電機在空調(diào)中的應(yīng)用特種電機及其驅(qū)動技術(shù)大作業(yè)剖析

1、本科生課程大作業(yè)報告課程名稱：特種電機及其驅(qū)動技術(shù)題目：電機在空調(diào)中的應(yīng)用姓名：學(xué)號：學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師：目錄1 概述21.1 電機簡介21.2空調(diào)電機的基本要求32 空調(diào)用電機原理32.1 壓縮機電機32.1.1 異步電動機特點及其控制系統(tǒng)4單相異步電機42.1.3 三相異步電機52.2 空調(diào)風扇電機72.3 其它裝置用電機92.4 步進電機在空調(diào)中的應(yīng)用92.4.1 步進電機簡介92.4.2 步進電機在空調(diào)中的應(yīng)用102.5 永磁同步電機在空調(diào)中的應(yīng)用112.5.1 永磁同步電機工作原理及其特點112.5.2 永磁同步電機在空調(diào)中的應(yīng)用122.6 無刷直流

2、電機在空調(diào)中的應(yīng)用132.6.1 無刷直流電機簡介132.6.2 無刷直流電機在空調(diào)中的應(yīng)用143 空調(diào)中常用電機性能比較144 結(jié)論與展望15電機在空調(diào)中的應(yīng)用電機（Electric Machine），是機械能與電能之間轉(zhuǎn)換裝置的統(tǒng)稱。轉(zhuǎn)換是雙向的，大部分應(yīng)用的是電磁感應(yīng)原理。由機械能轉(zhuǎn)換成電能的電機，通常稱做“發(fā)電機”；把電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機，被稱做“電動機”。電機在生活中的應(yīng)用非常廣泛，在家庭中一般屬于驅(qū)動型電機。驅(qū)動用電動機可劃分：電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風

3、、電動剃須刀等）用電動機及其它通用小型機械設(shè)備（包括各種小型機床、小型機械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機。家用電動機主要是小功率電機，家庭中凡有轉(zhuǎn)動件的，都是由電機來驅(qū)動的，如：空調(diào)室內(nèi)機風扇電機、室外風扇電機、空氣壓縮機、室內(nèi)機轉(zhuǎn)頁電機等。家用電器的性能與所匹配的電機有著直接的關(guān)系，電機的效率、功率因數(shù)、調(diào)速范圍及噪聲與家電的節(jié)能環(huán)保有著密切的關(guān)系。本文著重討論電機在空調(diào)中的典型應(yīng)用。1 概述空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器（Air Conditioner），是指用人工手段，對建筑/構(gòu)筑物內(nèi)環(huán)境空氣的溫度、濕度、潔凈度、速度等參數(shù)進行調(diào)節(jié)和控制的過程。一般包括冷源/熱源設(shè)備，冷熱介質(zhì)輸配系統(tǒng)，末端裝置等幾

4、大部分和其他輔助設(shè)備。主要包括水泵、風機和管路系統(tǒng)。末端裝置則負責利用輸配來的冷熱量，具體處理空氣，使目標環(huán)境的空氣參數(shù)達到要求?？照{(diào)的結(jié)構(gòu)包括壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、風扇、四通閥、單向閥毛細管組件?？照{(diào)中的驅(qū)動電機主要有4個。一個是在壓縮機里做功，起到循環(huán)制冷劑的作用；一個是在室外機里，帶動風扇給壓機、冷凝器降溫；一個是在室內(nèi)機里，帶動風扇把蒸發(fā)器的“冷”給吹出來；一個是室內(nèi)機百葉窗的調(diào)整電機。1.1 電機簡介電機是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理運行的旋轉(zhuǎn)電磁機械，用于實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換。運行時從電系統(tǒng)吸收電功率，向機械系統(tǒng)輸出機械功率。電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機、控制器（逆變器）構(gòu)成，驅(qū)動電機和電機控制

