电动机的知识
本文最后更新于：2024年9月3日 下午
电动机的知识
电动机（electric motor）又称马达，也简称电机或音译电马达，是使用电力的发动机，泛指任何可以将电能转化成机械能并做功产生动能来驱动其他装置的电气设备。
电动机的基本原理是Fleming右手定则，当一导线置放于磁场内，若导线通上电流，则导线会切割磁场线使导线产生移动。电流进入线圈产生磁场，利用电流的磁效应，使电磁铁在固定的磁铁内连续转动的装置，可以将电能转换成动能。与永久磁铁或由另一组线圈所产生的磁场互相作用产生动力。
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一、电动机的分类
电机的分类方式有不同的分类逻辑。可以按照工作电源种类来分，可以按照功能用途来分，可以按照工作原理来分，还可以按照结构来分。
(1)按照工作电源分类
按照工作电源的种类，电动机分为交流电动机和直流电动机两个大类。
1.直流电动机按照换向器分类
(a)有刷直流电机
由于电刷和机械换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。
(b)无刷直流电机
无刷直流电机(BLDC)以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。
(c)空心杯直流电机
空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。
2.交流电动机按照同步异步分类
同步电机和异步电机最大的区别，通俗的理解就在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致，电机的转子速度与定子旋转磁场相同，叫同步电机，反之，则叫异步电机。
(a)同步交流电动机
同步电机的转子结构相对复杂，有直流励磁绕组，因此需要外加励磁电源，通过滑环引入电流。因此同步电机的结构相对比较复杂，造价、维修费用也相对较高。
(b)异步交流电动机
异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流，依靠旋转磁场拖动转子绕组进行旋转。
3.特种电动机分类
二、无刷直流电动机的方波与正弦波驱动
采用电子换向取代机械换向的BLDCM（Brushless Direct Currennt Motor），绕组电流除了与传统的直流电机一样接近方波以外，还可以是正弦波，都是有直流电机的特性，都属于无刷直流电机。二种驱动方式的机械特性和转矩特性相接近，但运行平衡性、调速范围和噪声等则很不一样。正弦波驱动要好得多。目前正弦波驱动的直流电动机多用于要求高的伺服系统，价格甚高，这不会影响正弦波驱动应是BLDCM的重要发展方向。
(1)方波控制（BLDC）
通过霍尔传感器获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向（每60°换向一次）。每个换向位置电机输出特定方向的转矩，因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。由于在这种方式控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。
(2)正弦波控制（PMSM）
直流无刷电机的正弦波控制即通过对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。与传统的方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低。根据控制的复杂程度，直流无刷电机的正弦波控制可分为：简易正弦波控制与复杂正弦波控制。PMSM是永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor）
1.简易正弦波控制
对电机绕组施加一定的电压，使电机相电压为正弦波，由于电机绕组为感性负载，因此电机相电流也为正弦波。通过控制电机相电压的幅值以及相位来控制电流的相位以及幅值，为电压环控制，实现较为简单。
2.复杂正弦波控制
与简易正弦波控制不同，复杂的正弦控制目标为电机相电流，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值达到控制电机的目的。由于电机相电流为正弦信号，因此需要进行电流的解耦操作，较为复杂，常见的为磁场定向控制（FOC）及直接转矩控制（DTC）等。
(3)BLDC和PMSM的区别
1.反电动势(bEMF)
PMSM具有正弦波反电势，而BLDCM具有梯形波反电势。BLDC的驱动常见的是梯形换相，因此永磁体磁场向量和定子磁场向量总不能完全重合，存在一定的前后夹角，这也就是BLDC力矩波动和噪声的理论来源。而PMSM可以应用FOC的控制方式做到尽量重合，比BLDC的力矩波动和噪声都小，效率也更高。当然，BLDC可以仿照这样的方式，在二二通电的线圈中，根据HALL位置信息，先角度估算，在这二个通电的线圈中构造出正弦波，来进行FOC控制方式。这时算法相对复杂，对单片机的要求就高一些了，常见的8位机很少能做到的。
2.定子绕组分布
