晶闸管电动机发明过程

电动机使用了通电导体在磁场中受力的作用的原理(这是不同于电流的磁效应的说法，现行人教版八年级物理明确把二者分开)，发明这一原理的的是丹麦物理学家奥斯特1777年8月14日生于兰格朗岛鲁德乔宾的一个药剂师家庭。1794年考入哥本哈根大学，1799年获博士学位。1801~1803年去德、法等国访问，结识了许多物理学家及化学家。1806年起任哥本哈根大学物理学教授，1815年起任丹麦皇家学会常务秘书。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。

1829年起任哥本哈根工学院院长。1851年3月9日在哥本哈根逝世。他曾对物理学、化学和哲学进行过多方面的研究。由于受康德哲学与谢林的自然哲学的影响，坚信自然力是可以相互转化的，长期探索电与磁之间的联系。1820年4月终于发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应。同年7月21日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。

1812年他最先提出了光与电磁之间联系的思想。1822年他对液体和气体的压缩性进行了实验研究。1825年提炼出铝，但纯度不高。在声学研究中，他试图发现声所引起的电现象。他的最后一次研究工作是抗磁性。他是一位热情洋溢重视科研和实验的教师，他说:"我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，所有的科学研究都是从实验开始的"。因此受到学生欢迎。他还是卓越的讲演家和自然科学普及工作者，1824年倡议成立丹麦科学促进协会，创建了丹麦第一个物理实验室。1908年丹麦自然科学促进协会建立"奥斯特奖章"，以表彰做出重大贡献的物理学家。1934年以"奥斯特"命名CGS单位制中的磁场强度单位。1937年美国物理教师协会设立"奥斯特奖章"，奖励在物理教学上做出贡献的物理教师。

1821年法拉第完成了第一项重大的电发明。在这两年之前，奥斯特已发现如果电路中有电流通过，它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到启发，认为假如磁铁固定，线圈就可能会运动。根据这种设想，他成功地发明了一种简单的装置。在装置内，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机，是第一台使用电流将物体运动的装置。虽然装置简陋，但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。

这是一项重大的突破。只是它的实际用途还非常有限，因为当时除了用简陋的电池以外别无其它方法发电。

现代电源绝大多数是交流电。在交流电源供电的场合，一般是先 把交流电经可控整流变成直流电，然后再馈电给晶闸管直流电机。这种系统称做晶闸管电机交-直-交系统。但是也可以不经过直流中间环节,直接用交-交变频器(见变频电路)把电源频率的交流电变成电机所需频率的交流电,以代替整流-逆变电路,构成交流晶闸管电机(图2)。这种系统又称无换向器电机交-交系统。交-交系统所用的半导体元件数量较多，耐压要求也比较高。但它的所有晶闸管元件都直接接于交流电源，可以利用电源电压交变出现电流为零的时刻关断晶闸管。其晶闸管换流可靠，不受输出频率的影响，具有良好的起动特性。尤其是在低速运行时，通过适当地控制变频器各晶闸管的触发相位，可使变频器的输出电压和电流波形比较接近于正弦波，从而显著减少低次谐波分量，降低电机的损耗，减少振动和噪声。交流晶闸管电机具有良好的低速特性。它特别适宜于用作牵引电机、大型轧钢电机等对起动转矩要求较高的场合。

它是同步电动机的一种变频调速的特殊形式。晶闸管电动机可简单地通过改变电 机的输入电 压或励磁电流对电机进行大范围的无级调速。由于没有换向器，所以晶闸管电动机又称无换向器电动机。根据电源电流制的不同，晶闸管电动机分为直流晶闸管电动机和交流晶闸管电动机。直流晶闸管电动机实际是大功率的无刷直流电动机，其逆变器由晶闸管组成。由于晶闸管没有自关断能力，故通常利用同步电动机的反电动势进行换流。电机起动和低速运行时，电机的反电动势很小，为解决这种情况下的换流问题，通常采用电流断续法或采用交流晶闸管电机(交-交系统)，利用电源电压进行换流。在交流电源供电的场合，一般先把交流电经可控硅整流为直流电，然后馈电给晶闸管直流电机。这种系统称为晶闸管电机交-直-交系统。也可不经过直流中间环节，直接用交-交变频器把电源频率的交流电变成电机所需频率的交流电，以代替整流-逆变电路，构成交流晶闸管电机。分类直流晶闸管电动机

