1.1 電動(dòng)機(jī)類型

電動(dòng)機(jī)是一個(gè)集電、磁、機(jī)械、力、熱等能量于一體的復(fù)雜物理實(shí)體，電動(dòng)機(jī)的研究是一個(gè)多物理域內(nèi)的研究工作。本書從控制與應(yīng)用的角度入手，主要對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

從組成材料上來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)包含導(dǎo)磁材料（如構(gòu)成磁路的硅鋼片）、導(dǎo)電材料（主要是銅、鋁等材料）、絕緣材料（如直流電動(dòng)機(jī)換向片之間的云母、漆包線的外層漆、線圈與鐵心之間放置的環(huán)氧）等。

從運(yùn)動(dòng)形式上來(lái)說(shuō)，有靜止式的電動(dòng)機(jī)——變壓器，還有運(yùn)動(dòng)式的電動(dòng)機(jī)，后者又可以分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)包含有定子與轉(zhuǎn)子兩大部分。有的電動(dòng)機(jī)定子在外側(cè)，轉(zhuǎn)子在內(nèi)側(cè)；而有的電動(dòng)機(jī)則正相反。有的電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子只有一套，而有的電動(dòng)機(jī)定子或者轉(zhuǎn)子則有兩套。

電動(dòng)機(jī)種類繁多，分類方法也是多種多樣。大部分情況下可以按照電動(dòng)機(jī)工作時(shí)所需的是直流電還是交流電分為直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)，如圖1-1所示。

直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接方式的不同可分為：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)以及采用兩套勵(lì)磁繞組的復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁源可以是電勵(lì)磁，也可以是永磁體勵(lì)磁，近年來(lái)出現(xiàn)了兩者的混合勵(lì)磁。

圖1-1 電動(dòng)機(jī)分類圖

交流電動(dòng)機(jī)大體上可以分為交流異步電動(dòng)機(jī)與交流同步電動(dòng)機(jī)。前者負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度不相等，又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，有籠型轉(zhuǎn)子式交流異步電動(dòng)機(jī)與繞線轉(zhuǎn)子式交流異步電動(dòng)機(jī)之分。兩者的不同之處在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，后者通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路參數(shù)可以獲得較好的起動(dòng)與調(diào)速特性。交流同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子速度始終與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度保持同步。交流同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可分為凸極式與隱極式電動(dòng)機(jī)，按照勵(lì)磁方式的不同則可以分為電勵(lì)磁、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和近年來(lái)出現(xiàn)的混合勵(lì)磁型同步電動(dòng)機(jī)。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大不相同的新型電動(dòng)機(jī)，如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（Stepper Motor）、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）等。這些電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)必須配以相應(yīng)的電子裝置從而構(gòu)成電子式的電動(dòng)機(jī)，例如配備有位置傳感器以及電子換向器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）。從內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律來(lái)說(shuō)，BLDCM屬于交流同步電動(dòng)機(jī)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理與普通電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相同，但它以永磁體勵(lì)磁替代勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，同時(shí)還省去容易出現(xiàn)問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。由于無(wú)需勵(lì)磁電流，沒有勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。早期的研究主要是圍繞固定頻率供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。在工頻電源供電條件下，永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)自起動(dòng)能力，一般通過(guò)在轉(zhuǎn)子上安裝阻尼繞組，依靠其產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)并加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由永磁體產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將PMSM牽入同步。隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代，永磁同步電動(dòng)機(jī)開始應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)與直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)基本相同，但一般不加阻尼繞組。PMSM的典型結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，主要部件是定子鐵心、定子線圈、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和軸等。

圖1-2 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

依靠連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息，控制好定子繞組的正弦波電流，PMSM理論上可獲得平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，加上永磁電動(dòng)機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，目前永磁同步電動(dòng)機(jī)正向大功率（超高速、大轉(zhuǎn)矩）、高性能化、微型化和智能化方向發(fā)展。

表1-1給出了不同類型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。

表1-1 不同類型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)比較