【电机-概述及分类】

第1章

重新认识电机的体系
电机包括许多种类。换个角度来看，并没有完美的电机，某种电机具有所谓A的优点，则同时就会存在所谓B的缺点，可以说适用某一用途的设计会有很多种。
下面我们将对电机这一概念进行体系性思考。

1-1 电机的定义

如果将电机表述为motor，是指令物体运动的装置，即“原动机”，但表述为电动机的话，则变成“使用电的原动机”。英文说法是electric motor。
电机是将电能转换成机械能的装置。

电动机从学术上来讲是将电力转换成动力的装置，或将电能转换成机械能的装置。图1.1的能量流程图中，左侧表示电气输入，右侧表示机械输出。有时会将电气输入简化为输入，将机械输出（动力）省略为输出。

在能量转换的流程中，输入的一部分不会变成动力，而是变成了热。
这称之为损耗（loss）。在日本，发电得到的电力约60%以上被电机使用。
为了保护地球环境，设计出损耗少的电机和对应的使用方法是非常重要的课题。
以上所讲的输入电力、输出（也称动力）及损耗之间的关系如下所示：

输入电力 = 机械输出 ＋ 损耗
表述这些量的单位为瓦特［W］。

此外，输入电力与机械输出的定义使用下面的公式表述：

输入电力［W］＝电压［V］×电流［A］
机械输出［W］＝转速［rad/s］×扭矩［Nm］
（rad称为弧度，Nm称为牛顿·米）

所谓电机的效率（efficiency）是指以百分率 （percentage）［%］表述的机械输出相对于输入电力之比。
损耗中有些是像摩擦类因机械原因导致的，但比例更大的是铜线内的损耗和铁心内的损耗。前者称为铜损（copper loss），后者称为铁损（iron loss）（参照上述的图1.1）。

1-2 电机的构成要素

电机的构成要素，大致可分为①～⑤的主要部分。

①转子（rotor）或转动体：旋转的部分
②轴承（bearing）：支持转子转轴（轴：shaft）的部分
③定子（stator）：产生使转子旋转的力的部分
④托架（bracket）或端板（end plate）：支持轴承，与定子成为一体的部分
⑤导线（lead wire）：连接到给电机供电的驱动电路或电源上的电线
定子
在以上构成要素中，与电机基本分类法关系较大的有定子和转子。定子的典型结构可列出以下4种。

A：分布式绕组定子
B：集中绕组定子
C：感应器型定子
D：永磁定子
转子
转子可分成10种：
①鼠笼式转子（squirrel-cage rotor）
②凸极笼式转子（salient-poled squirrel-cage rotor）
③半硬磁钢转子（semi-hard steel rotor）
④软钢转子（solid-steel rotor）
⑤凸极式硅钢转子（salient-poled lamination rotor）
⑥微细齿条式软钢转子（solid-steel rotor with fine teeth）
⑦永磁转子（permanent-magnet rotor）
⑧感应器型转子（inductor rotor）
⑨线圈型转子（winding rotor）
⑩整流子型转子（commutator rotor）
在分项1.3，将介绍以上列举出的定子A～D和转子①～⑩中，是以哪种组合对各种电机进行分类的。
定子和转子在不同语言中的术语：

构成电机的材料

下面简单介绍构成电机的主要元件。

（1） 电线（wire）

所谓电线，是电流的通道，也称导线（conductor）。材料一般使用铜，但也有很少的情况会使用铝。
电线分为从电源向电机供电的导线和缠绕在电机内部形成的线圈。从产生磁场的电线这一意思来看，线圈对应的英文为 magnet wire 。此外，电线的绝缘材料（后面将介绍）使用了珐琅树脂，因此，日文也称为珐琅线。
现在，绝缘材料已使用高分子材料，但仍保留了珐琅线的名称。
珐琅线的名称有电机线圈材料的意思，因此，作为与前面英文magnet wire 对应的日文来使用。

（2） 铁芯（core）

所谓铁芯，是磁通道，像字面意思那样，材料为铁。此外，用于通过磁通将2个磁铁结合起来的铁通常称为轭铁（轭铁：yoke）。
机构结构用的铁和铁芯用的铁在副成分的种类上不一样。机构结构用的铁中含有碳（C），而铁芯用的铁中添加了硅（Si），它还被称为硅钢。在电机中，铁芯分为定子铁芯和转子铁芯，通过两者之间的空隙构成磁路。构成电磁铁励磁型直流电机（后面将介绍）励磁回路的定子铁芯的磁极会通过直流进行励磁，因此，铁芯不需要采用层积构造，使用软钢。
另一方面，构成电枢电路的转子铁芯在旋转时磁通会发生变化，因此，使用的是层积铁芯。另外，小型直流电机的磁极一般会使用永久磁铁。由于均通过交流进行励磁，同步电机的定子、感应电机的定子和转子的铁芯最好使用层积铁芯。