5、器所占的成本之比約為1:1，根據(jù)設(shè)計原理與分類方式的不同，電機的具體構(gòu)造與成本構(gòu)成也有所差異。電機的控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)，使其滿足整車不同運行要求的目的。針對不同類型的電機，控制系統(tǒng)的原理與方式有很大差別。 圖1.1-1 電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖 圖1.1-2 電機的分類（按原理）1.2空調(diào)電機的基本要求根據(jù)空調(diào)的工作環(huán)境、功能要求、性能要求等，用于空調(diào)的電機須有以下基本特點：1. 電機結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸盡量小，封裝尺寸有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進行特殊設(shè)計。2. 重量盡量輕，以減輕整體重量。增加電機與整體的適配性。3. 可靠性高、失效模式可控。4. 提供良好的力矩控制，動態(tài)性能較好。

6、5. 效率高，低功率損耗。6. 成本低，以整體費用。7. 調(diào)速范圍合適。8. 節(jié)能環(huán)保。9. 環(huán)境適應(yīng)性好。10. 結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，適合大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便。2 空調(diào)用電機原理空調(diào)器的驅(qū)動電機有壓縮機、風扇電機（軸流風機和貫流風機）、擺動送風葉片（步進電機和同步電機）等部件電機驅(qū)動。2.1 壓縮機電機空調(diào)壓縮機是制冷系統(tǒng)中的心臟，其驅(qū)動電機的性能和質(zhì)量舉足輕重。設(shè)計該電動機的就要使其既能在壓縮機中長期穩(wěn)定地工作，又能同壓縮機體達到最佳的匹配，從而提高壓縮機的性能指標,獲得最好的經(jīng)濟效益。 空調(diào)壓縮機電機按其供電的相數(shù)，可分為三相和單相異步電動機，其中三相異步電動

7、機主要用于3HP以上的大功率壓縮機和變頻壓縮機，一般家用3HP以下的空調(diào)器壓縮機大部分采用單相異步電動機，而該類單相異步電動機又可分為PSC(Permanent Split Capacitor )電動機和CSR (Capacitor Start and Run )電動機，前者電路簡單，可靠性高，但起動轉(zhuǎn)矩較??；后者由于使用了起動電容，所以起動轉(zhuǎn)矩增大。2.1.1 異步電動機特點及其控制系統(tǒng)感應(yīng)電動機又稱異步電動機，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)

8、體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。這種電動機并不像直流電動機有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動機和三相電動機。 （1）異步電動機的特點異步電動機有下面的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用；運行可靠、維護方便；價格低廉，體積小、質(zhì)量輕；環(huán)境適應(yīng)性好；轉(zhuǎn)矩脈動低，噪聲低。交流異步電動機成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時也不會產(chǎn)生反電動勢，所以不會出現(xiàn)急剎車的可能性。三相籠型異步電動機的功率容量覆蓋面很廣，從零點幾瓦到幾千瓦。它

9、可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動。與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。同時它有下面的缺點：功率因數(shù)低，運行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場；控制復(fù)雜，易受電機參數(shù)及負載變化的影響；轉(zhuǎn)子不易散熱；調(diào)速性能差，調(diào)速范圍窄。（2）異步電動機的控制系統(tǒng)由于交流三相感應(yīng)電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換控制。新能源汽車減速或制動時，電機處在發(fā)電制動狀態(tài)，給蓄電池充電，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。在新能源汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的 PWM 功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。三相異步

10、電動機逆變器的控制方法主要有 V/f恒定控制法、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法（DTC）。20世紀90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車并不適合?，F(xiàn)在，后兩種控制方式目前處于主流的地位。2.1.2單相異步電機空調(diào)器用單相壓縮機有兩個繞組，即啟動繞組與運行繞組（主繞組），三個接線頭，其中C為公共端，S為啟動端，R為運行端，一般采用電容運行式（PSC）驅(qū)動，實行定速控制，其接線原理如圖2.1-1所示。圖2.1-1 單相壓縮機電機接線原理從圖中可以看出，電機從啟動到正常運行過程中，副繞組電路始終都串接一只電容，這樣電器運行

11、性能好，效率與功率因數(shù)高，工作可靠。2.1.3 三相異步電機三相異步電機結(jié)構(gòu)與單相電機類似，不同的是三相電機定子由3組完全對稱的繞組組成，這三個繞組嵌在定子鐵芯槽中，而且在空間分布上彼此錯開120°電度角。3 個繞組可接成Y形，亦可接成形，當定子繞組中通入三相對稱電流（即三相電流在時間位相上互差120°電度角）時，就會在定子、轉(zhuǎn)子間的氣隙產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，轉(zhuǎn)矩、效率與功率因數(shù)都較單相異步電動機高，所以功率較大的空調(diào)器，如柜式空調(diào)器壓縮機多采用三相異步電機。 三相異步電動機不需要啟動和運行電容就能自動形成旋轉(zhuǎn)磁場，

