哈尔滨远东理工学院2015——2016学年第二学期（大补考）分院：
课程：特种电机及其控制
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2016年5月16日
一、简介
特种电机是相对于传统有刷直流电机和交流异步电机模糊概念。

传统上，除有刷直流电机、交流异步电机外，所有电动机都叫做特种电机。

而非运用于特种场合的电机才是特种电机。

发电机和电动机结构上基本相同，通电运行可为电动机；原动力拖动转子旋转，磁场切割定子绕组感生出电动势成为发电机。

结构构造，电机和发电机在综合结构上基本相同，两者具有可逆性。

电机结构构造：通过电线圈在磁场中受到安培力作用而转动，并在运动过程中带动其他的物体运动。

发电机结构构造：利用物理外力驱动，转动线圈，使其切割磁力线，产生电流。

电机工作原理：利用电流转变成机械能，带动外部物体转动
发电机工作原理：利用电磁感应将机械能转变为电能。

电机和发电机之间不是对等关系!虽然电动机和发电机之间有可逆性!在使用过程中，我们将它们结合起来是不会成为永动机器的，因为有能量守恒。

随着中小型电机中产品结构的调整和优化，特种专用电机将成为电机行业发展的重点，其市场需求及发展速度将在本行业中处于领先地位。

中小型电机行业内的大型企业生产电机的品种和系列较多，综合实力占优;规模略小的企业则关注于特定的一种或几种电机的生产，力争在细分产品市场取得优势。

我国长期以来中小型电机特种产品品种少，产品结构不合理，表现为基本系列多，派生专用系列少;一般品种多，专用品种少。

各企业根据市场需要，也注重了专用电机的发展，经过“十五”、“十一五”技术改造，调整产品结构，特种专用电机都有不同程度的发展。

预计“十二五”期间我国标准系列电机与特种专用电机比约为4：6，而国外普通标准系列电机与特种专用电机比为3：7。

因此一些高效节能的电机、高品位的出口电机和机电一体化的特种电机将有很好的市场前景。

二、特种电机的种类与区别
无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。

电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。

其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2p＝2，4，…)组成。

定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

所以，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位量传感器三者组成的“电动机系统”。

与电励磁直流电动机相比，永磁直流电动机的电枢结构基本相同，主要差别是在定子侧由永磁体代替了电励磁磁体。

永磁直流电动机保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，又因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少和效率高等特点。

功率在300W以内时，永磁直流电动
机的效率比同规格电励磁直流电动机高10%~20%。

而且，电动机功率越小，对电励磁直流电动机而言，励磁结构占总体积的比例和励磁损耗占总损耗的比例就越大，因此永磁直流电动机在小功率领域的优点尤为突出。

采用铁氧体永磁时总成本一般比电励磁电动机低。

相似之处：在电枢结构上基本相同。

不同之处：在定子侧永磁直流电动机为永磁体，而电励磁直流电动机为电励磁磁极。

优点：永磁电动机没有励磁绕组铜耗，因此相对而言效率更高；永磁电动机体积小质量轻、机械特性硬、电压调整率小。

直流伺服电动机的基本工作原理。

直流伺服电动机的基本工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律这两个基本定律。

当电枢两端接通直流电源时，电枢绕组中有电枢电流Ia流过，电枢电流Ia与气隙磁场（每极磁通φ）相互作用，产生电磁转矩Tem，电动机就可以带动负载旋转，改变电动机的输入参数（电枢电压、极磁通等）。

其输出参数（如位置、速度、加速度或转矩等）就会随之变化。

反应式步进电动机的工作原理。

反应式步进电机利用磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理产生磁拉力形成磁阻性质的转矩而步进。

反应式步进电机定子齿上装有励磁绕组，定子齿数为相数的两倍，相对的齿上的绕组串联成一相；转子由软磁材料制成，其上均匀分布着与定子齿同宽的齿，无论转子转到什么位置，转子齿的轴线总是最多只有一条与定子齿的轴线重合。

以三相反应式步进电机为例，当采用三相单三拍通电方式，每拍只导通一相，根据“磁导最大原理”，转子总是会以最短的路径转动使转子齿轴线与定子齿轴线对齐；当采用三相双三拍通电方式，每拍同时导通两相，转子总是会以最短的路径转动到使转子转矩为零的位置。

若依次循环按A-B-C或者AB-BC-CA的方式通电，反应式步进电机会按照通电信号一步一步的朝一个转向步进，则每次步进的角度为30度，我们称其步距角为30度。

若改变绕组通断电的频率可以调节电机的转速，若改变绕组轮流通电的顺序可以改变电机的转向。

正余弦旋转变压器的工作原理。

参数相同、空间上轴线正交的两相对称励磁正弦绕组（一次绕组）施加电压时，励磁电流产生正弦分布的直轴脉振磁场作用于与励磁绕组相同参数、相同空间结构的输出正弦绕组（二次绕组）产生与角位置有关的感应电动势（Ur1=KuUs1cosθ+KuUs2sinθ/Ur2=KuUs1sinθ+KuUs2cosθ），当转子转动时，由于励磁绕组和输出绕组的相对位置发生变化，因而输出绕组感生的电动势也发生变化，实现输出为随转子转角作正余弦函数变化的电气信号的角位传感电机。

三、直流无刷电机的控制
直流无刷电机的控制基本上类似于直流有刷电机的控制（PWM调制），但由于无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以无刷直流电机除了在控制各相电枢电流的同时还用对电子换向器进行控制。

在无刷直流电机的运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。

四、发展趋势
目前，特种电机正向机电一体化方向发展，就是与电力电子技术、计算机技术、传感技术和现代控制理论结合，构成新型一体化产品，最终实现智能化。

与此同时，随着电机及相关学科理论与技术的发展以及新型材料的应用，又促使特种电机不断向高性能化方向发展。

（2）、特种电机的发展趋势之一是大功率化、小型化和微型化。

在电力传动和交通运输等领域，很多应用场合，对特种电机提出了大功率化的要求，而很多信息产品、消费产品和国防产品又对特种电机提出了小型化和微型化的要求。

社会发展和科技进步对特种电机不断提出新的要求，需要不断拓展电机功能和研发新型电机，这是特种电机发展的重点。

其中，开发具有非电磁原理的特种电机已成为重要发展方向。