实际是大功率的无刷直流电动机，其逆变器由晶闸管组成。由于晶闸管没有自关断能力，故通常利用同步电动机的反电动势进行换流。图1b中所示为同步电动机反电动势的波形。假定在换流以前晶闸管A、Z导通，电流经由晶闸管A→a相绕组→c相绕组→晶闸管Z流通。当希望电流由晶闸管A 转移到晶闸管B时 ，只要在ea>eb的任何时刻，例如图1b中的s点,由转子位置检测器所产生的触发信号使晶闸管B导通即可，这时在两个导通的晶闸管A、B和电机a、b二相绕组中就会出现短路电流iSL,其方向如图1a中箭头所示。当短路电流iSL达到原来通过晶闸管A的负载电流Ia时,晶闸管A就会因流过的实际电流下降到零而关断，负载电流就全部转移到晶闸管B,从而完成a、b二相之间的换流。根据理论分析，要顺利完成换流，必须保证电机的输入相电流超前于相电压。这只有在同步电机里才有可能实现。因为异步电机磁化电流的关系，它的输入相电流滞后于相电压，不能满足上述利用反电动势换流的要求。利用反电动势换流的另一个问题是电机起动问题。当电机起动和低速运行时,电机的反电动势很小，甚至没有。此时,利用反电动势换流是不可能的。为解决晶闸管电机低速运行时的换流问题，实用上有二种办法:一种是采用电流断续法;另一种是采用交流晶闸管电机(交-交系统)，利用电源电压进行换流。所谓电流断续法换流，就是每当晶闸管需要换流的时刻，先设法把逆变器的输入电流下降到零,使逆变器的所有晶闸管均暂时关断;然后再给换流后应该导通的晶闸管加触发脉冲。于是在断流后重新通电时，电流将根据所加触发信号流经这些应该导通的晶闸管，实现从一相到另一相的换流。实现断流需要一定的时间，故电流断续法换流仅适用电机转速较低、频率较低的场合。当频率升高，反电动势增大时，就需要采用反电动势换流。

一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

(一)定子(静止部分)

1、定子铁心

作用:电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

构造:定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种:

半闭口型槽:电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

半开口型槽:可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽:用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

2、定子绕组

作用:是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

构造:由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种:(保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘)。

(1)对地绝缘:定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

(2)相间绝缘:各相定子绕组间的绝缘。

(3)匝间绝缘:每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线:

电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1(U1)、2(V1)、3(W1)，下排三个接线桩自左至右排列的编号为6(W2)、4(U2)、5(V2)，.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

3、机座

作用:固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

构造:机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

(二)转子(旋转部分)

1、三相异步电动机的转子铁心:

作用:作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造:所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

2、三相异步电动机的转子绕组

作用:切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造:分为鼠笼式转子和绕线式转子。

(1)鼠笼式转子:转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

(2)绕线式转子:绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

特点:结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

(三)三相异步电动机的其它附件

1、端盖:支撑作用。

2、轴承:连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖:保护轴承。

4、风扇:冷却电动机。

二、直流电动机采用八角形全叠片结构，不仅空间利用率高，而且当采用静止整流器供电时，能承受脉动电流和快速的负载电流变化。直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反

转的自动控制技术中。根据用户需要也可以制成带串励绕组。中心高100~280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315~450mm的电动机带有补偿绕组。中心高500~710mm的电动机外形安装尺寸及技术要求均符合IEC国际标准，电机的机械尺寸公差符合ISO国际标准。

微型电动机的线圈通常是由很细的铜丝绕成，耐电流的能力较差。当电机负载较大或电机卡住时，流过线圈的电流会快速增加，同时电机温度急剧升高，铜丝绕阻极易被烧毁。如

果能够在电动机线圈中串接高分子PTC热敏电阻，则会在电机过载时提供及时的保护功能，避免电机被烧毁。通常的保护电路如下图。热敏电阻通常被至于线圈的附近，这样热敏电阻更易于感受温度，使保护更加迅速有效。用于初级保护的热敏电阻通常选用耐压等级较高的KT250型热敏电阻，用于次级保护的热敏电阻通常选用耐压等级较低的KT60-B、KT30-B、KT16-B及片状电机。

电动机的寿命与绝缘劣化或是滑动部的摩耗、轴承的劣化等造

成的功能障碍等各项要素有关，大部分视轴承状况而定。轴承的寿命如下述，有机构寿命、润滑油寿命二种。轴承的寿命

1、润滑油因热劣化的润滑油寿命

2、运转疲劳造成的机械寿命

电动机在绝大部分的情况下，因发热对于润滑油寿命的影响更甚于加在轴承上的负载重量对机械寿命的影响。因此，以润滑油寿命推算电动机寿命，对润滑油寿命影响最大的要因是温度，温度大幅地影响了寿命时间。

(1)选择晶闸管的类型:晶闸管有多种类型，应根据应用电路的具体要求合理选用。

若用于交直流电压控制、可控整流、交流调压、逆变电源、开关电源保护电路等，可选用普通单向晶闸管。

若用于交流开关、交流调压、交流电动机线性调速、灯具线性调光及固态继电器、固态接触器等电路中，应选用双向晶闸管。

若用于交流电动机变频调速、斩波器、逆变电源及各种电子开关电路等，可选用门极关断晶闸管。

若用于锯齿波发生器、长时间延时器、过电压保护器及大功率晶体管触发电路等，可选用BTG晶闸管。

若用于电磁灶、电子镇流器、超声波电路、超导磁能储存系统及开关电源等电路，可选用逆导晶闸管。

若用于光电耦合器、光探测器、光报警器、光计数器、光电逻辑电路及自动生产线的运行监控电路，可选用光控晶闸管。

2.选择晶闸管的主要参数:晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定。

所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定峰值电压和额定电流(通态平均电流)均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流1.5~2倍。

晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路(指门极的控制电路)的各项要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工作。

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(TT国外，TTS国内)和光控晶闸管(LTT)等多种。

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。(备注:高频不能等同于快速晶闸管)

这种拖动装置的直流电源是利用晶闸管整流器的直流电压向提升电动机供电，所以又称。电动机的电枢和磁场均可由晶闸管整流器供电，因为该整流器的直流电压可通过触发延迟角均匀调节，电动机的转速便可以得到均匀改变而达到无级调速。