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无线电电子与电气工程百科全书 电动微电机。 无线电电子电气工程百科全书
通常，电动机分为三组：大功率、中功率和小功率。 对于小功率电机（我们称之为微电机），没有设定功率上限，通常是几百瓦。 微电机广泛应用于电器和家用电器（现在每个家庭都有几台微电机——冰箱、吸尘器、录音机、播放器等）、测量技术、自动控制系统、航空航天技术以及人类活动的其他领域。 第一台直流电机出现于十九世纪三十年代。 德国工程师西门子于 30 年发明了双臂转换器，并于 1856 年发现了电动原理，从而使电动机的发展迈出了一大步。 1866年特斯拉和1883年法拉利分别独立发明了交流感应电动机。 1885年，西门子制造了带有串联励磁绕组的交流集电器电动机。 1884年，Khazelwander和Dolivo-Dobrovolsky提出了采用鼠笼式鼠笼绕组的转子设计，大大简化了发动机的设计。 1887年，Chitin和Leblanc首先使用移相电容器。 在家用电器中，电动机从 1887 年开始用于风扇，从 1889 年开始用于缝纫机，从 1895 年开始用于电钻，从 1901 年开始用于吸尘器。 然而，迄今为止，对微电机的需求已经如此巨大（现代摄像机中使用多达六个微电机），以至于出现了专门的公司和企业来开发和制造它们。 已经开发出多种类型的微电机，每种类型都是本系列文章的主题。 异步微电机 单相异步微电机是最常见的类型，可满足大多数仪器仪表电气驱动的要求，具有成本低、噪声低、可靠性高、免维护、不含动触点等特点。 包容。 异步微电机可以有一个、两个或三个绕组。 单绕组电机没有初始启动扭矩，启动时需要使用启动电机等。 在双绕组电机中，其中一个绕组（称为主绕组）直接连接到电源（图 1）。
为了在另一个辅助绕组中产生启动扭矩，电流必须相对于主绕组中的电流发生相移。 为此，需要将一个附加电阻与辅助绕组串联，该电阻本质上可以是有源电阻、电感电阻或电容电阻。 最常见的是，辅助绕组的电源电路中包含一个电容器，同时获得绕组中电流的最佳相移角，等于90°（图1，b）。 一直连接到辅助绕组电源电路的电容器称为工作电容器。 如果在启动发动机时，需要提供增大的启动扭矩，则与工作电容器Sv并联，启动电容器Ca在启动时导通（图1，c）。 发动机加速到一定速度后，使用继电器或离心开关关闭启动电容器。 在实践中，更常使用图1b的变体。 可以通过人为地增加辅助绕组的有源电阻来获得移相效果。 这可以通过添加一个额外的电阻器或用高电阻线制作辅助绕组来实现。 由于辅助绕组的发热增加，在发动机启动后辅助绕组被关闭。 这种电机比电容电机更便宜、更可靠，尽管它们不允许绕组电流发生 90° 的相移。 为了反转电机轴的旋转方向，应在辅助绕组的供电电路中连接电感器或扼流圈，从而使主绕组中的电流同相超前辅助绕组中的电流。 实际上，这种方法很少使用，因为由于辅助绕组电阻的电感性质，相移可以忽略不计。 最常用的方法是主绕组和辅助绕组之间的相移，其中包括闭合辅助绕组。 主绕组与辅助绕组具有磁连接，因此，当主绕组连接到供电网络时，辅助绕组中会感应出电动势，并产生滞后于主绕组电流的电流。 。 电机转子开始沿主绕组到辅助绕组的方向旋转。 三绕组三相异步电动机可采用单相供电方式。 图 2 显示了根据单相运行模式（Steinmetz 方案）中的“星形”和“三角形”方案的三绕组电机。 三个绕组中的两个直接连接到电源网络，第三个绕组通过启动电容器连接到电源电压。 为了产生必要的启动扭矩，必须与电容器串联一个电阻，其电阻取决于电机绕组的参数。
绕组。 与空间对称、定子绕组参数相同的三绕组异步电机不同，单相供电电机的主、辅绕组参数不同。 对于对称绕组，每极和每相的槽数可由以下表达式确定： q = N / 下午 2 点， 式中，N 为定子槽数； m——绕组数（相）； p 是极数。 在准对称绕组中，槽数和绕组宽度略有不同，而主、辅助绕组的有功电阻和感性电阻也有不同的值。 在不对称绕组中，每个绕组占用的槽数差异很大。 因此，主绕组和辅助绕组的匝数不同。 一个典型的例子是2/3-1/3绕组（图3），其中2/3的定子槽被主绕组占据，1/3被辅助绕组占据。
设计。 图 4 显示了定子磁极上具有两个集中绕组或线圈绕组的电机的一部分。
每个绕组（主绕组 1 和辅助绕组 2）由位于相反极的两个线圈形成。 线圈被放置在磁极上并插入到机器的轭中，在这种情况下，机器的轭具有方形形状。 从工作气隙的一侧，线圈由充当极靴3的特殊突起保持。由于它们，工作气隙中的磁场分布曲线接近正弦曲线。 如果没有这些突起，该曲线的形状接近矩形。 作为用于这种发动机的相移元件，可以使用电容器和电阻器。 也可以将辅助绕组短路。 在这种情况下，电动机被转换为分极异步电机。 罩极电机因其设计简单、可靠性高、成本低而最常用。 这种电机的定子上也有两个绕组（图 5）。
主绕组3被制成线圈的形式并且直接连接到供电网络。 辅助绕组 1 是短路的，每极包含一到三匝。 它覆盖了磁极的一部分，这解释了电机的名称。 辅助绕组是用截面为数平方毫米的圆或扁铜线，弯成适当形状的匝。 然后通过焊接连接绕组的端部。 电机转子为鼠笼式，其端部装有散热片，可改善定子绕组的散热。 罩极电机的结构选项如图 6 和图 7 所示。
原则上，主绕组可以相对于转子对称或不对称布置。 图6示出了具有不对称主绕组5的电机的设计（1-安装孔；2-磁分流器；3-短路绕组；4-安装和调节孔；6-绕组框架；7-磁轭）。 这种发动机的外磁路有明显的漏磁，因此其效率不超过10-15%，制造功率不超过5-10W。 从可制造性的角度来看，具有对称布置的主绕组的电机更加复杂。 在功率为10-50W的发动机中，采用复合材料定子（图7，其中：1——轭环；2——短路环；3——极；4——带有“鼠笼”绕组的转子；5 - 磁分流器）。 由于电机磁极被磁轭覆盖并且绕组位于磁系统内部，因此这里的漏磁通量比图6中的设计要少得多。 发动机效率 15-25%。 为了改变罩极电机的转速，使用了交叉极电路（图8）。 它非常简单地实现了切换定子绕组的极对数量，要改变其数量，只需以相反方向接通所连接的绕组即可。 罩极电机也采用速度控制原理，即将绕组线圈从串联切换为并联。
同步微电机 单相同步电动机用于钟表、计数器、时间继电器、调节控制系统、测量仪器、录音设备等。 在同步电机中，会产生旋转磁场，其转速恒定且不依赖于负载的变化。 与单相感应电机一样，同步电机也会产生椭圆形旋转磁场。 当过载时，同步微电机会失去同步。 在向它们施加电源电压后，有必要创造使发动机加速并同步的条件。 有反应式、磁滞同步电机，以及永磁体励磁电机。 喷气发动机 功率高达100W的同步电机由主、辅两个绕组组成，并与后者串联接通移相电容器。 同步磁阻电机的定子在结构上与感应电机的定子没有什么不同。 同步电机的转子上有一个短路绕组（“鼠笼”），它为同步微电机提供了可靠的启动。 达到接近同步的速度时，电机以异步速度加速，然后独立地缩回到同步，转子继续以同步速度旋转。 同步电机转子的设计如图9所示。
