电机在生活中的应用及发展趋势..doc

黄 河 科 技 学 院

电机在生活中的应用
及发展趋势

姓名：张亚超
学号：
班级：
专业：机械设计与制造

日期：2012年12月27日

摘　要
电机（Electric machine），是机械能与电能之间转换装置的统称。转换是双向的，大部分应用的是电磁感应原理。由机械能转换成电能的电机，通常称做“发电机”；把电能转换成机械能的电机，被称做“电动机”。其余的还有其他的新型电机出现，比如超声波电机（应用压电效应），就不用电磁感应原理。电机在生活中的应用非常广泛，在家庭中一般属于驱动型电机。驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。家用电动机主要是小功率电机，家庭中凡有转动件的，都是由电机来驱动的，如：空调室内机风扇电机、室外风扇电机、空气压缩机、室内机转页电机等。家用电器的性能与所匹配的小功率电机有着直接的关系，电机的效率、功率因数、调速范围及噪声与家电的节能环保；有着密切的关系。

关键词：电机 生活 应用Error! Reference source not found.

目　录
引言 …………………………………………………………………5
一、常见电机的分类………………………………………………………5
(1)单相感应电机………………………………………………………5
(2)单相变极感应电机…………………………………………………5
(3)无刷电机……………………………………………………………6
(4)三相感应调频电机…………………………………………………6
(5)开头磁阻电机………………………………………………………6
(6)永磁同步水泵电机…………………………………………………6
二、常见家电用的电机……………………………………………………7
（1）.家用空调器用电机………………………………………………7
（2）.空调机风扇用电机………………………………………………7
（3）.电冰箱用电机……………………………………………………8
（4）.压缩机用电机……………………………………………………8
（5）.蒸发器风机用电机………………………………………………9
（6）.化霜定时用电机…………………………………………………9
（7）.电动风门用电机…………………………………………………9
（8）.洗衣机用电机……………………………………………………9
8.1波轮式双桶洗衣机用电机……………………………………9
8.2全自动波轮洗衣机用电机……………………………………10
8.3全自动滚筒式洗衣机…………………………………………10
（9）.电风扇用电机……………………………………………………10
（10）.微波炉用电机 …………………………………………………11
（11）.吸尘器用电机 …………………………………………………12
二、家电领域中小电机的发展趋势………………………………………13
三、电机的发展趋势及研究方向…………………………………………13
（1）电机高性能和轻薄短小化……………………………………… 13
（2）无刷化 ……………………………………………………………13
（3）组合化 ……………………………………………………………14
（3）其他 ………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………16

引 言
