1、<p>　　電機(jī)技術(shù)（Electric Motor Technology）</p><p>　　Lessons In Electric Circuits,Volume II-AC</p><p>　　By Tony R.Kuphaldt</p><p>　　Sixth Edition,last update March 07,2007</p>

2、<p>　　Theory, Construction, And RequirementsT The principles behind electric motors have been around for almost two centuries， but the technology has come a long way during the past few years. Although Michael

3、Faraday first showed the relationship between current flow and magnetic fields in 1821，it wasn‘t until 11 years later that these principles were used to demonstrate the first electric motor. Actually， it was the inventio

4、n of the commutator that allowed electromagnetic forces to be coaxed into</p><p>　　In 1825， British electrician William Sturgeon showed how the magnetic field produced from a current in a wire could be incre

5、ased without additional current by stacking the wire in parallel。 His electromagnet was a horseshoe-shaped piece of iron that was wrapped with several turns of the wire. The iron core acts as a concentrator for the magne

6、tic field produced by current flow in the wire. You can cause the north/south orientation of an electromagnetic core to swap polarities if the coil is wound</p><p>　　THE DC SOURCEN Not counting Leyden jar

7、 capacitors（circa 1745）， early scientists were restricted to one source of power， the electric pile， or battery. Alessandro Volta  experiments with the rtificial electrical organ named from the torpedo fish  ab

8、ility to produce an electric shock （the electric eel  cousin） ive us the basics of creating a direct current from dissimilar metals. Without measurement devices， Volta  research was limited to sensory comparis

9、ons. How many of you have tested a 9-V </p><p>　　Before moving on， let‘s look at a problem with a single-coil DC motor （see Figure 4）。 The torque on the rotor begins at zero when the electromagnetic and perm

10、anent magnet cores are parallel. The motor will not be able to self-start if the rotor and stator are aligned. This problem can be prevented if two electromagnets are used in the rotor at right angles to one another. Twi

11、ce as many commutator segments are used， which alternately powers the coils. Each coil is powered during the upper portion</p><p>　　DYNAMO The motor and generator are like the chicken and the egg. Because

12、 there was no power distribution system， while the electric motor might have been useful， electric motors weren't practical without a power source. The fact that an electric motor could also produce power meant that

13、converting mechanical to electrical energy was possible. Up to this point，I‘ve discussed how a magnetic field produced by a current through a wire is used to create an electromagnet （and rotary motion）。 The re</p>

14、<p>　　While the commutator is necessary for DC current and DC motors， at the time no one knew what to do with the AC that was produced by a dynamo using slip rings （see Figure 6）。 Slip rings enable the connection o

15、f the rotor coils to the outside world without reversing the current flow （the way a commutator does）。 Slip rings have less arcing and wear associated with them because the current isn‘t interrupted. Finally， AC found it

16、s niche in the world and the AC dynamo became known as the alternator. B</p><p>　　AC MOTORSW With the fight over power transmission and distribution techniques all but over， Americans in the late 1880s cou

17、ld not have possibly understood how their future was about to change. Labor-saving devices began to invade every household. Synchronous AC motors became important because they require no slip rings or commutators and

18、are less expensive to manufacture. Because their spin was a function of line frequency （60 Hz）， they could be used to keep time and stay in sync with the r</p><p>　　ELECTRONIC CONTROLP Prior to the adven

19、t of the semiconductor，control of the electric motor was practically nonexistent and limited to a physical switch that could turn coil current on and off. Initially， a stack of battery cells was tapped to apply varying D

20、C potential to a brushed DC motor. Then the power rheostat was used to reduce the potential to motors， with great losses in efficiency and heat.As semiconductors were developed，their functions were exploited by the elec

21、tric motor industr</p><p>　　MOTOR CHOICES ARE EXPANDINGAlthough motor controllers increase the cost of motor applications， they have encouraged the introduction of specialized motors designed to take advant

22、age of their flexibility 。Controllers incorporate the necessary interfaces to control external highpower devices. Based on the commutatorless AC synchronous motor， the brushless DC motor has no maintenance issues associa

23、ted with "brushes"and it is quickly becoming the motor of choice in many applications.While most mot</p><p>　　"But this is just research stuff，" you say. Yes， however， the future is star