凹槽沿其圆周均匀分布（图9，a），凹槽深度为工作气隙长度的10-20倍。 将铝倒入这些槽中，由此形成的转子绕组棒通过两侧焊接至棒端部的铝环进行短路。 在网络消耗的无功功率相同的情况下，同步电机轴上的有用力矩比异步电机轴上的有用力矩小两倍。 同步电机的效率和成本也比异步电机差。 这是因为同步电机的工作气隙比异步电机大。 通过改变电机磁路各个部分的电导率，可以将磁通量引导到所需的方向。 这可以通过在填充铝合金的软磁材料中使用特殊空腔来实现。 图 9b 显示了以类似方式制作的两极转子。 在这种情况下，与异步电机的情况一样，工作气隙的长度在定子的整个圆周上保持不变。 这种同步电机的功率接近单相异步电机的功率。 磁滞电机 在设计方面，磁滞电机的定子与之前考虑的电机（异步、同步磁阻）的定子没有什么不同。 磁滞电机在低转速时，其定子采用爪形磁极（图10）。
它包含一个带有绕组的磁轭1，其线圈沿着定子的圆周交替，从而形成交替极性的电磁体序列（NSNS...）； 2——爪形杆； 3——合成材料制成的套筒； 4——漏磁通，5——有用磁通； 6——转子； 7——环形绕组； 8-绕线架。 用于闭合磁通量的板安装在线圈的侧面。 当定子绕组连接到供电网络时，工作气隙中会产生多极磁场。 图11为依次排列的四极（1-主北极；2-辅助北极；3-短路环；4-环形励磁绕组；5-主南极；6-辅助南极）。 与定子绕组线圈同心设置的短路环（或绕组）与主磁极和辅助磁极具有不同的耦合系数。 因此，提供了所指示的磁极的磁通量的相移，其结果是出现椭圆形旋转磁场。
转子上安装有由铁磁材料制成的具有宽磁滞回线的环。 这种材料的矫顽力应小于用于制造永磁体的硬磁材料。 否则，需要强大的磁场来重新磁化环。 转子环上有窗口，其数量与定子极数相对应，保证转子因反扭矩而同步旋转。 永磁励磁电机 包含永磁转子的同步电机在结构上与爪极电机类似（见图10）。 永磁电机相对于磁滞电机的主要优点是，在相同尺寸下，其产生的扭矩是磁滞电机扭矩的 20-30 倍。 此外，永磁电机更加可靠。 要启动发动机，您需要将其转子设置为运动，因此不应使用刚性连接将负载连接到轴上。 小功率电机的转子带有铁氧体永磁环，极数较少，沿径向磁化。 磁极数多，转子沿轴向充磁，具有爪形磁极（图12），其中1个环由永磁体制成； 2 - 衬套。 高功率电机中使用的定子设计实际上与分布式绕组感应电机的定子设计相同。 转子设计非常多样化。
图 13 显示了永磁励磁四极同步电机的三种设计选项。 图13中，a，用于发动机的钡铁氧体，图13中，b——基于稀土元素和钴的组合的合金，图13中，c——铝镍钴合金（1——鼠笼式绕组） ；2 - 永磁体；3 - 磁分流器）。
为了确保异步启动，所有转子都有一个短路棒绕组，就像异步电机一样。 通用电机 串联励磁集电极电机被称为通用电机，因为它们既可以通过直流网络也可以通过交流网络运行。 它们构成了最重要的微型机器组。 电机速度不依赖于电源电压的频率，因此，与异步电机不同，这些电机的速度可以超过 3000 rpm。 通用电机的优点是可以通过切换串联励磁绕组的抽头或使用双向可控硅进行相位控制来轻松进行速度控制。 缺点是，由于转子上存在绕组和电刷收集器组件（这也会产生额外的噪音并很快磨损），因此与异步电机相比，通用电机的成本更高。 设计。 通用电机采用两极设计。 为了减少涡流损耗，定子和转子磁路是层叠的。
图14显示了电机定子设计的几种选择： 图14，a——带有机制绕组的定子； 图14，b——带有励磁绕组的定子，手工制作和铺设； 图14，c——具有两个外部励磁绕组的定子； 图14，d——带有一个远程励磁绕组的定子。 通用电动机的定子（励磁）绕组通常由两段或线圈组成，其间有一个电枢，其绕组与励磁绕组串联。 您可以用双线缠绕电枢绕组。 转子的凹槽形状为矩形，线圈彼此平行放置。 电枢绕组由两个并联支路组成，负责分配流过电刷的电机电流。 在通用电机中应特别注意电刷集电器组件。
最常用的电刷架设计如图15，a，b所示，图15，c，d的设计较便宜，用于功率较小的发动机，图15，e显示带有保险丝的电刷（ 1-端盖；2-输出端；3-支架；4-电刷；5-收集器；6-过滤节流阀；7-旋转轴；8-环；9-钩子；10-铜片；11-凹槽；12-绝缘体；13 - 输出；14 - 弹簧；15 介电接头）。 刷体有一个圆柱形空腔。 刷子的设计（图15，e）是这样的，当刷子被驱动到空腔的末端时，喷嘴紧靠收集器的表面。 由于乳头是由绝缘材料制成的，电刷与换向器的接触被破坏，发动机无法进一步运行。 直流工作的特点。 当电机通过直流网络运行时，电枢和励磁绕组上的压降仅取决于它们的有功电阻，因此，在其他条件相同的情况下，电枢绕组中的电压、电流、磁通量、电动势更为重要与交流供电时相比。 这导致发动机速度的变化。 如果在采用直流电和交流电供电时，电机需要以相同的速度运行，那么在直流电模式下的电机中，需要有更多的励磁绕组匝数。 速度控制。 如果在励磁绕组中做出其他结论，则通过切换它们可以改变旋转频率（图 16，a）。 随着匝数的减少，转速增加。 第二种方法是在电机绕组上串联安装一个可变电阻（图 16，b）。 随着电阻器阻值的增加，发动机转速降低。 第三种方法是使用调节变压器（图16，c）。 电源电压的增加导致发动机转速的增加。 第四种方法是用可变电阻并联电枢绕组（图16，d）。 当电阻器的阻值减小时，转数也减小。 这种方法很好，因为当负载下降时，发动机不会疯狂运转。
可以在电子三端双向可控硅开关电路中获得精确的速度控制（图17）。 三端双向可控硅开关元件执行交流电压半周期的一部分的“截止”。 要使电动机反转，必须改变电枢绕组或励磁绕组的连接极性。
速度稳定。 通用电机具有非常软的机械特性，即转速对负载扭矩的强烈依赖性。 为了稳定可变负载下的转速，特别使用机械调节器。 例如，您可以使用离心开关，其触点与附加电阻并联。 此方法可提供 1% 以内的速度稳定性，但仅限于离心开关设计的速度值。 因此，电子调节器的使用越来越多。 例如，在电子控制器（图 17）中，电枢绕组的电动势用作与转速实际值成比例的反馈信号。 随着指定值的增加，双向可控硅控制角增加，从而导致发动机转速降低。 该方法的稳定精度为10%。 还有更复杂（但也更昂贵）的方法。 永磁励磁直流电机 目前，此类电机主要生产电源电压为12V的电机，用于汽车驱动、打字机、医疗和家用设备。 设计 永磁电机非常多样化。 这是由于发动机的性能和成本要求不同。
