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    電機的分類(lèi)及應用

    來(lái)源:子昂電機維修 日期:2023-09-23 17:43:09

    很多工程師長(cháng)期都沒(méi)有弄清楚無(wú)刷電機和有刷電機有什么區別?同步電機和異步電機有什么區別?伺服電機是否都是交流電機?伺服電機是否都是同步電機?步進(jìn)電機屬于直流電機還是交流電機?舵機是否屬于伺服電機等等……


    您是否對此也有很多疑惑?本文將嘗試用通俗的語(yǔ)言來(lái)解釋系統性的知識,希望讀完能讓您對電機的分類(lèi)有一個(gè)清晰的理解。


    直流電機——有刷電機

    讀過(guò)中學(xué)物理的學(xué)霸學(xué)渣都知道,為了研究通電導體在磁場(chǎng)受力的那點(diǎn)事,我們把左手都練成了斷掌,這也正是直流電機的原理。

    所有電機都是由定子和轉子組成,在直流電機中,為了讓轉子轉起來(lái),需要不斷改變電流方向,否則轉子只能轉半圈,這點(diǎn)就像自行車(chē)腳踏板。

    所以直流電機需要換向器。

    廣義的直流電機包括有刷電機和無(wú)刷電機。

    有刷電機又稱(chēng)直流電機或碳刷電機,常說(shuō)的直流電機就是指有刷直流電機,它采用機械換向,外部磁極不動(dòng)內部線(xiàn)圈(電樞)動(dòng),換向器和轉子線(xiàn)圈一起旋轉,電刷和磁鐵都不動(dòng),于是換向器和電刷摩擦摩擦,完成電流方向的切換。


    有刷電機缺點(diǎn):

    1、機械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短。

    2、可靠性差、故障多,需要經(jīng)常維護。

    3、由于換向器存在,限制了轉子慣量,限制了最高轉速,影響了動(dòng)態(tài)性能。

    既然它這么多缺點(diǎn)為什么還被普遍應用,因為它扭力高、結構簡(jiǎn)單容易維護(即換碳刷)、便宜。


    直流電機——無(wú)刷電機

    無(wú)刷電機在某些領(lǐng)域也稱(chēng)直流變頻電機(BLDC),它采用電子換向(霍爾傳感器),線(xiàn)圈(電樞)不動(dòng)磁極動(dòng),此時(shí)永磁鐵可以在線(xiàn)圈外部也可以在線(xiàn)圈內部,于是有了外轉子無(wú)刷電機和內轉子無(wú)刷電機之分。


    無(wú)刷電機構造與永磁同步電機相同。

    不過(guò),單個(gè)的無(wú)刷電機不是一套完整的動(dòng)力系統,無(wú)刷基本必須通過(guò)無(wú)刷控制器也就是電調的控制才能實(shí)現連續不斷的運轉。

    真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電子調速器(也就是電調)。

    一般地,無(wú)刷電機的驅動(dòng)電流有兩種,一種是方波,另一種是正弦波。

    有時(shí)候把前一種叫直流無(wú)刷電機,后一種叫交流伺服電機,確切地講是交流伺服電動(dòng)機的一種。(視頻傳送門(mén))

    無(wú)刷電機的運轉方式不同,有可以分為內轉子無(wú)刷電機和外轉子無(wú)刷電機。

    內轉子都是三相的 ,價(jià)格較貴。

    外轉子通常使用的是單相的,價(jià)格親民,大批量生產(chǎn)已經(jīng)接近碳刷電機,因此近年來(lái)得到廣泛應用。

    外轉子三相的價(jià)格已經(jīng)接近內轉子的價(jià)格。 

    嗯,猜都能猜到,有刷電機的缺點(diǎn)就是無(wú)刷電機的有點(diǎn)。

    它具有高效率、低能耗、低噪音、超長(cháng)壽命、高可靠性、可伺服控制、無(wú)級變頻調速(可達很高轉速)等優(yōu)點(diǎn),它相對比有刷直流電機體積小的多,控制比異步交流電機簡(jiǎn)單,啟動(dòng)轉矩大過(guò)載能力強,至于缺點(diǎn)嘛……就是比有刷的貴、不好維護。

