【电机学习心得】记录学习电机学过程中一些零散的笔记

guanchan

近几年做电机结构，最近一年在自学电机电磁设计。于是总结了一些学习内容。分享给大家。

以下内容同时发在知乎和鸡窝。


【电机学习心得一】同步电机原理
假设内转子结构。

转子通直流电，形成一个不转的磁场（相对于转子自身）。定子通三相交流电，形成一个旋转磁场。这是前提。

1.当转子主极磁场和定子电枢磁场一对一配对，同步旋转时。两磁场的夹角为0，我们称为功率角为0，此时定子电枢向外输出无功功率，不输出有功功率。此时是同步补偿机，或者空载的状态。（此时输入的机械能主要克服机械损耗，此时不发生功率的转化和传递，补偿机仅仅对外吸收或者发射无功功率）

2.当转子的磁场超前定子电枢磁场。此时外界的原动机，如汽车发动机，燃气涡轮机，风机叶片。他们给转子一个驱动的力矩，输入机械能。

转子的磁场跑在前面，拖着定子电枢磁场跑。而定子磁场老想跟转子磁场一对一配对，所以给转子磁场一个反方向的电磁制动力矩。

当两个力矩平衡时，转子的机械转速将和定子磁场的旋转速度相同，两者同步旋转。只不过两个磁场有夹角，并且是转子超前。

此时定子磁场给转子作用的电磁制动力矩做功。产生有功功率，对电网输出电磁功率。这就是同步发电机

3.当转子磁场落后于定子磁场，此时是定子磁场拖着转子磁场跑。变成转子的机械转矩和定子的电磁驱动转矩平衡。此时两个磁场仍然是同步旋转，只不过有夹角，并且是定子在前。

此时的能量转化是，输入定子的电磁功率（电磁驱动转矩做功），转换成转子的机械功率（转子的机械转矩）输出。这就是电动机。

总结:

1.同步机的特点就是没有转速差，只不过是有磁场之间的夹角，靠两个磁场互相作用的力矩做功。

2.异步机的特点是靠转速差，切割磁感线，安倍力做功。


【电机学习心得二】异步电机原理
一直在想不明白磁场强度H和磁场密度B的关系。最近有个感悟。
磁场强度H表现了电场的作用。根据安培环路定律 HL=Ni，其实它只跟有多少电流有关系。
而磁场密度B就是磁通量除以面积，其实就是表现磁场的性质。

然后B=Hμ。这一步就是把电场转换成磁场了。

然后有了磁场密度B，再根据实际气隙，就知道面积，继而知道了磁通量。

知道了磁通量，就知道了磁场会在线圈感应出多大的电动势。线圈里有了电势差，电子开始流动，就产生电流。

有了电流，就有了通电导体，通电导体在磁场受到安培力，电机就开始转动，然后力乘以半径就有了力矩。

总而言之，就是一个电生磁，磁生电，通电导体受力，电机输出力矩的过程。这样就把输入的电能，产生了机械能输出了。

【电机学习心得三】PMSM和BLDC的区别
经过这段时间的学习，我搞明白了一个迷惑我很久的问题。就是永磁同步电机PMSM，和永磁无刷直流电机BLDC，这两者的根本区别。

1.永磁同步电机，英文是“Permanent Magnet Synchronous Motor”，缩写是“PMSM”。它是永磁体形状特殊设计。使得气隙磁场分布为正弦波，而定子电压由SVPWM（正弦脉宽调制供电，三相电流也是正弦波。可以说就是正弦波永磁无刷电机。

2.永磁无刷直流电机英文是“Permanent Magnet Brushless DC Motor”，缩写是“PMBLDCM”。它是永磁体形状的原因，使得气隙磁场分布为矩形波。定子输入对称的三相交流矩形波。可以说就是矩形波永磁无刷电机。

以上两者共同的特点都是带有永磁体，所以是无刷的。然后都是需要接控制器才可以转起来。根本上的区别就是气隙磁场的波形不同。

以上两者波形的不同，导致PMSM是平滑的正弦波，而BLDC是顿挫的矩形波。所以PMSM输出的力矩更为平滑。

另外，之所以BLDC名字里面有直流二字。这是因为它是代替有刷直流电机发展而来的。三相的交流矩形波，就相当于机械碳刷换相器的作用。而BLDC通过电子换相（两相导通）实现同样的功能。在电机特性上，更接近有刷直流电机。因此命名为永磁无刷直流电机。