图 18a 显示了简单且廉价的电机的结构元件，该电机具有由铁氧体化合物制成的环形磁体（1 - 磁体段；2 - 转子；3 - 定子包；4 - 磁极；5 - 环形磁体；6 - 径向磁化；7 - 径向磁化）磁化；8-矩形磁铁）。 这些磁体沿径向或轴向被磁化。 发动机外壳由层压软磁材料制成，呈圆柱体形式或细长罐形式。 外壳用于封闭永磁体的磁通量。 转子组件由不含硅添加剂的电工钢片（1 毫米厚）组装而成。 转子位于自定心轴承中，它包含少量的凹槽，从而降低了电枢绕线的成本。 图 18b 显示了更昂贵的永磁电机设计的元件（其中 9 个极；10 个极靴）。 它们使用硬磁材料铝镍钴（Al、Ni、Co）和稀土金属制成的磁体。 这些电机具有巨大的机身，转子由优质电工钢制成。 此类发动机的效率超过80%。 打开发动机。 如果直流电机由电池供电，那么如果需要调节其速度，则使用脉冲调节器（图19，a，其中U为电源电压；Um为脉冲电压；Ra、La和Ui为，分别为电枢绕组的有源电阻、电感和电动势；Fr——磁极的磁通量）。 图19b显示了电机中电压Um和电流i(t)的形式。 发动机的转数与使用晶闸管或大功率晶体管接通的电压脉冲的占空比成正比。
直流电机通过连接在单相桥式电路中的整流器由交流电源供电（图 20）。 在这种情况下，可以以上述方式控制转速。
速度控制的另一种选择是使用相对于电枢位置可调的电刷。 电源电压可以施加到位于几何中性点 (a-a) 上的电刷，或者施加到这些电刷之一和相对于第二个电刷成角度 β 的附加电刷 a'（图 21）。 在这两种情况下，发动机转速之比的形式为 n0/n = 2/(1 + cosβ)。 带非磁转子的直流电机。 伺服电机和自动化电机往往对电磁或机电时间常数的值提出很高的要求，该值应尽可能小。 为了解决这个问题，已经开发了两种类型的发动机设计：1）具有中空或钟形的发动机； 2) 带盘式转子。 第一个的功率为 1 - 20 W，第二个的功率超过 20 W。
在具有空心转子的电机中，后者由合成电绝缘材料玻璃制成，其表面固定有绕组（图22，其中1是集电器；2是电刷；3是电刷）。壳体；4为上绕组层；5为下绕组层）。 转子在安装在定子上的永磁体的磁场中旋转，形成二极或四极励磁系统。
在带有盘式转子的电机中，后者具有圆盘形状，其上设有环形或扇形磁铁，产生轴向磁通量（图 23，其中 1 为电刷；2 为圆柱形和环形）磁铁；3为盘形转子）。
磁体可位于转子盘的两侧。 在低功率电机中，转子盘由电绝缘材料制成，并带有印刷或冲压绕组。 由于绕组围绕转子圆周均匀分布，因此电机轴上的扭矩实际上不会改变。 因此，此类电机最适合需要保持稳定速度的电力驱动。 这些电机不需要传统直流电机中使用的换向器，因为电刷在印刷绕组导体的末端滑动。 在较高功率的发动机中，使用带有绕组的转子，该绕组填充有特殊的成分以将其固定在转子上。 此类电机具有传统的歧管设计。 无刷直流电机 在现代微驱动器中，电机受到越来越严格的要求。 一方面，它们必须具有异步电机的高可靠性和设计简单性，另一方面，它们必须简单且具有直流电机的大范围调速。 带电子控制电路的电机，或无刷电机，完全符合这些要求。 同时，它们没有异步电机（无功功率消耗、转子损耗）和同步电机（速度脉动、失步）的缺点。 BLDC 电机是采用永磁体励磁的非接触式直流电机，具有单绕组或多绕组定子。 定子绕组的切换根据转子的位置进行。 电子控制电路包括特殊的转子位置传感器。 阀门电机用于高质量的仪器和设备，例如录音机和录像机的电动驱动器、测量技术以及需要提供高精度转子定位的电动驱动器以及相关的工作机构。 在这方面，它们成功地与步进电机竞争。 在集电极直流电动机中，励磁磁通量具有相同的方向并且在空间中是静止的。 电枢绕组的磁化力 θ2 相对于励磁磁通 Ф 呈 90° 角1 （图24）。 得益于收集器，即使转子旋转，90° 角也能保持其值。
在阀门电机中，永磁体位于转子上，产生励磁磁通，电枢绕组位于定子上（图 25，a - 初始位置；b - 旋转角度 α 时）。 定子绕组的供电方式介于其磁化力 θ1 和励磁磁通 Ф 之间2 保持90°角。 对于旋转的转子，在切换定子绕组时可以保持该位置。 在这种情况下，定子绕组必须在特定时刻以给定顺序进行切换。
例如，使用霍尔传感器来确定转子的位置。 位置传感器控制电子钥匙（晶体管）的操作。 因此，如果没有电子电路，无刷电机就不可能运行。 随着定子绕组数量的增加，电子控制电路的复杂性也随之增加。 因此，在此类电机中，通常使用不超过四个绕组。 廉价的电机设计包含单个绕组。 单绕组电动机的框图如图26，a所示。 定子上有一个绕组 1，它通过晶体管 VT1 连接到电源电压（图 26，b）。 电机转子由永磁体制成，具有一对磁极。 晶体管基极的控制信号由霍尔传感器 HG 提供。 如果该传感器进入磁场（例如附加磁体），则其输出处会出现电压 Un，从而打开晶体管。 晶体管只能打开或只能关闭。
图 27a 显示了霍尔传感器和附加磁体的位置（沿轴的剖面），图 27b - 穿过轴的剖面。 霍尔传感器对附加磁铁 (N) 的北极做出反应。
图28a为双绕组电机结构示意图。
定子上有两个绕组1和2，两个绕组中要么流过符号相反的电流，要么绕组的绕向相反。 依次使用晶体管VT1和VT2（图28，b）来切换绕组。 为此，霍尔传感器必须有两个输出，一个输出是在通过附加磁体的北极时出现的脉冲，另一个是在通过南极时出现的脉冲。 指定的模式也可以在单绕组电机中实现，但为此您需要有两个电源和两个晶体管。 在这种情况下，我们所说的是具有双极电源的单绕组电机。 图29a显示了三绕组电机的图。 其定子上有三个绕组 (1、2、3)，沿其圆周排列，彼此成 120° 角。 每个绕组通过单独的晶体管开关连接到电源。 三个霍尔传感器用于控制晶体管。 电流在三分之一的周期内流过每个绕组。 该脉冲电流具有恒定分量，不会产生扭矩，但会增加绕组的热损耗。 三绕组电机可以根据全波电路启动，该电路包含六个晶体管（图29，b）。
定子上有四个绕组的电机相对便宜，因为它有四个晶体管，仅使用两个霍尔传感器，从而简化了控制电路。 绕组 1-4（图 30，a，b）以 90° 角位于定子上。 霍尔传感器由电机转子的永磁体激励。 控制电机有两种方式：90度换向和180度换向。 在 90 度换向中，在任何给定时间，电流仅流过四个绕组之一。
电机控制电路如图31所示，控制磁铁和霍尔传感器的位置如图32所示。 采用这种布置，晶体管按以下顺序导通：VT1、VT3、VT2、VT4。
采用 180 度换向时，电机设计相同，但电流在四个绕组中各流动半个周期，这导致绕组中的电流重叠。 霍尔传感器不是通过永磁体工作，而是通过磁化转子工作。 因此，霍尔传感器的输出电压的形式为余弦，并且晶体管VT1-VT4不工作于脉冲模式，而是工作于线性模式。 如果每个绕组的电路中包含两个具有两个电源的晶体管，则也可以在双绕组电机中实现180度开关模式。 为了保持无刷电机旋转频率的设定值，可以使用图33的方案。
