欧洲杯预选赛·电机的分类、特点及应用

　　很多工程师长期都没有弄清楚无刷电机和有刷电机有什么区别？同步电机和异步电机有什么区别？伺服电机是否都是交流电机？伺服电机是否都是同步电机？步进电机属于直流电机还是交流电机？舵机是否属于伺服电机？等等……

　　您是否对此也有很多疑惑？本文将尝试用通俗的语言来解释系统性的知识，希望读完能让您对电机的分类有一个清晰的理解。

　　读过中学物理的学霸学渣都知道，为了研究通电导体在磁场受力的那点事，我们把左手都练成了断掌，这也正是直流电机的原理。

　　所有电机都是由定子和转子组成，在直流电机中，为了让转子转起来，需要不断改变电流方向，否则转子只能转半圈，这点就像自行车脚踏板。所以直流电机需要换向器。广义的直流电机包括有刷电机和无刷电机。有刷电机又称直流电机或碳刷电机，常说的直流电机就是指有刷直流电机，它采用机械换向，外部磁极不动内部线圈(电枢)动，换向器和转子线圈一起旋转，电刷和磁铁都不动，于是换向器和电刷摩擦摩擦，完成电流方向的切换。

　　3、由于换向器存在，限制了转子惯量，限制了最高转速，影响了动态性能。既然它这么多缺点为什么还被普遍应用，因为它扭力高、结构简单容易维护（即换碳刷）、便宜。

　　无刷电机在某些领域也称直流变频电机（BLDC），它采用电子换向（霍尔传感器），线圈(电枢)不动磁极动，此时永磁铁可以在线圈外部也可以在线圈内部，于是有了外转子无刷电机和内转子无刷电机之分。

　　不过，单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器（也就是电调）。

　　一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是方波，另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。

　　内转子都是三相的 ，价格较贵。外转子通常使用的是单相的，价格亲民，大批量生产已经接近碳刷电机，因此，近年来得到广泛应用。外转子三相的价格已经接近内转子的价格。 嗯，猜都能猜到，有刷电机的缺点就是无刷电机的优点。它具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速（可达很高转速）等优点，它相对比有刷直流电机体积小的多，控制比异步交流电机简单，启动转矩大过载能力强，至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护。

　　直流电机的调速：所谓调速，即通过调节电机转速获得所需扭矩。直流（有刷）电机通过调节电压、串接电阻、改变励磁都可以调速，但是实际以调节电压最为方便也最为常用，目前主要使用PWM调速，PWM其实就是通过高速的开关来实现直流的调压，一个周期内，开的时间长，平均电压就高，关的时间长，平均电压就低，调起来很方便，只要开关速度够快，电网的谐波就少，且电流更为连续。

　　但是电刷和换向器长期磨损，同时在换向的时候有巨大的电流变化，非常容易产生火花，换向器和电刷限制了直流电动机的容量和速度，使得直流电动机的调速遇到了瓶颈。

　　对于无刷直流电机，调速的时候表面上只控制了输入电压，但电机的自控变频调速系统（无刷直流电机本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置，使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速装置的换相时刻）自动根据变压控制了频率，用起来和直流（有刷）电机几乎一样，非常方便。

　　由于转子采用永磁体，不需要专门的励磁绕组，在同等容量的情况下，电机体积更小，重量更轻，效率更高，结构更紧凑，运行更可靠，动态性能更好，在电动汽车的驱动等方面都获得了广泛的应用。

　　电机的外壳是定子，定子上有三相对称交流绕组，由于三相电顺序变化，形成一个旋转的合成磁场，磁场的旋转速度就是同步转速。

　　同步转速n=60f/p，f是频率，p是极对数，比如对于接入国家电网50Hz的2极电动机（即极对数为1对），那么转速n=60*50/1=3000r/min。同理，4极，6极，8极电机同步转速为1500，1000，750 。

