1.1 电动机类型

电动机是一个集电、磁、机械、力、热等能量于一体的复杂物理实体，电动机的研究是一个多物理域内的研究工作。本书从控制与应用的角度入手，主要对电动机的变频调速相关内容进行阐述。

从组成材料上来说，电动机包含导磁材料（如构成铁心的硅钢片）、导电材料（主要是铜、铝等材料）、绝缘材料（如直流电动机换向片之间的云母、漆包线的外层漆、线圈与铁心之间放置的环氧）等。

从运动形式上来说，有静止式的电动机——变压器，还有运动式的电动机，后者又可以分为旋转运动与直线运动的电动机。

从结构上来说，电动机包含有定子与转子两大部分。有的电动机定子在外侧，转子在内侧；而有的电动机则正相反。有的电动机定、转子只有一套，而有的电动机定子或者转子则有两套。

电动机种类繁多，分类方法也是多种多样。大部分情况下可以按照电动机工作时所需的是直流电还是交流电分为直流电动机与交流电动机，如图1-1所示。

直流电动机根据励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机以及采用两套励磁绕组的复励直流电动机。电动机的励磁源可以是电励磁，也可以是永磁体励磁，近年来出现了两者的混合励磁。

交流电动机大体上可以分为交流异步电动机与交流同步电动机。前者负载运行时，电动机转子速度与定子绕组产生的旋转磁场的速度不相等，又称为感应电动机，有笼型转子式交流异步电动机与绕线转子式交流异步电动机之分。两者的不同之处在于转子的结构，后者通过改变转子回路参数可以获得较好的起动与调速特性。交流同步电动机稳定运行时，转子速度始终与气隙旋转磁场速度保持同步。交流同步电动机按转子结构的不同可分为凸极式与隐极式电动机，按照励磁方式的不同则可以分为电励磁、永磁式同步电动机和近年来出现的混合励磁型同步电动机。

随着现代电子技术的发展出现了一些结构与传统电动机结构大不相同的新型电动机，如步进电动机（Stepper Motor）、开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，SRM）等。这些电动机在工作时必须配以相应的电子装置从而构成电子式的电动机，例如配备有位置传感器以及电子换向器的无刷直流电动机（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）。从内部运行规律来说，BLDCM属于交流同步电动机。

永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）出现于20世纪50年代。永磁同步电动机的运行原理与普通电励磁同步电动机相同，但它以永磁体励磁替代励磁绕组励磁，使电动机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出现问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性。由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的工作效率。早期的研究主要是围绕固定频率供电的永磁同步电动机，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。在工频电源供电条件下，永磁同步电动机无自起动能力，一般通过在转子上安装阻尼绕组，依靠其产生的异步转矩，将电动机起动并加速到接近同步转速，然后由永磁体产生的磁阻转矩和同步转矩将PMSM牵入同步。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20世纪70年代，永磁同步电动机开始应用于交流变频调速系统。逆变器供电的永磁同步电动机与直接起动的电动机基本相同，但一般不加阻尼绕组。PMSM的典型结构如图1-2所示，主要部件是定子铁心、定子线圈、永磁体、转子铁心和轴等。

依靠连续的转子位置信息，控制好定子绕组的正弦波电流，PMSM理论上可获得平稳转矩。随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件的进一步发展和改进，加上永磁电动机研究和开发经验的逐步成熟，目前永磁同步电动机正向大功率（超高速、大转矩）、高性能化、微型化和智能化方向发展。

表1-1给出了不同类型电动机的特点。