定子绕组的电动势用作反馈信号，其与转子速度成正比。 最大电压选择电路安装在二极管上。 四个二极管中，只有一个开路，目前电压最高。 结果是一个四相整流器，其输出电压的恒定分量与转速成正比。 在晶体管VT6的输入端有一个电容器C6，它可以平滑整流器的纹波。 随着转速的增加，晶体管VT6的电流增大，导致晶体管VT5中的电流减小，这意味着从霍尔传感器的输出到晶体管VT1-VT4的电流减小。 这导致发动机转速降低。 步进电机 在许多设备和装置中，将特定单元或工作体快速准确定位的任务分配给了电力驱动器。 在这些情况下，使用转子离散（步进）运动的电动机。 将电脉冲转换为机械脉冲的电机称为步进电机。
步进电驱动器的结构除步进电机外，还包括电子控制单元（图34），其中1为主机； 2——控制方案； 3 - 电子单元或微处理器； 4——开关； 5——电源块； 6-供应网络； 7 - 发动机）。 步进电机主要基于同步电机的原理工作，因此它们具有类似的缺点——可能不同步以及转子在执行步骤时容易振荡。 设计。 步进电机可以说是由多个电机组成，其绕组具有正向和反向绕组方向。 由于绕组均匀分布在定子圆周上，因此转子跟随连续切换的绕组（图 35）。 转子由硬磁或软磁材料以及它们的组合制成。 在后两种情况下，转子有齿。 在图35，b中，转子的每个部分都有四个齿。 对于 m 个封装和 2p 极数，转子在一转中进行 z 步 z = 2pm。 步数决定了以角度αt表示的步长； = 2p/z。 图 35b 中的结构具有 m = 3 和 2p = 4，对应于 z = 12 和 α = 30°。
单绕组切换的操作模式称为全步模式。 然而，在图35a的设计中，可以同时导通两个相邻的绕组。 当转子旋转半步时。 这种模式称为分数阶跃模式。 在这种情况下，应将系数k引入z的表达式中，同时考虑发动机的操作模式。 对于全步模式，k = 1，对于分数步模式，k = 2。步分割可以减少绕组数量，简化控制电路并降低驱动器成本。 除了增加绕组数量外，还可以通过增加极数或转子齿数来减小节距。 在这种情况下，对转子的制造精度提出了更高的要求。 此外，多极转子更难磁化。 因此，不仅转子采用齿轮传动，定子也采用齿轮传动（图36）。
定子和转子的齿数有一定差异。 转子的“额外”齿位于定子磁极之间。 在此设计中，还可以实现全步和分数步模式。 如果一定值的电流通过定子绕组，则原则上可以获得任何步骤，但这将导致控制单元显着复杂化。 减速器也可用于减小螺距。 在这种情况下，从动机构轴上的力矩增大，转动惯量减小，齿轮箱中的摩擦有助于阻尼步进电机转子的振动。 但使用变速箱会导致计算步骤的误差增加。 具有永磁转子的电机称为主动转子电机（PM电机）。 转子采用软磁材料制成的电机称为磁阻电机（VR电机）。 该电机必须至少有三个绕组，而永磁电机有两个绕组就足够了。 此外，还有一些设计将发动机的特性与主动和反应转子相结合。 在这些混合设计中，永磁转子也有齿。 三种步进电机的比较如表1所示 表1
步进电机不仅可以提供电动驱动机构的旋转运动，还可以提供平移运动。 这种步进电机称为线性步进电机。 例如，它们用于在 XY 平面上定位各种设备，同时使用单独的绕组沿每个坐标移动。 除了电磁式直线步进电机外，还有压电式直线步进电机。 图 37a 显示了此类发动机的示意图。 其设计包括两个可在钢梁1上滑动的电磁铁M2和M1（4）以及压电电缆3。
压电电缆的设计如图 37b 所示。 如果向电极2施加电压，则根据其极性，电缆5的元件将被压缩或拉伸。 当电压施加到电磁铁的绕组上时，它们将被固定在钢梁上。 图37c显示了施加到电磁体的绕组和压电电缆的电极的电压脉冲序列，以及移动电磁体的过程。 控制方案。 图 38 显示了步进电机控制电路，其中实现了两种主要控制方法 - 单极和双极。 采用单极控制（图 38，a）时，采用两包步进电机，每包定子 A 和 B 上有两个绕组 A1、A2 和 B1、B2。 每个封装的绕组形成一对磁极并产生不同符号的磁化力。
图 39 显示了带有混合转子的发动机的示意图。 每个爪极定子组的环形绕组包含两个半绕组。
图38a的控制电路很简单，但由于两个定子绕组中只有一个在运行，因此电机的使用性能恶化。 通过双极控制（图 38b），电机的使用增加，但控制方案也变得更加复杂。 因此，这种控制方式多用于对重量和尺寸指标要求提高的电动机中。 电机控制 描述电机各相的方程为： Vm = Rm Im + Em； Em=K1w; M=K2我是， 其中Vm是施加的电压； Im——消耗电流； Em——自感电压； Rm——绕组电阻； M作用在轴上的力矩； w——转子旋转角速度； 到1 和K2 - 比例系数。 因此，对于输入电压的每一相，电机由串联的电阻器和电压源组成的等效电路表示。 电阻器是绕组的电阻，电压源是绕组的自感电压（图40）。
发动机以两种模式之一运行。 在第一种模式中，发动机速度由提供给发动机的电压频率设定。 在第二种模式下，发动机本身通过电刷切换绕组或根据位置传感器的信号切换绕组，根据施加的电压和轴上的负载设置转速。 直流电机的控制归结为向其提供给定极性的所需电压，因为电压值决定速度，极性决定旋转方向。 典型的输出级电路和控制命令的操作如图 41 所示。
来自控制电路的信号F（正向）-正向和R（反向）-反向。 这些信号改变施加到电机的电压的极性。 如果同时应用（F = R = 1）或删除（F = R = 0）这些命令，则电机将以制动模式或停止模式运行。 两者的区别在于，电机在减速时实际上是短路的。 在停止模式下，发动机在接近怠速的条件下运行，即靠惯性旋转。 制动时电机停止得最快，因为存储在转子中的动能被绕组电阻消耗掉。 如图 41 所示，施加到电机的电压不能大于 Vc（电压控制）引脚上的电压。 该引脚上的电压不是线性的，而是与电机上的电压单调相关，因此用于速度控制。 图42显示了使用ROHM BA6219B芯片来控制VCR驱动轴的直流电机。 这里，如上所述，F和R命令设置旋转方向。 它们由控制磁带驱动器的微型计算机供电，控制电压Vc在伺服处理器中产生
步进电机控制 对于步进电机，当电源电压的相位发生变化时，会旋转到最小角度（步长）。 对于具有 p 对极的电机，步长等于 π/(np)。 为了方便用二进制码设定步数，绕组数选择等于2的幂（通常为4）。 产生旋转磁场的行波电压是由控制电路输入端接收到的数字形式的信号形成的。 步进电机运行的一个特点是，转子转过给定角度后，必须保持其占用位置，即电流必须流过绕组。 因此，绕组由电流而不是电压供电。 步进电机控制电路输出级的可视化版本如图 43 所示。
形成行波电压的数字信号D0和D1由可逆计数器CT2产生。 步数NS通过写命令WR加载到计数器中。 计数器计数直至其内容为零。 此时，传输输出P出现零，并且计数停止，因为信号P关闭向计数器的计数输入提供步进频率FS的脉冲的阀门。 节奏通常由计数器或定时器根据时钟频率生成。 FR 信号设置计数方向，从而设置电机的旋转方向。 STOP 信号用于停止发动机。 实际的控制电路具有更多分支的控制逻辑、桥接输出级，并且通常包含脉冲宽度限流器。 控制逻辑通常补充有禁止和相位旋转信号。 安装电桥输出级是为了在单极电源供电时改变电机绕组中的电流方向。 相位旋转命令改变电流方向：根据其值，仅输出级对角线之一的晶体管工作。 脉冲宽度限流器用于降低输出级消耗的功率。 典型的步进电机控制电路装置如图44所示（只有一个输出级）。