12、其Y形和形接線原理如圖2.2-1所示。圖2.1-2 三相壓縮機Y形和形接線原理三相異步電機多用于變頻空調(diào)壓縮機里。同傳統(tǒng)定頻空調(diào)相比，變頻空調(diào)具有節(jié)能效果明顯、溫度調(diào)節(jié)平穩(wěn)、整個頻率范圍內(nèi)運行噪聲低等一系列優(yōu)點，因而受到了用戶的歡迎。空調(diào)變頻電機一般采用三相感應(yīng)電機，它克服了傳統(tǒng)定頻空調(diào)中單相感應(yīng)電機起動性能差、電磁噪聲大、效率低的不足，可實現(xiàn)柔性起動、低電壓運行，并隨負荷變化自由調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而大大提高效率。由于變頻器供電的特點以及壓縮機運行的特殊性，普通感應(yīng)電機難以達到較好的運行性能，效率低，噪聲大，甚至出現(xiàn)不能起動和高頻下堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機燒壞等問題。常規(guī)電源直接供電的感應(yīng)電機在運行過程中，由

13、于磁通不可控制，功率因數(shù)一般較低；在低速下效率也達不到要求。同時，為了滿足起動特性，鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽形往往被設(shè)計成深槽或雙鼠籠槽，利用起動時電流的集膚效應(yīng)增大起動電阻，以滿足其起動轉(zhuǎn)矩并限制起動電流。這樣設(shè)計的電機具有以下三大缺點：1) 轉(zhuǎn)子漏抗大，直接影響到最大轉(zhuǎn)矩；2) 轉(zhuǎn)子深槽占用了轉(zhuǎn)子大量的空間，不利于電機的體積優(yōu)化；3) 各種深槽或雙鼠籠槽結(jié)構(gòu)使得電機在生產(chǎn)加工時面臨很大的工藝問題，增加了生產(chǎn)成本。變頻器供電下感應(yīng)電機運行條件則發(fā)生了根本的變化，電機運行時，隨著逆變器的調(diào)頻調(diào)壓控制，機械特性曲線可以任意平移，這使得電機在低速時降低供電頻率，可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動點，使起動轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)

14、矩，同時降低了起動電流；通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，可以找到一個最佳的滑差頻率，使電機的某項性能(如效率、功率因數(shù)等)達到最優(yōu)。與此同時，由于變頻電源的非正弦性，輸出電壓中含有高次諧波，電機運行時會在定、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使導(dǎo)體有效截面積減少，電阻增大，造成定、轉(zhuǎn)子銅損耗增大，同時產(chǎn)生電磁噪聲。從變頻器供電的特點可知，變頻電機的設(shè)計可以不再考慮起動問題，轉(zhuǎn)子槽不需設(shè)計為深槽，從而可以對電機整體尺寸進行優(yōu)化；效率和功率因數(shù)可以在不同速度下都維持較高的水平，從而提高功率密度。與此同時，電機必須考慮變頻器諧波的影響，設(shè)計方案應(yīng)該能盡量抑制諧波，此外還應(yīng)該提高絕緣等級。因此，變頻電機的設(shè)計應(yīng)和變頻器供電

15、條件結(jié)合起來，把電機和變頻器作為系統(tǒng)進行綜合考慮，使整體性能達到最優(yōu)。另外，根據(jù)空調(diào)壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)的工作特點，對所配套的變頻電機有如下要求：Ø 調(diào)速范圍要求不是很寬。一般空調(diào)壓縮機要求能在3090hz的頻率范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)速，一般不會運行在更低的頻率下。Ø 運行時要求低噪聲，高效率。Ø 為了防止堵轉(zhuǎn)，電機在任何頻率段運行時有較高的過載能力，為了達到這一點要求，電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于3倍額定轉(zhuǎn)矩。Ø 考慮到壓縮機安裝空間較小，電機體積不能過大。根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速公式（其中，n代表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；n0代表旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；p表示極對數(shù)；f為

