電機(jī)的分類(lèi)和應(yīng)用

摘要：電機(jī)的種類(lèi)劃分非常多，往往讓人難以具體區(qū)分。像伺服電機(jī)就有永磁同步伺服和感應(yīng)伺服，有直流伺服有交流伺服……讓我們來(lái)給電機(jī)家族做個(gè)人口普查吧!

眾所周知，電機(jī)是傳動(dòng)以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的重點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始從過(guò)去簡(jiǎn)單的傳動(dòng)向復(fù)雜的控制轉(zhuǎn)移;尤其是對(duì)電機(jī)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩的精確控制。但電機(jī)根據(jù)不同的應(yīng)用會(huì)有不同的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式，咋看下好像選型非常復(fù)雜，因此為了人們根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的用途，進(jìn)行了基本的分類(lèi)。下面我們將逐步介紹電機(jī)中最有代表性、最常用、最基本的電機(jī)——控制電機(jī)和功率電機(jī)以及信號(hào)電機(jī)。

控制電機(jī)

控制電機(jī)主要是應(yīng)用在精確的轉(zhuǎn)速、位置控制上，在控制系統(tǒng)中作為“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。可分成伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)等幾類(lèi)。

1. 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。一般地，伺服電機(jī)要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號(hào)的控制;轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號(hào)的變化而連續(xù)變化;轉(zhuǎn)矩能通過(guò)控制器輸出的電流進(jìn)行控制;電機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)。

伺服電機(jī)有直流和交流之分，最早的伺服電機(jī)是一般的直流電機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電機(jī)。當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)。

2. 步進(jìn)電機(jī)

所謂步進(jìn)電機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu);更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的;同時(shí)還可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進(jìn)電機(jī)在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電機(jī);所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場(chǎng)合。由于步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域;尤其是在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以一直被認(rèn)為是最理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。

除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。

此外，步進(jìn)電機(jī)也存在許多缺陷;由于步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲;不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大，細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制;并且，步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲。

3. 力矩電機(jī)

所謂的力矩電機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電機(jī)。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。力矩電機(jī)有直流力矩電機(jī)和交流力矩電機(jī)兩種。

其中，直流力矩電機(jī)的自感電抗很小，所以響應(yīng)性很好;其輸出力矩與輸入電流成正比，與轉(zhuǎn)子的速度和位置無(wú)關(guān);它可以在接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接和負(fù)載連接低速運(yùn)行而不用齒輪減速，所以在負(fù)載的軸上能產(chǎn)生很高的力矩對(duì)慣性比，并能消除由于使用減速齒輪而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

交流力矩電機(jī)又可以分為同步和異步兩種，目前常用的是鼠籠型異步力矩電機(jī)，它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點(diǎn)。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電機(jī)，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電機(jī)的相同，但是由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的電阻較大，所以其機(jī)械特性較軟。

4. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電機(jī)強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。 但目前也存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、運(yùn)行噪聲和振動(dòng)大等問(wèn)題，需要一定時(shí)間去優(yōu)化改良以適應(yīng)實(shí)際的市場(chǎng)應(yīng)用。

5. 無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流;無(wú)刷直流電機(jī)又可以分為無(wú)刷速率電機(jī)和無(wú)刷力矩電機(jī)。一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(一般是“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(jī)，后一種叫交流伺服電機(jī)，確切地講也是交流伺服電機(jī)的一種。

無(wú)刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常采用“細(xì)長(zhǎng)”的結(jié)構(gòu)。無(wú)刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問(wèn)題，致使無(wú)刷直流電機(jī)一般的容量都在100kW以下。

這種電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線(xiàn)性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題，所以這種電機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。