TPM設備電機分類及應用
來源/作者： TPM咨詢服務中心 丨 發(fā)布時間：2017-07-08 丨 瀏覽次數(shù)：
從廣義電機分類上講，電機是電能的變換裝置，包括旋轉電機和靜止電機。旋轉電機是根據(jù)電磁感應原理實現(xiàn)電能與機械能之間相互轉換的一種能量轉換裝置；靜止電機是根據(jù)電磁感應定律和磁勢平衡原理實現(xiàn)電壓變化的一種電磁裝置，也稱其為變壓器。
這里我們主要討論旋轉電機，旋轉電機的種類很多，在現(xiàn)代工業(yè)領域中應用極其廣泛，可以說，有電能應用的場合都會有旋轉電機的身影。與內(nèi)燃機和蒸汽機相比，旋轉電機的運行效率要高的多；并且電能比其它能源傳輸更方便、費用更廉價，此外電能還具有清潔無污、容易控制等特點，所以在實際生活中和工程實踐中，旋轉電機的應用日益廣泛。
不同的電機有不同的應用場合，隨著電機制造技術的不斷發(fā)展和對電機工作原理研究的不斷深入，目前還出現(xiàn)了許多新型的電機，例如，美國EAD公司研制的無槽無刷直流電動機，日本SERVO公司研制的小功率混合式步進電機，我國自行研制適用于工業(yè)機床和電動自行車上的大力矩低轉速電機等。
1 旋轉電機分類
在旋轉電機中，由于發(fā)電機是電能的生產(chǎn)機器，所以和電動機相比，它的種類要少的多；而電動機是工業(yè)中的應用機器，所以和發(fā)電機相比，人們對電動機的研究要多的多，對其分類也要詳細的多。實際上，我們通常所說的旋轉電機都是狹義的，也就是電動機——俗稱“馬達”。眾所周知，電動機是傳動以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，電動機在實際應用中的重點已經(jīng)開始從過去簡單的傳動向復雜的控制轉移；尤其是對電動機的速度、位置、轉矩的精確控制。
由此可見，對于一個電氣工程技術人員來說，熟悉各種電機的類型及其性能是很重要的一件事情。通常人們根據(jù)旋轉電機的用途進行基本分類。下面我們就從控制電動機開始，逐步介紹電機中最有代表性、最常用、最基本的電動機——控制電動機和功率電動機以及信號電機。
企業(yè)電機分類
2 控制電動機
2.1 伺服電動機
伺服電動機廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。
伺服電動機有直流和交流之分；最早的伺服電動機是一般的直流電動機，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機做伺服電動機。目前的直流伺服電動機從結構上講,就是小功率的直流電動機,其勵磁多采用電樞控制和磁場控制,但通常采用電樞控制。
旋轉電機的分類，直流伺服電動機在機械特性上能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的要求，但是由于換向器的存在，存在許多的不足：換向器與電刷之間易產(chǎn)生火花，干擾驅動器工作，不能應用在有可燃氣體的場合；電刷和換向器存在摩擦，會產(chǎn)生較大的死區(qū)；結構復雜，維護比較困難。
交流伺服電動機本質(zhì)上是一種兩相異步電動機，其控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅相控制。
一般地，伺服電動機要求電動機的轉速要受所加電壓信號的控制；轉速能夠隨著所加電壓信號的變化而連續(xù)變化；電動機的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電動機主要應用在各種運動控制系統(tǒng)中，尤其是隨動系統(tǒng)。
2.2 步進電動機
所謂步進電動機就是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構；更通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電機的角位移量，從而達到精確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進電動機包括反應式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）和單相式步進電動機等。
步進電動機和普通電動機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅動的形式，正是這個特點，步進電動機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術相結合。但步進電動機在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電動機；所以主要應用在精度要求不是特別高的場合。由于步進電動機具有結構簡單、可靠性高和成本低的特點，所以步進電動機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域；尤其是在數(shù)控機床制造領域，由于步進電動機不需要A/D轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。
除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。
此外，步進電動機也存在許多缺陷；由于步進電機存在空載啟動頻率，所以步進電機可以低速正常運轉，但若高于一定速度時就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大，細分數(shù)越大精度越難控制；并且，步進電機低速轉動時有較大的振動和噪聲。
2.3 力矩電動機
所謂的力矩電動機是一種扁平型多極永磁直流電動機。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導體數(shù)，以降低轉矩脈動和轉速脈動。力矩電動機有直流力矩電動機和交流力矩電動機兩種。
其中，直流力矩電動機的自感電抗很小，所以響應性很好；其輸出力矩與輸入電流成正比，與轉子的速度和位置無關；它可以在接近堵轉狀態(tài)下直接和負載連接低速運行而不用齒輪減速，所以在負載的軸上能產(chǎn)生很高的力矩對慣性比，并能消除由于使用減速齒輪而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。
交流力矩電動機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動機，它具有低轉速和大力矩的特點。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動機，其工作原理和結構和單相異步電動機的相同，但是由于鼠籠型轉子的電阻較大，所以其機械特性較軟。
2.4 開關磁阻電動機
開關磁阻電動機是一種新型調(diào)速電動機，結構極其簡單且堅固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電動機強有力競爭者，具有強大的市場潛力。
2.5 無刷直流電動機
無刷直流電機（BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切地講是交流伺服電動機的一種。