16、電源頻率。），只要改變異步電機的電源頻率，就可以獲得不同的電機轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速不但可以實現(xiàn)平滑調(diào)速，而且調(diào)速范圍寬，效率高，反應(yīng)快，啟動電流小，對電網(wǎng)影響小，舒適性能好，是一種節(jié)能型的理想調(diào)速方法，尤其是熱泵型空調(diào)器，可以通過變頻調(diào)速來控制熱泵制熱量的大小，不受到室外氣溫的限制，因而大大提高其供暖能力。Ø 變頻器工作過程變頻器一般采用間接變頻（交-直-交）方式，由整流和逆變兩個過程組成。工頻（50Hz）的電網(wǎng)電流經(jīng)電源濾波等預(yù)處理后，送往整流模塊（如二極管整流電橋），整流出來的直流電直接輸入逆變模塊（如采用IGBT作為基本元件的IPM模塊），逆變模塊則在CPU芯片的驅(qū)動信號作用下將直流

17、電轉(zhuǎn)變成不同頻率的交流電，供給壓縮機工作。Ø IPM逆變模塊工作原理IPM模塊利用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為開關(guān)元件。CPU送來的六個驅(qū)動信號（即作為IGBT基極信號）分別控制三相逆變電路的六個IGBT開關(guān)的通斷，在每個周期里每隔60°按一定的順序輪流控制各個IGBT的通斷，從而在逆變電路的輸出端獲得一定頻率的三相交流電，通過控制IGBT開關(guān)通斷時間的長短（即控制各相的正半周期和負半周期的脈寬），即可在三相的輸出端獲得不同頻率的交流電。三相逆變電路基本原理及其輸出的三相交流電波形如圖2.2-2所示。圖2.1-3 三相逆變電路基本原理及其輸出的三相交流電波形注：根據(jù)三

18、相交流電的要求，在相位上相與相之間間隔120°。 在任何時刻應(yīng)同時有3只IGBT開關(guān)閉合。 每隔60°將有兩只開關(guān)交換工作狀態(tài)。開關(guān)閉合的順序嚴格按照1、2、3、4、5、6的自然順序依次進行。具體導(dǎo)通順序為：1，2，3；2，3，4；3，4，5；4，5，6；5，6，1；6，1，2。如此循環(huán)。 各相的波形如上圖所示（從虛線開始即5，6，1三只開關(guān)導(dǎo)通時畫起）。從圖中可以看出，各相方波基本上可以與正弦波等效。 通過控制脈寬即各方波的寬度就可以在各相上獲得不同頻率的交流電。2.2 空調(diào)風扇電機由于室內(nèi)、外購房電機對轉(zhuǎn)矩和過載能力要求不高，所以它們多采用單相異步電機，部分大功率空調(diào)采

19、用三相奈何電機。而室內(nèi)機采用的導(dǎo)風電機對轉(zhuǎn)矩要求較高，多采用精度高的同步電機或步進電機。空調(diào)器風扇電機是離心風扇、貫流風扇、軸流風扇的動力來源，分體式空調(diào)器中的風扇電機因?qū)愚D(zhuǎn)矩和過載能力要求不高，一般采用220V電壓單相電容運行式電機，室外電機一般采用單相定速電機，室內(nèi)機采用的導(dǎo)風電機對轉(zhuǎn)矩要求較高，多采用精度高的同步電機或步進電機，利用定子繞組中的中間抽頭來實現(xiàn)分檔調(diào)速，常見的電機接線方法如圖2.2-1所示。圖2.2-1 常見風扇電機接線方式圖中標注的字母C的符號代表運轉(zhuǎn)電容，它裝在電機的外邊，是電機啟動和運轉(zhuǎn)不可缺少的配件，字母L1L4表示電機內(nèi)的線圈，每個線圈都用引線與電路連接。隨著

