電機的分類及應用

很多工程師長期都沒有弄清楚無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言來解釋系統性的知識，希望讀完能讓您對電機的分類有一個清晰的理解。

直流電機——有刷電機

讀過中學物理的學霸學渣都知道，為了研究通電導體在磁場受力的那點事，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，需要不斷改變電流方向，否則轉子只能轉半圈，這點就像自行車腳踏板。

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刷電機。

有刷電機又稱直流電機或碳刷電機，常說的直流電機就是指有刷直流電機，它采用機械換向，外部磁極不動內部線圈(電樞)動，換向器和轉子線圈一起旋轉，電刷和磁鐵都不動，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：

1、機械換向產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，影響了動態性能。

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

直流電機——無刷電機

無刷電機在某些領域也稱直流變頻電機（BLDC），它采用電子換向（霍爾傳感器），線圈(電樞)不動磁極動，此時永磁鐵可以在線圈外部也可以在線圈內部，于是有了外轉子無刷電機和內轉子無刷電機之分。

無刷電機構造與永磁同步電機相同。

不過，單個的無刷電機不是一套完整的動力系統，無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調的控制才能實現連續不斷的運轉。

真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器（也就是電調）。

一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是方波，另一種是正弦波。

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

無刷電機的運轉方式不同，有可以分為內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。

內轉子都是三相的 ，價格較貴。

外轉子通常使用的是單相的，價格親民，大批量生產已經接近碳刷電機，因此近年來得到廣泛應用。

外轉子三相的價格已經接近內轉子的價格。 

嗯，猜都能猜到，有刷電機的缺點就是無刷電機的有點。

它具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調速（可達很高轉速）等優點，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單，啟動轉矩大過載能力強，至于缺點嘛……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，即通過調節電機轉速獲得所需扭矩。

直流（有刷）電機通過調節電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調速，但是實際以調節電壓方便也常用，目前主要使用PWM調速，PWM其實就是通過高速的開關來實現直流的調壓，一個周期內，開的時間長，平均電壓就高，關的時間長，平均電壓就低，調起來很方便，只要開關速度夠快，電網的諧波就少，且電流更為連續。

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

對于無刷直流電機，調速的時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控制變壓變頻調速裝置的換相時刻）自動根據變壓控制了頻率，用起來和直流（有刷）電機幾乎一樣，非常方便。

由于轉子采用永磁體，不需要專門的勵磁繞組，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，動態性能更好，在電動汽車的驅動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，同步電機多用于發電機，異步電機多用于電動機。

電機的外殼是定子，定子上有三相對稱交流繞組，由于三相電順序變化，形成一個旋轉的合成磁場，磁場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50Hz的2極電動機（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  。

異步電機機構簡單，轉子為閉合線圈，比如鼠籠式。

轉子線圈將切割旋轉磁場，產生感應電動勢，進而產生感應電流，最后產生旋轉磁場，這樣轉子就變成了一個電磁鐵，將跟隨定子磁場旋轉，所以轉子的轉速必然＜定子的旋轉磁場，這樣才能切割磁感線。

即轉子的異步轉速＜同步轉速，轉子與定子磁場存在轉速差，所以稱之為異步電機。

不同廠家生產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+。

異步電機空載時轉速高，有負載時轉速下降。

異步電動機結構簡單，維護方便，運行可靠價格便宜，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=定子磁場旋轉速度，就成為了同步電機，此時就需要把定子變成一個電磁鐵或永磁鐵，即給定子通電，此時不需要再切割磁感線就能旋轉，旋轉速度與磁場旋轉速度相同，即形成同步電機。      

同步電機轉子結構比異步電機復雜，價格高，在生產生活中應用不如異步電機廣泛，主要用作發電機上，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，但是實際上實現無極調速用調節頻率和電壓的方法實現。

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

 變頻調速：說到變頻，大家可能都聽說過。

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

變頻器可以分為兩個大類：交交變頻和交直交變頻。

交-交變頻：將交流電直接通過電力電子器件變換為另一個頻率的交流電，最高輸出頻率不能超過輸入頻率的一半，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，再通過逆變器變成可控頻率和電壓的交流，配合PWM技術，這種變頻器可以實現大范圍的變壓變頻。

對于電動汽車來講，異步電動機皮實耐用，過載能力強，控制算法又如此成熟，完全可以拿來用。

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，同步電動機是完全不能調速的。

變頻器的出現讓交流同步電動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機更寬，同步電動機煥發了新的生機。       

同步電動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，和異步電動機的變頻調速類似，也可以根據其數學模型采用SVPWM等控制方式來實現控制，其性能還要優于普通交流異步電動機。

