特种电机基础知识

1. 简述特种电机的特点及发展趋势：与传统感应电机，同步电机和直流电机相比，在工作原理，励磁方式，技术性能或功能以及在结构上有较大特点的电机统称为特种电机，与传统电机相比，特种电机的特点还表现在种类繁多和功能多样化上么热切不断产生功能特殊，性能优越的新颖电机，特种电机的发展趋势：机电一体化，大功率化，小型化和微型化。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，其中开发具有非电子原理的特种电机已成为重要发展方向。 2. *电机中常用的永磁材料有哪些，各有何特点：铝镍钴永磁材料（温度系数小，剩余磁感应强度高，矫顽力低，硬而脆，加工性能差），铁氧体（价格低廉，矫顽力大，制造工艺简单，密度小，退磁曲线接近于直线，剩磁密度不高，体积大，硬而脆，不能进行电加工），稀土（高剩磁密度，高矫顽力，高磁能积）。 3. 什么是稳磁处理，为什么要进行稳磁处理：即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点P的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下回复线的起始点不再下降。因为由于铝镍钴永磁材料的回复线与退磁线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，所以由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理。 4. 铝镍钴永磁电机在设计和使用时要注意哪些：在设计时，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长方形。在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。 5. 永磁材料的计算与常规的磁路计算有什么不同：主要是需要对永磁体进行等效处理。将永磁体等效成磁通源或磁动势源来表示空载和负载时的等效磁路来计算永磁磁路。永磁电机每对极磁路中的永磁体等效成一个恒磁通源 与一个恒定的内磁导 相并联的磁通源，也可等效成恒磁动势源Fc与一个恒定的内磁导 串联的磁动势，二者是可等效互换的。 6. 永磁直流电动机与励磁直流电动机有什么相似之处又有什么不同，两者相比，泳池直流电动机有什么优点：直流电动机采用永磁励磁后，既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。 7. 永磁材料的性能对永磁直流电动机磁极结构和永磁体尺寸有什么影响：因为铁氧体永磁在性能上具有Br小，Hc相对高的特点，所以结构上通常做成扁而粗的形状，以增加磁极面积，相对缩小磁化方向长度。铝镍钴永磁具有Br高，Hc低的特点，一般做成细而长的形状，即增大磁化方向长度，以弥补Hc低的缺点。稀土永磁的特点是Br，Hc及（BH）max都很高，在磁极结构上可做成磁极面积和磁化长度均很小的结构形状。 8. 永磁直流电动机有极靴的磁极结构有什么优缺点，原因何在：有极靴结构既可以聚磁作用，提高气隙磁通密度，还可调节极靴形状以改善空载气隙磁场波形；负负载时交轴电枢反应磁通经极靴闭合对永磁磁极的影响较小，缺点是漏磁系数大，负载时气隙磁场的畸变较大。此外，此类结构造成电动机结构复杂，制造成本增加，外形尺寸增大。因为在磁极有软铁极靴且足够厚时，交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁体基本上无影响，只对气隙磁场有影响，引起气隙磁场畸变。 9. *绘图说明永磁直流电动机组合式磁极结构的目的和原理(作业最后一个) 10. 同电励磁电动机相比，永磁直流电动机运行中有什么值得注意的特殊问题？为什么会存在这些问题：1>运行特性的温度敏感性（永磁材料，特别是钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性很强）2>永磁体励磁不可调节（永磁体励磁是不能自行调节的，其自身不具有“弱磁”能力，因此难以实现弱磁调速）3>交轴电枢磁动势和交轴电枢反应（由于稀土永磁材料磁导率与空气磁导率很接近，对交轴电枢磁动势来说电机气隙可以认为是均匀的，因此交轴电枢反效应磁场Bqx的波形也为三角形而不是马鞍形，其最大磁通密度发生在交轴上） 11. *作业二第三题 12. 永磁同步电动机与电励磁同步电动机在结构上有什么相似之处又有什么不同之处？两者相比永磁同步电动机有什么优点：由永磁体提供磁通取代了电励磁绕组励磁，省去了集电环和电刷，简化了结构，提高了运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。