電機(jī)大分類

電機(jī)本來種類就多，命名也比較混亂，怎樣理解各種電機(jī)之間的區(qū)別？下面這些電機(jī)，看了是不是有點(diǎn)兒頭大，每種都能弄個(gè)明白嗎？ 比如：交流異步，永磁同步，交流感應(yīng)，磁阻電機(jī)，反應(yīng)式步進(jìn)，永磁式步進(jìn)，混合式步進(jìn)，空心杯，直流有刷，BLDC，PMSM，伺服電機(jī)，兩相步進(jìn)，三相步進(jìn)。 不過弄不明白也不要緊，我們這篇文章的目的是希望大家看完后也不要再糾結(jié)這些，而是對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)有個(gè)更深入的了解。

電機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)

電機(jī)的花樣再多，最終都要?dú)w到基本原理，即磁鐵的異極相吸，同極相斥。如下圖，中間圓形的磁鐵和邊上方形的磁鐵，處于這樣的位置時(shí)，處于一個(gè)不平衡的狀態(tài)，中間圓形磁鐵的 S 極，受到方形磁鐵 N 極的吸引，N 極受到方形磁鐵 N 極的排斥，從而逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到 S 極和 N 極靠近后靜止。



如果我們把方形磁鐵沿虛線平轉(zhuǎn)一圈，那么圓形磁鐵也會跟著轉(zhuǎn)一圈。電機(jī)的關(guān)鍵，就是如何產(chǎn)生兩個(gè)互相吸引的部分，在吸引力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的部分我們稱之為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子靠吸引轉(zhuǎn)動(dòng)后會達(dá)到平衡，如果想要轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要在一個(gè)新位置對它產(chǎn)生吸引。

還有另外一種電機(jī)，不是靠磁極之間的吸引，而是憑借另一個(gè)特性，即磁力線總是通過磁阻最小的路徑。就像電流總是尋找最小的電阻通路。如下圖右側(cè)所示，轉(zhuǎn)子長軸與磁力線在一個(gè)方向上，在這種狀態(tài)下磁力線所受磁阻最小。如果像左圖中的樣子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，磁力線的路徑將會變長，磁阻變大了。這時(shí)磁力線會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩，推動(dòng)它回到原來磁阻最小的位置。



電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分叫定子，轉(zhuǎn)動(dòng)的部分叫轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在內(nèi)，定子在外的叫內(nèi)轉(zhuǎn)子，也可以反過來轉(zhuǎn)子在外部，中間部分做定子。定子和轉(zhuǎn)子的磁場都可以由電流通過勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，也可以一個(gè)由電流產(chǎn)生，另一個(gè)用永磁體。

我們再聊一下同步和異步。應(yīng)用歷史比較長的一種電機(jī)是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三相交流電在這種電機(jī)的定子中勵(lì)磁，合成的磁場是一個(gè)以交流電頻率變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在靜止?fàn)顟B(tài)下的鼠籠轉(zhuǎn)子開始切割磁力線而形成電流，電流反過來產(chǎn)生磁場，與定子磁場相互作用而開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

但是轉(zhuǎn)子的速度總會落后于定子中磁場的旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)橐坏﹥烧咚俣认嗤ㄗ泳筒辉偾懈畲帕€，也就失去了動(dòng)力。轉(zhuǎn)子和定子總存在一定速度差，不是同步轉(zhuǎn)動(dòng)，所以稱作異步電動(dòng)機(jī)。

如果轉(zhuǎn)子用永磁體，或用勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場，那么它可以跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為同步電機(jī)。現(xiàn)在應(yīng)用較多的永磁同步電機(jī) PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即為一種同步電機(jī)。注意這里同步不是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子磁場旋轉(zhuǎn)速度同步，因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和它有幾對磁極有關(guān)系。

如果是一對磁極，那么轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場旋轉(zhuǎn)速度相等。如果定子有兩對磁極，那么它的轉(zhuǎn)速是定子磁場旋轉(zhuǎn)速度的一半。