（3） 绝缘体（材料）（insulator）

对电流进行遮断的绝缘体，防止电流流到规定场所以外，材料为绝缘材料。
一般会使用橡胶及称为珐琅的高分子化合物/树脂、纸、云母、玻璃纤维等。

（4） 永久磁铁（permanent magnet）

电机构成材料中比较重要的是作为磁场发生源的永久磁铁。也可以称为以铁为主要成分的合金或氧化物。

1-3 电机的分类

电机的种类非常多，为了便于根据用途来选择，以及向别人介绍时能够让对方明白，或者能够说到一块，有必要对电机进行合理的分类。电机的分类法有以下4种。

1、按工作电源种类：可分为直流电机和交流电机。其中交流电机还可分为单相电机（220V）和三相电机（380V）。

2、按结构和工作原理：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

3、按起动与运行方式：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4、按用途：驱动用电动机和控制用电动机。

5、按转子的结构：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6、按运转速度：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

分类的方法因看待电机的角度不同而异。上面列举出的分类方法都是站在生产者的视角来看的，并不能满足用户所需要的简单易懂和使用上的便利性。
因此，为了便于理解，本书参考上面列举出的分类，对电机重新进行了分类（直流电机 图 1.3）。后面我们将根据这种分类方法分别介绍各种电机的特征。
图中［ ］、（ ）、○里的数字表示后面介绍时段落编号。
后面将介绍各种各样的电机，如果种类太多而觉得比较混乱时，请返回直流电机 图 1.3 ，确认当前所在的位置。或者先跳过这部分直接进入第2章，阅读完全部内容后再阅读本部分。

1-3-1 直流电机

直流电机（direct-current motor）的英文可简写成 DC motor ，因此，也称为DC电机。本书中也使用直流电机这一术语。
直流电机的转矩与定子产生的磁场强度和流向转子的电流之积成正比。定子发生的励磁形成的磁束称为励磁束（field flux）。
另一方面，有时会将转子称为电枢（armature），将其电流称为电枢电流。amateur并不是业余爱好者（armature）的意思，而是产生用于发生转矩的电流的装置。
直流电机大致可分成使用永久磁铁的永磁励磁型和不使用永久磁铁的电磁铁励磁型2种。

1-3-1-1 永磁励磁型直流电机

永磁励磁型 直流电机（permanent-magnet DC motor）是使用永久磁铁的电机，包括模型用电机及汽车辅助发动机用电机等，是全球使用量最多的电机。

永磁励磁型直流电机根据电枢（转子）的形式分成以下3种。

①切槽式（slotted type）
②无槽式（slotless type）
③空心式（coreless type）
③的空心式也称为动圈型（moving-coil type）。

以上电机的详细情况及永久磁铁的种类与特性的关系，将在第2章介绍。

1-3-1-2 电磁铁励磁型直流电机

电磁铁励磁型直流电机 （winding-field DC motor）主要用于输出为1个马力（约750W）的中型以及以上的大型产品。

按照磁场线圈和电枢线圈之间的接线方式不同，还可以分成以下3种（参照图1.6）。
① 并激电机
并激电机（shunt motor）由图1.5所示的集中绕组定子和整流子转子构成，并联磁场（定子）线圈和电枢（转子）线圈
具有即使负载（施加在电机轴上的负荷）发生变动，转速也不会变化太大的特征。这种特性一般称为并激特性。

② 串激电机

串激电机（series motor）将磁场线圈和电枢线圈进行串联。
其特征是转速会随着负载变化而发生较大变化。启动时或低速时会发生较大的扭矩，负载下降时，转速提高。
这种特性一般称为串激特性。这种特性会被用于吊车、电车及升降机等特定用途。
现在已被利用变频器对感应电机及同步电机进行可变速控制的方法所取代。
这种电机如在整流子型电机（后述）中所介绍的那样，也可以利用交流电旋转。但，作为直流电机进行设计的电机，如果使用交流，铁损等损耗会增加，因此，会异常发热。
那么，通过切换磁场线圈与电枢线圈的接线可以改变成并激电机或串激电机吗？
从结论来讲，没有实用性。 这是因为，并激电机的磁场线圈缠绕了多个细电线（电阻值大），而串激电机的磁场线圈只缠绕了少量粗电线（电阻值小）。
对串激电机的磁场线圈和电枢线圈进行并激接线的话，则励磁电流会过大，导致烧毁。对并激电机的磁场线圈和电枢线圈进行串激接线的话，则励磁电流会过大，导致烧毁。
［1］-（3）-③ 他励电机
他励电机（separate-field motor）将磁场线圈和电枢线圈连接到其它电源上（图 1.6③）。
通过分别控制两个线圈的电流来获得较广范围的速度控制。