大话电动机

电机分类

工作电源

根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

结构原理

同步和异步电机均属交流动力电机，是靠50Hz交流电网供电而转动。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。

• 感应电动机又分为三相异步电动机，单相相异步电动机和罩极异步电动机等。

• 交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

用途分类

电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、

家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机

及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

知识准备

四象限运行

通常情况下，一台电机可以在4个不同的区域运行。直流电动机的四象限运行包括以下内容。

作为正向或顺时针方向的电机。 作为正向的发电机。 作为反向或逆时针方向的电机。 作为反向的发电机。

• 在第一象限中，电机以正方向的速度和转矩驱动负载。
• 在第二象限，扭矩方向反转，电机充当发电机
• 在第三象限，电机以负方向的速度和扭矩驱动负载。
• 在第四象限，电动机在反向模式下充当发电机。
• 在第一和第三象限，电机正向和反向运行。例如，起重机中的电机用于提升和放下负载。

在第二象限和第四象限中，电动机分别作为正向和反向的发电机，向电源提供能量。因此，控制电机运行的方法，使其在4个象限中的任何一个运行，就是控制它的速度和旋转方向。

通过改变电枢电压或削弱磁场来控制速度。通过改变施加电压大于或小于反电动势的程度来控制扭矩方向或旋转方向。

旋转磁场

旋转磁场是一种大小不变，而以一定转速在空间旋转的磁场。在对称三相绕组中流过对称三相电流时会产生一种旋转磁场，该磁场随电流交变而在空间不断地旋转着。交流电机气隙中的磁场。因其沿定、转子铁心圆柱面不断旋转而得名。旋转磁场是电能和转动机械能之间互相转换的基本条件。

通常三相交流电机的定子都有对称的三相绕组（见电枢绕组）。任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场。但若以平衡三相电流通入三相对称绕组，就会产生一个在空间旋转的磁场。磁场的对称轴线φ随时间而转动，其转速ns由电流频率f和磁极对数P决定 ns称为同步转速或同步速（以转每分表示）。中国应用的工业电源的频率f为50赫,于是两极电机(P=1)的ns=3000转/分；四极电机(P=2)的ns=1500转/分；其余类推。

在一般情况下，电流变化一个周期，磁场轴线在空间就转过一对极。

若近似地认为磁场沿圆周作正弦形分布，并用磁场轴线处的空间矢量来代表，用矢量长度表示磁场振幅，则理论分析证明，三相对称绕组通以平衡的三相电流时，产生的是一个振幅不变的旋转磁场。这时矢量在旋转过程中它的末端轨迹为一圆形，故名圆形旋转磁场。这个结论可以推广到一般的多相（包括两相）系统。即多相电机对称绕组通以平衡多相交流电流，则产生圆形旋转磁场。

一般说来，旋转磁场的转向总是从电流超前的相移向电流滞后的相。如果将三相的 3个引出线任意两个对调再接向电源，即通入三相绕组的电流相序相反，则旋转磁场的转向也跟着相反。

如果三相电流不平衡，可用对称分量法把三相电流系统分解为正序电流系统和负序电流系统。正序电流系统产生一个正向圆形旋转磁场，负序电流系统产生一个反向圆形旋转磁场。一般情况，两个磁场振幅大小不等，其合成磁场矢量的末端轨迹为一椭圆形，故名椭圆形旋转磁场。这个结论也可以推广到一般的多相(包括两相)电机。

电磁铁

电磁铁是电动机的基础。假设您通过在钉子上缠绕 100 圈电线并将其连接到电池来创建一个简单的电磁体。连接电池时，钉子会变成磁铁并具有北极和南极。

现在假设你拿起你的钉子电磁铁，将一个轴穿过它的中间并将它悬挂在马蹄形磁铁的中间，如图所示。如果你将电池连接到电磁铁上，使钉子的北端如图所示，磁力的基本定律会告诉你会发生什么：电磁铁的北端会被马蹄形磁铁的北端排斥并被马蹄形磁铁的南端吸引。电磁铁的南端将以类似的方式被排斥。钉子将移动半圈，然后停在所示位置。

电机中有两个磁铁：转子（绿色）是电磁铁，而励磁磁铁是永磁体。电动机的关键是更进一步，以便在这半圈运动完成的那一刻，电磁铁的磁场翻转。你通过改变电子在电线中流动的方向来翻转磁场，这意味着翻转电池。翻转使电磁铁完成另一半圈运动。如果电磁铁的磁场在每半圈运动结束时恰好在正确的时刻翻转，电动机就会自由旋转。

