电动机物理相关知识（电动机概念-电磁学）

世界上绝大多数电动机的基本目的是在定子和转子之间的气隙中以电磁方式引起相对运动，以产生有用的扭矩或线性力，我来为大家科普一下关于电动机物理相关知识?以下内容希望对你有帮助!

电动机物理相关知识

电磁学[编辑]力和扭矩[编辑]

世界上绝大多数电动机的基本目的是在定子和转子之间的气隙中以电磁方式引起相对运动，以产生有用的扭矩或线性力。

根据洛伦兹力定律，绕组导体的力可以简单地由下式给出：

或更一般地，要处理具有任何几何形状的导体：

计算电机力的最通用方法是使用张量。[98]

权力[编辑]

其中rpm是轴速度，T 是扭矩，电机的机械功率输出 P em由下式给出，[99]

在英制单位和T英尺-磅表示，{\displaystyle P_{em}={\frac {rpm\times T}{5252}}}

（马力），以及，

在SI单位与轴角速度以每秒弧度表示，而T在牛顿-米表示，

（瓦）。

对于直线电机，力 F 以牛顿表示，速度 v 以米每秒表示，

（瓦）。

在异步或感应电机中，电机速度和气隙功率之间的关系在忽略趋肤效应的情况下由下式给出：

， 在哪里R r – 转子电阻I r 2 – 转子中感应电流的平方s——电机滑差；即同步速度和滑差速度之间的差异，它提供了转子中电流感应所需的相对运动。

反电动势[编辑]

主条目：电动势

由于直流电机或通用电机的电枢绕组在磁场中运动，因此它们会产生感应电压。该电压往往与电机电源电压相反，因此称为“反电动势 (emf) ”。电压与电机的运行速度成正比。电机的反电动势，加上绕组内阻和电刷两端的电压降，必须等于电刷上的电压。这提供了直流电机中速度调节的基本机制。如果机械负载增加，电机减速；结果是较低的反电动势，更多的电流从电源中汲取。这种增加的电流提供了额外的扭矩来平衡新的负载。[100]

在交流电机中，有时考虑电机内的反电动势源很有用；例如，这对于 VFD 上感应电机的密切调速尤为重要。[100]

损失[编辑]

电机损耗主要是由于绕组中的电阻损耗、轴承中的磁芯损耗和机械损耗，以及空气动力损耗，特别是在存在冷却风扇的情况下，也会发生。

损耗也发生在换向、机械换向器火花和电子换向器中，也会产生热量。

效率[编辑]

为了计算电机的效率，机械输出功率除以电气输入功率：

,

在哪里

是能量转换效率，

是电输入功率，并且

是机械输出功率：

在哪里

是输入电压，

是输入电流，

是输出扭矩，并且

是输出角速度。可以通过分析推导出最大效率点。它通常小于失速扭矩的1/2 。[需要引用]

许多国家的各种监管机构已经引入并实施了立法，以鼓励制造和使用更高效的电动机。电动机的效率范围从罩极电机的至少 15% 到永磁电机的 98%，[101] [102]效率也取决于负载。峰值效率通常为电机额定负载的 75%。因此（例如）10 HP 电机在驱动需要 7.5 HP 的负载时效率最高。[103]效率还取决于电机尺寸；更大的电机往往更高效。[104]一些电机不能连续运行超过指定的时间段（例如每次运行超过一个小时）[105]

善良因素[编辑]

主条目：善良因素

Eric Laithwaite [106]提出了一个衡量电动机“好坏”的指标：[107]

在哪里：

是良性因素（大于 1 的因素可能是有效的）

是磁路和电路的横截面积

是磁路和电路的长度

是核心的渗透率

是电机驱动的角频率

由此，他表明最高效的电机可能具有相对较大的磁极。然而，该方程仅与非 PM 电机直接相关。

性能参数[编辑]电机类型的扭矩能力[编辑]

