《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電機(jī)的分類和應(yīng)用

2015-08-13

  摘要:電機(jī)的種類劃分非常多,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)開始從過去簡單的傳動(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。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)。

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  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)”??煞殖伤欧姍C(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、直流無刷電機(jī)等幾類。
  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)。

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  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。我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量,從而達(dá)到精確定位的目的;同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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。

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  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。

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  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.開關(guān)磁阻電機(jī)
  開關(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。

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  5.無刷直流電機(jī)
  無刷直流電機(jī)(BLDCM)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流;無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷力矩電機(jī)。一般地,無刷電機(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。

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  無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,通常采用“細(xì)長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(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題,致使無刷直流電機(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)特性的線性度好,調(diào)速范圍廣,壽命長,維護(hù)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(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。

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