    直流電機——調速原理

    直流電機的調速:所謂調速,即通過(guò)調節電機轉速獲得所需扭矩。

    直流(有刷)電機通過(guò)調節電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調速,但是實(shí)際以調節電壓方便也常用,目前主要使用PWM調速,PWM其實(shí)就是通過(guò)高速的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現直流的調壓,一個(gè)周期內,開(kāi)的時(shí)間長(cháng),平均電壓就高,關(guān)的時(shí)間長(cháng),平均電壓就低,調起來(lái)很方便,只要開(kāi)關(guān)速度夠快,電網(wǎng)的諧波就少,且電流更為連續。

    但是電刷和換向器長(cháng)期磨損,同時(shí)在換向的時(shí)候有巨大的電流變化,非常容易產(chǎn)生火花,換向器和電刷限制了直流電動(dòng)機的容量和速度,使得直流電動(dòng)機的調速遇到了瓶頸。


    對于無(wú)刷直流電機,調速的時(shí)候表面上只控制了輸入電壓,但電機的自控變頻調速系統(無(wú)刷直流電機本身自帶轉子位置檢測器等轉子位置信號獲取裝置,使用此裝置的轉子位置信號來(lái)控制變壓變頻調速裝置的換相時(shí)刻)自動(dòng)根據變壓控制了頻率,用起來(lái)和直流(有刷)電機幾乎一樣,非常方便。

    由于轉子采用永磁體,不需要專(zhuān)門(mén)的勵磁繞組,在同等容量的情況下,電機體積更小,重量更輕,效率更高,結構更緊湊,運行更可靠,動(dòng)態(tài)性能更好,在電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)等方面都獲得了廣泛的應用。

    三相交流電機——異步電機

    交流電機分為同步電機和異步電機,同步電機多用于發(fā)電機,異步電機多用于電動(dòng)機。

    電機的外殼是定子,定子上有三相對稱(chēng)交流繞組,由于三相電順序變化,形成一個(gè)旋轉的合成磁場(chǎng),磁場(chǎng)的旋轉速度就是同步轉速。

    同步轉速n=60f/p,f是頻率,p是極對數,比如對于接入國家電網(wǎng)50Hz的2極電動(dòng)機(即極對數為1對),那么轉速n=60*50/1=3000r/min。

    同理,4極,6極,8極電機同步轉速為1500,1000,750  。

    異步電機機構簡(jiǎn)單,轉子為閉合線(xiàn)圈,比如鼠籠式。

    轉子線(xiàn)圈將切割旋轉磁場(chǎng),產(chǎn)生感應電動(dòng)勢,進(jìn)而產(chǎn)生感應電流,最后產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng),這樣轉子就變成了一個(gè)電磁鐵,將跟隨定子磁場(chǎng)旋轉,所以轉子的轉速必然<定子的旋轉磁場(chǎng),這樣才能切割磁感線(xiàn)。

    即轉子的異步轉速<同步轉速,轉子與定子磁場(chǎng)存在轉速差,所以稱(chēng)之為異步電機。

    不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的異步電機額定轉速略有差異,2極電機約2800+r/min,4極,6極,8極異步約為1400+,950+,700+。

    異步電機空載時(shí)轉速高,有負載時(shí)轉速下降。

    異步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單,維護方便,運行可靠?jì)r(jià)格便宜,得到廣泛應用。


    三相交流電機——同步電機

    同步電機:

    如果讓轉子速度=定子磁場(chǎng)旋轉速度,就成為了同步電機,此時(shí)就需要把定子變成一個(gè)電磁鐵或永磁鐵,即給定子通電,此時(shí)不需要再切割磁感線(xiàn)就能旋轉,旋轉速度與磁場(chǎng)旋轉速度相同,即形成同步電機。      