直流电机

直流电动机是一种以直流电运行的电动机，主要操作依赖于简单的电磁。载流导体会产生磁场，然后将其置于外部磁场中时，它将遇到与导体中的电流和外部磁场强度成正比的力。它是一种将电能转化为机械能的装置，其工作原理是放置在磁场中的载流导体会受到一个力，使其相对于其原始位置旋转。实用的直流电机由提供磁通量的励磁绕组和充当导体的电枢组成。

有刷直流电机

有刷直流电机是一种直流电机，有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，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。

有六个部分：定子，转子，换向器，刷子，轴，直流电源。直流电机的外部是定子：一个不会移动的永磁体。内部是转子，它确实移动。这里的转子就像我们前面例子中的钉子，定子就像马蹄形磁铁。

电动机的“翻转电场”部分由两部分完成：换向器和电刷。

该图显示了换向器（绿色）和电刷（红色）如何协同工作，让电流流向电磁铁，并在正确的时刻翻转电子流动的方向。换向器的触点连接到电磁铁的轴上，因此它们与磁铁一起旋转。电刷只是与换向器触点接触的两片弹性金属或碳。

当直流电通过转子发送时，它会产生一个临时电磁场，该电磁场与定子的永久磁场相互作用。换向器的工作是保持磁场的极性翻转，从而保持转子旋转。这会产生产生机械动力所需的扭矩。

通常转子将具有三个极，而不是本文中所示的两个极。电机具有三极有两个很好的理由：

• 它使电机具有更好的动力。在两极电机中，如果电磁铁处于平衡点，电机启动时定子两极之间完全水平，您可以想象转子“卡”在那里。这在三极电机中永远不会发生。
• 每次换向器达到翻转两极电机中的磁场的点时，换向器都会使电池短路片刻。这种短路会浪费能量并不必要地耗尽电池。三极电机也解决了这个问题。

可以有任意数量的极，这取决于电机的大小和它需要做什么。

无刷直流电机

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。

早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

驱动方式

无刷直流电机，根据驱动线圈的数量（相数），被分为两相、三相。线圈的驱动 方式、接线方式也有好几种。下图展示了具有三相驱动线圈的电机的驱动方式。

（c）是单极性 驱动。驱动线圈LA、LB、LC的一端接+VCC，各线圈的驱动电流由晶体管开关切换。由 于施加到各线圈的电压都是相同的极性，所以称为单极性驱动。单极性驱动的特点是驱动电路简单，容易做到低成本化。但是，电机的转矩、旋 转平滑度比不上双极性驱动。（a）和（b）是双极性驱动，驱动线圈由各上臂（电源侧）、下臂（接地 侧）的2个晶体管驱动。在双极性驱动方式下，电机线圈的接线方式有两种：图1（a）所示的星形连接 和图1（b）所示的三角形连接。在线圈的线径、匝数相同的情况下，三角形连接方 式的电流更大，适用于大转矩设计。

驱动电路

具备换向器的有刷直流电机，只要连接电源就可以旋转。但是，无刷直流电机若 没有控制电路，就不会旋转。控制电路由以下电路构成：·霍尔元件驱动电路 ·霍尔电压放大电路 ·三相逻辑电路 ·驱动电路此前也有过采用分立元器件设计的时代，后来慢慢转变为使用专用IC。以下是无刷直流电机控制IC TA7745P（东芝）的外观和内部方框图。霍尔电压放大电路、三相逻辑电路和下臂驱动电路 （最大1A）都集成在单芯片里。

这个系列的IC已经有很长的应用历史了，目前TA7745PG（DIP）已停产，新产品为A7745PG （SOP）。稍后介绍的无传感器驱动IC、正弦波驱动IC是当前的主流。另外，使用微控制 器进行高级控制的方式也很常见。TA7745是集成了无刷直流电机驱动电路的单芯片：·通过霍尔元件检测转子位置 ·方波驱动 虽然是以前的IC，但是用于说明无刷直流电机驱动电路的基本结构正适合。