PMSM采用短距分布绕组，有时也采用分数槽或正弦绕组，以 进一步减小纹波转矩。而BLDCM采用整距集中绕组。首先PMSM起源于绕线式同步电机，它用永磁体代替了绕线式同步电机的激磁绕组，它的一个显著特点是反电势波形是正弦波，与感应电机非常相似。在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。而BLDC起源于永磁直流电机它将永磁直流电机结构进行“里外翻”，取消了换相器和电刷，依靠电子换相电路进行换相。转子上有永磁体，定子上有三相绕组。
3.运行电流不同
为产生恒定电磁转矩，PMSM需要正弦波定子电流；BLDCM需要矩形波电流。永磁体形状不同，PMSM永磁体形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁密尽量呈正弦波分布；BLDCM永磁体形状呈瓦片形，在气隙中产生的磁密呈梯形波分布。
4.运行方式不同
PMSM采用三相同时工作，每相电流相差120°电角度，要求有位置传感器。BLDCM采用绕组两两导通，每相导通120°电角度，每60°电角度换相，只需要换相点位置检测。
正是这些不同之处，使得在对PMSM和BLDCM的控制方法、控制策略和控制电路上有很大的差别。
三、步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的步进电机驱动器。单片机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出了电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。
(1)步进电机参数
1.技术参数
(a)步距角（Step Angle）
指电机每接收一个脉冲，转子转动的角度。反应式步进电机的步距角通常为1.8度或0.9度。
(c)相数（Number of Phases）
电机内部的线圈分组，常见的有两相和三相步进电机。
(d)拍数（Number of Pulses per Revolution）
电机完成一圈所需的最小脉冲数。
(b)定位转矩（Detent Torque）
电机在不加电流时，定子齿对转子齿的吸引力。
(e)静转矩（Holding Torque）
电机在静止状态下，能够保持其位置的最大力矩。
(f)驱动电路细分值（Microstepping Resolution）
通过驱动器实现的步进电机的细分控制，可以提高电机的运行性能和平滑度。
2.性能参数
(a)最大静转矩（Maximum Static Torque）
电机在静止状态下能承受的最大力矩。
(c)启动频率（Starting Frequency）
电机在不失步的情况下能够直接启动的最高频率。
(d)运行频率（Operating Frequency）
电机能够连续运行而不失步的最高频率。
(b)步距误差（Step Error）
实际步距角与理论步距角的差异，反映电机的精度。
(e)低频振荡（Low-frequency Oscillation）
在低频运行时，电机可能出现的振荡现象。
(f)最大相电压和最大相电流（Maximum Phase Voltage and Current）
电机每相绕组允许的最大电压和电流。
3.参数计算
(a)步距角计算
步进电机步距角是步进电机的一个属性，决定了其运动的基础，而步距角取决于电机上的磁极总数。
步距角计算公式是将360°除以电机所有相的磁极总数，用以下步距角计算公式表示：
(b) 细分步距角
步进电机的步距角可以通过细分功能进行调节，细分后的步距角计算方法是将电机固有步距角除以细分数。例如，如果一台步进电机的固有步距角为1.8°，设置为4细分，那么其细分后的步距角为1.8°/4=0.45°。这种细分功能通过驱动器实现，常见的细分倍数包括1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64或1/5、1/10、1/20等。通过细分，可以减小步进电机的步距角，从而使电机运行更加平稳，减少振动和噪音，提高位置控制的精度
(2)步进电机加减速过程控制
在启动或加速时如果步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。
步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动力矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩，又不能超过这个力矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。
加速度和减速度设定：首先，需要设置步进电机的加速度和减速度参数。加速度是指电机在单位时间内增加的速度，减速度是指电机在单位时间内减少的速度。这些参数可以通过控制器或驱动器上的参数设置进行调整。
脉冲频率控制：步进电机的加减速运动通常是通过改变脉冲信号的频率来控制的。在加速阶段，脉冲频率逐渐增加；在减速阶段，脉冲频率逐渐减小。通过逐渐增加或减小脉冲信号的频率，可以实现步进电机的平滑加减速运动。
加减速曲线：步进电机加减速运动可以使用不同的曲线进行控制，常见的有线性加速（速度随时间线性增加）、S型加减速（速度逐渐增加或减小）等。这些曲线可以使步进电机在运动过程中达到平稳、准确的加减速效果。
控制算法：控制器或驱动器通常采用特定的控制算法来实现步进电机的加减速运动控制。常见的控制算法包括开环控制、闭环控制等，通过对脉冲信号的生成和调整，实现步进电机的精确控制。
步进电机的加减速控制在实际应用中可能会受到一些限制，如负载惯性、电机本身特性等因素的影响。因此，在设计步进电机系统时，需要综合考虑这些因素，并选择合适的驱动器和控制方法来实现理想的加减速控制效果。