    同步電機轉子結構比異步電機復雜,價(jià)格高,在生產(chǎn)生活中應用不如異步電機廣泛,主要用作發(fā)電機上,現在火電站,水電站、汽輪機、水輪機基本都是同步電機。


    三相交流電機——異步電機的調速

    異步電機的調速:理論上異步電動(dòng)機控制交流電頻率、電壓、或者轉子的電阻、電機的磁極分布都可以調速,但是實(shí)際上實(shí)現無(wú)極調速用調節頻率和電壓的方法實(shí)現。

    由于調壓調速范圍不大,一般只能用在調速要求不高的場(chǎng)合,應用并不廣泛。      

     變頻調速:說(shuō)到變頻,大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

    變頻調速的全稱(chēng)是變壓變頻調速(VVVF),也就是在改變頻率的時(shí)候改變電壓,這樣異步電動(dòng)機的調速范圍就足夠大了。

    變頻器可以分為兩個(gè)大類(lèi):交交變頻和交直交變頻。

    交-交變頻:將交流電直接通過(guò)電力電子器件變換為另一個(gè)頻率的交流電,最高輸出頻率不能超過(guò)輸入頻率的一半,所以一般只用在低轉速、大容量的系統中,可以省去龐大的齒輪減速箱。

    交-直-交變頻器將交流電先整流變成直流,再通過(guò)逆變器變成可控頻率和電壓的交流,配合PWM技術(shù),這種變頻器可以實(shí)現大范圍的變壓變頻。

    對于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)講,異步電動(dòng)機皮實(shí)耐用,過(guò)載能力強,控制算法又如此成熟,完全可以拿來(lái)用。


    三相交流電機——同步電機的調速

    同步電機的調速:同步機沒(méi)有轉差率,在結構確定的情況下,控制電壓不能改變轉速,所以在變頻器出現之前,同步電動(dòng)機是完全不能調速的。

    變頻器的出現讓交流同步電動(dòng)機也有了巨大的調速范圍,因其轉子也有獨立勵磁(永磁體或者電勵磁),其調速范圍要比異步電動(dòng)機更寬,同步電動(dòng)機煥發(fā)了新的生機。       

    同步電動(dòng)機變壓變頻調速系統可以分為他控變頻調速和自控變頻調速。

    對于他控變頻調速,和異步電動(dòng)機的變頻調速類(lèi)似,也可以根據其數學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來(lái)實(shí)現控制,其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動(dòng)機。

    自控變頻同步電動(dòng)機在發(fā)展過(guò)程中曾經(jīng)有多種名字,比如無(wú)換向器電機;當采用永磁體且輸入三相正弦波時(shí),可以稱(chēng)為正弦波永磁同步電動(dòng)機;而如果輸入方波,那么就可以稱(chēng)為梯形波永磁同步電動(dòng)機,沒(méi)錯,這就是類(lèi)似于之前說(shuō)的的無(wú)刷直流機(BLDM),大家是不是感覺(jué)饒了個(gè)大圈有轉回去了,但是你現在對于變頻變速的理解一定更深一步了,所以無(wú)刷直流電機時(shí)采用直流輸入,但是使用了同步電機的變頻技術(shù)(結構與永磁同步電機相同),在Model3上就采用了直流無(wú)刷電機。


    單相交流異步電機——單相交流串勵電機(有刷)

    單相交流串勵電動(dòng)機,俗稱(chēng)串勵電機或通用電機(UniversalMotor國外叫法,因交直流通用而得名),電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)在一起工作。

    單相串勵電動(dòng)機又叫做交直流兩用串勵電動(dòng)機,它既可以使用交流電源工作,也可以使用直流電源工作。

    單相串勵電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)是由于它轉速高、起動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、不容易堵轉、適用電壓范圍很廣,可以用調壓的方法來(lái)調速,簡(jiǎn)單且易于實(shí)現。

