有没有想过电机如何旋转？涉及哪些基本要素？如何控制？直流有刷电动机已经上市很长时间了，它们仅在直流电源/电池上就很容易旋转，而感应电动机和永磁同步电动机则需要复杂的电子学和控制理论来有效地旋转它们。在我们了解什么是直流电动机或其他类型的电动机之前，了解线性电动机（最基本的电动机）的操作非常重要。这将帮助我们了解电动机旋转背后的基本原理。
我是电力电子和电机控制工程师，下一个博客将涉及电机控制。但是，在深入研究电动机控制之前，有一些主题需要理解，我们将在本文中进行介绍。
- 直线电机的操作
- 电机的类型及其历史
- 显着性
- 定子与转子之间的磁通相互作用
直线电机的操作
作为电力电子工程师，我对电动机的运行了解不多。我读了许多笔记，书籍和推荐的视频。在我再次提到基本的机电能量转换定律–法拉第和洛伦兹力定律之前，我很难理解一些电动机及其控制方式。我们将花一些时间来理解这些法律。你们中有些人可能已经知道了，但是再次经历它们是一件好事。您可能会学到新东西。
法拉第定律
法拉第感应定律指出了导线线圈的通量和其中感应的电压之间的关系。
e（t）=-dφ/ dt…（1）
其中 Φ 表示线圈中的磁通量。这是用于推导电动机电气模型的基本方程式之一。在实际的电动机中不会发生这种情况，因为线圈将由分布在空间中的许多匝组成，并且我们必须考虑通过这些匝中每一个的磁通量。术语磁链（λ）表示与所有线圈相关的总磁通，由下式给出
Φ Ñ 表示具有N联的通量次线圈和N是匝数。可以将线圈描述为串联配置的N个单匝线圈。从而，
λ=Nφe （t）=-dλ/ dt =-Ndφ/ dt
负号通常归因于伦茨定律。
伦茨定律陈述如下：如果线圈中的磁通量发生变化，则会在线圈中感应出EMF（电动势）。 EMF的极性是这样的：如果在电阻两端分流电阻，则流入其中的电流将与感应该EMF的通量变化相反。
让我们通过放置在磁场（B̅）中的导体（棒）向下理解到纸面的角度来理解伦茨定律，如上图所示。施加的力F使杆水平移动，但杆始终与水平导体接触。外部电阻器R用作分流器以允许电流流动。因此，该装置的作用就像带有电压源（感应电动势）和电阻器的简单电路一样。随着与B̅相连的面积的增加，与该回路相连的通量也在变化。根据法拉第定律（大小由通量的变化速度决定）和伦兹定律（确定极性，使感应的电流与通量的变化相反），在电路中感应出一个电动势。
右手拇指法则将帮助我们了解电流的方向。如果我们在感应电流的方向上弯曲手指，那么拇指将通过感应电流给出所产生磁场的方向。在这种情况下，为了抵抗由于B̅场而引起的磁通量的增加，我们需要在纸面外形成一个场，因此电流将沿逆时针方向流动。结果，端子A比端子B更正。从负载的角度来看，随着输出磁通的增加，正电动势会增加，因此我们将方程写为
e（t）= dλ/ dt
从负载的角度来看，在编写此方程式时，请注意我们已经忽略了负号。（当我们开始处理电机时也会出现类似的情况）。最终的电路将采用下图的形式。即使讨论的情况是发电机，我们还是从电动机角度使用了符号约定，下图所示的极性是正确的。（当我们继续进行电动机操作时，它将变得很明显）。
我们可以计算得出的EMF如下。1匝线圈（在这种情况下为导体）将产生以下的磁链：
其中A表示回路的面积，l是导体的长度，v是由于施加的力使杆运动的速度。
由上式可知，EMF的大小与导体的速度成正比，与外部电阻无关。但是外部电阻将确定维持速度所需的力（因此需要电流）。该讨论以洛伦兹法的形式继续进行。
洛伦兹法
我们将首先检查方程式，然后尝试理解它。
F = q （E + Vc x B）