24、ting out there today on someone‘s lab table. This isn't a case of reinventing the wheel. It‘s a matter of using the newest technology to improve existing implementations or create entirely new ones. Meanwhile， our wa

25、shing machines， powered by AC induction motors， still get our clothes clean.</p><p><b>　　電機(jī)技術(shù)</b></p><p>　　文章在《Electric Circuits》里面，第二章的交流電機(jī)</p><p>　　Tony R.Kuphaldt著<

26、;/p><p>　　六月修訂版，最后更新2007年7月</p><p>　　電機(jī)的原理、構(gòu)造，和所需部件。</p><p>　　電動機(jī)的理論原理已經(jīng)存在了兩個世紀(jì)，但電機(jī)技術(shù)在過去的一些年里走了相當(dāng)長的路，盡管邁克爾·法拉第在1821年首次證明了電流和磁場之間的關(guān)系，但直至11年后電機(jī)的理論原理才能在電機(jī)應(yīng)用上得到首次論證。實(shí)際上，這是發(fā)明了能夠讓電磁力迫使

27、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來的電機(jī)換向器。如同電能可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能也可以容易的得到證明。需要電源為他發(fā)明的電燈供電，托馬斯·愛迪生在1882年發(fā)明了能為他的顧客產(chǎn)生直流電的電源。與此同時，尼古拉·特斯拉在研究無刷交流異步電動機(jī)，在1888年，他提出使用交流電作為功率分布來反對愛迪生的觀點(diǎn)。盡管那時有很多運(yùn)動來支持愛迪生的觀點(diǎn)，但最終的結(jié)果我們大家都知道的。</p><p>　　由于電機(jī)相

28、當(dāng)重要，本月我將用一定的時間來介紹它的結(jié)構(gòu)、原理和使用電機(jī)的一些要求。由于提供引進(jìn)電子智能化控制，使得我們對于交流電機(jī)和直流電機(jī)之間的區(qū)別不是得以很好的理解。所以剛開始的時候,我們有必要對電磁學(xué)做一個簡單的學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　電磁力</b></p><p>　　在太陽系的中心，太陽沿著太陽黑子以11年為一周期旋轉(zhuǎn)著。太陽黑子是強(qiáng)磁場區(qū)，它穿過光球?qū)硬⒆?/p>

29、終產(chǎn)生具有磁吸力的磁極。當(dāng)它磁力壓過太陽偶極狀況下，磁流就翻轉(zhuǎn)了偶極的狀態(tài)。這與太陽黑子的活躍度及每11年的周期循環(huán)是相一致的。地球磁極有一個翻轉(zhuǎn)過程的記錄，只不過那時很久以前的階段。最后一次出現(xiàn)是在740000年以前。不用說，我們從來沒有經(jīng)歷過。我們也不知道它是如何影響人們的生活，這點(diǎn)我們是知曉的。理論認(rèn)為，地球磁場的轉(zhuǎn)動是由于地球內(nèi)部深處的外泄巖漿流動不均衡引起的。板塊構(gòu)造向我們展示了地面不規(guī)則的連續(xù)的變化，所以我可以很容易的知道我

30、們所面對的不是平坦的表面和完美的沿著軸線平衡的轉(zhuǎn)動。當(dāng)然，我們的生活會受到流動磁場（及內(nèi)部電流）的影響。我們可以發(fā)現(xiàn)磁場和電流只之間的關(guān)系。一些材料是由鐵礦石構(gòu)成的，這些鐵礦石經(jīng)過隨機(jī)排列的電子的磁場的磁化后可以成為鐵磁石。也可以通過流有大電流的導(dǎo)電導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)電流引起的強(qiáng)磁場可以長久的影響電子自轉(zhuǎn)。當(dāng)外加電流消失后，所形成的磁場方向就可以確定了，使得被磁化的材料得到永久的磁性。第一個指南針是由漂浮在水上的永久磁性材料制成的。同水作為

31、一個摩擦軸承，使得磁石可以旋</p><p>　　在1825年，英國電學(xué)家威廉鱘魚證明由電流產(chǎn)生的磁場的磁性得到加強(qiáng)可以通過把載流導(dǎo)線水平疊加在一起，而不必增加導(dǎo)線的電流流量。他制成的電磁鐵是馬蹄形的，并且有幾圈導(dǎo)線繞著。鐵心作為當(dāng)電流流過導(dǎo)線時形成的磁場的核心部件。你可以通過改變電磁的繞線的方向或者改變導(dǎo)線電流的流向來改變電磁磁場的方向。圖2中展示出了異性磁極相互吸引，同性磁極相互排斥。通過控制電磁體繞組中電流

