無刷萊蕪電機和有刷電機有什么區(qū)別?同步電機和異步電機有什么區(qū)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……
這些問題,很多老司機也不一定能完全解釋的清楚。針對這些問題,大家可以參考下面這篇文章學(xué)習(xí),會對電機的分類、用法、優(yōu)缺點有更加清晰的理解。
直流電機——有刷電機
讀過中學(xué)物理的學(xué)霸學(xué)渣都知道,為了研究通電導(dǎo)體在磁場受力的那點事,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(zhuǎn)子組成,在直流電機中,為了讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來,需要不斷改變電流方向,否則轉(zhuǎn)子只能轉(zhuǎn)半圈,這點就像自行車腳踏板。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刷電機。
有刷電機又稱直流電機或碳刷電機,常說的直流電機就是指有刷直流電機,它采用機械換向,外部磁極不動內(nèi)部線圈(電樞)動,換向器和轉(zhuǎn)子線圈一起旋轉(zhuǎn),電刷和磁鐵都不動,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:
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(zhuǎn)子慣量,限制了更高轉(zhuǎn)速,影響了動態(tài)性能。
既然它這么多缺點為什么還被普遍應(yīng)用,因為它扭力高、結(jié)構(gòu)簡單容易維護(即換碳刷)、便宜。
直流電機——無刷電機
無刷電機在某些領(lǐng)域也稱直流變頻電機(BLDC),它采用電子換向(霍爾傳感器),線圈(電樞)不動磁極動,此時永磁鐵可以在線圈外部也可以在線圈內(nèi)部,于是有了外轉(zhuǎn)子無刷電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機之分。
無刷電機構(gòu)造與永磁同步電機相同。
不過,單個的無刷電機不是一套完整的動力系統(tǒng),無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實現(xiàn)連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)。
真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器(也就是電調(diào))。
一般地,無刷電機的驅(qū)動電流有兩種,一種是方波,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。(視頻傳送門)
無刷電機的運轉(zhuǎn)方式不同,有可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機和外轉(zhuǎn)子無刷電機。
內(nèi)轉(zhuǎn)子都是三相的 ,價格較貴。
外轉(zhuǎn)子通常使用的是單相的,價格親民,大批量生產(chǎn)已經(jīng)接近碳刷電機,因此近年來得到廣泛應(yīng)用。
外轉(zhuǎn)子三相的價格已經(jīng)接近內(nèi)轉(zhuǎn)子的價格。
嗯,猜都能猜到,有刷電機的缺點就是無刷電機的有點。
它具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調(diào)速(可達很高轉(zhuǎn)速)等優(yōu)點,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單,啟動轉(zhuǎn)矩大過載能力強,至于缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護。
直流電機——調(diào)速原理
直流電機的調(diào)速:所謂調(diào)速,即通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速獲得所需扭矩。
直流(有刷)電機通過調(diào)節(jié)電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調(diào)速,但是實際以調(diào)節(jié)電壓最為方便也最為常用,目前主要使用PWM調(diào)速,PWM其實就是通過高速的開關(guān)來實現(xiàn)直流的調(diào)壓,一個周期內(nèi),開的時間長,平均電壓就高,關(guān)的時間長,平均電壓就低,調(diào)起來很方便,只要開關(guān)速度夠快,電網(wǎng)的諧波就少,且電流更為連續(xù)。
但是電刷和換向器長期磨損,同時在換向的時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機的容量和速度,使得直流電動機的調(diào)速遇到了瓶頸。
對于無刷直流電機,調(diào)速的時候表面上只控制了輸入電壓,但電機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)(無刷直流電機本身自帶轉(zhuǎn)子位置檢測器等轉(zhuǎn)子位置信號獲取裝置,使用此裝置的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻調(diào)速裝置的換相時刻)自動根據(jù)變壓控制了頻率,用起來和直流(有刷)電機幾乎一樣,非常方便。
由于轉(zhuǎn)子采用永磁體,不需要專門的勵磁繞組,在同等容量的情況下,電機體積更小,重量更輕,效率更高,結(jié)構(gòu)更緊湊,運行更可靠,動態(tài)性能更好,在電動汽車的驅(qū)動等方面都獲得了廣泛的應(yīng)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機。
電機的外殼是定子,定子上有三相對稱交流繞組,由于三相電順序變化,形成一個旋轉(zhuǎn)的合成磁場,磁場的旋轉(zhuǎn)速度就是同步轉(zhuǎn)速。
