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一文歸總電機的類(lèi)型/優(yōu)缺點(diǎn)/應用

發(fā)表時(shí)間:2024-06-13 訪(fǎng)問(wèn)量:3209

無(wú)刷電機和有刷電機有什么區別?同步電機和異步電機有什么區別?伺服電機是否都是交流電機?伺服電機是否都是同步電機?步進(jìn)電機屬于直流電機還是交流電機?舵機是否屬于伺服電機等等……

這些問(wèn)題,很多老司機也不一定能完全解釋的清楚。針對這些問(wèn)題,大家可以參考下面這篇文章學(xué)習,會(huì )對電機的分類(lèi)、用法、優(yōu)缺點(diǎn)有更加清晰的理解。

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直流電機——有刷電機

讀過(guò)中學(xué)物理的學(xué)霸學(xué)渣都知道,為了研究通電導體在磁場(chǎng)受力的那點(diǎn)事,我們把左手都練成了斷掌,這也正是直流電機的原理。

所有電機都是由定子和轉子組成,在直流電機中,為了讓轉子轉起來(lái),需要不斷改變電流方向,否則轉子只能轉半圈,這點(diǎn)就像自行車(chē)腳踏板。所以直流電機需要換向器。

廣義的直流電機包括有刷電機和無(wú)刷電機。

有刷電機又稱(chēng)直流電機或碳刷電機,常說(shuō)的直流電機就是指有刷直流電機,它采用機械換向,外部磁極不動(dòng)內部線(xiàn)圈(電樞)動(dòng),換向器和轉子線(xiàn)圈一起旋轉,電刷和磁鐵都不動(dòng),于是換向器和電刷摩擦摩擦,完成電流方向的切換。

有刷電機缺點(diǎn):

1、機械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短。

2、可靠性差、故障多,需要經(jīng)常維護。

3、由于換向器存在,限制了轉子慣量,限制了更高轉速,影響了動(dòng)態(tài)性能。

既然它這么多缺點(diǎn)為什么還被普遍應用,因為它扭力高、結構簡(jiǎn)單容易維護(即換碳刷)、便宜。


直流電機——無(wú)刷電機

無(wú)刷電機在某些領(lǐng)域也稱(chēng)直流變頻電機(BLDC),它采用電子換向(霍爾傳感器),線(xiàn)圈(電樞)不動(dòng)磁極動(dòng),此時(shí)永磁鐵可以在線(xiàn)圈外部也可以在線(xiàn)圈內部,于是有了外轉子無(wú)刷電機和內轉子無(wú)刷電機之分。

無(wú)刷電機構造與永磁同步電機相同。

不過(guò),單個(gè)的無(wú)刷電機不是一套完整的動(dòng)力系統,無(wú)刷基本必須通過(guò)無(wú)刷控制器也就是電調的控制才能實(shí)現連續不斷的運轉。

真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電子調速器(也就是電調)。

一般地,無(wú)刷電機的驅動(dòng)電流有兩種,一種是方波,另一種是正弦波。

有時(shí)候把前一種叫直流無(wú)刷電機,后一種叫交流伺服電機,確切地講是交流伺服電動(dòng)機的一種。(視頻傳送門(mén))

無(wú)刷電機的運轉方式不同,有可以分為內轉子無(wú)刷電機和外轉子無(wú)刷電機。

內轉子都是三相的 ,價(jià)格較貴。

外轉子通常使用的是單相的,價(jià)格親民,大批量生產(chǎn)已經(jīng)接近碳刷電機,因此近年來(lái)得到廣泛應用。

外轉子三相的價(jià)格已經(jīng)接近內轉子的價(jià)格。 

嗯,猜都能猜到,有刷電機的缺點(diǎn)就是無(wú)刷電機的有點(diǎn)。

它具有高效率、低能耗、低噪音、超長(cháng)壽命、高可靠性、可伺服控制、無(wú)級變頻調速(可達很高轉速)等優(yōu)點(diǎn),它相對比有刷直流電機體積小的多,控制比異步交流電機簡(jiǎn)單,啟動(dòng)轉矩大過(guò)載能力強,至于缺點(diǎn)嘛……就是比有刷的貴、不好維護。

直流電機——調速原理

直流電機的調速:所謂調速,即通過(guò)調節電機轉速獲得所需扭矩。

直流(有刷)電機通過(guò)調節電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調速,但是實(shí)際以調節電壓最為方便也最為常用,目前主要使用PWM調速,PWM其實(shí)就是通過(guò)高速的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現直流的調壓,一個(gè)周期內,開(kāi)的時(shí)間長(cháng),平均電壓就高,關(guān)的時(shí)間長(cháng),平均電壓就低,調起來(lái)很方便,只要開(kāi)關(guān)速度夠快,電網(wǎng)的諧波就少,且電流更為連續。

