电机基础知识：什么是马达？

1.电动机的定义和原理

电动机和发电机都是转换电能和机械功的装置。使用电能执行机械功的设备称为电动机，将电能转换为电能的设备称为发电机。它是电动机还是发电机取决于电流是在磁场中流过导体还是在磁场中移动。电磁力产生的基本原理可以用弗莱明的左右定律来解释。

图1显示了如何通过使电流在磁场中流过导体来产生力。力量的产生可以用弗莱明的左手定律来解释。如果磁场强度为B（T），电流大小为i（A），并且导体在磁场中的长度为l（m），则洛伦兹力F = Bli（N）由麦克斯韦方程计算。会发生。

图1：根据弗莱明左手定则生成力

图2说明了根据弗莱明右手法则通过在磁场中移动导体来产生电压的原理。如果导体的移动速度为v（m / s），则生成的电压e = Blv（V）。图2中的磁场由永磁体制成，但是也可以通过使电流通过绕组的线圈产生磁场。那些产生磁场的磁体（例如永磁体和线圈）称为场磁体。

图2：根据弗莱明右手定则产生电压

电动机通过流过励磁线圈和导体的电流的相互作用产生旋转力。电机发展的早期（约1830年）面临的挑战是如何将产生的力转换为电机的旋转运动。由于磁场产生的磁通方向是恒定的，因此有必要通过旋转电流流过的导体来切换电流方向。使之成为可能的本发明是电刷和换向器机构。结果，实现了能够连续旋转的DC电动机。当时，直流电是主流，因此创建了由DC（直流）电源驱动的电动机。

后来随着交流（AC）发电机的商业化，还开发了以三相交流电为电源的电动机。在交流电动机中，三相交流电被提供给作为磁场线圈的定子绕组。由三相交流电产生的磁场的合成与交流电频率同步旋转。因此，与直流电动机不同，交流电动机自动切换电流方向，不需要特殊的机构。交流电动机的定子绕组产生的磁场称为旋转磁场，当频率为f且极数为P时，磁场以N = 120 f / P（rpm）的转速旋转。

大多数当前的电动机，例如DC（直流）电动机和AC（交流）电动机，都按照弗莱明左手定则及其所产生的洛伦兹力（Bli法则）运行。然而，在电动机开发的早期，也将利用电磁体的吸引力的方法作为电磁力产生的原理。图3示出了通过电磁力吸引产生力的原理。

图3：磁阻力原理

当电流通过线圈状磁体时，磁体被磁化，并且在附近的磁体中被磁化，从而在磁轴重合的方向上产生力。该力的作用是使间隙之间的磁阻最小化，称为磁阻力。利用该力的磁阻电动机的缺点在于，由于磁阻力随着位移而变化，因此难以获得恒定的旋转力。为了克服这些缺点，需要高级控制，因此，与直流电动机和交流电动机相比，磁阻电动机的使用速度有所降低。

2.电机类型

可以根据功率，旋转，磁场，驱动器和配置对电动机进行分类（图4）。

图4：按电动机驱动原理分类

在通过逆变器等控制电动机之前，根据提供给电动机的功率将其大致分为两种。直流电源驱动器和交流电源驱动器。由直流电源驱动的直流电动机称为直流电动机，可以根据磁场是缠绕（线圈）还是永磁体来对直流电动机进行分类。小容量直流电动机使用永磁体（PM）作为磁场来实现高效率，而大容量电动机则使用绕组磁场。

与交流（AC）电源一起使用的电动机可以分为与交流产生的旋转磁场同步旋转或不同步旋转。前者称为同步电动机，而后者的代表是感应电动机。还有一种长期使用的电动机，它是使用转子上的短路绕组作为感应电动机启动的，并在达到接近同步速度的转速时切换为同步旋转。这被归类为感应电动机。

同步电动机的缺点是无法以商用频率启动。因此，大多数工业电动机是能够通过如上所述将其作为感应电动机启动并将它们切换为同步旋转而利用交流电源来启动的电动机。同步电动机可分为由永磁体和绕组组成的电动机，以及由感应从定子绕组产生的磁通量的磁阻组成的磁阻电动机。绕组式同步电动机用于发电机等大容量领域，而在其他领域则使用以永磁体（PM）作为磁场的永磁电动机。按照惯例，永磁励磁同步电动机称为永磁电动机。

由诸如逆变器之类的驱动电路驱动的驱动器已细分为驱动器。该驱动器大致可分为两种：一种是用正弦波电流作为同步电动机驱动，另一种是根据磁极位置以矩形波驱动的电动机，例如无刷直流电动机。与无刷直流电动机类似，通过根据转子的磁极位置切换励磁相位（流过磁场的电流的相位）来将磁阻施加到磁场的开关磁阻电动机（在图4中缩写为SRM）是矩形的。

3.超声波马达

电能和机械功可以通过电磁力以外的方法进行转换。已知利用作用在电容器的电极之间的力的静电电动机和利用压电元件的超声电动机。尽管静电马达已作为MEMS（微机电系统）而受到关注，但很少投入实际使用。另一方面，后一种超声马达用于特殊目的，例如驱动相机镜头，因为该马达可以被构造成盘状。

压电元件（PZT：Pb（Zr，Ti）O 3，锆钛酸铅）具有在施加电压时沿垂直于电压的方向延伸的特性。最初研究了利用该特性将位移改变为直线或旋转运动以制造电动机。但是膨胀和收缩只有几微米。为了电动机旋转，需要将压电体和弹性体组合并以高频率振动的结构。1980年，通过产生从压电体到弹性体的行波发明了一种实用的电动机。使用术语“超声波马达”是因为其根据弹性体的共振频率以高于20kHz或更高的可听范围的频率（超声波）被驱动。图5示出了行波超声马达的操作原理。

图5：行波型超声波电动机的原理

定子由压电元件和弹性体构成的两层结构，该压电元件由两组驱动电极构成。每个电极被布置为行波波长的一半，并且被交替极化以具有相反的极性。当将频率接近弹性体的弯曲振动的固有频率的AC电压施加到驱动电极时，压电元件交替地膨胀和收缩，导致弹性体弯曲。

通过向两个电极施加相位差为90度的交流电压，合成在空间和时间上异相的两个驻波，并获得如图4所示的行波。波在弹性体上的最大点通过绘制与行进波相反的椭圆形轨迹而移动。因此，当在转子（移动体）和定子之间施加高压时，转子在行波的波前与弹性体接触，并且沿着振子表面上的椭圆轨迹在与行波相反的方向上发生摩擦。