永磁同步电动机由永磁体励磁取代了电励磁绕组励磁，与电励磁同步电动机的结构差别主要体现在转子上。 13. *永磁同步电动机表面凸出式转子结构采用的如果是稀土永磁体，则可认为电机气隙是均匀的，为什么：对于采用稀土永磁的电机而言，由于永磁材料的相对回复磁导率接近于1，与空气相当，永磁体内的磁路磁导等同于空气，电机气隙可认为是均匀的。 14. 转子磁极具有凸极性的永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机在矩角特性上有什么差别，为什么：永磁同步电动机矩角特性进线上转矩最大值所对应的功率角大于90°，而电励磁同步电动机小于90°。因为矩角特性曲线是基本电磁转矩与由转子d，q轴磁路磁阻不同而引起的附加转矩合成的转矩，且永磁同步电动机的直轴同步电抗力一般小于交轴同步电抗力，所以附加转矩为一负正弦函数，这与电励磁同步电动机恰好相反。 15. *简述永磁无刷电动机的构成和工作原理：由电动机本体，转子位置传感器和驱动电路2部分构成。在a相导通期间，a导通中流入页面的电流处在N极下，a’导体中流出页面的电流处在S极下，产生逆时针方向的转矩。转动后，换向成b相导通，b导体中流入页面的电流处在N极相，b’导体中流出页面的电流处在S极下，同样产生逆时针方向的转矩。这样周而复始，电机进入电动机运行状态。 16. *位置传感器都有哪儿几种：霍尔传感器（开关霍尔传感器，线性霍尔传感器），旋转变压器（无刷旋转变压器，磁阻式多极旋转变压器），光电编码器，磁极编码器。 17. 永磁无刷直流电动机的驱动模式有哪几种？简述他们各有什么特性：三相3状态，一相单项导通120°驱动模式(机械特性，转矩-电流特性，转矩-电压特性，功率特性，电动机转向控制)；三相6状态，一相双项导通60°驱动模式（电动机特性，电动机转向控制）；以及二相4状态，一相双项导通90°驱动模式。. 18. 如何改变永磁无刷电动机的旋转方向：最直观的做法是将位置传感器转过180°电角度，使电动机的电流处于电动势负半周的中间位置。简单的做法是将逻辑信号的运算公式改变为 随着转矩变负，电动机的转向由正变反，导通次序从a-b-c变为a-c-b，绕组磁动势的转动方向从顺时针变为逆时针方向。 19. 无独立位置传感器永磁同步电动机有哪儿些位置预估方法：1>基于反电动势的位置估算器2>检测定子电压，电流转子位置估算器3>基于观测器的速度和位置估算器4>由于几何形状和饱和的影响，基于电感变化的估算器5>用于人工智能的估算器。 20. *简述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，其输出参数就会随之变化，这就是直流伺服电动机的基本工作原理。 21. 两相交流伺服电动机转子电阻的选择原则是什么：采用较大的转子电阻，一方面使电动机具有了宽广的调速范围，另一方面，也有效防止了电动机的“自转”现象。 22. 两相交流电动机的控制方式有哪儿些？试就他们的各自特点作简要说明：1>幅值控制 （当Ua为最大值时气隙磁场为圆形旋转磁场，电动机为最高转速；到Ua为0时电动机停转）2>相位控制|（当控制电压与励磁电压之间的相位差为90°时，电动机为最高转速；相位差角为0时，电动机停转）3>幅值-相位控制（这是一种同时改变幅值和相位的复合控制方式。这种控制方式下，当Ua=0时电动机停转。由于不需要复杂的移相装置，使控制设备简单，成本低廉，也使这种控制方式成为使用最为广泛的一种控制方式。） 23. 简述反应式步进电动机的工作原理：反应式步进电动机是利用磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的“磁导最大原理”产生磁拉力形成磁阻性质的转矩而步进的，它的工作方式有三相单三拍通电方式（电动机的转速取决于绕组通电和断电的频率，旋转方向取决于绕组轮流通电的顺序），三相双三拍通电方式（双三拍运行时，每一拍总有一相绕组持续通电），三相单.双六拍通电方式（一相通电和两相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过6次改变通电状态）。 24. 步进电动机的步距角由哪儿些因素决定？步进电动机的转速是由哪儿些因素决定的：步进电动机定子绕组通电一个循环，转子转动一个齿距，相当于空间上转过360°/Zr，即每运行一拍，转子转过的角度只是齿距Tr（tao）的1/N，N为拍数；转速取决于脉冲频率，转子齿数和运行拍数。 25. 