进行单极性驱动时，如下图所示，可以直接接电机。

需要进行双极性驱动时，在正极侧的上臂追加驱动用PNP晶体管。各霍尔元件需要流过恒定的电流，3个元件并联，通过2个限流电阻（680Ω）模拟恒定电流驱动。各霍尔元件Ha、Hb、Hc的霍尔电压输出接TA7745P的Ha+、Ha-，Hb+、Hb-，Hc+、Hc- 端子。无论哪一组，都是存在20mV滞后的差动放大电路。各霍尔元件输出端之间设置的0.01μF电容器，用于滤除霍尔元件的噪声及电源 噪声。CW/CCW是控制电机正反转及停止的信号输入端。根据控制输入的电压：·正转 VCC～3.9V ·停止 2.6～1.8V ·反转 0.9～0.0V 输入端悬空时，变为停止状态。下臂的驱动输出可以达到最大1A的电流，所以直接接电机的驱动线圈。上臂由 电阻内置型晶体管2SA1529驱动。

以此为基础，所示电路的脉冲波形如下所示

霍尔元件输出信号 Ha+、Hb+、Hc+ 是近似正弦波的波形。霍尔元件处于N极时为正弦波的正峰，在S极时为 负峰。转子处于下图（a）所示的位置时，霍尔元件Ha在N极和S极之间的中和点，输出信号处于零点。相对于上图所示的霍尔元件信号输入，TA7745P输出线圈控制信号La-、Lb-、Lc-， la+、lb+、lc+ 。这些信号由图3.6所示内部方框图中的三相逻辑电路形成。若将图6所示的无刷直流电机接到图4所示的电路，则各线圈的波形变为 图5所示的La、Lb、Lc。线圈驱动波形La、Lb、Lc的粗线部分，表示的是线圈由上臂或下臂驱动电路驱动 的时间。除此以外的时间，线圈处于未受驱动的状态，线圈中出现磁性转子产生的感应 电压。 上图中的转子位置（a）～（g）与图6（a）～（g）所示的无刷直流电机的 工作原理图是对应的。首先，转子处于下图（a）所示的位置时，上图所示脉冲波形图中各线圈的驱动信号为 La＝GND Lb＝+VCC Lc＝NC 电流经过星形接点从Lb流到La，结果是磁场的极性变为 La＝S极 Lb＝N极 转子上产生逆时针方向的转矩。转子旋转60°来到图6（b）所示的位置时，线圈驱动信号变为 La＝GND Lb＝NC Lc＝+VCC 结果是磁场的极性变为 La＝S极 Lc＝N极 转子继续产生逆时针方向的转矩。

同样，按照（b）→（c）→（d）→（e）→（f）→（g），随着转子旋转产生的 霍尔元件信号，TA7745P控制线圈驱动，让转子不断产生逆时针方向的转矩。（g）为转子旋转360°后的状态，与（a）所示的位置相同

交流电机

组成原理

交流电机内部的部件是：定子，转子，实心轴，线圈，鼠笼，机座

定子铁心：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组;定子绕组：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场;

机座：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用;

交流电机中定子的绕组起到了直流电机转子的作用。在这种情况下，它是一圈电磁铁，它们配对并按顺序通电，从而产生旋转磁场。

直流电机中的转子与电池相连。但交流电机中的转子与电源没有任何直接连接。它也没有刷子。相反，它使用一种叫做松鼠笼的东西。你没看错。

交流电机中的鼠笼是一组转子条，它们连接到两个环，两端各有一个。这有点像笼子里的老鼠（或松鼠）会在里面跑。鼠笼式转子进入定子内部。当交流电通过定子发送时，会产生电磁场。鼠笼转子中的条是导体，因此它们会响应定子磁极的翻转。这就是转子旋转的方式，从而产生了自己的磁场。

转子磁场由定子磁场感应的交流感应电机的关键在于转子总是试图赶上。它总是在寻找静止状态，所以它一直在旋转以找到稳定状态。但是使用交流电源的定子产生的电磁场总是比转子的场快一点。转子的旋转正在产生所需的扭矩，以产生机械动力来转动汽车的车轮或风扇的呼啸声。

一些交流电机使用绕线转子，它用电线包裹而不是鼠笼。不过，松鼠笼更常见。在任何一种情况下，交流电机中只有一个活动部件，这意味着需要更换或维护的东西更少。

单相电机

一个单相电机里一共有两个线圈，主线圈和副线圈。当单相正弦电流通过主线圈时，主线圈就会产生一个交变脉动磁场，这个磁场的强弱随时间作正弦电流变化而变化，但在它的方向一直是1-3这个方向。