【电机学习心得四】各类型电机转动原理
对于直流电动机，定子的主磁场为固定不转动的。转子通过换向器通直流电。转子上每根导体为通电导体。在定子磁场的作用下产生安培力。然后乘以半径就是转矩。


对于交流异步电动机，定子通交流电产生旋转磁场。转子不通电。转子上的每根导体在交变的磁场中产生感应电动势。然后产生感应电流。由于转子的机械转速和定子磁场有转速差，所以转子上通电导体切割磁感线产生安培力。然后乘以半径就是转矩。（此处多说一点。就是转子的磁场和定子的磁场仍然是同步旋转的。只不过转子的磁场是在转子上面转动的。）

对于同步电动机。他是定子的磁场拉着转子的磁场一起转。打个比方，就好比火车头挂了一节车厢，在环形的跑道上面跑。两者的速度是一样的，所以叫同步电机。但是车厢永远都不会追上火车头，他们中间存在相位差。这个磁场之间的夹角就是功率角，由外界的负载决定。

对于磁阻电机，待补充。

不懂的太多xx

BLDC和PMSM，挺重要的一个区别，就是凸极和隐极的结构。
拿2极电机来说，BLDC就是一个凸极电机，集中绕组。所以气隙里面的磁通密度是梯形的。电机控制时使用的是梯形短边那一段。所以，梯形短边的长度很重要，也就是角度。而一般按照120°来控制，也是想“凑”6分区控制。如果这个电机磁场设计的好，梯形短边超过120°，那这个BLDC适合现在的6分区控制方式。如果梯形短边小于120°，还按照6分区来，那实际结果会偏离6分区的控制方式结论。所以，BLDC的磁场的梯形分布很重要。
PMSM是隐极，分布绕组。线槽结构设计，趋近于产生正弦气隙磁场。同样，按照正弦磁场控制，什么FOC、直接转矩。
BLDC转矩波动，就是因为这个梯形短边的问题，而反电势也是对应的梯形结构，采用6分区，电流矩形波，其功率、转矩就是很多个“梯形”叠加。既然是叠加，可以琢磨琢磨，有没有可能做到转矩不脉动？每个时间段，实际是两相绕组得电，另外一相不得电。一相的电压是1/2。
PMSM理论上是，每个时刻三相都得电，实际控制也是每个时刻三相都得电，一相的电压可以是2/3也可以是1/3。
所以，梯形控制和正弦控制，pwm控制的开关状态量不一样。

guanchan

【电机学习心得五】直流电机总结
对于直流电动机，定子的主磁场为固定不转动的。转子通过换向器通直流电。转子上每根导体为通电导体。在定子磁场的作用下产生安培力。然后乘以半径就是转矩。
对于直流发电机，输入的机械转矩，克服了损耗转矩以后转化成电磁转矩。如果匀速运转的话，电磁转矩表现为阻力作用，与输入的机械转矩平衡。此时安培力的方向，旋转的方向相反，表现为阻力。
对于直流电动机，电磁转矩克服了损耗转矩以后，转化为机械转矩输出。如果匀速运转的话，电磁转矩表现为驱动作用，与电机上的负载转矩平衡。此时安培力的方向与旋转方向相同，表现为驱动。

接下来讨论一下，为什么电机往往做成高转速低扭矩

对于同一台直流电动机，假设接入的电源不变，励磁不变，则磁通量不变。
此时输出的机械功率等于机械扭矩乘以角速度

P=T×w

所以在功率不变的情况下，我们要考虑转矩和角速度（转速）如何分配？

感应电动势E=Ce×n×Θ
Ce为电动势系数，n为转速，Θ为磁通量

电磁转矩T=Ct×I×Θ
Ct为转矩系数，I为电流，Θ为磁通

同一台电机。这两个系数是固定的。

则高转速，带来高感应电动势，则用于损耗的电压减少，则电机效率提高。（端电压等于感应电动势加损耗电压）

低扭矩，带来低电流。电流与发热成二次方比，则损耗较小，则电机效率提高。

总结，高转速低扭矩，可以提高电机整体的效率。

未完待续。。。

2266998

这个态度极好，学明白之后，就能从电机结构设计转去做“电机设计”，看似文字差不多的，可电机设计与结构设计完全两码事，现在电机设计随便哪个椅子就能过60万 ，知识全面的，随便可以突破100万 ，