但是電刷和換向器長(cháng)期磨損,同時(shí)在換向的時(shí)候有巨大的電流變化,非常容易產(chǎn)生火花,換向器和電刷限制了直流電動(dòng)機的容量和速度,使得直流電動(dòng)機的調速遇到了瓶頸。

對于無(wú)刷直流電機,調速的時(shí)候表面上只控制了輸入電壓,但電機的自控變頻調速系統(無(wú)刷直流電機本身自帶轉子位置檢測器等轉子位置信號獲取裝置,使用此裝置的轉子位置信號來(lái)控制變壓變頻調速裝置的換相時(shí)刻)自動(dòng)根據變壓控制了頻率,用起來(lái)和直流(有刷)電機幾乎一樣,非常方便。

由于轉子采用永磁體,不需要專(zhuān)門(mén)的勵磁繞組,在同等容量的情況下,電機體積更小,重量更輕,效率更高,結構更緊湊,運行更可靠,動(dòng)態(tài)性能更好,在電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)等方面都獲得了廣泛的應用。

三相交流電機——異步電機

交流電機分為同步電機和異步電機,同步電機多用于發(fā)電機,異步電機多用于電動(dòng)機。

電機的外殼是定子,定子上有三相對稱(chēng)交流繞組,由于三相電順序變化,形成一個(gè)旋轉的合成磁場(chǎng),磁場(chǎng)的旋轉速度就是同步轉速。

同步轉速n=60f/p,f是頻率,p是極對數,比如對于接入電網(wǎng)50Hz的2極電動(dòng)機(即極對數為1對),那么轉速n=60*50/1=3000r/min。

同理,4極,6極,8極電機同步轉速為1500,1000,750  。

異步電機機構簡(jiǎn)單,轉子為閉合線(xiàn)圈,比如鼠籠式。

轉子線(xiàn)圈將切割旋轉磁場(chǎng),產(chǎn)生感應電動(dòng)勢,進(jìn)而產(chǎn)生感應電流,最后產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng),這樣轉子就變成了一個(gè)電磁鐵,將跟隨定子磁場(chǎng)旋轉,所以轉子的轉速必然<定子的旋轉磁場(chǎng),這樣才能切割磁感線(xiàn)。

即轉子的異步轉速<同步轉速,轉子與定子磁場(chǎng)存在轉速差,所以稱(chēng)之為異步電機。

不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的異步電機額定轉速略有差異,2極電機約2800+r/min,4極,6極,8極異步約為1400+,950+,700+。

異步電機空載時(shí)轉速高,有負載時(shí)轉速下降。

異步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單,維護方便,運行可靠?jì)r(jià)格便宜,得到廣泛應用。


三相交流電機——同步電機

同步電機:

如果讓轉子速度=定子磁場(chǎng)旋轉速度,就成為了同步電機,此時(shí)就需要把定子變成一個(gè)電磁鐵或永磁鐵,即給定子通電,此時(shí)不需要再切割磁感線(xiàn)就能旋轉,旋轉速度與磁場(chǎng)旋轉速度相同,即形成同步電機。      

同步電機轉子結構比異步電機復雜,價(jià)格高,在生產(chǎn)生活中應用不如異步電機廣泛,主要用作發(fā)電機上,現在火電站,水電站、汽輪機、水輪機基本都是同步電機。

三相交流電機——異步電機的調速

異步電機的調速:理論上異步電動(dòng)機控制交流電頻率、電壓、或者轉子的電阻、電機的磁極分布都可以調速,但是實(shí)際上實(shí)現無(wú)極調速用調節頻率和電壓的方法實(shí)現。

由于調壓調速范圍不大,一般只能用在調速要求不高的場(chǎng)合,應用并不廣泛。      

 變頻調速:說(shuō)到變頻,大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

變頻調速的全稱(chēng)是變壓變頻調速(VVVF),也就是在改變頻率的時(shí)候改變電壓,這樣異步電動(dòng)機的調速范圍就足夠大了。

變頻器可以分為兩個(gè)大類(lèi):交交變頻和交直交變頻。

交-交變頻:將交流電直接通過(guò)電力電子器件變換為另一個(gè)頻率的交流電,更高輸出頻率不能超過(guò)輸入頻率的一半,所以一般只用在低轉速、大容量的系統中,可以省去龐大的齒輪減速箱。

交-直-交變頻器將交流電先整流變成直流,再通過(guò)逆變器變成可控頻率和電壓的交流,配合PWM技術(shù),這種變頻器可以實(shí)現大范圍的變壓變頻。

對于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)講,異步電動(dòng)機皮實(shí)耐用,過(guò)載能力強,控制算法又如此成熟,完全可以拿來(lái)用。

