电机在生活工业农业中应用.docx
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电机在生活工业农业中应用
2011--2012学年第一学期电机及拖动基础期末考试论文
电
机
在
生
活
农
业
工
业
中
的
应
用
摘要
近几十年来，跟着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、
小功率电动机在工农业生产及人们的平时生活中都有极其宽泛的的应用。
特别是
乡镇公司及家用电器的快速，更需要大批的中小功率电动机。
因为这种电动机的
发展及宽泛的应用，它的使用、养护和保护工作也愈来愈重要。
、在生活、工业、
农业中的应用也特别受人们的关注。
重点词技术现状工作原理生活工业农业应用运行保护
电动机分类、发显现状及将来
电动机分类电动机机应用宽泛，种类众多、性能各异，分类方法也好多。
1.依据电动机工作电源的不一样，可分为直流电动机和沟通电动机。
此中沟通电
动机还分为单相电动机和三相电动机。
2.电动机按构造及工作原理可分为异步
电动机和同步电动机。
同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机
和磁滞同步电动机。
异步电动机可分为感觉电动机和沟通换向器电动机。
感觉
电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。
沟通换向
器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
3.电动机
按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容运转式电动机、电容起动运
转式电动机和分相式电动机。
按用途分类。
电动机按用途可分为驱动用电动机
和控制用电动机。
驱动用电动机又分为电动工具用电动机、家电用电动机及其
它通用小型机械设施用电动机。
控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机
等。
4.电动机按转子的构造可分为笼型感觉电动机和绕线转子感觉电动机。
5.
电动机按运行速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
电动机技术发显现状电动机是一种实现机、电能量变换的电磁装置。
它是
跟着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促使了社会生产力的不
断提升。
从19世纪末期起，电动机就渐渐取代蒸汽机作为拖动生产机械的原
动机，一个多世纪以来，固然电动机的基本构造变化不大，可是电动机的种类
增添了很多，运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改良和提升，并且随
着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展
出很多种类的控制电动机，控制电动机拥有高靠谱性、好精准度、快速响应的
特色，已成为电动机学科的一个独立分支。
电动机的功能是将电能变换成机械
能，它能够作为拖动各种生产机械的动力，是公民经济各部门应用最多的动力机
械。
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各种的
生产机械。
拖动各种生产机械运行，能够采纳气动，液压传动和电力拖动。
由
于电力拖动拥有控制简单、调理性能好、消耗小、经济，能实现远距离控制和自
动控制等一系列优点，所以大多半生产机械都采纳电力拖动。
依据电动机的种
类不一样，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和沟通电力拖动系统两大类。
纵
观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。
在沟通
电出现从前，直流电力拖动是独一的一种电力拖动方式，19世纪末期，因为研
制出了经济适用的沟通电动机，以致沟通电力拖动在工业中获取了宽泛的应用，
但跟着生产技术的发展，特别是精细机械加工与冶金工业生产过程的进步，对
电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特征和动向响应方
面提出了新的，更高的要求。
因为沟通电力拖动比直流电力拖动在技术上难以
实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，
相当期间内几乎都是采纳直流电力拖动，而沟通电力拖动则主要用于恒转速系
统。
固然直流电动机拥有调速性能优秀这一突出特色，可是因为它拥有电刷与
换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也遇到了限制
（如不可以在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容
量的发展也受到了限制。
所以，在20世纪60年月此后，跟着电力电子技术的
发展，半导体沟通技术的沟通技术的沟通调速系统得以实现。
特别是70年月以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为沟通电
力拖动的宽泛应用创建了有益条件。
诸如沟通电动机的串级调速，各种种类的
变频调速，无换向器电动机调速等，使得沟通电力拖动逐渐具备了调速范围宽，