何谓步进电动机的起动频率，它和运行频率大小一样吗，为什么：在一定负载转矩下，电机不失步地正常起动所能加的最高控制脉冲的频率，称为起动频率。不一样，电动机一旦起动后，如果再逐渐升高脉冲频率，由于这时转子的角加速度较小，惯性转矩不大，因此电动机仍能升速。显然，连续运行频率要比起动频率高。 26. 怎样改变步进电动机的转向：通过对换三相电源的任意两相或者改变脉冲的顺序，可以方便的改变电动机转动的方向。 27. P145.7 28. *为什么开关磁阻电动机都做成双凸极结构：开关磁阻电动机是遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的“磁导最大原理”，产生磁拉力形成磁阻性质的转矩，使转子转动。它在结构上的构成原则是转子旋转时，磁路的磁导要有尽可能大的变化，因此，开关磁阻电动机一般采用凸极定子和凸极转子型式，即所谓双凸极型结构。 29. *简述理想线性化开关磁阻电动机的工作原理。绕组电感，电流与转子位置角的关系如何：基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理，当定，转子中心线不重合，磁导不为最大时磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。绕组电感L等于绕组匝链的磁链除以电流i，绕组电感L与转子位置角0的关系是L（0）=Lmin+L1（1-cosNr0），式中L1=（Lmax-Lmin）/2。 30. 什么是电流斩波控制和角度位置控制？他们分别适用于何种场合？什么叫能量比：低速运行，特别是启动时，多采用斩波控制，以期限制电流峰值，即为电流斩波控制。开关磁阻电动机在高速运行时，电动机转矩只能通过改变开关角0on和0p来调节，并由此实现速度闭环控制，即根据当前转速与给定转速no的差值自动调节电流脉冲的开通，关断位置，最后使转速稳定于no，即为角度位置控制。能量比就是消耗能量与换来的效能的比值。 31. 开关磁阻电动机系统中位置检测器的功能是什么：确定定，转子相对位置，既要用绝对位置传感器检测定，转子相对位置，向单片机端口提供正确的转子位置信息，以确定对应相绕组的通断，使转子位置与绕组导通的相序很好地配合起来，以便实现设计所需的运行特性，同时也作为测量电机转速的依据。 32. *试述直线感应电动机的工作原理，其同步速度决定于什么？如何改变运动的速度和方向：三相绕组在空间对称分布，通入三相对称正弦电流后，便会在气隙中产生幅值恒定的正弦分布磁场，这个磁场沿反时针方向旋转称为定子圆形旋转磁场，其旋转速度称为同步转速。将三相感应电动机展开后变得到直线感应电动机。同步速度决定于电源频率f和极对数p。通过改变电源频率f和极距T（tao）来改变速度；通过对换三相电源的任意两相，可以改变转子旋转的方向。 33. *直线感应电动机结构有哪几种主要形式？各有什么特点：有扁平形，圆弧形，圆盘形和圆筒形。扁平型结构是直线感应电动机中一种最基本的结构；圆弧形结构是将扁平形初级沿运动方向改造成弧形，次级为圆柱形，将初级安放于圆柱形次级外侧；圆盘形结构是将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上；圆筒形结构是先将旋转感应电动机展开成扁平形直线感应电动机，然后将其沿着和直线运动垂直的方向卷接成筒形。 34. 单对极自整角机的主要结构形式有哪些？简要说明他们的结构特点及其优缺点：有定子隐极，转子凸极结构（定子铁心槽中嵌入三相整步绕组，励磁绕组集中安放在凸极转子极间区域内，通过两组电刷和集电环引出，可提高比整步力矩并产生阻尼效应，减小发送机的电气误差，提高精度）；定子凸极，转子隐极结构（单相励磁绕组安放在定子凸极铁心上，而在转子隐极铁心槽中嵌入三相整步绕组，并通过三组电刷和集电环引出，优点是集电环工作条件好，转子平衡条件好；缺点是转子重量大，集电环数目多，摩擦力矩较大，精度较低）；定，转子均为隐极结构（定子绕组和转子绕组都可作为励磁方）3种结构形式。 35. 解释自整角机的下列概念：1>转子位置角：在自整角机中，整步绕组轴线与励磁绕组轴线的夹角。2>失调角：发送机的转子位置角与接收机的转子位置角之差。3>协调位置：当发送机和接收机处于相同的角度位置。4>整步转矩：各相电流与励磁绕组产生的主磁通相互作用而产生的转矩。5>自整角：可用来传送的角度。 36. 简要说明正余弦旋转变压器的工作原理：工作原理是一次绕组和二次绕组分别置放于定子和转子之上，因此，旋转变压器的一次绕组与二次绕组之间的电磁耦合随转子转角的变化而变化，即旋转变压器的输出电压是转子转角0的函数。（补图）