三相交流電機——同步電機的調速

同步電機的調速:同步機沒(méi)有轉差率,在結構確定的情況下,控制電壓不能改變轉速,所以在變頻器出現之前,同步電動(dòng)機是完全不能調速的。

變頻器的出現讓交流同步電動(dòng)機也有了巨大的調速范圍,因其轉子也有獨立勵磁(永磁體或者電勵磁),其調速范圍要比異步電動(dòng)機更寬,同步電動(dòng)機煥發(fā)了新的生機。       

同步電動(dòng)機變壓變頻調速系統可以分為他控變頻調速和自控變頻調速。

對于他控變頻調速,和異步電動(dòng)機的變頻調速類(lèi)似,也可以根據其數學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來(lái)實(shí)現控制,其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動(dòng)機。

自控變頻同步電動(dòng)機在發(fā)展過(guò)程中曾經(jīng)有多種名字,比如無(wú)換向器電機;當采用永磁體且輸入三相正弦波時(shí),可以稱(chēng)為正弦波永磁同步電動(dòng)機;而如果輸入方波,那么就可以稱(chēng)為梯形波永磁同步電動(dòng)機,沒(méi)錯,這就是類(lèi)似于之前說(shuō)的的無(wú)刷直流機(BLDM),大家是不是感覺(jué)饒了個(gè)大圈有轉回去了,但是你現在對于變頻變速的理解一定更深一步了,所以無(wú)刷直流電機時(shí)采用直流輸入,但是使用了同步電機的變頻技術(shù)(結構與永磁同步電機相同),在Model3上就采用了直流無(wú)刷電機。

單相交流異步電機——單相交流串勵電機(有刷)

單相交流串勵電動(dòng)機,俗稱(chēng)串勵電機或通用電機(UniversalMotor國外叫法,因交直流通用而得名),電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)在一起工作。

單相串勵電動(dòng)機又叫做交直流兩用串勵電動(dòng)機,它既可以使用交流電源工作,也可以使用直流電源工作。

單相串勵電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)是由于它轉速高、起動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、不容易堵轉、適用電壓范圍很廣,可以用調壓的方法來(lái)調速,簡(jiǎn)單且易于實(shí)現。

因而在電動(dòng)工具中得到廣泛的應用,如角磨機、手電鉆等。

單相串勵電機的結構同直流串勵電機十分相似,主要的區別在于單相串勵電機的定子鐵心必須由硅鋼片疊壓而成,而直流的磁極既可以由疊壓而成,又可以做成整體結構。

單相串勵電機的調速,大多數采用調節電壓的方法,就是改變電動(dòng)勢。

單相串勵電機的電壓調速方法采用的可控移相調壓,利用可控硅的觸發(fā)電壓滯后于輸入電壓實(shí)現對輸入電壓的移相觸發(fā)。

在實(shí)現方法上有硬件和軟件方式。

采用調節電壓方法,采用可控硅調速技術(shù),具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單,元件體積小等特點(diǎn),是一種可控硅簡(jiǎn)單有效的方法。

(a)交流電流變化曲線(xiàn);

(b)電流為正半波時(shí),轉子的旋轉方向  

(c)電流為負半波時(shí),轉子的旋轉方向

單相交流異步電機——單相交流鼠籠式電機(無(wú)刷)

單相電流通過(guò)電樞繞組時(shí)產(chǎn)生的是脈振磁場(chǎng)而不是旋轉磁場(chǎng),所以單相異步電動(dòng)機不能自起動(dòng)。

為了解決起動(dòng)問(wèn)題,單相交流供電的異步電動(dòng)機實(shí)際上往往做成兩相的。

主繞組由單相電源直接供電;副繞組在空間上與主繞組差90°(電角度,等于機械角度被電動(dòng)機磁極對數除)。

副繞組串聯(lián)電容或電阻后再接到單相交流電源,使其中通過(guò)的電流和主繞組中的電流有一定的相位差。

使合成磁場(chǎng)成橢圓形旋轉磁場(chǎng),甚至可能接近于圓形旋轉磁場(chǎng)。

電動(dòng)機因此獲得起動(dòng)轉矩。

利用電阻分相方法的電動(dòng)機價(jià)格低廉,例如副繞組用較細的導線(xiàn)繞制即可,但分相效果較差,且電阻上要消耗能量。

這種電動(dòng)機在起動(dòng)并達到一定轉速后,通常由裝在電動(dòng)機軸上的離心式開(kāi)關(guān)將副繞組自動(dòng)切除,以減少電阻上的損耗、提高運行效率。

一般用于起動(dòng)轉矩要求不高的場(chǎng)合,如小型車(chē)床、小型電冰箱等,缺點(diǎn)是不能調速速。

利用電容分相,效果較好,有可能在電動(dòng)機某一工作點(diǎn)時(shí),使電機合成磁場(chǎng)接近于圓形旋轉磁場(chǎng),從而獲得較好的工作特性。


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