稳态精度高，动向响应快以及在四象限做可逆运行等优秀的技术性能，在调速
性能方面完好可与直流电力拖动媲美。
除此以外，因为沟通电力拖动拥有调速
性能优秀，维修花费低等长处，将宽泛应用于各个工业电气自动化领域中，并
逐渐取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。
电动机工作原理
目前较常用的主假如沟通电动机，它可分为两种：
1、三相异步电动机。
2、
单相沟通电动机。
第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。
下边以三
相异步电动机为例介绍其基本工作原理。
三相异步电动机转动的基本工作原理是：
（1）三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。
（2）转子导体切割旋转磁场感觉电动势和电流；
（3）转子载流导体在磁场中遇到电磁力的作用，进而形成电磁转距，
驱遣电动机转子转动。
三相异步电动机的构造是
三相异步电动机的构造主要由两个部分构成，一是固定不动的部分（简称
定子），二是能够自由旋转的部分（简称转子）。
定子与转子之间有一个很小的
气隙。
别的，还有机座、端盖轴承、接线盒、电扇等其余部分。
异步电动机根
据转子的绕组的构造不一样，可分为鼠笼式和绕线式两种。
鼠笼式异步电动机的
转子绕组自己自成闭合回路，整个转子形成一个坚固的整体，其构造简单坚固、
运行靠谱、价格廉价，应用最为宽泛，小型异步电动机绝大多半属于这种。
绕
线式异步电动机的构造比鼠笼式复杂，但启动性能较好，需要时还能够调理电
动机的转速。
三相鼠笼式异步电动机的构造。
1.定子10定子是用来产生旋转
磁场的，主要由定子死心、定子绕组和机座等部分构成。
鼠笼式和绕线式异步
电动机的定子构造是完好同样的。
2.转子转子是异步电动机的转动部分，它
在定子绕组旋转磁场的作用下获取必定的转矩而旋转，经过联轴器或皮带轮带
动其余机械设施做功。
转子由转子死心、转子绕组和转轴等部分构成。
3.机座
机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子死心、定子绕组并支
撑端盖，所以要求机座拥有足够的机械强度和刚度，能蒙受运输和运行过程中
的各种作使劲。
中、小型异步电动机往常采纳铸铁机座，定子死心紧贴在机座的
内壁，电动机运行时死心和绕组产生的热量主要经过机座表面发散到空气中去，
所以，为了增添散热面积，在机座表面装有散热片。
对大型异步电动机，一般
采纳钢板焊接机座，此时为了知足通风散热的要求，机座内表面与死心分开适
当距离，以形成空腔，作为冷却空气的通道。
11对称三相沟通电流通入对称
三相绕组时，便产生一个旋转磁场。
下边选用各相电流出现最大值的几个瞬时
进行剖析。
当=0°时，U相电流达到正最大值，电流从首端U1流入，用表示，
从尾端U2流出，用⊙表示；V相和W相电流均为负，所以电流均从绕组的末
端流入，首端流出，故尾端V2和W2应填上，首端V1和W1应填上⊙，合成磁场的轴线正好位于U相绕组的轴线上。
当=120°时，V相电流为正的最大值，所以V相电流从首端V1流入，用表示，从尾端V2流出，用⊙表示。
U相
和W相电流均为负,则U1和W1端为流出电流，用⊙表示，而U2和W2为流
入电流，用表示，此时合成磁场的轴线正好位于V相绕组的轴线上，磁场方
向已从=0°时的地点沿逆时针方向旋转了120°。
当=240°和=360°时，合
成磁场的地点。
当=360°时，合成磁场的轴线正好位于U相绕组的轴线上，
磁场方向从开端地点逆时针方向旋转了360°，即电流变化一个周期，合成磁
场旋转一周。
因而可知，对称三相沟通电流通入对称三相绕组所形成的磁场是
一个旋转磁场。
旋转的方向从U→V→W，正好和电流出现正的最大值次序同样，
即由电流超前相转向电流滞后相。
12假如三相绕组通入负序电流，则电流出现
正的最大值的次序是U→W→V。
经过图解法剖析可知，旋转磁场的旋转方向也为
U→W→V。
综上剖析可知，三相异步电动机转动的基本工作原则是：
（1）三相
对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场，其转速为异步转速
（1）且1=
式中：
为电源频次，单位为Hz；为电机极对数。
（2）转子导体切割旋转磁场
产生感觉电动势和电流。
（3）转子载流导体在磁场中遇到电磁力的作用，进而形
成电磁转矩，驱遣电动机转子转动，其转速（）小于同步转速
（1）。
异步电
动机的转速不行能达到定子旋转磁场的转速，即同步转速，因为假如抵达同步
转速，则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动，随之在转子导体中不可以感觉
出电势和电流，也就不能产生推进转子的电磁力。
所以，异步电动机的转速总
是低于同步转速，即两种转速之间老是存正在差别，异步电动机所以而得名。
又因为异步电动机转子电流是经过电磁感觉作用产生的，所以又称为感觉电动
机。
13（4）异步电动机的旋转方向一直与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转
磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序，所以，三相异步电动机的转
向与电流的相序一致。
要改变转向，只需改变电流的相序即可，即随意对换电
动机的两根电源线，即可使电动机反转。
电机在生活中的应用
环视一下您的房间，您就会发现各处都有电动机的身影。
您能够试试睁开下边这
