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中秋國慶快樂，接著寫,。 一,、基本原理 電機是電能和機械能轉(zhuǎn)換的裝置,。電能由電壓和電流代表,，機械能則是力矩和速度。機械能通過轉(zhuǎn)子軸輸出或輸入,。一般電能轉(zhuǎn)換為機械能叫電動機或電機,，機械能轉(zhuǎn)換為電能叫發(fā)電機。如上是通過主工作模式定義的,，實際上電動機也可以工作在發(fā)電模式,，反之亦然，如新能源汽車主驅(qū)電機有個制動回收模式,，就是工作在發(fā)電模式,。工作模式通過力矩和速度的方向定義，如下,，
能量轉(zhuǎn)換通過磁場完成,，磁場中磁力線趨向于走最短路徑，因此產(chǎn)生磁力,。 磁力作用在轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生力矩,。根據(jù)力產(chǎn)生的機理，可以分為洛倫茲力（Lorentz force）和磁阻力（Reluctance force）兩種,。 洛倫茲力 在磁場中帶電導(dǎo)體產(chǎn)生洛倫茲力,，通過左手定則確定力、磁場,、電流三者間的關(guān)系,。（安培力和洛倫茲力本質(zhì)相同相同，安培力是針對宏觀導(dǎo)體,，洛倫茲力是針對電荷） F=B*i*L; 如果磁場與導(dǎo)體不垂直,，夾角為α
，產(chǎn)生的力修正為 F=B*i*L*sin α;
在電機中,，電機定子繞組放置在氣隙磁場中,，由上可知只有徑向磁場中才能產(chǎn)生切向的力，使轉(zhuǎn)子繞軸旋轉(zhuǎn),。假設(shè)定子導(dǎo)體數(shù)為N,，徑向磁場Br，電機長度L，半徑R,，則力矩為
由上公式可知,，力矩由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通Br、定子電流及轉(zhuǎn)子尺寸決定,。電機設(shè)計完成后,，導(dǎo)體數(shù)與轉(zhuǎn)子尺寸確定，Br轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子磁鏈,，定子電流根據(jù)安培環(huán)路定律,，可以產(chǎn)生磁場強度H，根據(jù)B-H曲線可以轉(zhuǎn)換為磁場密度,，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為定子磁鏈,。因此，力矩也是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的叉乘,。
下面以電流和磁鏈的叉乘解釋力矩,。
在αβ坐標(biāo)系中，
下圖解釋力矩與磁鏈與電流關(guān)系,，其中灰色的區(qū)域表述力矩,。當(dāng)兩者垂直時力矩最大，平行時,，力矩為零,。
磁阻力 磁阻力是通過磁阻的變化產(chǎn)生的，與洛倫茲力不同,。這種力趨向于使磁路中總磁阻最小,，如下圖
電感定義為電流產(chǎn)生磁鏈的能力，x表述電感與位置相關(guān),。與電阻相似,，雖然由如下公式計算，實際卻是由磁路結(jié)構(gòu)決定的（飽和情況下磁路改變）,。
根據(jù)電機電壓公式及電功率約等于機械功率F*V,，可知，
旋轉(zhuǎn)磁場建立 直流電機通過機械換向保證定轉(zhuǎn)子磁場正交,。交流電機,，如同步電機、異步電機則需要通過建立空間旋轉(zhuǎn)磁場才能保證電機連續(xù)轉(zhuǎn)動,?？臻g場的方向代表最大值所在的位置，長度則代表場的幅值和相位,。場的幅值可能是隨時間變化的,，在電機穩(wěn)定運行時則是恒定值,。這里空間場很容易與電壓電壓電流的矢量混淆，矢量可以理解為與時間相關(guān),，空間矢量則與空間位置有關(guān),。 通過三相對稱線圈，施加相位差120°正弦電流（矢量）,，可以合成幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場是定子控制里比較有意思的地方,。教科書上有完整的推導(dǎo)過程
這里不抄公式了，簡單理解如下,。假設(shè)單相線圈,，施加如圖方向正弦電流，則產(chǎn)生正交正弦磁鏈Ψs1,；如果是三相線圈,，各自產(chǎn)生正交的Ψs2,，Ψs3,。三相線圈空間上相差120°放置。因為線圈是靜止的,，所以各自產(chǎn)生的磁鏈也是靜止的,。
如果三相線圈中也通三相相差120°的正弦電流，則三相合成的磁鏈為幅值恒定,，旋轉(zhuǎn)頻率與三相電流頻率相同,。靜止合成空間旋轉(zhuǎn)。 反電動勢 電機控制中另外一個關(guān)鍵是發(fā)電動勢,，是建立電壓方程的關(guān)鍵,。在磁場中運動的帶電導(dǎo)體，除了會產(chǎn)生力,，也會在體中感應(yīng)出電壓,，電壓與磁感應(yīng)強度B和運動速度成正比。如果導(dǎo)體閉合,，則會產(chǎn)生電流,。不自覺就會想到鼠籠式異步電機。 如果連接到電壓源上,，如下圖