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

單相交流異步電機——單相交流串勵電機（有刷）

單相交流串勵電動機，俗稱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在一起工作。

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

單相串勵電動機的優點是由于它轉速高、起動力矩大、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調速，簡單且易于實現。

因而在電動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，利用可控硅的觸發電壓滯后于輸入電壓實現對輸入電壓的移相觸發。

在實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，具有線路簡單，元件體積小等特點，是一種可控硅簡單有效的方法。

(a)交流電流變化曲線;

(b)電流為正半波時，轉子的旋轉方向  

(c)電流為負半波時，轉子的旋轉方向

單相交流異步電機——單相交流鼠籠式電機（無刷）

單相電流通過電樞繞組時產生的是脈振磁場而不是旋轉磁場，所以單相異步電動機不能自起動。

為了解決起動問題，單相交流供電的異步電動機實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機磁極對數除)。

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

使合成磁場成橢圓形旋轉磁場，甚至可能接近于圓形旋轉磁場。

電動機因此獲得起動轉矩。

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

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

一般用于起動轉矩要求不高的場合，如小型車床、小型電冰箱等，缺點是不能調速速。

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

為使分相異步電動機獲得較好的起動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

步進電機——開環步進電機

（開環）步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的開環控制電機，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，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。

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

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

步進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力電機，而步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的開環控制電機。

步進電機——步進伺服對比

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

2相步進電機在60~70r/min容易出現低速共振現象，產生振動和噪音，需要通過改變減速比、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電機或閉環步進、伺服電機。

（開環）步進電機與伺服電機的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——步進電機低頻容易振動，伺服電機不會；

C矩頻特性——步進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過載能力——步進電機不能過載，伺服電機最大力矩可過載3倍；

E運行性能——步進電機為開環控制，伺服電機時閉環控制；

F速度響應——步進電機啟動時間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——步進電機效率約60%，伺服電機約80%；

實際使用中會發現：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、平帶輸送機等場合經常使用步進電機。

步進電機——閉環步進電機

閉環步進電機：除了開環步進電機，還有在電機尾部添加了編碼器，可以實現閉環控制的步進電機。

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

沒有失步現象的伺服系統。

 閉環步進電動機的優勢：

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

2.比普通伺服產生更大的扭矩。彌補普通步進系統失步、低速振動不足。

3.在100%負載情況下也可可產生高扭矩，無失步運行，無需像普通步進系統一樣考慮扭矩損失等問題。

4.應用閉環驅動，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。

可得到比開環控制更高的運行速度，更穩定、更光滑的轉速。

5.步進電機停止時會完全靜止，無普通伺服的微振動現象。

需要低成本、高精度定位的場合，可取代通用伺服系統的應用。

步進電機——步進閉環伺服對比

閉環步進電機根據負載大小自動調節繞組電流大小，發熱和振動小于開環步進，有編碼器反饋所以精度高于普通步進電機，電機響應比開環步進慢比伺服電機快，運行過程中存在位置誤差，誤差會在指令停止后數毫秒逐漸降低。

高速力矩比開環步進大，常見應用在0-1500rpm場合。

總結：閉環步進電機具有低成本、高效、無抖動、無停止微振動、高剛性、無整定、高速、高動態響應等特點，是替代高成本伺服系統、低端開環步進系統等性價比最高的解決方案

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控制對象。

與步進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。

伺服電機靠脈沖來定位，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度。

電機每旋轉一個角度，編碼器都會發出對應數量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅動器接收的脈沖形成閉環控制，這樣伺服驅動器就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位。

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

芯片通過三者的反饋控制電機各相的驅動電流，實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，常見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合。

交流伺服工作噪音振動極小，發熱低。

同體積下電機慣量轉子慣量小，400W伺服慣量僅相當于57基座2NM步進電機的轉子慣量。

伺服具備短時間過載能力，選型時需考慮加減速時電機過載倍數。

伺服采用閉環控制，同閉環步進一樣存在位置跟蹤誤差。

伺服需要調試才能使用。

步進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,是一類直流伺服電機，是用于小型航模，現在用于小型機器人關節。

從結構來分析，舵機包括一個小型直流電機，加上傳感器、控制芯片、減速齒輪組，裝進一體化外殼。

能夠通過輸入信號（一般是PWM信號，也有的是數字信號）控制旋轉角度。

由于是簡化版，原本伺服電機的三環控制被簡化成了一環，即只檢測位置環。

廉價的方案就是一個電位器，通過電阻來檢測，高級的方案則會用到霍爾傳感器，或者光柵編碼器。

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

隨著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節元件。

但機器人關節對性能的要求遠高于航舵，而作為商業產品也比DIY玩家對舵機質量要求高得多。