个风趣的检查：
在房间里走一遍，统计一下找到的全部电动机。
从厨房开始，以
下地点会使用电动机：
炉子上方和微波炉中的电扇
清洗槽下边的排污器
搅拌机
开罐器
冰箱——事实上它有两到三个电动机：
一个供压缩机用，一个供冰箱内部电扇用，还有一个供制冰机用
混淆器
应答机中的磁带播放机
甚至烘箱上的时钟也有可能使用了电动机
杂物间中的以下地点使用了电动机：
洗衣机
干燥机
电动螺丝刀
真空吸尘器和微型真空除尘器
电锯
电钻
火炉鼓风机
甚至在浴室也能够找到电动机：
电扇
电动牙刷
吹风机
电动刮胡刀
汽车中也装有一些电动机：
自动开闭式车窗（每个车窗配有一个电动机）
自动调理座位（每个座位配有多达七个电动机）
加热器和散热器的电扇
挡风玻璃雨刷
启动马达
无线装置电动天线
别的，其余场所也存在各种各种的电动机：
VCR中有若干个电动机
CD播放器或大型录音机中有若干个电动机
计算机中有很多电动机（磁盘驱动器使用两至三个，加上一至两个电扇使用的
电动机）
大多半运动玩具起码包含一个电动机（比如Tickle-me-Elmo在振动时使用的电
动机）
电子时钟
车库开门装置
鱼缸水泵
在房间里转了一遭后，我统计到各种设施中隐蔽有50多个电动机。
每个运动设
备都是使用电动机来实现其运动的。
电机在工业中的应用
现代工农业中的驱动电机常用的有沟通异步电动机、有刷直流电动机和永磁
同步电动机（包含无刷直流电动机）三大类
依据不一样的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精细
控制驱动三类。
1、定速驱动
工农业生产中有大批的生产机械要求连续地以大概不变的速度单方向运行，比如
风机、泵、压缩机、一般机床等。
对这种机械过去大多采纳三相或单相异步电动
机来驱动。
异步电动机成本较低，构造简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的
驱动。
可是，异步电动机效率、功率因数低、消耗大，而该类电机使用面广量大，
故有大批的电能在使用中被浪费了。
其次，工农业中大批使用的风机、水泵常常
亦需要调理其流量，往常是经过调理风门、阀来达成的，这此中又浪费了大批的
电能。
70年月起，人们用变频器调理风机、水泵中异步电动机转速来调理它们
的流量，获得可观的节能成效，但变频器的成本又限制了它的使用，并且异步电
动机自己的低效率依旧存在。
比如，家用空调压缩机原来都是采纳单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声
和较高的温度变化幅度是它的不足。
90年月初，日本东芝公司第一在压缩机控
制上采纳了异步电动机的变频调速，变频调速的长处促使了变频空调的发展。
近
年改日本的日立、三洋等公司开始采纳永磁无刷电动机来代替异步电动机的变频
调速，明显提升了效率，获取更好的节能成效和进一步降低了噪声，在同样的额
定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，则永磁无刷直
流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，
效率提升10%以上，并且调速方便，价钱和异步电动机变频调速相当。
永磁无刷
直流电动机在空调中的应用促使了空调剂的升级换代。
再如仪器仪表等设施上大批使用的冷却电扇，过去都采纳单相异步电动机外转子
构造的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。
近来几年来它已经完好被永磁无刷直
流电动机驱动的无刷风机所取代。
现代快速发展的各种计算机等信息设施上更是
无例外处使用着无刷风机。
这些年，使用无刷风机已形成了完好的系列，品种规
格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7
种，电压规格有直流、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到
14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以
上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。
近来几年来的实践表示，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为减小体积、节俭
资料、提升效率和降低能耗等要素，愈来愈多的异步电动机驱动正被永磁无刷直
流电动机逐渐代替。
而在功率较大的场合，因为一次成本和投资较大，除了永磁
资料外，还要功率较大的驱动器，故还较罕有应用。
2、调速驱动
有相当多的工作机械，其运行速度需要随意设定和调理，但速度控制精度要求并
不特别高。
这种驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺
织机械和交通车辆中有大批应用。
在这种调速应用领域最先用的最多的是直流电动机调速系统，70年月后随电力
电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速快速浸透到本来的直流调速
系统的应用领域。
这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价钱完好可与
直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机对比有着容量大、靠谱
性高、扰乱小、寿命长等长处。