所有电磁电机，包括这里提到的类型，都从相互作用场的矢量积中获得扭矩。为了计算扭矩，必须知道气隙中的场。一旦通过使用 FEA 或其他工具的数学分析确定了这些，扭矩就可以计算为所有力矢量乘以每个矢量半径的积分。绕组中流动的电流产生磁场，对于使用磁性材料的电机，磁场与电流不成线性比例。这使计算变得困难，但计算机可以完成所需的许多计算。

完成此操作后，可以将电流与扭矩相关的数字用作电机选择的有用参数。电机的最大扭矩将取决于最大电流，尽管这通常只有在优先考虑热之前才可用。

当在给定的磁芯饱和约束和给定的有功电流（即转矩电流）、电压、极对数、励磁频率（即同步速度）和气隙磁通密度下进行优化设计时，所有类别的电动机或发电机将在给定的气隙区域内具有几乎相同的最大连续轴扭矩（即，操作扭矩）和绕组槽和背铁深度，这决定了电磁铁芯的物理尺寸。一些应用需要超过最大操作扭矩的突发扭矩，例如短时间的扭矩突发以从静止状态加速电动车辆。始终受磁芯饱和或安全工作温度限制 升和电压，超过最大操作扭矩的扭矩爆发能力在不同类别的电动机或发电机之间存在显着差异。

不应将扭矩爆发能力与弱磁能力混淆。弱磁允许电机在超出设计的励磁频率之外运行。当通过增加施加的电压无法达到最大速度时，会进行磁场减弱。这仅适用于具有电流控制磁场的电机，因此永磁电机无法实现。

没有变压器电路拓扑结构的电机，例如 WRSM 或 PMSM 的电机，无法实现高于最大设计扭矩的突发扭矩，而不会使磁芯饱和并使电流增加毫无用处。此外，如果尝试超过最大工作扭矩额定值的突发扭矩，则 PMSM 的永磁体组件可能会受到无法修复的损坏。

具有变压器电路拓扑结构的电机，例如感应电机、感应双馈电机以及感应或同步绕线转子双馈 (WRDF) 电机，表现出非常高的扭矩突发，因为任一变压器的一侧彼此相对，因此对变压器耦合磁芯磁通密度没有任何贡献，否则会导致磁芯饱和。

依靠感应或异步原理的电机使变压器电路的一个端口短路，因此，随着滑差的增加，变压器电路的无功阻抗变得占主导地位，这限制了有功（即实际）电流的大小。尽管如此，还是可以实现比最大设计扭矩高两到三倍的扭矩爆发。

无刷绕线转子同步双馈 (BWRSDF) 电机是唯一具有真正双端口变压器电路拓扑结构的电机（即，两个端口独立激励，没有短路端口）。[108]众所周知，双端口变压器电路拓扑不稳定，需要多相滑环刷组件将有限的功率传播到转子绕组组。如果有一种精确的方法可以在电动机或发电期间即时控制转矩角和滑差以实现同步运行，同时向转子绕组组提供无刷功率，则 BWRSDF 电机的有功电流将独立于变压器电路的无功阻抗和可实现显着高于最大操作扭矩且远远超出任何其他类型电机的实际能力的突发扭矩。已计算出大于八倍操作扭矩的扭矩爆发。

连续扭矩密度[编辑]

传统电机的连续转矩密度由气隙面积的大小和背铁深度决定，后者由电枢绕组组的额定功率、电机速度和可实现的气隙决定。磁芯饱和前的间隙磁通密度。尽管钕或钐钴永磁体具有高矫顽力，但在具有优化设计的电枢绕组组的电机中，连续转矩密度几乎相同。连续转矩密度与冷却方法和在绕组过热或永磁体损坏造成破坏之前允许的运行时间有关。

其他消息来源指出，各种电机拓扑具有不同的扭矩密度。一个来源显示以下内容：[109]