极性控制输入 P 打开门 G1 或 G2，因此来自输入 IN1（第 1 相输入）的数字信号仅打开桥对角线之一的晶体管：P = 1 时的 T4、T1 和 P = 时的 T2、T3 0. 电压极性相应改变，施加到电机绕组上。 脉冲宽度限制器由电流检测电阻、比较器和定时器组成。 定时器由二极管、RC电路和施密特触发器组成。 限制器根据水平 Imax =Vref/Rs 稳定绕组中的电流，如下所示。 假设在给定时间P = 1，IN1 = 1，Q = 1（定时器RC电路的电容器放电），电流测量电阻Rs两端的电压小于Vref：IL Rs < Vref（IL为通过绕组电感的电流）。 此时，晶体管T1和T4打开，电流IL逐渐增大至Imax。 比较器被触发后，定时器RC电路的电容将通过二极管D充电。 在时间 Tm（电容器放电持续时间）内，晶体管 T1 和 T4 将关闭。 在此期间，向绕组施加反极性电压，电流减少dI = VL(Tm/L)。 VL→Vm——绕组上的电压，L——电机绕组的电感。 定时器脉冲结束后，晶体管T1和T4将打开，绕组上电压的极性将再次改变。 绕组中的电流将再次开始增加，并且几乎在相同的时间 Tm 内增加 dI 的值，因为在电流减少期间，绕组上的电压几乎与增加期间相同。 因此，绕组中的平均电流Iw=Imax-dI/2。 步进电机可以以自由轮模式运行，然后其速度将由施加的电压和轴上的负载决定。 为此，必须生成作为转子旋转角度的函数的脉冲，行波电压由该脉冲形成，即他的立场。 续流模式下步进电机控制电路的设计和操作如图 45 所示。
为了清楚起见，所考虑的电机具有一对转子磁极和两个定子绕组。 绕组通过限流电阻连接，来自传感器的电压被馈送到施密特触发器的输入。 图 45 的 c 显示了绕组中电流符号的所有四种可能组合以及转子的相应位置。 它们与垂直方向成 45° 角，与编码器正好相反。 当转子位于传感器附近时，相应的触发器被激活，从而向绕组提供电流，将转子沿旋转方向吸引到下一个传感器。 当反方向（顺时针）旋转时，开关触点抬起（FR→1），电压V1切换绕组1中的电流I1，V0-绕组0中的电流I0。在初始位置，当无电流时流过绕组时，转子被磁极吸引到其中一个线圈的铁芯上，即占据与垂直线成 0 或 90° 角的位置。 当通电时，触发器将被设置为某些状态，转子将倾向于采取适当的位置。 同时，它会到达或经过传感器，导致相应的触发器被触发，之后转子将开始匀速旋转。 请注意，如果传感器仅根据位置产生电压，而不受转子速度的影响，则所描述的操作，尤其是启动过程是可靠的。 具有这些特性的最简单、最可靠的传感器是霍尔传感器，因此它们实际上已经取代了发动机中使用的所有其他类型的传感器。 盒式录音机通常有一个不改变方向的直流电机。 绝大多数录音机都安装了三极转子电机，其工作原理和设计如图45所示。
通过测量电机自感电压来运行的调节器电路可以满足速度稳定性的要求。 该电压与旋转速度成正比，因此可以用作速度传感器。 稳定电路必须保持自感电压等于规定电压。 图 46 显示了实现这一想法的最具说明性的方案之一。 在该方案中，通过比较电机及其模型上的电压来实现速度稳定。 电机由电阻器Rm和电压源Em表示。 该模型由电阻R2和控制电压源Vc组成。 电阻R2代表电机的电阻； Vc——设定自感电压。 电阻R1、Rm、R2、R3构成电桥，用于测量电压差Vc和Em。 当增益足够大时，我们可以假设 V1 = V2，并且无论轴上的负载如何，电机都会以给定速度 w0 旋转。
图 47 显示了东芝 TA7768F 集成电路的框图，其中直接从电机电压中减去参考电压。 要使用该芯片，您需要知道电阻器R1/R2的阻值比。
对于固定速度，三引脚电路最受欢迎（图 48）。 其中，电流kIm通过电流镜提供给电阻R1，该电流与流过电机的电流Im成正比。 电阻器 R2 中的电流和控制电路汲取的电流也流过电阻器 R1，因此电机电流必须足够大才能忽略不计。
在磁带反向移动的录音机中，需要稳定电机在两个方向上的旋转速度。 为此，传统的稳定器需要添加一个用于以特定极性连接发动机的开关。 在设置所述电路时，首先根据负载对电机速度影响最小的条件选择模拟电机绕组电阻的电阻器。 然后选择一个电阻来设置转速。 VCR驱动轴电机是多相的，以减少其旋转的不均匀性，并且向绕组施加正弦电压。 在绝大多数情况下，使用带有霍尔传感器的三相电机。 发动机装置如图49a所示。 其操作与步进电机相同。
图49a中的电路由三个相同的块（通道）组成，每个块中为其相的绕组形成电压V。 该模块由传感器、施密特触发器、整形器和输出级组成。 发动机由两极转子表示，绕组位于传感器对面。 图49a所示时刻，转子北极位于A相传感器处，即至此，电流流过A相绕组，将转子磁极吸引到其上。 当转子接近 A 相传感器时，其中感应的电压会翻转 A 相触发器。触发器的翻转会导致电流施加到绕组的另一相，具体取决于旋转方向：以便转子逆时针旋转，必须向C相绕组提供电流，而为了顺时针旋转，必须向B相绕组提供电流。操作时序图如图49，b所示。 驱动轴转速的稳定是通过具有相位精度的磁头开关脉冲来实现的。 磁头切换脉冲是唯一分配给帧场的对称帧频脉冲。 记录时，使用施加到控制头的脉冲，在播放期间从控制头读取脉冲。 驱动轴电机控制框图如图 50 所示。
速度传感器是安装在电机转子上的齿轮盘和位于定子上的霍尔传感器。 霍尔传感器输出端的电压脉冲频率与转子的旋转速度成正比。 来自速度传感器的信号被放大、限制并馈送到频率 (FR) 和相位 (PD) 检测器。 检测器的输出信号被求和并馈送到输出级。 制动和旋转方向命令也发送给它。 输出级电压提供给电机。 用于发动机控制的集成电路的组成仅包括图50结构图的单个节点。 大多数情况下，它包括输出级和速度传感器放大器，因为它们直接连接到发动机。 图 51，a 显示 KA8329 芯片（三星）的框图，图 51，b - HA13406W（日立）。