故异步电动机变频调速在很多场合快速取代了直
流调速系统。
沟通永磁同步电动机因为其体积小、重量轻、高效节能等一系列长处，愈来愈引
起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。
中小功率的异步电动机变
频调速正逐渐为永磁同步电动机调速系统所取代。
电梯驱动就是一个典型的例
子。
电梯的驱动系统对电机的加快、稳速、制动、定位都有必定的要求。
初期人
们采纳直流电动机调速系统，其弊端是不问可知的。
70年月变频技术发展成熟，
异步电动机的变频调速驱动快速取代了电梯行业中的直流调速系统。
而这几年电
梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性
能好、又简单做成低速直接驱动，除去齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒
适性都优于从前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。
永磁同步电动机驱动系
统很快获取各大电梯公司喜爱，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上
市。
能够预示，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。
日本富士公
司已推出系列的永磁同步电动机产品相当的变频控制器，功率从～300kW,
体积比同容量异步电动机小1～2个机座号，力能指注显然高于异步电动机，可
用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、起落机、起重机等多咱场合。
3、精细控制驱动
①高精度的伺服控制系统
伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中饰演了十分重要的角色，应用处合的
不一样对伺服电动机的控制性能要求也不尽同样。
实质应用中，伺服电动机有各种
不一样的控制方式，比如转矩控制/电流控制、速度控制、地点控制等。
伺服电动
机系统也经历了直流伺服系统、沟通伺服系统、步进电机驱动系统，直至近来几年来
最为惹人注视的永磁电动机沟通伺服系统。
近来几年入口的各种自动化设施、自
动加工装置和机器人等绝大多半都采纳永磁同步电动机的沟通伺服系统。
②信息技术中的永磁同步电动机
现在信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设施也随之高度发展，与
其配套的重点零件微电机需求量大，精度和性能要求也愈来愈高。
对这种微电机
的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高靠谱、低噪声和低振动，精度要求
更是特别高。
比如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近
10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上履行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有～微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。
信息技术中各种设施如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多半是永磁无刷直流电动机。
受技术水平限制，这种微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。
电机在农业中的应用
尽人皆知，直流电动机有优秀的控制性能，其机械特征和调速特征均为平行
的直线，这是各种沟通电动机所没有的特征。
别的，直流电动机还有起动转矩大、
效率高、调速方便、动向特征好等特色。
优秀的控制特征使直流电动机在70年
代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了独一的选择。
可是，
直流电动机的构造复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电
动机常常还装有换向极，以改良电机的换向性能。
直流电机的转子上安置电枢绕
组和换向器，直流电源经过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并变换成电枢绕
组中的交变电流，即进行机械式电流换向。
复杂的构造限制了直流电动机体积和
重量的进一步减小，特别是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使
直流电动机的故障多、靠谱性低、寿命短、养护保护工作量大。
换向火花既造成
了换向器的电腐化，仍是一个无线电扰乱源，会对四周的电器设施带来有害的影
响。
电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。
所以，一般直流电动机的电刷
和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。
在沟通电网上，人们还宽泛使用着沟通异步电动机来拖动工作机械。
沟通异步电
动机拥有构造简单，工作靠谱、寿命长、成本低，养护保护简易。
可是，与直流
电动机对比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。