电机类型	比扭矩密度 (Nm/kg)
SPM – 无刷交流，180° 电流传导	1.0
SPM – 无刷交流，120° 电流传导	0.9–1.15
IM，异步机	0.7–1.0
IPM、内置永磁机	0.6–0.8
VRM，双凸极磁阻机	0.7–1.0

其中——SPM 的特定扭矩密度归一化为 1.0——无刷交流，180° 电流传导，SPM 是表面永磁电机。

与风冷电机相比，液冷电机的扭矩密度大约是电机的四倍。

比较直流 (DC)、感应电机 (IM)、永磁同步电机 (PMSM) 和开关磁阻电机 (SRM) 的来源显示：[110]

特征	直流电	我是	永磁同步电机	SRM
扭矩密度	3	3.5	5	4
功率密度	3	4	5	3.5

另一个消息来源指出，高达 1 MW 的永磁同步电机的扭矩密度比感应电机高得多。[111]

连续功率密度[编辑]

连续功率密度由连续转矩密度与电机恒转矩转速范围的乘积决定。电动机的密度可达20KW/KG，即每公斤重量20千瓦的输出功率。[112]

声学噪音和振动[编辑]

电动机的声学噪声和振动通常分为三种来源：

• 机械来源（例如由于轴承）
• 空气动力源（例如由于轴装风扇）
• 磁源（例如由于麦克斯韦等磁力和作用在定子和转子结构上的磁致伸缩力）

后一种来源可能是电动机发出“呜呜声”的原因，称为电磁感应声学噪声。

标准[编辑]

以下是涵盖电动机的主要设计、制造和测试标准：

• 美国石油协会：API 541 成型绕线鼠笼式感应电机 – 375 kW（500 马力）及更大
• 美国石油协会：API 546 无刷同步电机 – 500 kVA 及更大
• 美国石油协会：API 547 通用型绕线鼠笼式感应电机 – 250 马力及更大
• 电气和电子工程师协会：IEEE Std 112 多相感应电动机和发电机标准测试程序
• 电气和电子工程师协会：IEEE Std 115 同步电机测试程序指南
• 电气和电子工程师协会：石油和化学工业的 IEEE Std 841 标准 – 高效率重型全封闭风扇冷却 (TEFC) 鼠笼式感应电机 – 高达并包括 370 kW (500 Hp)
• 国际电工委员会：IEC 60034 旋转电机
• 国际电工委员会：IEC 60072 旋转电机的尺寸和输出系列
• 全国电气制造商协会：MG-1 电动机和发电机
• 美国保险商实验室：UL 1004 – 电动机标准
• 印度标准：IS:12615-2018 – 直动式三相交流电机（IE CODE）“效率等级和性能规范”（第三次修订）

非磁性马达[编辑]

主条目：静电马达、压电马达和电动航天器推进

静电马达基于电荷的吸引和排斥。通常，静电电机是传统的基于线圈的电机的对偶。它们通常需要高压电源，尽管非常小的电机使用较低的电压。传统的电动机采用磁吸力和排斥力，并且需要在低电压下的高电流。在 1750 年代，本杰明富兰克林和安德鲁戈登开发了第一台静电电机。今天，静电电机在微机电系统 ( MEMS) 中得到了广泛的应用。)，它们的驱动电压低于 100 伏，并且移动的带电板比线圈和铁芯更容易制造。此外，运行活细胞的分子机器通常基于线性和旋转静电电机。[需要引用]

压电马达或压电马达是一种基于施加电场时压电材料形状发生变化的电动机。压电马达利用逆压电效应，由此材料产生声波或超声波振动以产生线性或旋转运动。[113]在一个机制中，单个平面中的伸长用于进行一系列拉伸和位置保持，类似于毛毛虫的移动方式。[114]

电力驱动的航天器推进系统使用电动机技术在外层空间推进航天器，大多数系统基于电动推进剂以实现高速，一些系统基于电动系绳推进到磁层的原理。[115]

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