如果没有其他线圈提供的力，那么电机转90°以后就不转了。如果想要让他旋转，还须给它加一个与主线圈方向垂直的力，由启动线圈提供，也就是副线圈。

要想让副线圈提供与主线圈方向垂直的力，那就必须要给副线圈通入另外一相电流。如果通入的是同一相电流，那么它们产生力的方向也一样。但是只有单相电，那怎么办呢？

这时候就要采用电容移相了。简单的来说，就是把电容串联在所需要移相的电路里，从而让电流相位改变。单相交流电移相以后，那么它的波形图就变成下图这样了。

最后把它综合起来，电机接线图就成下图这样。首先正弦交流电从A点进来，一部分给主线圈供电，另外一部分通过电容移相。由于两相电他们的相位一前一后，那么线圈产生的磁场力也会一前一后。这样，就可以达到主线圈推一下，然后副线圈推一下，最后旋转起来。

如果想要电机反转，那只需要把上图接A点的电源线换到B点即可，接C点的电源线不动。

因为没换之前主线圈用的是相位为零的正弦交流电、副线圈用的是移相以后的正弦交流电。电源线换到B点以后，那么副线圈用的是相位为零的正弦交流电，而主线圈用的是移相以后的正弦交流电。两个线圈的电流相位改变，那么它们所产生磁场力方向也改变、旋转也将改变。

三相电机

三相电机采用三相交流电源，由于三相交流电他们相位差为120°。当定子绕组通入三相交流电以后，会在定子内产生旋转磁场。旋转磁场切割转子绕组，那么转子绕组会产生感应电流，感应电流在旋转磁场中会受到电磁力，从而就会旋转起来。

三相电机采用三相电源，它们相位差120°。我们可以简单的理解成，三相电机相当于三个人站在三个不同的角度去推转子。单相电机采用单相电源和电容，主副线圈的相位相差90°。我们可以简单的理解成，单相电机相当于两个人站在两个不同的角度去推转子。

所以，同样功率的三相电机比单相电机的转矩（旋转力）要大。

一般如果有三相电源的地方尽量采用三相电机，因为同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，噪音小，价格低，转矩高等优点。

最后船舶电机为什么要用三相的了？那是因为船舶用电基本是三相三线制，电网对地绝缘好，船员不小心碰到电网的任何一根线时，不至于造成触电伤亡事故；发生单相接地时，并不形成短路，仍可维持电气设备的正常运行。俩相就不一样了，缺一项就得歇菜了。

同步电机和异步电机

同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。

异步电机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场，这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步机。

而同步电机定子与异步电机相同，但其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步，始称同步电机。

简单的说就是：异步电机的转子上没加直流励磁电流，同步电机的转子上加了一个直流励磁电流使转子的转速与定子与转子切割产生的磁场转速一致。

• 同步电机大多用在大型发电机的场合。而异步电机则几乎全用在电动机场合。同步电机可以通过励磁灵活调节输入侧的电压和电流相位，即功率因数；异步电机的功率因数不可调，一般在之间，因此在一些大的工厂，异步电机应用较多时，可附加一台同步电机做调相机用，用来调节工厂与电网接口处的功率因数。但是，由于同步电机造价高，维护工作量大，现在一般都采用电容补偿功率因数。
• 同步电机效率较异步电机稍高，在2000KW以上的电动机选型时，一般要考虑是否选用同步电机。但是，同步机因为有励磁绕组和滑环，需要操作工人有较高的水平来控制励磁，另外，比起异步电机的免维护来，维护工作量较大；所以，现在2500KW以下的电动机，现在大多选择异步电机。在功率较小时，效率的差别已经变得微不足道了。
• 异步电机简单，成本低，易于安装、使用和维护，所以受到广泛使用。缺点是效率低，功率因数低对电网不利。而同步电机效率高是容性负载，可改善电网功率因数。
• 同步机需要励磁电压、电流调节，异步机则不需；同步机可以给系统补偿无功，异步机需要专门设备增加功率补偿。
• 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。一般的应用场合做为设备驱动选择异步电动机就可以了。

步进电机和伺服电机

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。伺服电机在封闭的环里面使用。就是说它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转。伺服电机也可用单片机控制。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。