20、技術(shù)的發(fā)展，分體掛壁式空調(diào)器室內(nèi)電機更多的采用了PG無極調(diào)速電機，性能更穩(wěn)定，運行更平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不受電壓波動的影響?？照{(diào)器風扇用電機為一般為單相異步電機，采用PSC接線方式。根據(jù)使用的需要，風扇電機可進行調(diào)速，調(diào)速方法有：定子繞組抽頭式調(diào)速、可控硅調(diào)速等。(1)抽頭式調(diào)速通過改變電機定子繞組的匝數(shù)來改變主繞組上的工作電壓，從而達到改變磁通、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。抽頭式調(diào)速的PSC電機定子繞組由主繞組、副繞組和中間繞組（調(diào)速繞組）三部分組成，這三部分繞組的常見接線方式有L1、L2和T型三種，如圖2.2-2所示。圖2.2-2 電機接線原理(2)可控硅調(diào)速可控硅又稱晶閘管，有單向可控硅和雙向可控硅兩種，其符

21、號分別如圖2.2-3所示。圖2.2-3 單雙向可控硅符號單向可控硅特性a當晶閘管承受正向陽極電壓，在門極加正向電壓并有一定的門極電流時，元件導(dǎo)通。b管子在導(dǎo)通的情況下，門極即失去作用。c晶閘管在導(dǎo)通的情況下，只有當其正向陽極電壓減少到一定值或陽極電壓變?yōu)樨撝?，管子截止。雙向可控硅特性a 四種觸發(fā)方式：相對于T1端，I（T2+，G+）、（T2+，G-）、（T2-，G-）、（T2-，G+）。其中I和靈敏度高，靈敏度較低，靈敏度最低。b T1、T2間承受一定的電壓時，在門極和第一電極T1間加觸發(fā)電壓及電流時，晶閘管導(dǎo)通。c 管子在導(dǎo)通時，當T1和T2間電壓降到維持導(dǎo)通的最小電壓以下或變?yōu)榉聪驎r，管子

22、截止，直到下一個觸發(fā)信號（脈沖信號）到來時才能重新導(dǎo)通。固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器簡稱SSR（Solid State Relay），它是采用雙向晶閘管的無觸點半導(dǎo)體繼電器，其原理如圖2.2-4所示。在輸入端施加觸發(fā)信號時，光電晶閘管就對負載進行通斷控制。圖2.2-4 固態(tài)繼電器框圖在空調(diào)器的風扇電機調(diào)速中，單片機輸出的高低電平作為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號，并通過附屬電路檢測到工頻正弦電流的過零點，由程序控制計時，然后在一定的時刻接通負載的電流，而電源電流過零點時晶閘管自動截止，如圖2.2-5所示（陰影部分為導(dǎo)通狀態(tài)）。這樣負載就可獲得所需的有效電壓，若此電壓供給電機，即可實現(xiàn)電機繞組電壓的改變，從而獲得

23、相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。圖2.2-5 斬波原理2.3 其它裝置用電機空調(diào)中除了壓縮機電機和風機電機外，還有驅(qū)動搖擺葉片的電機等，涉及到其他多種微特電機，如空調(diào)器出風柵搖擺葉片裝置上用的微電機可選用永磁同步爪極自啟動同步電機或步進電機等。2.4 步進電機在空調(diào)中的應(yīng)用2.4.1 步進電機簡介步進電動機（Stepping Motor）是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。圖2.3-1步進電動機步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，即外加一個脈沖信號于電機時，電機就運動一步。圖2.3-2是永磁式步進電機的原

24、理圖。其轉(zhuǎn)子是由永磁體制成的圓柱體形兩極永磁轉(zhuǎn)子，定子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子外圓有一定偏心，因而氣隙是不均勻的，在AA處氣隙最小，即磁阻最小。定子銜鐵中套有一集中繞組，繞組兩端由專用電源加入電脈沖信號。圖2.3-2 永磁式步進電機原理圖定子繞組未通電時，電機磁路中有永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通。此磁通將使轉(zhuǎn)子磁極的軸線趨向于磁路中磁阻最小的位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在圖示位置。當電源給電機繞組加入一個脈沖時，電流方向如圖中箭頭所示，使定子兩個凸極形成圖中N、S的磁極。此時定子兩磁極與轉(zhuǎn)子兩磁極的極性相斥，轉(zhuǎn)子就以箭頭n的方向逆時針轉(zhuǎn)過約180°，直到定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極異性極相對為止。在時間t=T/2，即經(jīng)過半個周期

