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永磁无刷电机旋转原理

news 2025/6/27 17:08:06

1. 磁场的基本知识

2. 角速度，线速度，工程转速

3.力和力矩

4. 惯量，转动惯量

5. 电机的四种状态

5.1 空载

5.2 带载

5.3 满载

5.4 堵转

6. 功和功率

1. 磁场的基本知识

无头无尾，转了一圈，就叫有旋

励磁电流是电机（尤其是交流异步电机、同步电机和直流电机）中用于建立工作磁场的电流。它是电机运行所必需的基础电流，没有它，电机就无法产生电磁转矩来驱动转子旋转

电机的工作原理基于电磁感应和电磁力（安培力）。无论是产生转矩（驱动转子）还是感应电压（发电机），都需要一个磁场作为媒介。

励磁电流的职责：
向电机的励磁绕组（或定子绕组的一部分）通入电流，在电机内部产生这个工作磁场

励磁电流是电机中专门用于建立工作磁场的电流分量。它不直接产生机械功（主要消耗无功功率），但却是电机产生转矩或感应电压的物理基础。在交流异步电机中，它构成空载电流的主体，且基本不随负载变化；在同步电机和直流电机中，它可通过外部系统独立控制以调节电机性能。

想象一辆燃油车：

励磁电流 ➔ 相当于维持发动机怠速运转所需的燃油（即使不行驶也要消耗）。
负载电流 ➔ 踩油门加速时额外增加的燃油（用于克服阻力、提速做功）。
没有“怠速”（磁场），发动机（电机）就无法在需要时立即输出动力（转矩）。

2. 角速度，线速度，工程转速

角度的两种定义方法：角度制和弧度制

3.力和力矩

l = r × sin(),l也叫力臂，与力的方向垂直

气隙合成磁场与转子磁场之间的夹角，这个角叫功角，若这个角为90度，则转矩最大

什么是气隙合成磁场？

在同步电机（以发电机为例）中，存在两个主要磁场：

转子磁场（励磁磁场）：
- 由转子绕组通入直流励磁电流产生，随转子同步旋转。
- 其强度由励磁电流大小决定，在气隙中形成主磁场。
定子磁场（电枢反应磁场）：
- 由定子三相绕组中的负载电流产生，是一个与转子同速旋转的旋转磁场。

气隙合成磁场：

是转子磁场与定子磁场在气隙空间（定转子之间的空气间隙）中矢量叠加后形成的总磁场。

4. 惯量，转动惯量

就像轴流风机，质量大，半径大，则转动惯量大，启动速度就会较慢

5. 功和功率

T是转矩

电机的功率平衡方程 PM = PE

电机铭牌上标注的功率是轴功率PA（PM）

6. 电机的四种状态

6.1 空载

对应空载情况，两个磁体的磁场几乎没有夹角，转矩很小

定义： 电机通电旋转，但其输出轴上没有连接任何外部负载（机械负载为零）。电机只需要克服自身的内部损耗（如轴承摩擦、风阻、铁损、铜损等）来维持旋转。
特点：
- 电流： 输入电流最小，称为空载电流。对于感应电机，空载电流主要是建立磁场的励磁电流，其大小与电机设计和电压有关。
- 转速： 转速最高，接近或等于电机的同步转速（对于交流异步电机）或理论空载转速（对于直流电机）。
- 功率因数： 对于交流异步电机，功率因数通常较低，因为励磁电流主要是无功的。
- 输出功率： 理论输出功率为零（没有对外做功）。
- 效率： 效率为零（因为没有输出功率）。
- 温升： 最低（仅由内部损耗引起）。
用途： 测量空载电流和转速是电机出厂测试和现场故障诊断的重要项目。空载电流异常增大可能表明机械摩擦增大（如轴承损坏）、气隙不均匀或定子绕组问题（如匝间短路）。

6.2 带载

对应带载情况，两个磁体的磁场有一定的夹角

定义： 电机通电旋转，且其输出轴上连接了外部负载，该负载小于电机的额定负载。这是电机最常见的实际工作状态。
特点：
- 电流： 输入电流大于空载电流，小于满载（额定）电流。电流大小随负载增加而增加。
- 转速： 转速低于空载转速。对于交流异步电机，转速随着负载增加而下降（转差率增大）。对于直流电机，转速也会随负载增加而下降。
- 输出功率： 大于零，小于额定功率。输出功率 = 负载转矩 * 转速。
- 效率： 大于零，但通常低于满载时的最高效率（电机通常在接近满载时效率最高）。
- 温升： 高于空载温升，低于满载温升（在正常散热条件下）。
用途： 绝大多数应用场景下电机都运行在带载状态，负载大小根据实际需求变化。

6.3 满载

对应满载情况，两个磁体的磁场的夹角成90度，力矩最大

定义： 电机在额定条件（额定电压、额定频率）下运行，输出其额定功率（或承受其额定转矩）。这是电机设计和标定的基准工作点。
当说电机在满载状态下“承受其额定转矩”时，其精确含义是：电机在额定电压、额定频率下，能够持续稳定地输出其设计允许的最大持续工作扭矩（额定转矩），用以平衡并克服负载施加在电机轴上的反扭矩，从而驱动负载在额定转速下运行，输出额定功率，同时自身温升在安全限值内，输入电流为额定电流。
转矩的本质：
- 转矩是旋转力，是电机驱动负载旋转的能力。单位通常是牛顿·米或磅·英尺。
- 想象一下你用扳手拧螺丝：你施加在手柄上的力乘以手柄的长度，就是你在螺丝上产生的扭矩。电机轴输出的转矩也是类似的原理。
特点：
- 电流： 输入电流等于额定电流。
- 转速： 等于额定转速（铭牌上标注的转速）。对于异步电机，此时的转差率称为额定转差率。
- 输出功率： 等于额定功率。
- 转矩： 等于额定转矩。
- 效率： 通常在满载点附近达到设计最大值（高效电机）。
- 温升： 在允许的最大温升范围内（由电机绝缘等级决定）。电机设计保证在此负载下长期运行不会过热损坏。
重要性： 这是电机安全、可靠、高效运行的基准点。选型时应确保电机额定值满足应用的最大需求（并考虑适当余量）。电机在此状态下应能持续运行而不超过温升限值。

6.4 堵转

定义： 电机通电，但其转子被强制锁定无法转动（转速 = 0）。这是一种故障或极端启动状态。
特点：
- 电流： 输入电流达到最大值，称为堵转电流或起动电流。堵转电流通常是额定电流的 5-8倍（甚至更高，取决于电机类型和设计）。
- 转速： 0。
- 转矩： 此时电机产生的转矩称为堵转转矩或起动转矩。这是电机能产生的最大转矩（在额定电压下）。
- 功率因数： 对于交流异步电机，堵转时功率因数较高（因为转子电流大，有功分量占比大）。
- 输出功率： 为零（转速为0）。
- 效率： 为零。
- 温升： 急剧、迅速升高。巨大的电流（主要是铜耗）集中在定子和转子绕组中产生大量热量，短时间内（几秒到几十秒）就可能烧毁绕组绝缘。
- 正常情况下的堵转：
  - 启动瞬间： 电机启动时，转速从0开始上升，在达到一定转速前都处于类似堵转的状态（电流大）。设计良好的电机应能承受短暂的启动电流冲击。
  - 过载或机械卡死： 这是最常见的故障性堵转原因。