無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用“細長”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。
這種電動機的機械特性和調(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，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。
3 功率電動機
3.1 直流電動機
直流電動機是出現(xiàn)最早的電動機，大約在19世紀末，其大致可分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機有較好的控制特性直流電動機在結構、價格、維護方面都不如交流電動機，但是由于交流電動機的調(diào)速控制問題一直未得到很好的解決方案，而直流電動機具有調(diào)速性能好、起動容易、能夠載重起動等優(yōu)點，所以目前直流電動機的應用仍然很廣泛，尤其在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。
3.2 異步電動機
異步電動機是基于氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩而實現(xiàn)能量轉換的一種交流電機。異步電動機一般為系列產(chǎn)品，品種規(guī)格繁多，其在所有的電動機中應用最為廣泛，需量最大；目前，在電力傳動中大約有90%的機械使用交流異步電動機，所以，其用電量約占總電力負荷的一半以上。
異步電動機具有結構簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點。并且，異步電機有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的傳動要求。異步電動機主要廣泛應用于驅動機床、水泵、鼓風機、壓縮機、起重卷揚設備、礦山機械、輕工機械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機械等大多數(shù)工農(nóng)生產(chǎn)機械以及家用電器和醫(yī)療器械等。
在異步電動機中較為常見的是單相異步電動機和三相異步電動機，其中三相異步電動機是異步電動機的主體。而單相異步電動機一般用于三相電源不方便的地方，大部分是微型和小容量的電機，在家用電器中應用比較多，例如電扇、電冰箱、空調(diào)、吸塵器等。
3.3 同步電動機
所謂同步電動機就是在交流電的驅動下，轉子與定子的旋轉磁場同步運行的電動機。同步電動機的定子和異步電動機的完全一樣；但其轉子有“凸極式”和“隱極式”兩種。凸極式轉子的同步電動機結構簡單、制造方便，但是機械強度較低，適用于低速運行場合；隱極式同步電動機制造工藝復雜，但機械強度高，適用于高速運行場合。
同步電動機的工作特性與所有的電動機一樣， 同步電動機也具有“可逆行”，即它能按發(fā)電機方式運行，也可以按電動機方式運行。
同步電動機主要用于大型機械，如鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機以及小型、微型儀器設備或者充當控制元件；其中三相同步電動機是其主體。此外，還可以當調(diào)相機使用，向電網(wǎng)輸送電感性或者電容性無功功率。
4 信號電機
4.1 位置信號電機
目前，最有代表性的位置信號電機：旋轉變壓器、感應同步器和自整角機。
旋轉變壓器本質(zhì)上是可以隨意改變一次繞組和二次繞組耦合程度的變壓器。其結構和繞線式異步電動機相同，定子和轉子各有兩組相互垂直的分布繞組，轉子繞組利用滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)接。當一次繞組勵磁以后，二次繞組的輸出電壓和轉子的轉角成正弦、余弦、線性或者其他函數(shù)關系，可以用于計算裝置中的坐標變換和三角運算，還可以在控制系統(tǒng)中作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相器使用。
感應同步器是一種高精度的位置或角度檢測元件，有圓盤式和直線式兩種。圓盤式感應同步器用來測量轉角位置；而直線式感應同步器用來測量線位移。
自整角機是一種感應式機電元件，被廣泛地應用于隨動系統(tǒng)中，作為角度傳輸、變換和指示的裝置。在控制系統(tǒng)中經(jīng)常兩臺或者多臺聯(lián)合使用，使機械上互不相連的兩根或多根軸能夠自動地保持相同的轉角變化，或者同步旋轉。
4.2 速度信號電機
最有代表性的速度信號電機是測速發(fā)電機，其實質(zhì)上是一種將轉速變換為電信號的機電磁元件，其輸出電壓與轉速成正比。從工作原理上講，它屬于“發(fā)電機”的范疇。測速發(fā)電機在控制系統(tǒng)中主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測速元件來使用。
測速發(fā)電機有直流和交流之分；而直流測速發(fā)電機又有他勵和永磁之分，其結構和工作原理與小功率直流發(fā)電機相同，通常輸出功率較小，作為計算元件時要求其輸出電壓的線性誤差和溫度誤差低于一個上限。而交流測速發(fā)電機又有同步和異步之分；同步測速發(fā)電機包括：永磁式、感應式和脈沖式；異步測速發(fā)電機應用最廣泛的是杯型轉子異步測速發(fā)電機。
為了提高測速發(fā)電機的精確度和可靠性，目前，直流測速發(fā)電機出現(xiàn)了無刷結構的霍爾效應直流測速發(fā)電機。因為這種霍爾效應無刷直流測速發(fā)電機是一種無齒槽、無繞組的電機，所以它不會產(chǎn)生由于齒槽而存在的“齒槽諧波電勢”，這種電機結構簡單，便于小型化。
5 TPM咨詢公司總結
一般地，在一個完整的自動控制系統(tǒng)中，信號電機、功率電動機和控制電動機都會有自己的用武之地。通?？刂齐妱訖C是很“精確”的電動機，在控制系統(tǒng)中充當“核心執(zhí)行裝置”；而功率電動機是比較“強壯”的大功率電動機，常用來拖動現(xiàn)場的機器設備；信號電機則在控制系統(tǒng)中擔任“通訊員”的角色，本質(zhì)上就是“電機傳感器”。
當然，并不是所有的自動控制系統(tǒng)中都具備這三種電機，在一般的自動化領域，例如運動控制和過程控制，尤其是在運動控制中，控制電動機是必不可少的“核心器件”，所以控制電動機在自動化領域中的地位是舉足輕重的，這也是人們對控制電動機研究最多的原因之一。
實際上，隨著電機制造技術的不斷發(fā)展和相互融合，各種旋轉電機的性能都逐漸“交叉化”和“特殊化”。對各種旋轉電機進行極其詳細地分類是不可能的，因為許多新型旋轉電機都是許多電機工作原理和許多電機制造技術高度統(tǒng)一的有機體。因此，對于非電機專業(yè)的一般電氣工程技術人員來講，電機分類能夠從整體結構上把握各種旋轉電機的特性和用途就可以了。
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