电动机的计算 发动机的标称数据称为功率、转速和电压。 电机功率以瓦特表示。 这不是从源消耗的功率，而是轴上的机械功率。 功率的选择取决于发动机的用途。 因此，对于电动玩具和模型，功率高达 3 W 就足够了，对于小风扇 - 10-15 W，对于圆锯 - 数百瓦。 发动机功率与转速密切相关。 对于给定的功率，发动机转速越高，其尺寸越小，所需材料也越少。 直流和交流有刷电机可设计用于任何转速（甚至高达 10000 rpm）。 但是，基于换向器电刷可靠运行的条件，不建议建造转速超过5000转/分钟的发动机。 在所有类型的异步电机中，转子速度取决于交流电的频率，该频率保持不变。 对于最常用的两极电机，50 Hz 时的同步速度为 3000 rpm（包括滑差，2900 rpm）。 这种转速很少直接使用，通常在发动机和从动机构之间放置一个变速箱。 电机电压由电源决定。 例如，汽车电动机依赖于电池电压。 直流电机的计算从确定两个主要尺寸开始：电枢的直径和长度。 这些尺寸包含在公式中 D2l = 帕 109/1,1 AS B n (厘米3），（1） 式中D为锚杆直径，cm； l——锚杆长度，cm； Pa——设计功率，W； AS——锚杆线载荷，A/cm； B——气隙中的磁感应强度，Gs； n——额定转速，rpm。 式(1)左边与电枢体积成正比。 从式(1)右侧可以看出，电枢体积与发动机功率Pa成正比，与转速n成反比。 由此我们可以得出结论，发动机电枢的转速越大，其尺寸越小，发动机其他部件的尺寸取决于电枢的尺寸。 估计发动机功率 Pa = EI = P(1 + 2y)/3y (W), (2) 式中，E为电枢绕组在磁场中旋转时感应的电动势； I——发动机从电源消耗的电流，A； P——电机额定功率，W； y——发动机效率，其值可由图52确定（从曲线中可以看出，效率值随着发动机功率的减小而急剧减小）。 电机的额定功率始终大于额定功率。
电机消耗的电流 I \u3d P / U y (A), (XNUMX) 其中U是额定电压。 让我们定义 EMF E： E \u4d Pa / I (B)。 （四） 线性电枢负载 AS = NI/2πD (A/cm)。 (5) 式（5）中N表示电枢绕组导体的数量，分母中的XNUMX表示在两个绕组导体之间分流的总电枢电流I，乘积πD即为电枢周长。 线性负载AS和气隙中的磁感应强度B称为电磁负载。 它们显示了电机的电气和磁性负载有多大。 这些值一定不能超过一定的限度，否则发动机在运行过程中会过热。 电机发热不仅取决于电磁负载，还取决于其运行时间。 有些电机长时间运行不停机（风扇电机）。 其他电机间歇性工作，在此期间它们有时间冷却（吸尘器、冰箱的电机）。 发动机的间歇运行称为间歇运行。 您可以根据图 53 和 54 确定线性负载和磁感应强度（其中沿水平轴绘制额定功率除以额定转速，例如，在功率为 15 W、速度为 3000 rpm 时，您需要沿横坐标轴取数字 5）。
让我们转向公式（1）。 其中，锚的直径和长度按一定比例相互关联。 表示比率 l/D = k。 小型电机的k值在0,7至1,2范围内。 如果需要长度较短但直径较大的电机，则选择k=0,7。 反之，如果发动机需要放置在小直径管道中，则选择k=1,2。 通过在(1)中引入l/D = k的关系，我们去掉了一个未知的l，式(1)的形式如下： D = (Pa·109/1,1k AS B n)1/3 （厘米）。 (6) 计算出 D 的值后，我们通过系数 k 求出 l。 由此，确定了发动机的主要尺寸。 现在我们来计算电枢绕组。 为此，您需要确定电机的磁通量。 如果气隙中的磁感应强度乘以力线进入电枢的面积，则我们可以得到电机磁通 Ф = B atl, (7) 其中 t 是极分，即每极电枢周长的一部分。 在两极电机中，t = πD/2。 系数a通常取0,65。 B的值根据图54的曲线图求出。 电枢导体的数量由公式确定 N = E 60 108/F n. （八） 导体的数量不能是任何整数。 电枢绕组导体必须均匀分布在电枢槽上。 槽数 Z 由关系式 Z = 3D 确定。 建议取最接近的奇数。 槽中导体的数量 Nz = =N/Z 必须是偶数，以便将绕组绕成两层。 将通过示例来解释此选择。 电枢绕组导线的横截面积S可以通过导体中的电流I除以电流密度g来确定：S=I/2g。 图 1 中的曲线 55 可用于选择电流密度。
本节是初步的。 根据参考书（例如，“无线电元件和材料”，第 8 页），您需要找到与计算出的最接近的标准电线的横截面。 在同一张表中，我们找到了电线的直径 d。 现在让我们确定凹槽的尺寸。 其横截面W，需要容纳绕组线， W=d2 Nz/Kz (毫米2）。 （9） 系数Kz称为沟槽的填充系数。 它显示了导体填充凹槽的紧密程度。 计算时，可以取 Kz = 0,6-0,7。 在制造锚栓时，凹槽截面应比公式（9）更大，因为2毫米厚的绝缘套筒0,2和3毫米厚的纸板制成的楔子0,3仍必须安装在其中（图56） 。
袖子所占的面积， Sg = p tg (mm2), (10) 式中 p——凹槽周长，mm； tg——套筒厚度，mm。 楔形区 Sc = hk bk (mm2), (11) 式中 hk——楔块厚度，mm； bk——楔形宽度，mm。 因此，凹槽的总截面为Sp→W+Sg+Sk。 对于圆形凹槽，直径可以根据其全横截面确定 dp = 2 Sp / p (mm)。 根据图 56 确定凹槽的尺寸后，可以计算齿的厚度。 首先，我们找到圆的直径 Dn，凹槽的中心位于该圆上。 为此，请从锚栓的直径中减去凹槽的直径 + 1 mm Dn = D - (dn + 1）。 相邻插槽之间的距离 t = pDn/Z (毫米), 齿厚 bz = t - dn （毫米）。 （四） 窄点处的齿厚度必须至少为 2 毫米。 如果这不起作用，则需要切割复杂形状的凹槽，并且由于这很困难，因此可以增加锚固件的直径，以获得厚度至少为2mm的齿。 凹槽“a”的槽口必须比线径d大1毫米из. 碳刷或石墨刷的横截面 Sщ =我/天щ（5） dщ - 电刷下的电流密度。 我们转向磁系统的计算。 对于自制发动机，最容易使用开放式磁系统（图57，其中1是浸渍纸；2是法兰；3是线圈）。
首先，我们确定电枢和磁极之间的气隙q。 在直流电机中，采用增大的间隙，从而降低电枢磁场的退磁效应。 气隙 q = 0,45 吨 AS/B (cm)。 (6) 磁系统的尺寸是根据磁感应强度计算的。 在计算磁极和框架的磁系统时，磁通量的值应增加 10%，因为部分力线在框架两侧之间闭合，绕过锚。 因此，磁极和床的磁通量 Fst \u1,1d XNUMXF。 我们接受框架 Vst = 5000 Gs (0,5 T) 中的感应。 我们将根据图58中的草图确定床的长度Lst。
如果框架的形状对应于图 59（其中 1 是线圈；2 是磁极；3 是铆钉），则框架 Fst 的流动必须分成两半，因为它沿着两条平行路径分叉。
在图58中，虚线表示磁通的路径。 它由以下部分组成：两个气隙、两个齿、一个锚和一个床。 为了找出励磁线圈应具有的磁化力 Iw，必须计算每个部分的 Iw，然后将它们全部相加。 让我们从气隙开始。 气隙磁化力 Iw = 1,6 qkB, (7) 其中 q 是距锚侧面的气隙 (cm)； k——可取系数k=1,1； B——气隙感应（Gs）。 要确定电枢齿的磁化力 (n.s.)，您需要知道齿中的感应。 齿厚由式(4)确定。 磁通量通过每个齿的电枢圆周部分进入齿。 称为齿划分，由公式确定 t1 = pD/Z。 （八） 齿中的感应将比气隙中的感应大多少倍，齿的厚度小于齿分的多少倍。 此外，必须考虑到电枢长度的一部分被片之间的绝缘层占据，占10%。 因此，牙齿中的感应 Bz = B.t/bz 0,9。 （9） 根据表 2，这种感应对应于场强 Hz。 表2