25、時，電源給定子繞組加入一個方向相反的負脈沖，電流方向與前相反，于是形成兩個極性與前述相反的定子磁極，于是轉(zhuǎn)子又向相同方向再向前轉(zhuǎn)過約180°。2.4.2 步進電機在空調(diào)中的應(yīng)用步進電機在空調(diào)中常用于驅(qū)動搖擺葉片。如圖2.3-3是格蘭仕分體壁掛式室內(nèi)機驅(qū)動搖擺葉片用的步進電機的內(nèi)部繞組接線原理，這是一種四相勵磁式步進電機，驅(qū)動電壓為+12V。圖2.3-3驅(qū)動搖擺葉片步進電機內(nèi)部繞組接線原理步進電機的優(yōu)點是沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低，步進電動機帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低，發(fā)熱大，有時會失步。2.5 永磁同步電機在空

26、調(diào)中的應(yīng)用2.5.1 永磁同步電機工作原理及其特點在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場，這種方法既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機。另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，這種方法既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場的電機就是永磁電機。它利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。同步發(fā)電機為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為發(fā)電機的勵磁電流。根據(jù)勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機，稱為他勵發(fā)電機，從

27、發(fā)電機本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發(fā)電機。 （1）永磁同步電動機優(yōu)缺點永磁同步電動機有以下優(yōu)點：Ø 功率因數(shù)大，效率高，功率密度大；Ø 結(jié)構(gòu)簡單、便于維護，使用壽命較長、可靠性高；Ø 調(diào)速性能好，精度高；具有良好的瞬時特性，轉(zhuǎn)動慣量低， 響應(yīng)速度快；Ø 頻率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，極限轉(zhuǎn)速和制動性能優(yōu)于其他類型的電機；Ø 采用電子功率器件作為換向裝置，驅(qū)動靈活，可控性強；Ø 形狀和尺寸靈活多樣，便于進行外形設(shè)計；Ø 采用稀土永磁材料后電機的體積小、質(zhì)量輕。但是永磁同步電動機也有以下缺點：Ø 電機造價較高；Ø 在

28、恒功率模式下，操縱較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本較高；Ø 弱磁能力差，調(diào)速范圍有限；Ø 功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；Ø 低速時額定電流較大，損耗大，效率較低；Ø 永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁材料磁場不可變，要想增大電機的功率，其體積會很大；Ø 抗腐蝕性差；Ø 不易裝配。與其他種類的電機相比突出的優(yōu)點有：Ø 和直流電機相比，沒有直流電機的換向器和電刷等缺點；

29、6; 和異步電機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；Ø 和普通同步電機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率可達到傳統(tǒng)電勵磁電機所無法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應(yīng)速度）；Ø 和開關(guān)磁阻電機（SR）相比，它沒有低速轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，早已實現(xiàn)了低速穩(wěn)定運行，因此適合快速、高精度的控制場合；Ø 和無刷直流永磁同步電機（BLDCM）相比，它在高精度伺服驅(qū)動中更有競爭力。永磁電機作為驅(qū)動電機主要以下三大優(yōu)勢：1) 轉(zhuǎn)矩、功率密度大、起動力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大

30、大提高，電機指標可實現(xiàn)最佳設(shè)計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕 30%左右。 2) 力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時，效率下降15% ，功率因數(shù)下降 30%，力能指標下降 40%。而永磁電機的效率和功率因數(shù)下降甚微，當電機只有 20%負荷時，其力能指標仍為滿負荷的 80%以上。3) 高效節(jié)能。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。永磁電機不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因數(shù)。如在25%-120%額定負載范圍內(nèi)永磁同步電機均可保持較高的效率和功率

31、因素。4) 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。用永磁材料勵磁，可將原勵磁電機中勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少，在結(jié)構(gòu)上大大簡化，改善了電機的工藝性，而且電機運行的機械可靠性大為增強，壽命增加。轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，電機溫升低，這樣也可以使整車冷卻系統(tǒng)的負荷降低，進一步提高整車運行的效率。（2）永磁同步電機的控制系統(tǒng) 永磁電機的控制技術(shù)與感應(yīng)電機類似，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時，永磁同步電機通常采用弱磁控制。2.5.2 永磁同步電

