通俗講解：電機的分類與應(yīng)用

時間：2021-08-19 15:07:55

關(guān)鍵字：電機

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[導(dǎo)讀]很多工程師（包括本編）長期都沒有弄清楚無刷電機和有刷電機有什么區(qū)別？同步電機和異步電機有什么區(qū)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？……?先賢曾經(jīng)說過：知識如果不系統(tǒng)，那和段子有什么區(qū)別？但是圣賢書上那長篇...

很多工程師（包括本編）長期都沒有弄清楚無刷電機和有刷電機有什么區(qū)別？同步電機和異步電機有什么區(qū)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？……?

先賢曾經(jīng)說過：知識如果不系統(tǒng)，那和段子有什么區(qū)別？

但是圣賢書上那長篇大論的文字，那故弄玄虛的術(shù)語，那似是而非的解釋，真是看得人云里霧里。

小編也曾在網(wǎng)上搜了很久，沒有找到比較系統(tǒng)講解從電機構(gòu)造和原理上分類的，于是自己費了好多功夫查詢整理出來一份。

本文嘗試用平俗的語言來解釋系統(tǒng)性的知識，并采用大量的動畫和圖片生動形象的來表達晦澀的知識。

由于本人知識有限，難免出現(xiàn)很多紕漏錯誤，請各位專家達人指正，請不吝賜教。

1. 一張圖說清電機基本種類

2. 直流電機——有刷電機

讀過中學(xué)物理的學(xué)霸學(xué)渣都知道，為了研究通電導(dǎo)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(zhuǎn)子組成，在直流電機中，為了讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，需要不斷改變電流方向，否則轉(zhuǎn)子只能轉(zhuǎn)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(nèi)部線圈(電樞)動，換向器和轉(zhuǎn)子線圈一起旋轉(zhuǎn)，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。（視頻傳送門）。

有刷電機缺點：

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(zhuǎn)子慣量，限制了最高轉(zhuǎn)速，影響了動態(tài)性能。

既然它這么多缺點為什么還被普遍應(yīng)用，因為它扭力高、結(jié)構(gòu)簡單容易維護（即換碳刷）、便宜。

2. 直流電機——無刷電機無刷電機在某些領(lǐng)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(nèi)部，于是有了外轉(zhuǎn)子無刷電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機之分。

無刷電機構(gòu)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(tǒng)，無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實現(xiàn)連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)。

真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器（也就是電調(diào)）。

一般地，無刷電機的驅(qū)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(zhuǎn)方式不同，有可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機和外轉(zhuǎn)子無刷電機。

內(nèi)轉(zhuǎn)子都是三相的，價格較貴。

外轉(zhuǎn)子通常使用的是單相的，價格親民，大批量生產(chǎn)已經(jīng)接近碳刷電機，因此近年來得到廣泛應(yīng)用。

外轉(zhuǎn)子三相的價格已經(jīng)接近內(nèi)轉(zhuǎn)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(diào)速（可達很高轉(zhuǎn)速）等優(yōu)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(zhuǎn)矩大過載能力強，至于缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護。

2. 直流電機——調(diào)速原理

直流電機的調(diào)速：所謂調(diào)速，即通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速獲得所需扭矩。

直流（有刷）電機通過調(diào)節(jié)電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調(diào)速，但是實際以調(diào)節(jié)電壓最為方便也最為常用，目前主要使用PWM調(diào)速，PWM其實就是通過高速的開關(guān)來實現(xiàn)直流的調(diào)壓，一個周期內(nèi)，開的時間長，平均電壓就高，關(guān)的時間長，平均電壓就低，調(diào)起來很方便，只要開關(guān)速度夠快，電網(wǎng)的諧波就少，且電流更為連續(xù)。

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(chǎn)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(diào)速遇到了瓶頸。

對于無刷直流電機，調(diào)速的時候表面上只控制了輸入電壓，但電機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)（無刷直流電機本身自帶轉(zhuǎn)子位置檢測器等轉(zhuǎn)子位置信號獲取裝置，使用此裝置的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻調(diào)速裝置的換相時刻）自動根據(jù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)更緊湊，運行更可靠，動態(tài)性能更好，在電動汽車的驅(qū)動等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。

3. 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(zhuǎn)的合成磁場，磁場的旋轉(zhuǎn)速度就是同步轉(zhuǎn)速。

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

同理，4極，6極，8極電機同步轉(zhuǎn)速為1500，1000,750? 。

異步電機機構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子為閉合線圈，比如鼠籠式。

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

即轉(zhuǎn)子的異步轉(zhuǎn)速＜同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子與定子磁場存在轉(zhuǎn)速差，所以稱之為異步電機。

不同廠家生產(chǎn)的異步電機額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速高，有負(fù)載時轉(zhuǎn)速下降。

異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，運行可靠價格便宜，得到廣泛應(yīng)用。

3. 三相交流電機——同步電機同步電機：

如果讓轉(zhuǎn)子速度=定子磁場旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度與磁場旋轉(zhuǎn)速度相同，即形成同步電機。??????

同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比異步電機復(fù)雜，價格高，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用不如異步電機廣泛，主要用作發(fā)電機上，現(xiàn)在火電站，水電站、汽輪機、水輪機基本都是同步電機。

3. 三相交流電機——異步電機的調(diào)速

異步電機的調(diào)速：理論上異步電動機控制交流電頻率、電壓、或者轉(zhuǎn)子的電阻、電機的磁極分布都可以調(diào)速，但是實際上實現(xiàn)無極調(diào)速用調(diào)節(jié)頻率和電壓的方法實現(xiàn)。

由于調(diào)壓調(diào)速范圍不大，一般只能用在調(diào)速要求不高的場合，應(yīng)用并不廣泛。??????