它指出，当电荷粒子q在电磁场中以v c的速度运动时，它会受到作用力。在电动机中，电场E是无关紧要的。从而，
F = q Vc。乙
如果磁场在导体的整个长度上且与导体垂直并随时间恒定，则可以将以上等式写为：
F = q dx / dt。B ＝ dq / dt。X 。B = il B =B。升
它表明作用在电荷上的力与电流成正比。
回到第一幅图，我们已经看到，施加的外力会感应出一个EMF，而EMF会在一个电阻器中感应出电流。电阻中的所有能量都以热量的形式消散。应该满足能量守恒定律，因此我们得到：
F 。v = e 一世
该方程式表示机械能如何转换为电能。这种布置称为线性发电机。
我们最终可以检查一下电动机如何运行，即电能如何转换为机械能。在下图中，我们用电路的集总电阻代替了外部电阻，现在有一个外部电压源提供电流。在这种情况下，我们将观察到洛伦兹定律赋予的力（F DEVELOPED）。力的方向可以通过如下所示的右手法则来确定
这就是线性电动机的工作方式。所有电动机均源自这些基本原理。您会发现许多详细的文章和视频，它们描述了有刷直流电动机，无刷电动机，PMSM电动机，感应电动机等的运行情况。因此，再撰写一篇描述该运行情况的文章是没有意义的。这是一些有关不同类型的电动机及其操作的良好教育视频的链接。
汽车史
- 从历史上看，已经广泛使用了三种类型的电动机-电刷换向器直流电动机，同步电动机和感应电动机。许多应用要求变速，直流电动机已被广泛使用。但是1958年左右晶闸管的推出和晶体管技术改变了这一状况。
- 开发了有助于高效速度控制应用的变频器。晶体管器件可以任意打开和关闭，并允许PWM操作。较早开发的基本控制方案是感应电机的V / f驱动器。
- 同时，永磁体开始取代励磁线圈以提高效率。逆变器与正弦波永磁电机一起使用可消除电刷，从而提高电机的使用寿命和可靠性。
- 接下来的主要步骤是控制这些无刷机器。1900年之前，法国的安德烈·布朗德尔（Andre Blondel）引入了双反应理论（或dq理论）。该理论与复杂的空间矢量相结合，可以在瞬态和稳态下精确地对机器建模。第一次，电气和机械量可能相互关联。
- 感应电动机直到1960年才发生很大变化。两个德国人– Blaschke和Hasse进行了一些关键的创新，从而导致了现在著名的感应电动机矢量控制。矢量控制处理感应电动机的瞬态模型，而不是稳态。除了控制电压幅度与频率之比外，它还控制相位。这有助于将感应电动机用于具有高动态特性的速度控制和伺服应用中。
- 无传感器算法是控制这些电机的下一个重要步骤。矢量控制（或磁场定向控制）要求知道转子位置。较早使用昂贵的位置传感器。根据电动机模型估算转子位置的能力使电动机无需任何传感器即可运行。
- 从那以后几乎没有变化。电机设计及其控制或多或少保持不变。
自上个世纪以来，汽车一直在发展。电子技术帮助他们在各种应用中使用。这个世界上使用的大部分电力都被电机消耗了！
不同类型的电动机
可以用许多不同的方式对电动机进行分类。我们将看一些分类。
这是最一般的分类。关于交流和直流电动机存在很多困惑，因此必须区分两者。让我们遵循以下约定：需要“在其端子处”使用交流电源的电动机称为交流电动机，而可以在“在其端子处”使用直流电源的电动机称为直流电动机。“在其端子处”很重要，因为它消除了使用哪种电子设备来运行电动机。例如：无刷直流电动机实际上不能直接在直流电源上运行，并且需要电路。
可以根据电源和换向对电动机进行分类-有刷或无刷，如下所示
尽管我没有深入研究上述任何一种电动机的电动机设计-我要处理两个重要的主题-转子磁通与定子磁通的显着性和相互作用。