    因而在電動(dòng)工具中得到廣泛的應用,如角磨機、手電鉆等。

    單相串勵電機的結構同直流串勵電機十分相似,主要的區別在于單相串勵電機的定子鐵心必須由硅鋼片疊壓而成,而直流的磁極既可以由疊壓而成,又可以做成整體結構。

    單相串勵電機的調速,大多數采用調節電壓的方法,就是改變電動(dòng)勢。

    單相串勵電機的電壓調速方法采用的可控移相調壓,利用可控硅的觸發(fā)電壓滯后于輸入電壓實(shí)現對輸入電壓的移相觸發(fā)。

    在實(shí)現方法上有硬件和軟件方式。

    采用調節電壓方法,采用可控硅調速技術(shù),具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單,元件體積小等特點(diǎn),是一種可控硅簡(jiǎn)單有效的方法。


    (a)交流電流變化曲線(xiàn);

    (b)電流為正半波時(shí),轉子的旋轉方向  

    (c)電流為負半波時(shí),轉子的旋轉方向

    單相交流異步電機——單相交流鼠籠式電機(無(wú)刷)

    單相電流通過(guò)電樞繞組時(shí)產(chǎn)生的是脈振磁場(chǎng)而不是旋轉磁場(chǎng),所以單相異步電動(dòng)機不能自起動(dòng)。

    為了解決起動(dòng)問(wèn)題,單相交流供電的異步電動(dòng)機實(shí)際上往往做成兩相的。

    主繞組由單相電源直接供電;副繞組在空間上與主繞組差90°(電角度,等于機械角度被電動(dòng)機磁極對數除)。

    副繞組串聯(lián)電容或電阻后再接到單相交流電源,使其中通過(guò)的電流和主繞組中的電流有一定的相位差。

    使合成磁場(chǎng)成橢圓形旋轉磁場(chǎng),甚至可能接近于圓形旋轉磁場(chǎng)。

    電動(dòng)機因此獲得起動(dòng)轉矩。

    利用電阻分相方法的電動(dòng)機價(jià)格低廉,例如副繞組用較細的導線(xiàn)繞制即可,但分相效果較差,且電阻上要消耗能量。

    這種電動(dòng)機在起動(dòng)并達到一定轉速后,通常由裝在電動(dòng)機軸上的離心式開(kāi)關(guān)將副繞組自動(dòng)切除,以減少電阻上的損耗、提高運行效率。

    一般用于起動(dòng)轉矩要求不高的場(chǎng)合,如小型車(chē)床、小型電冰箱等,缺點(diǎn)是不能調速速。

    利用電容分相,效果較好,有可能在電動(dòng)機某一工作點(diǎn)時(shí),使電機合成磁場(chǎng)接近于圓形旋轉磁場(chǎng),從而獲得較好的工作特性。

    為使分相異步電動(dòng)機獲得較好的起動(dòng)性能或較好的運行特性或兩者兼有,其所需的電容(量值)是不同的,可分為三種


    步進(jìn)電機——開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機

    (開(kāi)環(huán))步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频拈_(kāi)環(huán)控制電機,應用極為廣泛。

    在非超載的情況下,電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號,它就驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱(chēng)為“步距角”,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。

    可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度,從而達到調速的目的。(視頻傳送門(mén))

    步進(jìn)電機是一種感應電機,它的工作原理是利用電子電路,即驅動(dòng)器,將直流電變成分時(shí)供電的多相時(shí)序控制電流。

    步進(jìn)電機雖然由直流電流供電,但是不能理解為直流電機,直流電機是將直流電能轉換為機械能的動(dòng)力電機,而步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频拈_(kāi)環(huán)控制電機。