(3)步进电机细分驱动
步进电机由于受到自身制造工艺的限制，如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，但转子齿数和运行拍数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的，步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。
步进电机细分驱动技术是一种通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，从而在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态的技术。这种技术通过改变合成磁场的夹角，将步进电机的步距角细分为多个小步，从而提高步进电机的转角精度和运行平稳性。
步进电机的转动是通过脉冲电压完成的，每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或关断，而是仅改变对应绕组中额定电流的一部分。通过控制绕组中电流的数值，可以控制转子的步距角大小。细分驱动电路通过改变A、B相电流的大小来改变合成磁场的夹角，从而将一个步距角细分为多个小步。这种控制方式使得步进电机的运动近似于匀速运动，并且能够在任何位置停步。
- 提高精度：通过细分驱动技术，步进电机的步距角可以变得更小，从而提高其控制精度。
- 减少振动和噪音：细分驱动技术可以显著减少或消除步进电机在低频运行时产生的振动和噪音。
- 改善低频特性：采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的低频特性，使其在低速运行时更加平稳。
四、空心杯电机
空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。绕组采用三角形接法。
五、交流电机
交流电动机是一种将交流电的电能转变为机械能的装置。交流电机与相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。
交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流电动机分为同步交流电动机和感应电动机两种。
(1)同步交流电动机（永磁）
低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。
1.主要参数
同步交流电动机的主要参数包括额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、功率因数、转速、极数、空载电流、轴承类型、轴承寿命等。
- 额定功率（PM）：表示电机在额定运行条件下能够持续输出的机械功率，单位通常为千瓦（kW）或兆瓦（MW）。
- 额定电压（额定电压）：电机在额定运行条件下所需的电压，通常指线电压，单位为伏特（V）或千伏（kV）。
- 额定电流（额定电流）：电机在额定运行条件下流经电机的电流，单位为安培（A）。
- 额定频率（f）：电力系统中的交流电频率，通常为50Hz或60Hz，这决定了电机转子的旋转速度。
- 功率因数：表示电机实际消耗的功率与视在功率之比，反映了电机的效率。
- 转速：电机转子每分钟旋转的圈数，与电机的极数和电源频率有关。
- 极数：电机转子的极数，决定了电机的磁场结构和转速。
- 空载电流：电机在无负载情况下的电流消耗。
- 轴承类型：电机使用的轴承类型，影响电机的运行稳定性和寿命。
- 轴承寿命：轴承能够持续运行的时间或转数，反映了电机的耐用性。
这些参数共同决定了同步交流电动机的性能和适用范围，对于电机的设计和应用至关重要。
2.调速方式
同步电动机转子的转速与供电电源的频率之间满足严格的同步关系，所以同步电动机调速最常用的方法就是变频调速。在具有三相变频器供电的场合，改变供电电源的频率，就可以使转子的转速连续、平滑地调节。由于同步电动机在励磁方式有别于感应电机，所以同步电动机变频调速的控制要求与感应电机略有不同。同步电动机的变频调速可分为他控式变频和自控式变频两大类。
同步交流电动机的转速公式为：
表示同步转速，即电动机定子的旋转磁场的转速。 表示电源频率，对于我国的工频，一般为50Hz。 表示磁极对数，即电动机的磁极数量。
(a)他控式变频
他控式变频调速是利用独立的变频器给同步电动机定子三相绕组供电的调速方法，通过直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种频率开环控制方式。采用这种方法调速时，加速与减速不能太快，否则会造成同步电动机的不稳定或失步。
(b)自控式变频
自控变频方式中所用的变频装置是非独立的，其输出电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。
(c)他控与自控比较
他控变频时，当频率给定值一定，变频器的输出频率恒定，此时电机的运行情况与恒频电源供电时无异，也会产生恒频电源供电时的振荡、失步等现象。而自控变频中由于电动机输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，不会出现振荡和失步，因此永磁同步伺服电动机通常采用自控变频方式。
(2)异步交流电动机（感应）