显着性
电机参数（例如转矩产生和电感）的方面受电机的磁性结构（在永磁电机中）影响。而这方面最基本的就是显着性。凸度是磁阻随转子位置变化的量度。只要磁阻在转子的每个位置都是恒定的，则该机器称为非凸极。如果磁阻随转子位置而变化，则该机器称为凸极。
为什么显着性很重要？因为凸极电机现在可以有两种产生扭矩的方法。我们可以利用电动机的磁阻变化来产生磁阻转矩和磁转矩（由磁体产生）。如下图所示，通过增加磁阻转矩，我们可以在相同电流下获得更高的转矩水平。IPM（内部永磁体）电机就是这种情况。（有些电动机纯粹是靠磁阻效应工作的，但我们这里不再讨论它们。）下一个主题将帮助您更好地理解磁链和凸度。
（注：下图中的“角度超前”是指定子电流与气隙磁通之间的相位差。）
转子与定子之间的磁通相互作用
电机中的磁通从转子穿过气隙到达定子，然后再次通过气隙回到转子，从而完成磁场回路。在该路径中，磁通会遇到不同的磁阻（磁阻）。叠片（钢）具有由于高μ的非常低的磁阻- [R （钢的相对磁导率是在几千的范围内），而空气间隙具有非常高的磁阻（μ - [R约等于1）。
整个钢上产生的MMF（磁通势）非常小，因为与气隙相比，它的磁阻可以忽略不计。 （电路的模拟是：电压源（磁铁）通过电阻器（气隙磁阻）驱动电流（通量）。连接到电阻器的导体（钢）的电阻非常低，我们可以忽略电压降（MMF下降）。因此，定子和转子钢的结构影响可忽略不计，整个MMF沿有效气隙磁阻发展（磁通路径中的任何有色金属材料的相对磁导率都等于气隙的相对磁导率） 。气隙长度与转子直径相比可以忽略不计，可以安全地假定来自转子的磁通量垂直于定子。由于缝隙和齿，会产生边缘效应和其他非线性，但是在对机器建模时通常会忽略这些效应。 （在设计机器时，您不能忽略它们）。但是，气隙中的磁通不仅由转子磁通（在永磁电机的情况下为磁铁）给出。定子线圈中的电流也有助于磁通量。这两个磁通的相互作用将决定作用在电动机上的转矩。并且将描述该术语的术语称为有效气隙磁链。这个想法不是进入数学并推导方程，而是要拿走两点：但是，气隙中的磁通不仅由转子磁通（在永磁电机的情况下为磁铁）给出。定子线圈中的电流也有助于磁通量。这两个磁通的相互作用将决定作用在电动机上的转矩。并且将描述该术语的术语称为有效气隙磁链。这个想法不是进入数学并推导方程，而是要拿走两点：但是，气隙中的磁通不仅由转子磁通（在永磁电机的情况下为磁铁）给出。定子线圈中的电流也有助于磁通量。这两个磁通的相互作用将决定作用在电动机上的转矩。并且将描述该术语的术语称为有效气隙磁链。这个想法不是进入数学并推导方程，而是要拿走两点：
- 当整个MMF穿过气隙时，我们只关心气隙中的通量。
- 气隙中的有效磁链是由于定子电流和转子磁通（磁铁）引起的，它们之间的相互作用会产生转矩。
上图显示了不同类型电机的转子和定子。 找出其中哪些是显着的，哪些不是显着的，将是很有趣的？
注意：在每一个这些电动机的两个轴被标记的- d和Q（q轴是磁轴和d轴是电垂直于它）。在以后的文章中，我们将回到D和Q轴。对于以上问题并不重要。
回答：
A，B，C –非凸极，D，E，F，G，H –凸极（磁体影响不同转子位置的磁阻，见下图，在J，K中-转子和定子均非凸极。
至此我们将结束本文。本来可以讨论更多的数学和机器建模，但是在这里变得太复杂了。我们已经介绍了了解电动机控制所需的大多数主题。接下来的系列文章将直接涉及磁场定向控制（FOC），空间矢量调制（SVM），磁通弱化以及所有实际的硬件和软件方面，一旦开始设计控制器，您可能会陷入其中。