电机是家电产品中的重要零部件，电机及其控制技术的发展对家电产品的升级换代起至关重要的作用。本文中，我们将具体探讨家电电机的应用现状和发展趋势。家电电机一般采用Ｂ级或Ｆ级绝缘，应用场合十分广泛。Ｂ级绝缘电机的最高温度为１３０℃。Ｆ级绝缘的最高温度为１５５℃。对电机的性能要求往往包括在相应的家电电器中，例如，洗衣机的能耗标准就包括了对电机的效率要求。用于各种家用电器的电机，一般均为单相电机，属分马力电机的范畴。
现有各种家电电机及其特点
一、常见电机的分类
(1)单相感应电机
单相感应电机尽管各种新型电机层出不穷，目前家电产品中使用最多的仍是单相感应电机，约占市场容量的８０％以上。单相感应电机的结构简单、节能、容易生产成本低、技术成熟、没有电刷、运转噪音不大、寿命长。单相感应电机有自启动能力，但启动时冲击电流，速度与负载大小有关，效率一般，通常在５０％～６０％。罩极电机效率一般低于３０％。
(2)单相变极感应电机
单相变极感应电机在家电电机中，变极电机有一定应用，例如，在北美市场上的搅拌式洗衣机就采用了４／６极双速或４／６／８极三速电容起动电机。在中国国内的波轮式洗衣机则大部分采用４极单速电容运转电机。近年来，才开始出现由艾默生公司提供的４／６极共享绕组双速电容运转电机。长期以来，滚筒洗衣机大都采用２／１６极或２／１２极独立绕组电容运转电机。目前，单相变极感应电机正在逐渐被串激电机或三相变频感应电机所替代。
(3)无刷电机
无刷直流永磁电机（ＢＬＤＣ）无刷直流永磁电机（ＢＬＤＣ）近年来在家电电机中得到越来越多的应用，如洗衣机、空调、洗碗机等。其优点是高效率与低噪声。与电子控制器相配合可以进行无级调速。日本在采用无刷直流电机上处于领先地位，其空调及洗衣机广泛地使用ＢＬＤＣ。但由于其没有自启动能力，通常不能脱离电子控制器而单独运行。与同样必须带电子控制的开关磁阻电机、三相感应调频电机相比，控制器的价格相差不大。由于这种电机在高速运转时需要进行弱磁控制，因而其应用受到限制。
(4)三相感应调频电机
三相感应调频电机由于三相感应调频电机的生产工艺比较成熟，其运行可靠性高。但是在需要兼顾较大范围速度调节时，其高速时的力矩及低速时的效率会受到限制。
(5)开头磁阻电机
开头磁阻电机开头磁阻电机的特点是转子结构简单，既没有绕组、磁钢，也没有电刷，因此特别适宜于高速及超高速运行，其效率及力矩在大范围调速中可保持较小的变化。缺点是较难控制其噪音，其电子控制器需要特殊的设计。
(6)永磁同步水泵电机
永磁同步水泵电机的特点是泵与电机结合成一体，电机转子为两极环形永磁体，没有电子控制器，靠振动启动，旋转方向不定，效率达６０％～７０％。比传统罩极电机效率提高一倍多，代表了无电子控制器的永磁电机的发展方向
二、常见家电用的电机
（1）.家用空调器用电机
一般家用空调器有窗式、分体挂壁式和柜式3种其所用电机有压缩机电机，风扇电机，调节风向电机和电子膨胀阀电机等,除压缩机外,其他三类电机均为小功率电机1.1压缩机用电机家用空调器中压缩机用电动机额定功率一般为750～2250W压缩机是空调器的心脏,电机的定子绕组直接处于制冷剂和润滑油的混合物中所以对电机的要求很高例如起动转矩大、高效率、低噪声、耐振动和冲击，绝缘材料有较好的化学稳定性(耐氟性能)等，对于目前国内较普遍使用的定频空调器，压缩机采用单相异步电动机3匹及以上空调器则采用三相异步电动机。这类电动机在起动时电流较大、效率较低、最大不足之处是转速不能调节，无法实现快速制冷(或热)室内温度保持恒定是依赖频繁通断电动机来实现，变频空调器可分为交流变频空调器和直流变频空调器。我国市场上大部分产品为交流变频空调器，交流变频空调器的压缩机用的变频电机是三相异步电动机应用变频控制技术控制电动机的转速，使压缩机的制冷量连续可调，空调器的各项性能指标比定频空调器高。