其旋转磁场的产
生需从电网汲取无功功率，故功率要素低，轻载时尤甚，这大增添了线路和电网
的消耗。
长久以来，在不要求调速的场合，比如风机、水泵、一般机床的驱动中，
异步电动机据有主导地位，自然这种拖动中，无形中损失了大批电能。
过去的电力拖动中，极少彩同步电动机，其主要原由是同步电动机不可以在电网电
压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，均匀转矩为零。
人们亦知
道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年月从前，变频电源
是可想而不行得的设施。
所以，过去的电力拖动中，极少看到用同步电动机作原
动机。
在大功率范围内，有时也有同步电动机运行的例子，但它常常是用来改良
大公司的电网功率因数。
永磁资料近来几年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。
稀
土永磁体又有第一代钐钴1：
5，第二代钐钴2：
17和第三钕铁硼。
铝镍钴是本
世纪三十年月研制成功的永磁资料，虽其拥有剩磁感觉强度高，热稳固性好等优
点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，并且要用名贵的金属钴，成本高，这些不足
大大限制了它在电机中的应用。
铁氧体磁体是本世纪五十年月初开发的永磁材
料，其最大的特色是价钱便宜，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感觉强度和磁能
积都较低。
钐钴稀土永磁资料在六十年月中期问世，它拥有铝镍钴同样高的剩磁
感觉强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土资料价钱较高。
80年月初钕铁硼稀土
永磁资料的出现，它拥有高的剩磁感觉强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特
点特别适合在电机中使用。
它们不足是温度系数大，居里点低，简单氧化生锈而
需涂复办理。
经过这几年的精益求精提升，这些弊端大多已经战胜，现钕铁硼永
磁资料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以知足绝大多半
电机的使用要求。
电力电子技术是信息家产和传统家产间重要的接口，是弱电与被控强电之间
的桥梁。
自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件
已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体
管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFE）T的三代复合场控器件（绝缘
栅功率晶体管IGBT、静电感觉式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等）直至90
年月出现的第四代功率集成电路IPM。
半导体开关器件性能不停提升，容量快速
增大，成本大降低，控制电路日趋完满，它极大地推进了各种电机的控制。
70
年月出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变成频次连续可调的变频电
源，这就为沟通电机的变频调速创建了条件。
这些变频器在频次设定后都有软起
动功能，频次会以必定速率从零上涨设定的频次，并且此上涨速率能够在很大的
范围随意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。
对最新的自同步永磁
同步电动机，高性能电力半导体开关构成的逆变电路是其控制系统的必不行少的
功率环节。
规模集成电路和计算机技术的发展完好改观了现代永磁同步电动机的控制
集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不单是高新电子信息家产
的核心，又是许多传统家产的改造基础。
它们的飞快发展促使了电机控制技术的
发展与创新。
70年月人们对沟通电机提出了矢量控制的观点。
这种理论的主要思想是将
沟通电机电枢绕组的三相电流经过坐标变换分解成励磁电流重量和转矩电流分
量，进而将沟通电动机模拟成直流电动机来控制，可获取与直流电动机同样优秀
的动向调速特征。
这种控制方法已经成熟，并已成功地在沟通伺服系统中获取应
用。
因为这种方法采纳了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据办理能力，
控制地及时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机常常都不可以知足要求。
近
年来各种集成化的数字信号办理器（DSP）发展很快，性能不停改良，软件和开发工具愈来愈多，出现了特意用于电机控制的高性能、廉价位的DSP。
集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推进作用。
永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。
用独立的变频电源向永
磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟从电源频次而变化，此即为外同步
式永磁同步电动机运行。
外同步运行
升级会员 