    步進(jìn)電機——步進(jìn)伺服對比

    注意步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合--每分鐘轉速不超過(guò)1000r/min,最佳工作區間是150~500r/min,(閉環(huán)步進(jìn)可達1500)。

    2相步進(jìn)電機在60~70r/min容易出現低速共振現象,產(chǎn)生振動(dòng)和噪音,需要通過(guò)改變減速比、增加細分數、添加磁性阻尼器等方式避免。

    細分精度注意事項,當細分等級大于4后,步距角的精度不能保證,精度要求高,換用相數更多(即步距角更?。┑牟竭M(jìn)電機或閉環(huán)步進(jìn)、伺服電機。

    (開(kāi)環(huán))步進(jìn)電機與伺服電機的7不同:

    A控制精度——伺服電機控制精度可以根據編碼器設置,精度更高;

    B低頻特性——步進(jìn)電機低頻容易振動(dòng),伺服電機不會(huì );

    C矩頻特性——步進(jìn)電機隨轉速提高力矩變小,所以其最高工作轉速一般在<1000r/min,伺服電機在額定轉速內(一般3000r/min)內都能輸出額定力矩,在額定轉速以上為恒功率輸出,最高轉速可達5000 r/min;

    D過(guò)載能力——步進(jìn)電機不能過(guò)載,伺服電機最大力矩可過(guò)載3倍;

    E運行性能——步進(jìn)電機為開(kāi)環(huán)控制,伺服電機時(shí)閉環(huán)控制;

    F速度響應——步進(jìn)電機啟動(dòng)時(shí)間0.15~0.5s,伺服電機0.05~0.1,最快可0.01s達到   額定3000r/min;

    G效率指標——步進(jìn)電機效率約60%,伺服電機約80%;

    實(shí)際使用中會(huì )發(fā)現:伺服電機貴,貴出很多,所以同步電機應用更廣泛,特別是在定位精度要求不是很高的同步帶傳動(dòng)、平帶輸送機等場(chǎng)合經(jīng)常使用步進(jìn)電機。


    步進(jìn)電機——閉環(huán)步進(jìn)電機

    閉環(huán)步進(jìn)電機:除了開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機,還有在電機尾部添加了編碼器,可以實(shí)現閉環(huán)控制的步進(jìn)電機。

    步進(jìn)電動(dòng)機的閉環(huán)控制是采用位置反饋和(或)速度反饋來(lái)確定與轉子位置相適應的相位轉換,可大大改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機的性能。

    沒(méi)有失步現象的伺服系統。

     閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機的優(yōu)勢:

    1.高速響應,相對于服電機,閉環(huán)步進(jìn)對定位指令具有非常強的跟隨性,因此定位時(shí)間非常短。在頻繁啟停的應用中,可顯著(zhù)縮短定位時(shí)間。

    2.比普通伺服產(chǎn)生更大的扭矩。彌補普通步進(jìn)系統失步、低速振動(dòng)不足。

    3.在100%負載情況下也可可產(chǎn)生高扭矩,無(wú)失步運行,無(wú)需像普通步進(jìn)系統一樣考慮扭矩損失等問(wèn)題。

    4.應用閉環(huán)驅動(dòng),效率可增到7.8倍,輸出功率可增到3.3倍,速度可增到3.6倍。

    可得到比開(kāi)環(huán)控制更高的運行速度,更穩定、更光滑的轉速。

    5.步進(jìn)電機停止時(shí)會(huì )完全靜止,無(wú)普通伺服的微振動(dòng)現象。

    需要低成本、高精度定位的場(chǎng)合,可取代通用伺服系統的應用。


    步進(jìn)電機——步進(jìn)閉環(huán)伺服對比

    閉環(huán)步進(jìn)電機根據負載大小自動(dòng)調節繞組電流大小,發(fā)熱和振動(dòng)小于開(kāi)環(huán)步進(jìn),有編碼器反饋所以精度高于普通步進(jìn)電機,電機響應比開(kāi)環(huán)步進(jìn)慢比伺服電機快,運行過(guò)程中存在位置誤差,誤差會(huì )在指令停止后數毫秒逐漸降低。