例如：可实现软起动，起动电流小，可在低电压下运行(如170V)，可快速制冷(或热);在夜间压缩机低速运行,噪声大为降低，减少电动机通断次数等。产品上了一个档次交流变频空调器可分为二种结构：一种是与定频空调器一样的用毛细管节流；另一种是用步进电机控制的电子膨胀阀节流与压缩机相配合,能精确控制制冷剂流量,以达到控制温度,精度高的目的,直流变频空调器,其压缩机和风机采用无刷直流电动机,同时也用步进电机控制电子膨胀阀节流与交流变频空调器相比较,噪声更低,电机效率高,节能更显著,制冷(或热)更快,是当前性能最好的空调器[1]。
（2）.空调机风扇用电机
室外机风扇电机:主要采用YDK系列空调用单相电容运转钢壳电机，该系列电动机采用钢壳结构，有双轴伸和单轴伸输出，一般额定功率为15～120W。为分体式空调器室外机、柜式空调器和窗式空调器用风机配套而设计的，具有噪音低、可靠性好等特点。室内机风扇电机:主要采用YYW系列空调用单相电容运转塑封电机，一般额定功率为540W。该系列电动机采用特殊的结构设计及工艺技术，使用较好散热性和绝缘性的阻燃塑封材料，将绕线定子整体塑封作而成。该电机具有噪音低、振动小、防潮性好、重量轻、体积小、温升低、可靠性好等特点。该系列电机采用抽头调速或PG测速调压调速两种结构，是家用空调等理想的配套产品室内机转叶电机。主要采用低极式永磁步进电机,由于其结构简单、成本低、便宜、小型化等特点,而广泛应用于空调器领域目前风扇用电机较多采用单相电容运转电动机,有铁壳、铝壳和塑封3种结构。对室内风扇，为了调节风量，常选用抽头调速电动机，也有采用霍尔元件测速闭环调速。对直流变频空调器，多采用无位置传感器的无刷直流电动机驱动风扇，可进行无级调节风量，我国这类电动机功率为几十瓦1.3空气导向装置用电机和换气用电机在窗式和部分分体式空调器室内机组中,采用永磁同步电动机或步进电动机来驱动空气导向装置，进行室内气流方向调节，在要求高的空调器中，用无刷直流电动机作动力的换气风扇,把室内空气通过专门管道排出室外，室外新鲜空气自然吸入，增加室内清新空气改善了原来空调房内由于空气不清新对人们带来不适的感觉。
（3）.电冰箱用电机
压缩式电冰箱的制冷原理与空调器基本相同，电机主要用在压缩机，蒸发器和化霜控制等部分。
（4） .压缩机用电机
家用电冰箱压缩机用电机的要求与空调器相同输出功率为65～250W,一般采用单相异步电动机，为了达到节能和快速制冷，降低噪声等要求。近几年发展了变频电冰箱，压缩机采用无刷直流电动机。
（5）.蒸发器风机用电机
电机驱动风扇使空气流过蒸发器，沿着一定线路进入箱内，使箱内冷空气强制循环，风扇风机为单相罩极异步电动机或单相电容运转电动机，输出功率仅几瓦。
（6）.化霜定时用电机
对自动化霜控制的电冰箱，用带有减速器的永磁同步电动机来周期控制压缩机运行，以达到自动化霜的目的，电动机输出功率一般为10W以下。
（7）.电动风门用电机
电动风门是无霜电冰箱的关键部件之一。无霜电冰箱中的温度控制，主要是通过控制流向各贮藏室中的冷空气流量来控制温度的，而电动是风门通过电脑控制来调节冷气流的流量的。由R134a(R12)为制冷剂的无霜电冰箱，其电动风门采用单相异步电动机驱动例如单相罩极异步电动机，额定功率为12W。由R600a为制冷剂的无霜电冰箱，其电动风门采用直流步进电动机驱动。
（8）.洗衣机用电机
洗衣机的类型较多，现以在我国家使用较多的波轮式和滚筒式洗衣机用电机来进行介绍。
8.1波轮式双桶洗衣机用电机