32、的流向，你可以在具體的環(huán)境中改變磁場的方向。當(dāng)手指指向和電流的流向一致時，用右手定則可以指明出北磁極。</p><p><b>　　直流電源</b></p><p>　　不包括萊頓瓶電容器（大約在1745年）。早期的科學(xué)受到電源，電量和電池的限制。亞歷山德羅。沃爾塔通過從魚雷魚命名而來的電器器件做實(shí)驗，通過伏點(diǎn)擊向我們證明通過不同金屬材料來產(chǎn)生直流電的基本原理。沒有檢

33、測儀器，通過對比可知運(yùn)用感官來檢測電壓時受到限制的。有多少人能通過感官來檢測出具有9伏的電源呢？當(dāng)電池和電磁體分離為向兩個方向發(fā)展時候，在支持電動機(jī)方面表現(xiàn)得更加優(yōu)越。但是就一個直流電源和電磁體本身它們還不能構(gòu)成電機(jī)。實(shí)驗證明僅使用電池和電磁體而沒有進(jìn)一步的改造只能過制造出局部運(yùn)動部件。一個永久磁鐵貼住轉(zhuǎn)盤四周時，磁鐵繞著被磁激活的周圍運(yùn)動是做圓周運(yùn)動的，而且它的極性和永久磁鐵是相反的。磁鐵被排斥開，沿著轉(zhuǎn)盤圓周運(yùn)動，直到相反極性的永久

34、磁鐵用來吸引磁鐵。在轉(zhuǎn)盤上極性相反的永久磁鐵保持吸引磁鐵，但是運(yùn)動停止（不僅是運(yùn)動停止，吸引的磁極提供了阻止運(yùn)動的作用）。這里有必要改變電磁鐵中電流的流向在轉(zhuǎn)盤每當(dāng)轉(zhuǎn)過180°時。在當(dāng)今的電子工業(yè)，我們可以容易實(shí)現(xiàn)，但是那是以后的事了。我們可以設(shè)想當(dāng)轉(zhuǎn)盤有足夠的重量時，我們僅把磁鐵轉(zhuǎn)過180°，原動力將使得轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到磁鐵可以供給其他推力。畢竟許多單轉(zhuǎn)環(huán)</p><p>　　在繼續(xù)之前，讓

35、我們來了解單組線圈直流電機(jī)的問題（參見圖4）。當(dāng)載流體和永久磁鐵向平行時，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩從零開始變化。即當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子在同一水平上平行時，電機(jī)將不能自行啟動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上運(yùn)用的兩個電磁體相互垂直時這個問題可以得到解決。使用兩倍多的換向器段，它能夠使電源交替的通過線圈。每個線圈在通過上面的部分彎曲時得電，很多電機(jī)在制造時候是有超過兩組線圈的，多組線圈能獲得更大的轉(zhuǎn)矩。如同線圈的增多，需要更多的換向器。通過它可以減少換向器（和電刷）的尺寸。&

36、lt;/p><p><b>　　發(fā)電機(jī)</b></p><p>　　電動機(jī)和發(fā)電機(jī)如同雞和雞蛋。因為沒有電源系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)在應(yīng)用當(dāng)中時沒有一個電源那是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上是電動機(jī)也可以發(fā)電的，即通過把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能?；谶@點(diǎn)，我們來討論利用通有電流的線圈產(chǎn)生的磁場來制造出電磁體（和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）。反過來也可以實(shí)現(xiàn)的。一條導(dǎo)線（或者線圈）通過磁場時候在導(dǎo)線上就會產(chǎn)生電流。這如同通過