常見直流電機(jī)

在嵌入式領(lǐng)域，用的大多數(shù)都是直流電機(jī)。我們拆解一些常用的來點(diǎn)直觀的感受。 直流有刷電機(jī)，Brushed DC Motor。定子是永磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈，通電后線圈在磁場作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度后，通電的電極發(fā)生切換，轉(zhuǎn)子在新的通電線圈作用力下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的控制非常簡單，通上直流電就轉(zhuǎn)，通電極性互換后，轉(zhuǎn)動(dòng)方向也反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速隨電壓大小變化。

在下圖中我們會看到一個(gè)叫碳刷的東西，它一端接在電源正負(fù)極，另一端壓在換向器上。換向器隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，完成通電線圈的切換。碳刷的缺點(diǎn)就是會產(chǎn)生噪聲，火花，有磨損，壽命短。所以現(xiàn)在的趨勢是用電子換相取代這種機(jī)械換相，也就是無刷電機(jī) BLDC(Brushless DC Motor)。



再看一個(gè)電極數(shù)比較多的直流電機(jī)，這是我們在另一篇講豆?jié){機(jī)的原理的文章中提到過的電機(jī)，雖然豆?jié){機(jī)是 220 交流供電，但里面用的這個(gè)電機(jī)卻是直流電機(jī)。220V 交流經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟姡苯油ㄟ^碳刷加到電機(jī)的線圈上，它的電極數(shù)多，所以扭矩也大。

空心杯電機(jī)，它屬于直流有刷電機(jī)。它的轉(zhuǎn)子沒有鐵芯，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。它的體積可以做的很小，廣泛用于飛行器，調(diào)焦，儀器儀表等。下圖是個(gè) 716 空心杯，即直徑 7mm，長度 16mm。

步進(jìn)電機(jī)，下圖為一個(gè)兩相混合步進(jìn)電機(jī)。可以看到一共有 8 個(gè)繞組，分為 A，B 兩相，1 3 5 7 為一相，2 4 6 8 為一相。定子和轉(zhuǎn)子上均勻分布這很多小齒，他就是靠 A B 相通電時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子上不同極性的小齒交錯(cuò)對齊，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。它的控制也很簡單，A B 相交替通電脈沖，就可以一步一步驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)角為 1.8°。

直流無刷(BLDC)和永磁同步(PMSM) 一般我們約定俗成，把用霍爾傳感器測定轉(zhuǎn)子位置，反電動(dòng)勢為梯形波，用六步換相控制的電機(jī)叫直流無刷。把用編碼器測轉(zhuǎn)子位置，反電動(dòng)勢為正弦波，用矢量控制(FOC)的電機(jī)叫永磁同步。

其實(shí)很多 BLDC 的反電動(dòng)勢也不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，而是接近正弦波，也可以用矢量控制。同樣的，永磁同步也可以用六步換相控制。而且永磁同步也是用直流供電，肯定也是無刷的。

采用矢量控制的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，在低速下也能輸出大力矩。而直流無刷電機(jī)控制簡單，成本更低。

下圖為一個(gè)帶有磁編碼器的永磁同步電機(jī)。更高端一些的電機(jī)大多采用光電編碼器，可以以更高的精度輸出轉(zhuǎn)子的位置，從而控制器可以更精確的控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。






伺服(Servo)電機(jī)，其實(shí)很難說哪種電機(jī)是或不是伺服電機(jī)。伺服本身是指一種系統(tǒng)，它可以根據(jù)輸入，精確快速地控制轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)速等。

下面這種電機(jī)，帶光電編碼盤，而且集成了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器，從外面只要通過給脈沖電平信號就能控制它的運(yùn)行。

結(jié)束語

電機(jī)的種類實(shí)在是太多了，我們列舉的這些例子，希望對大家理解電機(jī)有一些幫助。你對各種電機(jī)有什么看法？留言討論一下吧！

審核編輯：劉清