也许有人抬杠，现在大汗电机工程师为什么收入这么低？就是都处在“结构设计”这个环节，

我就做“电机设计”，聊过许多次了，可以看之前吹牛逼的资料，你需要从电磁，载荷，动态计算，发热，效率，再到铁芯、树脂整个设计逻辑环节下手，

你可以一直学习 ，论坛上好几位也是“非电机本主儿”，现在拼命在这条路上奔跑，因为已经清晰看见椅子了 不是轮廓而是就在眼前，

多谈自己的理解，学习最基础的电磁概念，同时学习材料 ，比如最终要落实到“电机模型”，电机轴多大？强度够吗？电机轴粗了影响磁力线走向，哈 ，都得学的明明白白

机小妖

管总好，
H我想可以理解为单位长度的磁势，电和磁之间相互箍绕，想像两个铁环扣在一起，磁势起纽带作用，安培环路定理。另一个纽带我觉得是磁链。

guanchan

【电机学习心得六】电机的磁路

研究某一极的主磁路。（忽略漏磁）
磁路从定子铁芯的N极出发。到气隙。然后到转子铁芯。然后从另一边出来。又经过气隙。然后回到定子铁芯的S极。


相当于是:定子铁芯磁阻+2×气隙磁阻+转子铁芯磁阻。这4个磁阻串联起来。


类比电路，串联时，根据磁通连续性定理，每一段的磁通相同。那么磁动势（类比电压）F=Θ×Rm。气隙的磁阻Rm大，所以磁动势就大。


打个比方，串联磁路好比一段水管，水是不可压缩流体，进口流量等于出口流量。那么在水管中间某两段拿手掐住，特别细，这两段就会损失很多的压力，其他段很粗，就损失不了多少压力。


说回磁路。磁路的磁能W=1/2×F×Θ。气隙的磁动势F特别大，那么气隙储存的磁能就特别大。


电机能量转换路径就是，定子电能转换成气隙的磁能，然后转换成转子电能，电流切割磁感线。再把电能转换成机械能输出。可见气隙磁场的磁能是能量传递的桥梁。设计电机的选择因当尽量使气隙储存的磁能越多越好。


由于铁磁材料的饱和原因，当气隙磁场大到一定程度。如1.5T时，铁芯的磁通量太大，铁芯的磁场饱和，此时再加励磁电流也无法提升磁通。因此，电机往往设计气隙磁场也不会太大，就维持在磁化曲线的膝点，此处最为经济。

斗酒沟水

正好我最近在看步进电机，用在太阳能板的对焦工作
步进电机这玩意：
1、不需要传感器就能开环控制；
2、分步配合上减速器精度足够；
3、电机本身造价低且配套的驱动电路也比永磁同步机要简单的多。
步进电机属于磁阻电机的一种，线圈通电后，定子绕组产生主磁场驱动转子转到磁阻最小的角度、为了细分角度把转子和定子主磁极上切成等宽直齿轮。轮齿比较窄用来走磁场、齿槽相对较宽用来增大磁阻。
转子齿和定子齿对齐，力矩T接近零、力矩T与轮齿错开的角度有关系，这个关系简单说等于磁链电感与错开角度的微分成正比与定子电流的平方成正比。

guanchan

我学习电机学的过程中有一种非常爽的感觉。因为我做电机结构已经好几年了，我长期用到很多东西都是不知道原理，只是照本宣科。所以我在学电机学的时候，看到这里就恍然大悟，原来是这样。我脑袋里就好像有很多块拼图，都被串起来了。

guanchan

【电机学习心得七】电机的能量转换原理

电机包括发电机和电动机


发电机:机械能→电能
输入机械能=输出电能+磁场储能+损耗能量


电动机:电能→机械能
输入电能=输出机械能+磁场储能+损耗能量


所以一切电机的原理都是:
输入=输出+磁场储能+损耗


因此磁场在电机中起到传递能量的作用。磁链，链过了两个线圈，定子线圈和转子线圈，就把能量从这两个线圈之间来回搬运。