计算 n.s. 乘以两倍齿高，Hz 必须乘以两倍齿高 Iwz = H.z 2hz。 在表中，垂直列中绘制了磁感应强度，以千高斯表示，水平线以数百高斯表示。 例如，如果感应强度为 10500 高斯，则在第 10000 行和第 500 列的交叉点处可找到所需的场强值（在本例中为 6,3）。 磁化力可以通过强度乘以磁力线的长度来确定。 在计算电枢铁芯中的感应时，应考虑到其中的磁通量是分支的，因此只有一半的磁通量落在一个截面上。 电枢铁芯的横截面（根据图 58）等于距离 ha 从凹槽底部到轴的距离，乘以电枢的长度 ha = D/2 - 小时z -db/2。 您还需要考虑板材之间的绝缘层。 因此，电枢铁芯中的感应 Ba =Ф/(2hal 0,9)。 上表中的这个归纳对应于Ha。 电枢铁心I的磁化力w = HLa, 其中 La - 根据图 58，芯中电源线的长度： La = n(D - 2hz - Ha)/2 (厘米)。 从图 58 中可以看出，该电机没有与框架熔合的突出极。 因此，磁路静止部分的计算归结为框架的计算。 框架的宽度由给定的感应 B = 5000 Gs 确定。 故 bcm = Fcm/5000 x 长 x 0,9（厘米）。 5000 Gs 感应的场强 Hcm 见表 2。 当确定帧中场线的长度时，存在困难。 毕竟，床边的长度取决于线圈的厚度，但却是未知的。 因此，我们取线圈厚度等于30个气隙值。 根据草图确定框架 Lst 中磁力线的长度后，我们计算框架的磁化力 (n.s.) Iwct = 升ct Нct. 现在我们添加 ns。 所有网站 Iw0 =Iwd + 水流z + 水流a + 水流ct . 这样的n.s。 发动机怠速时应产生线圈，但加载时，电枢磁场的消磁作用就会出现。 因此，我们需要一个保证金，我们通过以下公式计算 Iwp = 0,15 t AS（A 转）。 （十） 线圈的匝数可以根据总 Iw 计算出来：w = Iw/I。 要确定导线的横截面，需要将电流除以电流密度（我们从图2中的曲线55确定它。根据《无线电元件和材料》参考书的表格，我们找到最接近的绝缘线的标准截面和直径 dиз。 线圈匝数所占面积，F = wdиз2 / Kз (kз - 填充因子）。 将面积 F 除以线圈的长度（在草图上 lк) 并得到它的宽度 bк = F/Lк. 直流电机计算示例 电机额定数据：P = 5 W，U = 12 V，n = 4000 rpm。 根据图52的曲线，我们确定发动机效率为30%，根据公式（2）——估算发动机功率 帕 \u5d 1 (2 + 0,3x3) / 0,3x8,9 \uXNUMXd XNUMX W。 为了根据图53和图54的曲线求出AS和B的值，我们计算发动机功率（以毫瓦表示）与转速之比5000/4000 = 1,25。 从图 53 中我们发现 AS = 50 A/cm。 同样，根据图 54，我们发现气隙中的感应 B = 2200 Gs。 我们取比值l/D = 1，将计算值的数值代入公式（6），求得电枢直径D=(8,9x109/1,1x50x2200x4000)1/2 = 2,6 厘米。 当 k = 1 时，锚的长度为 l = 2,61 = 2,6 cm。 电枢电流根据公式（3） 我 \u5d 0,3 / 12x1,4 \uXNUMXd XNUMX A。 电枢绕组的电动势根据公式（4） E \u3,14d 2,6 1,4 / 6,3 \uXNUMXd XNUMX V。 锚杆分度 t \u3,14d 2,6x2 / 4,1 \uXNUMXd XNUMX cm。 根据公式（7）的磁通量 F \u0,65d 4,1x2,6x2200x15200 \uXNUMXd XNUMX。 电枢绕组的导体数按式（8）N==6,3x60x108/15200x4000×620。衔铁槽数z×3x2,6×7,8。 向上舍入到最接近的奇数 z = 7。槽中导体的数量为 Nz = =620/7= 88。这个数字可以被 2 整除，因此不需要四舍五入。 电枢绕组导体的横截面在 d = 10A / mm2 s = 1,4 / 2x10 = 0,07 mm2 时。 根据曲线 1 Fig.55，横截面为 0,07 mm2 需要取8A/mm2的电流密度。 调整导线截面0,07x10/8 = 0,085 mm2 线径0,33毫米。 考虑到绝缘层厚度，绝缘线直径为0,37毫米2。 沟槽截面按公式（9）S=diz2×88/0,7=17,2mm2。 绕组导体所占圆的直径 d0 = (4x17,2 / 3,14) 1/2 = 4,7 mm。 绝缘套管周长×3,14x4,7×14,7毫米。 套筒所占沟槽面积按公式（10）Sg=14,7×0,2=2,9mm2。 楔块所占沟槽面积，根据公式（11）Sc = 0,3 3 = 0,9 mm2。 全槽截面Sp≤17,2+2,9+0,9≤21mm2。 凹槽直径dp×(4x21/3,14)1/2×5,2毫米。 凹槽中心所在圆的直径，Dp = 26 - (5,2 + 1) = 19,8 mm。 相邻凹槽之间的距离为3,14×19,8/7=8,9毫米。 窄点处的齿厚 bz = 8,9 - 5,2 = 3,7 mm。 槽槽a×0,37+1×1,37毫米。 集电板数量K×7.电刷横截面Ssh×1,4/6×0,23 cm2。 您可以使用边长为 5 x 5 毫米的方形刷子。 根据公式 (6, RE 10/2000)，电枢和磁极之间的气隙为 0,45x4,1x50/2200 = 0,4 mm。 确定 n.s. 线圈，我们将根据图58计算磁路。 N.s. 气隙根据公式 (7, RE 10/2000) Iwd = 1,6x0,04x1,1x2200 = 155 A 匝。 根据公式 (8, RE 10/2000) 进行牙齿划分 t1 = 3,14x2,6/7 = 1,2 cm 根据公式 (9, RE 10/2000) Bz = 2200x1,2 / 0,37x0,9 在牙齿中进行感应, 8000 = 10 高斯。 根据表格（RE 2000/10，第 4,05 页），齿域强度 Нz = 4,05。 N.s. 牙齿 Iwz \u2d 0,57x4,6x15200 \u2d 0,5 阿维特科夫。 电枢铁芯中的感应 Ba = 2,6 / 0,9x6500x3,2x3,2 = 1,5 Gs。 根据该归纳的同一张表，Na = 4,8。 N.s. 对于电枢铁芯 Iw = 1,1x15200 = 16700 A 匝。 我们确定 n.s. 用于磁路的固定部分。 床层磁通量 Fst = XNUMXxXNUMX = XNUMX。 让我们在床上感应5000高斯。 那么床宽bst = 16700/5000x2,6x0,9 = 1,4 cm，根据表格，5000 Gs的感应对应值Hst = 2,5。 为了确定帧中场线的长度，我们取线圈的厚度 bk \u30d 30d \u0,04d 1,2x58 \u4,5d 2,5 cm。