双桶洗衣机有洗涤桶和脱水桶。洗涤桶用单相电容运转电动机作动力,通过皮带减速带动波轮旋转,且频繁正反转洗涤衣服,电动机额定功率为90～280W。脱水桶也用单相电容运转电动机作动力，只需单方向作高速旋转摔去衣服中水份，电动机额定功率为75～140W。洗涤定时器和脱水定时器常用机械式、电子式或电动式三种。对电动式定时器，则采用单相永磁同步电动机或单相罩极异步电动机作动力源。
8.2全自动波轮洗衣机用电机
全自动波轮洗衣机的洗涤桶与脱水桶套在一起，分为内桶和外桶，使用1台单相电容运转异步电动机实现洗涤与脱水2个功能，即通过控制离合器，分别带动波轮或脱水桶来完成。电动机额定功率为120～250W。全自动洗衣机的程控器有二类，一是电机式程控器，由微型永磁同步电动机作定时器动力;二是先进的微电脑式程控器。
8.3全自动滚筒式洗衣机
这类洗衣机由电动机带动滚筒旋转进行衣服洗涤和脱水。电动机多采用变极双速单相异步电动机，例如2/12极，洗涤时用12极定子绕组，低速运转，脱水时用2极定子绕组，高速运转。也有采用单相串激电动机另外，为了缩短排水时间，一般采用离心式排水泵进行排水。在有烘干功能的滚式洗衣机中，还装有鼓风机洗衣机电机是带负载正反转频繁起动。所以要求起动转矩和最大转矩都更大。近年，变频技术在洗衣中逐步得到应用，使转速连续可调，成为1 台变频洗衣机。用外转子无刷直流电动机直接驱动方式，去除了传统的齿轮或皮带减速机构，使机械噪声和电磁噪声大为减少;它的电机轴线与洗衣机中心轴线重合，有利洗衣机平衡，运行稳定，不摆动。由于转速可调洗衣机对不同质地衣服实现不同转速的洗涤和脱水，衣服洗得更干净，磨损得到改善。另外无刷直流电动机的效率比单相异步电动机高得多并可实现软起动，起动电流小节约能源。有的也采用变频控制开关磁阻电动机替代单相异步电动机，这种洗衣机具有结构简单、效率高和运行可靠等优点。可见，变频洗衣机是发展方向洗衣机中的定时器用电机采用单相永磁同步电动机。
（9）.电风扇用电机
电风扇是靠电机驱动风叶旋转，使空气加速流动以改善人体与周围空气环境，起到通风凉爽的的电器，家用电风扇按结构可分为台扇、吊扇、换气扇、转页扇，近几年又出现了空调扇(即冷风扇)等；而且目前许多电风扇应用电子技术和微电脑技术正向多功能舒适和高档方向发展，但其主要动力--电机基本上是一样的台扇用电机，台扇用电机多采用单相电容运转电动机输入功率为32～85W，为降低成本，风叶直径较小的台扇也有用单相罩极异步电动机，为了适应人的舒适要求电动机采用电抗器，绕组抽头和电子线路等调速吊扇用电机:采用单相电容运转电动机，全封闭外转子结构输入功率为75～100W这种电机极数为1416或18等转速较慢，以达到安全目的电机采用有多个抽头的电抗器与转换开关进行调速转页扇用电机，转页扇的风扇一般采用单相电容运转电动机驱动，通常用绕组抽头来进行调整转页扇风叶前百叶窗式的导向轮，即格栅,利用导风轮的旋转而改变风向与各方向的风力该导风轮由单相永磁同步电动机经减速后驱动空调扇(即冷风扇)用电机:这种风扇比普通风扇吹出的风温度低，它的原理是，单相罩极异步电动机或单相永磁同步电动机带动水(或冰水)帘布向上缓慢移动再由单相电容运转电动机驱动风扇把水帘布周围有一定湿度的空气吹出这冷风在大热天使人感觉舒适，气候越干热，吹出冷风效果越显著，因有一定湿度，还有净化空气的作用暖风器用电机:暖风器又称热风器，工作时室内冷空气被风扇背后吸入并经电热元件加热后吹出，达到取暖目的。风扇电机多采用单相罩极异步电动机，一般额定功率为25～40W。有的取暖器在底部安装带有减速器的单相永磁同步电动机，使取暖器能左右往复回转,适合多人或大范围取暖。
（10）.微波炉用电机