　　异步电机机构简单，转子为闭合线圈，比如鼠笼式。转子线圈将切割旋转磁场，产生感应电动势，进而产生感应电流，最后产生旋转磁场，这样转子就变成了一个电磁铁，将跟随定子磁场旋转，所以转子的转速必然＜定子的旋转磁场，这样才能切割磁感线。即转子的异步转速＜同步转速，转子与定子磁场存在转速差，所以称之为异步电机。

　　不同厂家生产的异步电机额定转速略有差异，2极电机约2800+r/min，4极，6极，8极异步约为1400+,950+,700+。异步电机空载时转速高，有负载时转速下降。

　　如果让转子速度=定子磁场旋转速度，就成为了同步电机，此时就需要把定子变成一个电磁铁或永磁铁，即给定子通电，此时不需要再切割磁感线就能旋转，旋转速度与磁场旋转速度相同，即形成同步电机。

　　同步电机转子结构比异步电机复杂，价格高，在生产生活中应用不如异步电机广泛，主要用于发电机上，现在火电站，水电站等的汽轮机、水轮机基本都是同步电机。

　　理论上异步电动机控制交流电频率、电压、或者转子的电阻、电机的磁极分布都可以调速，但是实际上实现无极调速用调节频率和电压的方法实现。由于调压调速范围不大，一般只能用在调速要求不高的场合，应用并不广泛。

　　变频调速：说到变频，大家可能都听说过。变频调速的全称是变压变频调速（VVVF），也就是在改变频率的时候改变电压，这样异步电动机的调速范围就足够大了。

　　变频器可以分为两个大类：交交变频和交直交变频。交-交变频：将交流电直接通过电力电子器件变换为另一个频率的交流电，最高输出频率不能超过输入频率的一半，所以一般只用在低转速、大容量的系统中，可以省去庞大的齿轮减速箱。

　　交-直-交变频器将交流电先整流变成直流，再通过逆变器变成可控频率和电压的交流，配合PWM技术，这种变频器可以实现大范围的变压变频。对于电动汽车来讲，异步电动机皮实耐用，过载能力强，控制算法又如此成熟，完全可以拿来用。

　　同步电机没有转差率，在结构确定的情况下，控制电压不能改变转速，所以在变频器出现之前，同步电动机是完全不能调速的。

　　变频器的出现让交流同步电动机也有了巨大的调速范围，因其转子也有独立励磁（永磁体或者电励磁），其调速范围要比异步电动机更宽，同步电动机焕发了新的生机。

　　对于他控变频调速，和异步电动机的变频调速类似，也可以根据其数学模型采用SVPWM等控制方式来实现控制，其性能还要优于普通交流异步电动机。

　　自控变频同步电动机在发展过程中曾经有多种名字，比如无换向器电机；当采用永磁体且输入三相正弦波时，可以称为正弦波永磁同步电动机；而如果输入方波，那么就可以称为梯形波永磁同步电动机，没错，这就是类似于之前说的的无刷直流机（BLDM），大家是不是感觉饶了个大圈又转回去了，但是你现在对于变频变速的理解一定更深一步了，所以无刷直流电机时采用直流输入，但是使用了同步电机的变频技术（结构与永磁同步电机相同），在Model3上就采用了直流无刷电机。

　　单相交流串励电动机，俗称串励电机或通用电机(UniversalMotor，因交直流通用而得名)，电枢绕组和励磁绕组串联在一起工作。

　　单相串励电动机又叫做交直流两用串励电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流电源工作。

　　单相串励电动机的优点是由于它转速高、起动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围很广，可以用调压的方法来调速，简单且易于实现。因而在电动工具中得到广泛的应用，如角磨机、手电钻等。

　　单相串励电机的结构同直流串励电机十分相似，主要的区别在于单相串励电机的定子铁心必须由硅钢片叠压而成，而直流的磁极既可以由叠压而成，又可以做成整体结构。

　　单相串励电机的调速，大多数采用调节电压的方法，就是改变电动势。单相串励电机的电压调速方法采用的可控移相调。