扶持的“高铁”，在高效电机的使用推广上将加大投入，对比2013年，预计完成能效计划的高效电机推广率在95％以上，电机节能系统的改造有一定的突破。

非工业领域的电机应用消费一直是电机产业的驱动力。

汽车行业是非工业电机的主要买家，轻型车辆平均每辆汽车有30多个电动机。

家电和住宅（采暖，通风和空调）产品中使用电动机的需求，例如，每年超过4.5亿冰箱和洗衣机中使用电机；每台电脑上磁盘驱动器和通风扇会使用到3-6个小电机。

相比家电的增长，住宅HVAC系统有望带动电机更快的增长。

经济回暖是大环境，政策是促进力，市场是原动力。

2015年，把握产业方向，结合政策指标，对于电机行业市场来说又是一个新的局面。

4、电机的分类及应用概述

众所周知，电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。

但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式，咋看下好像选型非常复杂，因此为了人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。

下面我们将逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电机——控制电机和功率电机以及信号电机。

5、信号电机

5.1、位置信号电机

目前，最有代表性的位置信号电机：

旋转变压器、感应同步器和自整角机。

简介：

旋转变压器（resolver/transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。

它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。

其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。

转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。

应用现状：

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的旋转变压器旋转变压器场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。

由于旋转变压器以上特点，可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。

也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

5.2、感应同步器

简介：

将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。

它有圆盘式和直线式两种。

在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测角位移信号，直线式用以检测线位移。

感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。

应用现状：

感应同步器已被广泛应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中心测量装置等。

感应同步器利用电磁耦合原理实现位移检测具有明显的优势：

可靠性高，抗干扰能力强，对工作环境要求低，在没有恒温控制和环境不好的条件下能正常工作，适应于工业现场的恶劣环境；光栅传感器是依靠光电学机理实现位移量检测，其分辨率高，测量精确，安装使用方便。

封闭式的光栅传感器对工作环境适应性强、光栅传感器性能价格比的提高和技术复杂性的降低使其在测长方面有比感应同步器更普遍的应用。

5.3、自整角机

简介：

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。

自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。

电机的这种性能称为自整步特性。

在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。

自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

应用现状：

自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。

电机的这种性能称为自整步特性。

在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。

自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

5.4、速度信号电机

最有代表性的速度信号电机是测速发电机，其实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。

从工作原理上讲，它属于“发电机”的范畴。

测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。

所以这里不做过多阐述。

6、功率电动机

6.1、直流电动机

简介：

直流电动机是出现最早的电动机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。

直流电动机有较好的控制特性直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机，但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。

应用现状：

在生活方面，电动产品的应用数不胜数。

风扇，刮胡刀等。

宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘都用到直流电机，直流电机广泛应用于飞机、坦克、雷达等武器装备中。

直流电机还广泛应用于机车牵引，如铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅助电机、矿用机车直流牵引电机、船用直流电机等。

上图为Z4系列直流电动机。

6.2、交流电机

简介：

异步电动机是基于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而实现能量转换的一种交流电机。

异步电动机一般为系列产品，品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需量最大；目前，在电力传动中大约有90%的机械使用交流异步电动机，所以，其用电量约占总电力负荷的一半以上。

异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。

并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。

异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。

应用现状：

在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体，三相异步电动机可用于驱动各种通用机械如压缩机、水泵、破碎机、切削机床、运输机械及其他机械设备，在矿山。

机械。

冶金、石油、化工、电站等各种工矿企业中作原动机用。

用于传动鼓风机、磨煤机、轧钢机、卷扬机的电动机应在订货时提供有关技术资料，并要签订技术协议，作为电机特殊设计的依据，以确保电动机的可靠运行。

。

而单相异步电动机一般用于三相电源不方便的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。

6.3、同步电动机

简介：

所谓同步电动机就是在交流电的驱动下，转子与定子的旋转磁场同步运行的电动机。

同步电动机的定子和异步电动机的完全一样；但其转子有“凸极式”和“隐极式”两种。

凸极式转子的同步电动机结构简单、制造方便，但是机械强度较低，适用于低速运行场合；隐极式同步电动机制造工艺复杂，但机械强度高，适用于高速运行场合。

同步电动机的工作特性与所有的电动机一样，同步电动机也具有“可逆行”，即它能按发电机方式运行，也可以按电动机方式运行。

应用现状：

同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件；其中三相同步电动机是其主体。

此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。

6.4、异步电动机

简介：

异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。

并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。

异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等

应用：

在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。

而单相异步电动机一般用于三相电源不方便的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。

7、控制电机

7.1伺服电机

简介：

伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。

私服电动机有直流和交流之分。

直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求，但是由于换向器的存在，存在许多的不足：

换向器与电刷之间易产生火花，干扰驱动器工作，不能应用在有可燃气体的场合；电刷和换向器存在摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护比较困难。

交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机，其控制方法主要有三种：

幅值控制、相位控制和幅相控制。

应用现状：

橡胶轮胎行业：

轮弹簧钢丝机、铝包钢丝机、子午线轮胎钢丝机、线切割机等。

电梯行业：

各种品牌电梯的主板、门机控制板、楼层显示板、光幕、电梯驱动器等。

食品行业：

糖度显示仪、封口机及各种包装机；大型烤箱、电源驱动器、咖啡机等。

宾馆行业：

塔顶调光器、中央空调、消防控制板、水箱控制板、电源驱动器、保龄球设备等。

服装行业：

三菱高头机、上袖机、纺纱机、电脑绣花机、兄弟牌缝纫机、印花机等

纺织行业：

无梭织机、疏棉机、喷气织机、精梳机、细纱机、粗纱机等。

7.2、步进电动机

简介：

所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：

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。

步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。

但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。

应用现状：

由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域；尤其是在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

也多应用于工业机器手、包装机械、矿井提升、汽车测试等。

7.3、力矩电动机

简介：

所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。

其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。

力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。

其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。

应用现状：

交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。

一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电动机，其工作原理和结构和单相异步电动机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。

7.4、开关磁阻电机

简介：

开关磁阻电动机是一种新型调速电动机，结构极其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。

应用：

于龙门刨床应用特点

1）可比其他驱动方式节电30-70%2）启动电流小，对电网无冲击3）启动转矩大，适合重载起动4）制动转矩大，换向时越位小

于锻压机床应用特点 

1）简化传动机械结构，减小体积； 2）可比传统传动方式节电30%以上； 3）滑块速度和形成次数无级调整； 4）伺服控制，可在一个行程内精确变化转速；

于纺织机械应用特点1）能频繁迅速的实现起动、制动及正、反向运行；2）在一个工作行程中，可根据加工的要求平稳的变换速度；系统具有良好的负载特性；3）控制器能保证电机在任何运动状态下转向变换时冲击电流在允许值内；

还可应用于造纸机、球磨机、风机、压缩机、抽油机等

7.5、无刷直流电动机

简介：

无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。

无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。

无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。

由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。

这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。

应用现状：

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。

总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：

持续负载应用：

主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。

可变负载应用：

主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。

如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。

定位应用：

大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。

测速时可能会用上光电和一些同步设备。

过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。

实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。

它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。

在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。

图为用霍耳元件作为转子位置检测元件的小型晶体管无刷直流电动机

参考文献

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