系统讲一讲电机的分类

发表时间:2022-09-15 11:28

    电机常识课堂


  一张图说清电机基本种类

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  直流电机

  有刷电机:

  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。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。

  无刷电机:

  无刷电机在某些领域也称直流变频电机(BLDC),有外转子无刷电机和内转子无刷电机之分。单个的无刷电机不是一套完整的动力系统,必须通过无刷电子调速器才能实现连续不断的运转。

  调速原理:

  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常用,目前主要使用PWM调速。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。


  三相交流电机

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  交流电机分为同步电机和异步电机,同步电机多用于发电机,异步电机多用于电动机。

  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 。

  1.异步电机

  结构简单,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。异步电动机结构简单,维护方便,运行可靠价格便宜,得到广泛应用。

  2.同步电机

  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,主要用作发电机上,现在火电站,水电站、汽轮机、水轮机基本都是同步电机。

  3.三相交流异步电机的调速

  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。

  4.三相交流同步电机的调速

  同步机没有转差率,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。同步电动机变压变频调速系统可以分为他控变频调速和自控变频调速。

  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。


  单相交流异步电机

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  单相交流串励电动机(有刷)

  俗称串励电机或通用电机(UniversalMotor国外叫法,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。

  单相交流鼠笼式电机(无刷)

  单相电流通过电枢绕组时产生的是脉振磁场而不是旋转磁场,所以单相异步电动机不能自起动。为了解决起动问题,单相交流供电的异步电动机实际上往往做成两相的。一般用于起动转矩要求不高的场合,如小型车床、小型电冰箱等,缺点是不能调速。


  步进电机

  开环步进电机

  步进电机是一种感应电机,虽然由直流电流供电,但是不能理解为直流电机,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制电机,应用于低速场合—每分钟转速不超过1000r/min,**工作区间是150~500r/min。

  闭环步进电机

  除了开环步进电机,还有在电机尾部添加了编码器,可以实现闭环控制的步进电机。高速力矩比开环步进大,常见应用在0-1500rpm场合。


  伺服电机

  伺服电机(servo motor)也叫执行电机,可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。与步进电机原理结构不同的是,伺服电机由于把控制电路放到了电机之外,里面的电机部分就是标准的直流电机或交流感应电机。

  伺服采用闭环控制,同闭环步进一样存在位置跟踪误差,需要调试才能使用。步进和伺服电机的原始扭矩不够用的情况下,往往需要配合减速机进行工作,可以使用减速齿轮组或行星减速器。