37、變壓器把電能轉(zhuǎn)換（電流產(chǎn)生磁場，再由磁場產(chǎn)生電流）。如果我們使用一臺電動機(jī)，并且轉(zhuǎn)動它的轉(zhuǎn)軸使電樞轉(zhuǎn)動起來，由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場對通過的轉(zhuǎn)動線圈做切割運(yùn)動。包括在線圈中產(chǎn)生的電流。電流僅僅在穿過的磁場發(fā)生變化時才產(chǎn)生。當(dāng)磁場方向和線圈成垂直時產(chǎn)生的電流最大，這時通過線圈做切割運(yùn)動的磁通量最大。而當(dāng)磁場方向和線圈成平行時產(chǎn)生的電流最小，這時通過線圈做切割運(yùn)動的磁通量最小。使用更多線圈的同時也要更多段的轉(zhuǎn)換器（以下是實(shí)例證明電機(jī)的轉(zhuǎn)矩使得輸

38、出的電流平滑輸出）。</p><p>　　對于直流電和直流電機(jī)轉(zhuǎn)換器是必不可少的，與此同時，沒有人知道發(fā)電機(jī)通過滑環(huán)而產(chǎn)生的交流電（參見圖6）?；h(huán)使得轉(zhuǎn)子的線圈能夠和外部發(fā)生連接起來而沒有必要通過改變電流的方向來實(shí)現(xiàn)（通過轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的功能）?；h(huán)有較少弧段和聯(lián)系，因為電流是不連續(xù)的。最后知道交流電和電機(jī)之間的聯(lián)系，即被人們熟知的交流發(fā)電機(jī)。通過在轉(zhuǎn)子中使用永久磁鐵和在定子中使用電流線圈，交流發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生交流電

39、而不必使用換向器或者滑環(huán)。這簡化了且使得交流發(fā)電機(jī)更加高效的把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)轉(zhuǎn)子的永久磁鐵用通有電流的線圈代替時，交流發(fā)電機(jī)必須使得勵磁繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。如今這被應(yīng)用在通過汽車內(nèi)部內(nèi)染發(fā)動機(jī)用來供汽車用電池充電。</p><p><b>　　交流電動機(jī)</b></p><p>　　有于輸電和配電存在的分歧很普遍，19世紀(jì)80年代末美國人還不知道他們的未來正要改變

40、。省工的方法在人們的生活中逐漸的普及。同步交流電機(jī)變得更加重要，因為它不需要使用滑環(huán)或者轉(zhuǎn)換器，而且制造費(fèi)用便宜。由于它是以60Hz的頻率來運(yùn)行的，它可以用來計時和協(xié)調(diào)輸電網(wǎng)。如同以前的發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)使用永久磁鐵作為它的定子，和電磁及滑環(huán)為轉(zhuǎn)子來制造出交流電壓。曾經(jīng)特斯拉演示交流電機(jī)如何能提高更加高效的遠(yuǎn)距離輸電，更加有效和簡化了交流電動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的控制。通過交換轉(zhuǎn)子和定子的位置，即永久磁鐵和電磁體的位置，這樣就不需要滑環(huán)了。使得制造

41、工藝變得經(jīng)濟(jì)。定子可以通過一序列的線圈繞組而成，并交替通電。在一個方向和相反方向上交替的磁化著磁極，60秒為一周期。構(gòu)成轉(zhuǎn)子的永磁體受到磁極磁力的牽引的作用而周環(huán)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子在兩極間以6Hz速度運(yùn)行，每個極在60Hz完成一個周期。單相同步交流電動機(jī)啟動有個問題，即最初啟動時單相不能提供很好的轉(zhuǎn)矩。自動啟動可以通過在主繞組中增加一個提前或者邂逅的元器件來實(shí)現(xiàn)。我們可以知道兩相可以提供足夠的啟動轉(zhuǎn)矩。在單相交流源下那是不可能的。有兩個極（繞組

42、）在90°會同出相轉(zhuǎn)化成同相。通過改變</p><p><b>　　核心問題</b></p><p>　　改變（變換）交流電動機(jī)的磁場，會使得電機(jī)帶來損耗，除此之外，還有12R的線圈電阻損耗，磁滯損耗和渦流損耗。固體外觀設(shè)計證明了核心部件存在電流渦流，即在磁場變化的過程時出現(xiàn)。任何改變電流的方法都會改變磁場。因此渦流將產(chǎn)生方向磁場，排斥主磁場。通過把鐵片做得