根据图 4,5，我们确定场线的平均长度 Lst \ u11d 0 厘米。 床 Iwct \u155d 4,6x4,8 \u11d 175 A 形转弯。 现在我们添加 ns。 所有部分 IwXNUMX = XNUMX + XNUMX + XNUMX + XNUMX = XNUMX A 匝。 退磁力按公式（10）Iwp=0,15x4,1x50=31A匝。 然后 n.s. 发动机负载 Iw = 175 + 31 = 206 A 圈。 线圈匝数 w = 206 / 1,4 = 147 匝。 我们取线圈中的电流密度等于5A/mm2，则导线截面 s = 1,4/5 = 0,28 mm2。 标准线材的最近截面 s = 0,273 mm2 线径0,59毫米。 绝缘线的直径为0,64毫米。 线圈匝数所占面积 F = 147x0,642 / 0,7 = 86 mm2。 根据图 58，线圈的长度等于 lk = 12 mm。 因此线圈的厚度bk=86/12=7,2mm。 单相异步电动机的计算 我们设定发动机功率P（W）、电压U（V）和转速n（rpm）。 估计发动机功率 Pa =P/ηcosφ。 （ 一 ） 值 η cos φ 取自图 60 中的曲线。
定子外径 达 = (14Pa)1/3 （厘米）。 ( 2 ) 定子内径 D = 0,55 Da (cm)。 ( 3 ) 定子长度l = D（厘米）。 极分t = 3,14 D/2 (cm)。 我们根据图54中的曲线选择气隙B中的磁感应强度。 如上所述，磁通量由公式 Ф = a B t l 确定。 对于单相电机，“a”值可以选择等于0,72。 对于具有可切换启动绕组的电机，定子槽数选择为6的倍数。对于功率至10W的电机，可取12个定子槽。 其中，8 个将由工作绕组占用，4 个将由启动绕组占用。 对于更大功率的电机，需要18个定子槽（12个槽-工作绕组，6个槽-启动）。 工作绕组匝数 wp = 106/2,5 F. (4) 工作绕组槽内导体数 Nz = 2wp/zp, (5) 其中zp - 工作绕组占用的槽数。 工作绕组中的电流 我=Pa/U(A)。 (6) 工作绕组导体截面S=I/d。 我们找到绝缘层中电线的直径，如上所示。 槽尺寸的确定与直流电机的计算类似。 起动绕组占定子槽的1/3。 启动绕组的匝数取决于启动期间与启动绕组串联的哪个元件被接通。 如果有源电阻作为元件，则启动绕组的匝数取比工作绕组的匝数少3-4倍。 但它所占用的槽数少了2倍，因此，每个槽中的匝数将比工作绕组的槽中少1,5-2倍。 我们用与工作绕组相同的电线缠绕启动绕组。 如果用电容器作为启动元件，则启动绕组的匝数等于工作绕组的匝数。 为了使启动绕组适合其凹槽，导线横截面必须为原来的一半。 缠绕方案及其在凹槽中的敷设顺序如图 61 所示。
转子槽的数量根据定子槽的数量来选择。 定子槽数为12时，可带转子槽数为9；定子槽数为18时，转子槽数为15。 选择转子槽的直径，使得转子杆的总横截面比工作定子绕组的导体的总横截面大1,5-2倍。 必须将铜棒打入转子的凹槽中，并将其焊接到转子端部的闭合环上。 封闭环的横截面应约为杆横截面的三倍。 电机的启动扭矩取决于转子绕组的电阻，因此，对于启动扭矩较大的电机，转子杆应采用黄铜或青铜制成。 异步电动机定子和转子之间的气隙应尽可能小。 在工厂制造的发动机中，间隙通常为 0,25 毫米。 在自制发动机中为 0,3-0,4 毫米。 小功率电机的启动电容通常为3-10uF。 应该记住，电容器端子处会产生远高于电源电压的电压，因此电容器的电压必须设置为等于电源电压的三倍。 随着电压的降低，电容器的电容量按照二次定律增加，因此，对于12V的工作电压，必须采用大容量的电容器（高达1000微法拉）。 单相异步电动机计算实例 额定数据：功率3W，电压220V，转速3000rpm，发动机间歇运转。 使用图 60 中的曲线我们找到乘积 η cos φ = 0,25。 根据公式（1）估算的发动机功率Ра = 3 / 0,25 = 12 伏安定子外径按式(2)计算 Da =（14x12）1/3 = 5,5 厘米。 为了简化起见，我们将定子的形状取为外径附近描述的正方形（图 62）。
定子内径按式（3）D=0,55x0,55=3cm.定子长度l=3cm.极分t=3,14x3/2=4,7cm.空气中的磁感应强度沿上曲线的间隙（见图 54）等于 2800 高斯，但对于方形定子，它必须增加到 4000 高斯。 磁通ФΦ0,72x4000x4,7x3Φ40600，定子槽数为12个，其中工作绕组8个，起动绕组4个，工作绕组匝数按式（4） wp = 220x106/ 2,5x40600 = 2170 圈。 工作绕组槽内导体数Nz = 2x2170/8 = 542。根据公式 (6) 计算工作绕组中的电流强度 I = 12/220 = 0,055 A。电流密度 d = 5 A/mm2 线材横截面 s = 0,055/5 = 0,011 mm2。 此部分对应于绝缘层中 PEL 线的直径 0,145 mm。 当导体凹槽的填充系数等于0,5时，导体占据的凹槽面积为s = 0,1452x542 / 0,5 = 27 mm2. 绕组导体所占据的圆的直径，d0 Ø (4x27 / 3,14) 1/2 Ø 5,9 毫米。 绝缘套管周长×3,14x5,9×18,3毫米。 套筒所占的凹槽面积，Sz = 18,3x0,2 = 3,7 毫米2。 楔块占据的凹槽面积 Sk = 0,3x3 = 0,9 mm2。 凹槽总截面S = 27 + 3,7 + 0,9 = 31,6 mm2。 凹槽直径 dn ≤ (4x31,6 / 3,14) 1/2 ≤ 6,3 毫米，四舍五入至 6,5 毫米。 凹槽中心所在圆的直径，Dn = 30 + (6,5 + 1) = 37,5 毫米。 相邻凹槽之间的距离t≤3,14x37,5/12≤9,6毫米。 窄点处的齿厚 bz = 9,6 - 6,5 = 3,1 mm。 切槽 a = 0,145 + 1 = 1,145 mm，四舍五入为 1,2 mm。 假设气隙为 0,3 mm。 转子直径 Dp = 30 - 2x0,3 = 29,4 毫米。 转子槽数为9。工作定子绕组槽内总铜截面为0,011x542x8 = 47 mm2。 转子槽中的总铜截面为 47x1,5 = 70,5 mm2。 转子杆横截面 70,5: 9 = 7,8 mm2。 转子杆直径（4x7,8/3,14）1/2 = 3,1 毫米。 最接近的标准线径是3,05mm。 带有驱动杆余量的转子槽直径 3,05 + 0,25 = 3,3 mm。 转子槽中心所在圆的直径为29,4 - (3,3 + 1) = 25,1 mm。 相邻凹槽之间的距离为 3,14x25,1/9 = 8,7 毫米。 转子齿在窄处的厚度为8,7-3,3=5,4毫米。 作者：AD Pryadko
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