通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速
1.主要参数
异步交流电动机的主要参数包括型号、功率、电压、电流、频率、接法、工作方式、功率因数、绝缘等级、额定转速。
- 型号：表征电动机的类型、性能、用途、结构等特征，由产品代号、规格代号、技术参数代号三部分组成。例如，某电动机型号为“Y250M2-4”，其中Y代表异步电动机，250表示中心高，M为中机座，2表示2号铁心长度，4表示磁极数。
- 功率：指额定功率，表示电动机在额定电压下的转轴输出功率。
- 电压：指额定电压，表示电动机正常工作时加在定子绕组线端的电压，有220V、380V等多种等级。
- 电流：指额定电流，表示电动机在额定工作状态下运行时流过定子绕组的线电流。
- 频率：指额定频率，表示电动机允许接入的交流电源频率，通常为50Hz。
- 接法：指电动机定子绕组的连接方式，通常有“Y”接法和“△”两种接法。
- 工作方式：表示电动机工作特征，可分为连续、短时、断续三种。
- 功率因数：指电动机在额定工作状态下运行的输出有功功率与输入视在功率的百分比。
- 绝缘等级：指电动机绕组在正常状态下工作时允许超出的环境温度电工基础值。
- 额定转速：指电动机在额定工作条件下转子每分钟的转数。
这些参数共同决定了异步交流电动机的性能和适用范围，对于正确选择和使用电动机至关重要。
2.调速方式
异步交流电动机的转速公式：
代表电动机的实际转速。
是电源频率，通常在非变频调速的应用场合中，电源频率f为恒定的（例如50Hz）。
是极对数，表示电动机的极数的一半。例如，一个6极的电动机，其极对数p为3。 是转差率，表示电动机的实际转速与同步转速之间的差异。转差率通常在10%以内。
由异步电动机的转速表达式可知：要调节异步电动机的转速，可采用改变电源频率
(a)变频调速
这种调速方式主要改变交流异步电动机的同步转速，按照变频方式主要有直接变频和间接变频两种方式。特点是调速范围大；特性硬；精度高；附加损耗小，调速效率高；应用范围广泛，非常适合交流笼型异步电动机等优点。让交流异步电动机有了媲美直流电机的调速性能，成为当下异步电机主要的调速方式。
(b)变极调速
这种调速方式只适用于笼型异步电动机，主要是通过改变定子绕组的接线方式，改变电机磁极对数，达到改变同步转速的目的。这种调速方式具有较硬的机械特性，稳定性好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低。缺点是有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
(c) 转子串电阻调速
这种调速方式只适用于绕线式交流异步电动机，通过改变绕线式异步电动机转子串入附加电阻值，来改变电机的转差率，进而改变电机转速。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。这种方式在势能负载上使用较多，比如桥式吊车的大、小车和卷扬控制都是采用这种方式。
(d)串级调速
串级调速是将异步电机与可控硅串接在一起，通过控制可控硅的导通角来改变电机的输入电压和电流，从而实现电机的变速。串级调速可以实现较大范围的平滑调速，调速效率高，但需要复杂的控制系统，成本较高。串级调速是一种适用于绕线式交流异步电动机的高效调速方式，它通过改变转差率来实现调速目的，具有效率高、调速平滑、成本低廉等优点，同时也能将转差损耗回馈再利用，但在实际应用中需要注意其功率因数和谐波影响等问题。
(e)定子调压调速
定子调压调速是通过改变电动机的定子电压来实现的，这种方法可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同的转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种，其中晶闸管调压方式被认为是最佳的。调压调速的优点包括线路简单、易实现自动控制，但缺点是转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低，一般适用于100KW以下的生产机械。
(3)异步电机和同步电机的区别对比
1.转速特性
异步电机：转子转速总是低于定子磁场的同步转速，存在转差。
同步电机：转子转速与定子磁场同步，无转差。
2.起动方式
异步电机：靠转子切割定子旋转磁场自行启动。
同步电机：需要额外的启动装置或外力使转子达到同步转速后并网运行。
3.调速性能
异步电机：调速性能较差，主要依靠变极调速、变频调速。
同步电机：调速性能优异，转速严格跟随电源频率变化。
4.功率因数
异步电机：功率因数随负载变化，一般为0.7-0.9。
同步电机：功率因数可调，通常可以达到1。
5.适用场合
异步电机：结构简单，价格低廉，适用于通用领域，如风扇、泵、压缩机等。适用于一般工业和民用场合，成本低，结构简单。
同步电机：调速精度高，效率高，适用于高性能传动场合如电动汽车、机器人、精密机械等。适用于高性能、高精度的工业驱动和发电设备。
异步电机和同步电机各有优缺点。异步电机结构简单、成本低，但调速性能较差，适用于通用应用；同步电机调速精度高、效率高，但结构复杂、成本高，适用于高性能传动场合。电机选型时需要综合考虑具体应用场景的负载特性、效率、功率因数和调速范围等因素，才能充分发挥电机的最大效能。
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