43、薄片可以減少渦流電流。新的能源材料在用來作為核心部件之前，必須在設(shè)計時表現(xiàn)出高效且沒有磁滯。有目的的用來制作核心部件并減少磁滯。</p><p><b>　　電子控制</b></p><p>　　半導(dǎo)體器件出現(xiàn)之前，電動機(jī)的控制幾乎不存在，同時受到物理開關(guān)的限制，只能對通過線圈的電流加以開通與關(guān)斷的控制。實(shí)際上電源經(jīng)接線連通到直流電機(jī)的電刷，既而應(yīng)用到直流電位上。用電

44、源電阻來降低電動機(jī)的電動勢，同時減少效率和發(fā)熱量。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展更新，電氣機(jī)械工業(yè)中已經(jīng)開發(fā)出了很多新的產(chǎn)品。通過二極管可以把交流電整流成直流電并用來運(yùn)行直流電機(jī)?？煽毓枵髌鳎ㄈ穗p向交流開關(guān)）在交流半波時候可以提供一個較好的延遲控制。在電流過零點(diǎn)時可以自動關(guān)斷電流。因為延遲是在過零點(diǎn)時候的，所以每個半周期當(dāng)作延遲來對待。一個具有線性特性的三極管可以用來當(dāng)作電子可變電阻實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。但是作為機(jī)械電阻同樣存在效率低和散熱不

45、好的困擾。關(guān)鍵的問題是：怎樣使得電子器件得到有效充分的應(yīng)用（在線性區(qū)域以外）同時通過更多的控制而非僅僅是開通和關(guān)斷的控制？由于這個致使電機(jī)控制新時代的到來：脈沖寬度調(diào)制?；谶@點(diǎn)，電動機(jī)的運(yùn)行是依靠來自公共電網(wǎng)的電源。這電機(jī)電源新技術(shù)的控制技術(shù)使得我們能夠擁有多相電源。新的半導(dǎo)體器件專門用來發(fā)展并運(yùn)用在高壓高電流的電機(jī)。場效應(yīng)管具有極小的開通電阻，這意味著當(dāng)電流通過它時，輸入電壓的損</p><p><b&

46、gt;　　電機(jī)的選擇是擴(kuò)張型</b></p><p>　　盡管電動機(jī)控制器的增加了電機(jī)設(shè)備的開支，但是控制器使得電機(jī)能得到專門的控制設(shè)計，使得電機(jī)優(yōu)點(diǎn)得到充分的利用。控制器通過結(jié)合必要的接口從而控制外部的大公里設(shè)備。由于擁有無換向器同步交流電動機(jī)優(yōu)勢，和擁有無刷直流電機(jī)沒有換向器維修的問題的優(yōu)點(diǎn)。在很多的場合便得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)很多電機(jī)控制程序可以通過控制器來手工編寫和一定的合適的軟件時候，當(dāng)要求高

47、精和高復(fù)雜的運(yùn)動時候，就有了多種選擇來滿足你的設(shè)計需求。便攜式設(shè)備有單一和多種控制器它們可以實(shí)現(xiàn)處理電機(jī)何種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這里，你可以用來仿真運(yùn)動模式，包括S曲線，不規(guī)則曲線和圓形曲線。這里我對我的意圖感到一點(diǎn)驚訝，這里是很難保持固定不變的，因為電機(jī)的發(fā)展受到電子工業(yè)的發(fā)展的影響是很大的。電機(jī)的家族不再是單純的指電機(jī)了。我們將想何種方向發(fā)展呢？這很明顯，小型設(shè)備有很大的發(fā)展空間。在下圖7的設(shè)備是心房輔助設(shè)備，它是發(fā)明用來幫助充

48、血性心力衰竭的病人。你會說，那太大了?？聪略谫e夕法尼亞州立大學(xué)的材料研究所(見圖1)研制發(fā)明的超聲波壓電電機(jī)，那很大嗎？微米馬達(dá)是在美國加利福尼亞大學(xué)發(fā)明的（看照片2）。這個電動機(jī)（如果你以這種方式來思考）有500</p><p>　　或許你會說這僅是材料的研發(fā)。是不錯，但是或許我們的將來可能正在某人的實(shí)驗室里面研究著。這不是白費(fèi)力氣重復(fù)工作，這是應(yīng)用最新的技術(shù)來提高我們現(xiàn)存的設(shè)備或者發(fā)明全新的某一設(shè)備。同時，我