32、機在空調(diào)中的應(yīng)用永磁同步爪極自啟動同步電機凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，本勵磁線圈用直流激磁電流后，各磁極一定的極性，在相鄰的磁極交替N極和S極。永磁同步爪極式電機驅(qū)動微處理器設(shè)計要求為：1) 爪極式永磁電機可以通過使用標量或矢量控制技術(shù)控制 PMSM 電機。了解轉(zhuǎn)子位置對于高效控制 PMSM 電機非常重要。通過連接至電機的霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)式編碼器能夠檢測到轉(zhuǎn)子的位置。這些傳感器輸入用于含傳感器的反饋控制系統(tǒng)。2) 轉(zhuǎn)子位置還可通過使用反電動勢電壓信息進行估算。此反饋控制模式無需使用傳感器和附加接線。位置或速度評估器也可用于計算轉(zhuǎn)子位置。3) 可提供基于 ARM 的解決方案。這些

33、 MCU 還為傳感器的控制提供集成 ADC、特定于電機控制的 PWM 和 QEI 輸入。其基于硬件的故障檢測系統(tǒng)可更快地關(guān)閉系統(tǒng)，無需軟件干預(yù)。這些 MCU 也可用于實施標量和矢量控制技術(shù)。爪極式線性馬達的集成高速12位ADC轉(zhuǎn)換器，高分辨率的脈寬調(diào)制器（PWM）和正交編碼器輸入（QEI）適合實施讓PMSM電機控制。爪極式線性馬達內(nèi)核在短時間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)，這個MCU系列實施矢量控制技術(shù)的同時，很多電機控制的理想。圖2.3-4 永磁同步爪極同步電機典型接線原理圖永磁同步爪極自啟動同步電機常用于空調(diào)器出風柵搖擺葉片驅(qū)動。電機驅(qū)動電壓為220V/50Hz，它的定子由杯形機殼、環(huán)形單相線圈和爪

34、極片組成；轉(zhuǎn)子為具有高矯頑力的鐵氧體磁環(huán)。爪極沿圓周均勻分布，爪極對數(shù)（磁極對數(shù)）由所要求的同步轉(zhuǎn)速決定。搖擺電機爪極對數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩較大，輸出功率小，結(jié)構(gòu)簡單，無固定轉(zhuǎn)向。2.6 無刷直流電機在空調(diào)中的應(yīng)用2.6.1 無刷直流電機簡介無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信

35、號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的

36、性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標系統(tǒng)中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅?。無刷直流電機因為其無可比擬的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，因為永磁材料的出現(xiàn)，永磁無刷直流電機發(fā)展也是非常迅速，而隨著高科技技術(shù)的發(fā)展，很多高性能材料半導(dǎo)體器件的發(fā)展，GTR、MOSFET、IGBT等高性能材料也為無刷直流電機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這種無刷電機由直流電源經(jīng)過逆變器、位置監(jiān)測裝置來向電動機供電，我們這樣既保持了直流電機的優(yōu)良特性，又改善了有刷直流電機效率低、耗電多、噪音大等缺點，基于這種情況我們下面就簡單介紹一下永磁無刷直流電機工作

37、原理以及結(jié)構(gòu)特點。直流無刷電機本身是能量轉(zhuǎn)換部分，除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還會有傳感器，而永磁直流無刷電機因為采用的是永磁磁場，使無刷直流電機拜托了傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)和方式，我們現(xiàn)在向著滿足市場的要求、節(jié)約成本、環(huán)保的方向發(fā)展，當然永磁直流無刷電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是密不可分的，我國永磁資源的豐富，也代表著無刷電機未來的發(fā)展方向。2.6.2 無刷直流電機在空調(diào)中的應(yīng)用無刷直流電機在空調(diào)中的應(yīng)用主要是作為直流變頻空調(diào)的主要驅(qū)動部件之一。直流變頻空調(diào)器的工作原理是把50Hz工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，并送至功率模塊主電路，功率模塊也同樣受微電腦控制，所不同的是模塊所輸出的是電壓可變的直流電源，壓縮機使用的是直流電機，所以直流變頻空調(diào)器應(yīng)該稱為直流變速空調(diào)器。直流變頻空調(diào)