    高速力矩比開(kāi)環(huán)步進(jìn)大,常見(jiàn)應用在0-1500rpm場(chǎng)合。


    總結:閉環(huán)步進(jìn)電機具有低成本、高效、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)停止微振動(dòng)、高剛性、無(wú)整定、高速、高動(dòng)態(tài)響應等特點(diǎn),是替代高成本伺服系統、低端開(kāi)環(huán)步進(jìn)系統等性?xún)r(jià)比最高的解決方案


    伺服電機——普通伺服電機

    伺服電機(servo motor)也叫執行電機,可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。

    與步進(jìn)電機原理結構不同的是,伺服電機由于把控制電路放到了電機之外,里面的電機部分就是標準的直流電機或交流感應電機。

    伺服電機靠脈沖來(lái)定位,伺服電機接收到1個(gè)脈沖,就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度。

    電機每旋轉一個(gè)角度,編碼器都會(huì )發(fā)出對應數量的反饋脈沖,反饋脈沖和伺服驅動(dòng)器接收的脈沖形成閉環(huán)控制,這樣伺服驅動(dòng)器就能夠很精確的控制電機的轉動(dòng),從而實(shí)現精確的定位。


    伺服電機的控制:一般工業(yè)用的伺服電機都是三環(huán)控制,即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán),分別能反饋電機運行的角加速度、角速度和旋轉位置。

    芯片通過(guò)三者的反饋控制電機各相的驅動(dòng)電流,實(shí)現電機的速度和位置都準確按照預定運行。      

    交流伺服具備額定轉速下力矩恒定的特點(diǎn),常見(jiàn)200W,400W低中慣量交流伺服額定轉速為3000rpm,最高轉速5000rpm,轉速高。

    力矩與電流成正比,可以工作在力矩模式,例如鎖螺絲,壓端子等需要恒定力矩的場(chǎng)合。

    交流伺服工作噪音振動(dòng)極小,發(fā)熱低。

    同體積下電機慣量轉子慣量小,400W伺服慣量?jì)H相當于57基座2NM步進(jìn)電機的轉子慣量。

    伺服具備短時(shí)間過(guò)載能力,選型時(shí)需考慮加減速時(shí)電機過(guò)載倍數。

    伺服采用閉環(huán)控制,同閉環(huán)步進(jìn)一樣存在位置跟蹤誤差。

    伺服需要調試才能使用。

    步進(jìn)和伺服電機的原始扭矩不夠用的情況下,往往需要配合減速機進(jìn)行工作,可以使用減速齒輪組或行星減速器。


    舵機(servo)國人起的俗稱(chēng),是一類(lèi)直流伺服電機,是用于小型航模,現在用于小型機器人關(guān)節。

    從結構來(lái)分析,舵機包括一個(gè)小型直流電機,加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組,裝進(jìn)一體化外殼。

    能夠通過(guò)輸入信號(一般是PWM信號,也有的是數字信號)控制旋轉角度。

    由于是簡(jiǎn)化版,原本伺服電機的三環(huán)控制被簡(jiǎn)化成了一環(huán),即只檢測位置環(huán)。

    廉價(jià)的方案就是一個(gè)電位器,通過(guò)電阻來(lái)檢測,高級的方案則會(huì )用到霍爾傳感器,或者光柵編碼器。

    一般舵機價(jià)格低廉、結構緊湊,但精度很低,位置鎮定能力較差,能夠滿(mǎn)足很多低端需求。

    隨著(zhù)消費級小型機器人在近兩年的熱潮,小型輕量的舵機一下子成了合適的關(guān)節元件。

    但機器人關(guān)節對性能的要求遠高于航舵,而作為商業(yè)產(chǎn)品也比DIY玩家對舵機質(zhì)量要求高得多。


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