?變頻調(diào)速：說到變頻，大家可能都聽說過。

變頻調(diào)速的全稱是變壓變頻調(diào)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(diào)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(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)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(shù)，這種變頻器可以實現(xiàn)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。

3. 三相交流電機——同步電機的調(diào)速

同步電機的調(diào)速：同步機沒有轉(zhuǎn)差率，在結(jié)構(gòu)確定的情況下，控制電壓不能改變轉(zhuǎn)速，所以在變頻器出現(xiàn)之前，同步電動機是完全不能調(diào)速的。

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

同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速。

對于他控變頻調(diào)速，和異步電動機的變頻調(diào)速類似，也可以根據(jù)其數(shù)學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來實現(xiàn)控制，其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動機。

自控變頻同步電動機在發(fā)展過程中曾經(jīng)有多種名字，比如無換向器電機；當(dāng)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(zhuǎn)回去了，但是你現(xiàn)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(shù)（結(jié)構(gòu)與永磁同步電機相同），在Model3上就采用了直流無刷電機。

4. 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(lián)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(yōu)點是由于它轉(zhuǎn)速高、起動力矩大、體積小、重量輕、不容易堵轉(zhuǎn)、適用電壓范圍很廣，可以用調(diào)壓的方法來調(diào)速，簡單且易于實現(xiàn)。

因而在電動工具中得到廣泛的應(yīng)用，如角磨機、手電鉆等。

單相串勵電機的結(jié)構(gòu)同直流串勵電機十分相似，主要的區(qū)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(jié)構(gòu)。

單相串勵電機的調(diào)速，大多數(shù)采用調(diào)節(jié)電壓的方法，就是改變電動勢。

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

在實現(xiàn)方法上有硬件和軟件方式。

采用調(diào)節(jié)電壓方法，采用可控硅調(diào)速技術(shù)，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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向??

(c)電流為負(fù)半波時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向

4. 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(chǎn)生的是脈振磁場而不是旋轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)磁場，甚至可能接近于圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

電動機因此獲得起動轉(zhuǎn)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(xì)的導(dǎo)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(zhuǎn)速后，通常由裝在電動機軸上的離心式開關(guān)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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

5. 步進電機——開環(huán)步進電機

（開環(huán)）步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制電機，應(yīng)用極為廣泛。

在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。

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

步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，即驅(qū)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(zhuǎn)換為機械能的動力電機，而步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制電機。

5. 步進電機——步進伺服對比

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

2相步進電機在60~70r/min容易出現(xiàn)低速共振現(xiàn)象，產(chǎn)生振動和噪音，需要通過改變減速比、增加細(xì)分?jǐn)?shù)、添加磁性阻尼器等方式避免。

細(xì)分精度注意事項，當(dāng)細(xì)分等級大于4后，步距角的精度不能保證，精度要求高，最好換用相數(shù)更多（即步距角更小）的步進電機或閉環(huán)步進、伺服電機。

（開環(huán)）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(jù)編碼器設(shè)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(zhuǎn)速提高力矩變小，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在＜1000r/min，伺服電機在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)(一般3000r/min)內(nèi)都能輸出額定力矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出，最高轉(zhuǎn)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(huán)控制，伺服電機時閉環(huán)控制；

F速度響應(yīng)——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(biāo)——步進電機效率約60%，伺服電機約80%；

實際使用中會發(fā)現(xiàn)：伺服電機貴，貴出很多，所以同步電機應(yīng)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(jīng)常使用步進電機。

5. 步進電機——閉環(huán)步進電機

閉環(huán)步進電機：除了開環(huán)步進電機，還有在電機尾部添加了編碼器，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制的步進電機。

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

沒有失步現(xiàn)象的伺服系統(tǒng)。

?閉環(huán)步進電動機的優(yōu)勢：

1.高速響應(yīng)，相對于服電機，閉環(huán)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(yīng)用中，可顯著縮短定位時間。

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

3.在100%負(fù)載情況下也可可產(chǎn)生高扭矩，無失步運行，無需像普通步進系統(tǒng)一樣考慮扭矩?fù)p失等問題。

4.應(yīng)用閉環(huán)驅(qū)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(huán)控制更高的運行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速。

5.步進電機停止時會完全靜止，無普通伺服的微振動現(xiàn)象。

需要低成本、高精度定位的場合，可取代通用伺服系統(tǒng)的應(yīng)用。

5. 步進電機——步進閉環(huán)伺服對比

閉環(huán)步進電機根據(jù)負(fù)載大小自動調(diào)節(jié)繞組電流大小，發(fā)熱和振動小于開環(huán)步進，有編碼器反饋所以精度高于普通步進電機，電機響應(yīng)比開環(huán)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(shù)毫秒逐漸降低。

高速力矩比開環(huán)步進大，常見應(yīng)用在0-1500rpm場合。

總結(jié)：閉環(huán)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(tài)響應(yīng)等特點，是替代高成本伺服系統(tǒng)、低端開環(huán)步進系統(tǒng)等性價比最高的解決方案

6. 伺服電機——普通伺服電機

伺服電機（servo motor）也叫執(zhí)行電機，可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

與步進電機原理結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的直流電機或交流感應(yīng)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(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度。

電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅(qū)動器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅(qū)動器就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)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(zhuǎn)位置。

芯片通過三者的反饋控制電機各相的驅(qū)動電流，實現(xiàn)電機的速度和位置都準(zhǔn)確按照預(yù)定運行。??????

交流伺服具備額定轉(zhuǎn)速下力矩恒定的特點，常見200W,400W低中慣量交流伺服額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，最高轉(zhuǎn)速5000rpm，轉(zhuǎn)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(fā)熱低。