家用微波炉是利用频率2450MHz的电磁波来加热食物的厨房器具。微波炉的工作原理是磁控管阴极发射的电子向阳极运动过程中，受磁控管内永磁铁产生轴向磁场的作用，这样电子在电场力和磁场力双重作用下做摆线运动，在谐振腔中振荡而产生2450MHz的微波此微波经波导输入炉腔，加热食物。鼓风机用电机：磁控管在工作时要产生高热需要用鼓风机来冷却,降低温度。鼓风机由单相罩极异步电动机和风扇组成。鼓风机不仅冷却磁控管，也冷却变压器且将热风导入炉腔加热食物，提高了热能利用率，同时也使炉腔蒸汽及烟排出。搅拌器用电机，搅拌器的作用是使炉腔内微波场均匀，从而使得食物均匀加热。搅拌器是用导电性能好、强度高的合金板制成风叶，并由单相罩极异步电动机带动旋转,不断改变对微波的反射角度,以改善炉腔内微波场的分布,从而使食物受热均匀。有的微波炉的炉腔内侧还有小型排风扇,起排风和搅拌作用转盘用电机。有的微波炉不用搅拌器，而在炉腔底部装上转盘，转盘带动食物旋转，相对改变微波场的分布，使食物本身均匀加热。该转盘采用单相永磁同步电动机经齿轮减速驱动,一般转速为5～10r/min定时器用电机：微波炉多采用电动式定时器，采用带减速器的单相永磁同步电动机。功率控制器用电机:有的微波炉的功率控制器与定时器共用1台单相永磁同步电动机驱动。通过功率控制器旋钮带动凸轮轴等机构来控制功率控制器开关的闭合,提供不同档次功率的选择。
（11）.吸尘器用电机
吸尘器按结构可分为立式、卧式和便携式。吸尘器的工作原理是，利用电动机带动叶片高速旋转，在密封的壳体内产生空气负压，吸取尘屑。对电动机的要求是转速高、转矩大和体积小。家用吸尘器电动机采用单相串激电动机，输入功率100～1200W 转10000～30000r/min。该串激电动机比一般用途的单相串激电动机的机械特性硬些，使得在风路状况发生变化即电动机负载在较大范围变化时，电动机转速变化不大，也就是能保持吸尘器有较好的吸尘性能。便携式吸尘器、车用吸尘器采用永磁直流电动机，便携式吸尘器由干电池供电，额定电压为3V或6V：车用吸尘器由车载蓄电池或发电机供电，额定电压为12V或24V。单相串激电动机和有刷永磁直流电动机的噪声很大，并产生电磁干扰，其噪声达95dB（A）。这是吸尘器最大缺点，所以应用无刷直流电动机替代是发展趋势[2]。
二、家电领域中小电机的发展趋势
家用电器作为耐用消费的一个主要支柱，在世界各国的经济发展中占有越来越重要的地位，这一产业为许多工业国经济发展的腾飞发挥着重要作用。近年来以家用电器为支柱的电子、电气技术得到了高速发展和广泛的应用，它推动着人类生活和生产技术的进程.电机-作为家用电器机电能量转换的核心驱动执行部件，广泛应用于家用电器领域，电机的性能指标有的直接决定了家用电器的性能，也同样决定了家用电器的使用寿命。各类家用电器用小电机的未来发展趋势根据小电机的使用用途的不一致，也不尽相同，手机、BP机等通讯类器具电机、电动玩具电机要求向小型化，薄型化方向发展。计算机外设、办公自动化设备用小电机的发展方向是高速化、高可靠性、低噪声、低振动、长寿命，如硬盘驱动用主轴电机，高速旋转时，执行读写功能的磁头与盘片只有0.1 0.3微米高，光盘驱动器(CDROM)用主轴电机要求在额定负载条件下工作5000个小时，激光打印机电机转速高达1000～3000r/min分，空调、洗衣机、电冰箱、吸尘器等，家用电器用小电机的发展方向是节能性、低噪声、智能化[2]。
三、电机的发展趋势及研究方向
家电电机产品正在向高性能、轻薄短小化、永磁化、无刷化、机电一体化、智能化和组合化发展。
（1）电机高性能和轻薄短小化
主要是指传统电机产品性能的提高和产品尺寸的缩小。如果电机产品采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。
（2）无刷化