考慮線圈損耗,，則 ?? = ?? ? ?? + dΨ d?? = ?? ? ?? + ?? ? d?? d?? + ??i 磁鏈隨時間變化的導(dǎo)致的電壓降可以分為兩部分：與自感L相關(guān)部分及運動導(dǎo)致的部分。 在實際電機中,，一般轉(zhuǎn)子建立磁場,，定子線圈在轉(zhuǎn)子磁場中，由于相對運動,，在定子線圈中產(chǎn)生電壓,。這個電壓與繞組上施加的電壓相反,，所以叫做反電動勢，縮寫EMF,。反電動勢與轉(zhuǎn)子選擇速度成正比,，隨著轉(zhuǎn)速升高，用于產(chǎn)生電流部分的電壓減小,，直到電壓用盡,。如果想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，就需要弱磁,，減小反電動勢,。 二、位置傳感器 定子電流需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場來調(diào)節(jié),，所以知道轉(zhuǎn)子位置很重要,。 下面介紹常用的傳感器。 光電編碼器
如上是通過光的透射,，及轉(zhuǎn)盤上交替的齒狀部分實現(xiàn)位置的檢測,。不過這種方式只能檢測相對位置或者速度。如果要檢測絕對位置,，則需要在轉(zhuǎn)盤上通過孔洞物理編碼,，一般用格雷碼，這樣檢測部分就能讀出絕對位置,。絕對光編復(fù)雜度提高了不少,。 磁編碼器基于磁阻變化，感應(yīng)出與速度成比例的電壓,。這種方式也不能測量絕對位置,。
另外一種重要的位置傳感器是旋轉(zhuǎn)變壓器，能夠測量絕對位置,，而且比較可靠,，目前新能源汽車的主驅(qū)主要采用旋變。旋變由三個線圈組成,，兩個靜止的正交線圈及一個隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的線圈,。如果在旋轉(zhuǎn)線圈中通高頻交流電壓，則在靜止的兩項繞組中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的電壓,。通過測量靜止線圈中電壓就能解析出轉(zhuǎn)子的位置,。
轉(zhuǎn)子通電比較麻煩，可以把轉(zhuǎn)子線圈更換為能產(chǎn)生正弦磁阻變化的轉(zhuǎn)子,。在激勵線圈中通高頻電流,，在反饋繞組中解析轉(zhuǎn)子位置。
當(dāng)然也可以采用無傳感器算法,，通過電機模型,、參數(shù)及測量的電壓電流,，計算出轉(zhuǎn)子位置。 三,、控制方法 矢量控制 矢量控制的關(guān)鍵思想是通過坐標(biāo)變換,，簡化模型。在一個平面上,，可以通過一組正交坐標(biāo)軸表示全部點,，所以三相電機存在冗余，可以通過變化簡化為兩相電機,。這就是克拉克變換,。為了進(jìn)一步簡化控制，實現(xiàn)像直流電機一樣控制,，消除旋轉(zhuǎn)的影響,，這時以轉(zhuǎn)子磁場與坐標(biāo)系，則可以實現(xiàn)該想法,。這就是帕克變換,。整個過程如下
一般以U相磁場為直軸，定義靜子坐標(biāo)系,。轉(zhuǎn)子磁場在該方向時角度為零,。
貼一下公式
有一個點是C的選擇。如果選擇2/3,，則是等幅值變換；如果是 FOC（Field-oriented control） FOC通過坐標(biāo)把交流電流當(dāng)成直流電機控制,，在完成控制后，再轉(zhuǎn)換為實際的物理量執(zhí)行量輸出,。因為變化過程中用到電機參數(shù),，所以參數(shù)會影響控制精度。
DTC（Direct torque control ） DTC是另外一種矢量控制方法,。測量電壓電流用于估計磁鏈和力矩,，估計值與命令值比較后,，進(jìn)行滯環(huán)控制。只有超過定義的誤差,，才需要改變控制狀態(tài),。滯環(huán)與查表結(jié)合直接改變開關(guān)狀態(tài)，因此不需要電流環(huán)及PWM調(diào)制,。這種控制的一個問題是開關(guān)頻率會變化,，如果硬件不能滿足的話就會影響控制。有論文提出可以使用固定開關(guān)頻率的方法,。
四,，其他 損耗 電機主要損耗分為銅損和鐵損。銅損與電流的平方成正比,，代表導(dǎo)體熱損耗,。鐵損分渦流損耗和磁滯損耗。渦流本質(zhì)和反電動勢原理相同,，只是在磁鋼中感應(yīng)出來的電壓,，在電機中是有害現(xiàn)象，一般通過薄的磁鋼片來減??；磁滯則與B-H曲線相關(guān)，直觀理解為包圍的面積與磁疇摩擦相關(guān),。
鐵損的公式如下：一般a=1.1~1.9,；b=1.6~3.
效率 一般情況下，可以粗略地參考如下圖來泛泛了解不同電機之間的效率,。
絕緣材料 電機線圈中的熱點溫度是電機設(shè)計和控制的關(guān)鍵量?，F(xiàn)代電機一般用逆變器控制器，方波PWM電壓給線圈絕緣材料帶來更大的電壓應(yīng)力,。NEMA (National Electrical Manufacturers Association)標(biāo)準(zhǔn)定義了不同絕緣等級的最高工作溫度,。
由Arrhenius定律可知，電機溫度每上升10℃,，壽命減少一半,。因此絕緣材料不超過最大允許工作溫度對于對于壽命很關(guān)鍵。例如A級材料運行在180℃,，壽命只有300小時,，F(xiàn)級材料則有8500小時。 生命無常,，得去醫(yī)院“值班”,。為了結(jié)束，后面寫簡單了,。順了一份動圖作為結(jié)束,，起碼眼看著電機轉(zhuǎn)起來了,。
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