電機的分類和應用

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

眾所周知，電機是傳動以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，電機在實際應用中的重點已經開始從過去簡單的傳動向復雜的控制轉移;尤其是對電機的速度、位置、轉矩的精確控制。但電機根據(jù)不同的應用會有不同的設計和驅動方式，咋看下好像選型非常復雜，因此為了人們根據(jù)旋轉電機的用途，進行了基本的分類。下面我們將逐步介紹電機中最有代表性、最常用、最基本的電機——控制電機和功率電機以及信號電機。

控制電機

控制電機主要是應用在精確的轉速、位置控制上，在控制系統(tǒng)中作為“執(zhí)行機構”。可分成伺服電機、步進電機、力矩電機、開關磁阻電機、直流無刷電機等幾類。

1. 伺服電機

伺服電機廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。一般地，伺服電機要求電機的轉速要受所加電壓信號的控制;轉速能夠隨著所加電壓信號的變化而連續(xù)變化;轉矩能通過控制器輸出的電流進行控制;電機的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機主要應用在各種運動控制系統(tǒng)中，尤其是隨動系統(tǒng)。

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

2. 步進電機

所謂步進電機就是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構;更通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電機的角位移量，從而達到精確定位的目的;同時還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。目前，比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。

步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術相結合。但步進電機在控制精度、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;所以主要應用在精度要求不是特別高的場合。由于步進電機具有結構簡單、可靠性高和成本低的特點，所以步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域;尤其是在數(shù)控機床制造領域，由于步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。

除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。

此外，步進電機也存在許多缺陷;由于步進電機存在空載啟動頻率，所以步進電機可以低速正常運轉，但若高于一定速度時就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲;不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大，細分數(shù)越大精度越難控制;并且，步進電機低速轉動時有較大的振動和噪聲。

3. 力矩電機

所謂的力矩電機是一種扁平型多極永磁直流電機。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導體數(shù)，以降低轉矩脈動和轉速脈動。力矩電機有直流力矩電機和交流力矩電機兩種。

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

交流力矩電機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，它具有低轉速和大力矩的特點。一般地，在紡織工業(yè)中經常使用交流力矩電機，其工作原理和結構和單相異步電機的相同，但是由于鼠籠型轉子的電阻較大，所以其機械特性較軟。

4. 開關磁阻電機

開關磁阻電機是一種新型調速電機，結構極其簡單且堅固，成本低，調速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電機強有力競爭者，具有強大的市場潛力。 但目前也存在轉矩脈動、運行噪聲和振動大等問題，需要一定時間去優(yōu)化改良以適應實際的市場應用。

5. 無刷直流電機

無刷直流電機(BLDCM)是在有刷直流電機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流;無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，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，確切地講也是交流伺服電機的一種。

無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用“細長”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。

這種電機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。