主要指发展无刷直流电机，以提高产品的可靠性和寿命。无刷电机已经广泛应用于家用电器，例如在变频空调器中采用无刷直流电机替代异步电动机，效率可明显提高。
（3）组合化
主要是为了适应市场对小型化要求，将角度传感器、速度传感器、电动机、减速器和制动器等根据不同用途组合成一体，发展单元产品，作为整机的一个独立的功能组件或部件，或者发展直接驱动和直线驱动产品。
例如整机采用电机转子直接作为驱动元件，省掉了中间的传动机构，不但使其结构简化，又可以提高系统精度。
（4）其他
电机生产技术向集约化、柔性化、自动化、专业化以及生产协作配套网络化发展。“柔性”可以克服以多品种小批量为特点的微电机生产组织上的困难，生产方式集约化、生产自动化和专业化、生产协作配套网络化则可以使以大批量生产为特点的微电机实现规模化经济。此外，电机的设计会有效地利用系统软件把设计分析、设计综合、优化紧密地联系起来，还将信息管理、图形显示、专家系统等有机地联系起来，构成一个新的集成软件体系，计算越来越精确。
电机效率的提高对家电产品用能的减少有决定性作用，因此，在中国“十一五”规划提出单位国内总产值能源消耗降低２０％左右的目标的大背景下，如何使电机效率更高更节能，已经成为电机发展最重要的方向。国家发展和改革委员会编制的中期能源节约规划中已经将永磁电机视为节能推广产品。产各种永磁无刷直流电机和交流变频电机。他们不但积累了经验而且也打开了国外市场。有专家认为，随着国家能效标识管理制度的不断完善，市场对高效电机产品会逐渐接受，对于空调用电机的替代将会有步骤地进行。高效电机的替代有望首先在空调压缩机电机上进行。与单相异步电机相比，永磁无刷直流电机在相同的额定功率和额定转速下，假设单相异步电机的体积、重量和原材料为１００％，永磁无刷直流电机的体积为３８％，重量为３４．８％，用铜量为２０．９％，用铁量为３６．５％，效率提高１０％以上。此外，永磁无刷直流电机还可以根据用户使用要求，做成外转子或内转子结构。对于今后永磁无刷直流电机的发展，也有专家表示，为了尽可能提高效率，永磁无刷直流电机永磁体采用烧结钕铁硼。中国具有丰富的钕铁硼永磁材料资源，因此前景看好。广东威灵电机制造有限公司的技术人员告诉记者，三相感应调速电机的功率较大，因此更适用于洗衣机电机，而直流无刷永磁电机不容易实现大功率，则适合用在空调风扇上。据了解，目前空调风扇用电机还主要是单相异步电机。从生产角度来说，单相异步电机可分为塑封和铁壳两种。据三江电机有关技术人员介绍，由于塑料不可以降解，不利于环保回收，容易遇到贸易壁垒。企业技术人员均表示，单相异步电机产品已经没有太多创新，未来将是直流无刷永磁电机的天下。相对于空调用电机，洗衣机电机领域的新技术应用相对较多。从洗衣机技术来看，目前洗衣机电机有单相电容运转电机、单相异步电机、变极双速单相异步电动机、单相串激电动机、三相感应调速电机、直流无刷永磁电机等几种。据艾默生（中国）电机有限公司有关负责人介绍，在未来市场中，三相感应调速电机和直流无刷永磁电机都将成为未来的发展方向，据悉，三相感应调速电机具有噪声较小、寿命较串激电机长，可靠性高的优势。直流无刷永磁电机则可用于不同类型的洗碗机，洗衣机和空调中，由于其高效率，市场占有率将会不断提高。而且工艺较串激电机和三相感应调频电机简单一些。
参考文献
[1] 燕来荣 . 在现代家用电器中电机的应用和商机[J].电器技术,65
[2] 燕来荣 . 在现代家用电器中电机的应用和商机[J].电器技术,66
[3] 燕来荣 . 在现代家用电器中电机的应用和商机[J].电器技术,68

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