同步轉(zhuǎn)速n=60f/p,f是頻率,p是極對數(shù),比如對于接入電網(wǎng)50Hz的2極電動機(即極對數(shù)為1對),那么轉(zhuǎn)速n=60*50/1=3000r/min。
同理,4極,6極,8極電機同步轉(zhuǎn)速為1500,1000,750 。
異步電機機構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)子為閉合線圈,比如鼠籠式。
轉(zhuǎn)子線圈將切割旋轉(zhuǎn)磁場,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,進而產(chǎn)生感應(yīng)電流,最后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,這樣轉(zhuǎn)子就變成了一個電磁鐵,將跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn),所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必然<定子的旋轉(zhuǎn)磁場,這樣才能切割磁感線。
即轉(zhuǎn)子的異步轉(zhuǎn)速<同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子與定子磁場存在轉(zhuǎn)速差,所以稱之為異步電機。
不同廠家生產(chǎn)的異步電機額定轉(zhuǎn)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+。
異步電機空載時轉(zhuǎn)速高,有負載時轉(zhuǎn)速下降。
異步電動機結(jié)構(gòu)簡單,維護方便,運行可靠價格便宜,得到廣泛應(yīng)用。
三相交流電機——同步電機
同步電機:
如果讓轉(zhuǎn)子速度=定子磁場旋轉(zhuǎn)速度,就成為了同步電機,此時就需要把定子變成一個電磁鐵或永磁鐵,即給定子通電,此時不需要再切割磁感線就能旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度與磁場旋轉(zhuǎn)速度相同,即形成同步電機。
同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比異步電機復(fù)雜,價格高,在生產(chǎn)生活中應(yīng)用不如異步電機廣泛,主要用作發(fā)電機上,現(xiàn)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(diào)速
異步電機的調(diào)速:理論上異步電動機控制交流電頻率、電壓、或者轉(zhuǎn)子的電阻、電機的磁極分布都可以調(diào)速,但是實際上實現(xiàn)無極調(diào)速用調(diào)節(jié)頻率和電壓的方法實現(xiàn)。
由于調(diào)壓調(diào)速范圍不大,一般只能用在調(diào)速要求不高的場合,應(yīng)用并不廣泛。
變頻調(diào)速:說到變頻,大家可能都聽說過。
變頻調(diào)速的全稱是變壓變頻調(diào)速(VVVF),也就是在改變頻率的時候改變電壓,這樣異步電動機的調(diào)速范圍就足夠大了。
變頻器可以分為兩個大類:交交變頻和交直交變頻。
交-交變頻:將交流電直接通過電力電子器件變換為另一個頻率的交流電,更高輸出頻率不能超過輸入頻率的一半,所以一般只用在低轉(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)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),這種變頻器可以實現(xiàn)大范圍的變壓變頻。
對于電動汽車來講,異步電動機皮實耐用,過載能力強,控制算法又如此成熟,完全可以拿來用。
三相交流電機——同步電機的調(diào)速
同步電機的調(diào)速:同步機沒有轉(zhuǎn)差率,在結(jié)構(gòu)確定的情況下,控制電壓不能改變轉(zhuǎn)速,所以在變頻器出現(xiàn)之前,同步電動機是完全不能調(diào)速的。
變頻器的出現(xiàn)讓交流同步電動機也有了巨大的調(diào)速范圍,因其轉(zhuǎn)子也有獨立勵磁(永磁體或者電勵磁),其調(diào)速范圍要比異步電動機更寬,同步電動機煥發(fā)了新的生機。
同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速。
對于他控變頻調(diào)速,和異步電動機的變頻調(diào)速類似,也可以根據(jù)其數(shù)學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來實現(xiàn)控制,其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動機。
自控變頻同步電動機在發(fā)展過程中曾經(jīng)有多種名字,比如無換向器電機;當采用永磁體且輸入三相正弦波時,可以稱為正弦波永磁同步電動機;而如果輸入方波,那么就可以稱為梯形波永磁同步電動機,沒錯,這就是類似于之前說的的無刷直流機(BLDM),大家是不是感覺饒了個大圈有轉(zhuǎn)回去了,但是你現(xiàn)在對于變頻變速的理解一定更深一步了,所以無刷直流電機時采用直流輸入,但是使用了同步電機的變頻技術(shù)(結(jié)構(gòu)與永磁同步電機相同),在Model3上就采用了直流無刷電機。
單相交流異步電機——單相交流串勵電機(有刷)
單相交流串勵電動機,俗稱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。
單相串勵電動機又叫做交直流兩用串勵電動機,它既可以使用交流電源工作,也可以使用直流電源工作。
單相串勵電動機的優(yōu)點是由于它轉(zhuǎn)速高、起動力矩大、體積小、重量輕、不容易堵轉(zhuǎn)、適用電壓范圍很廣,可以用調(diào)壓的方法來調(diào)速,簡單且易于實現(xiàn)。
因而在電動工具中得到廣泛的應(yīng)用,如角磨機、手電鉆等。
單相串勵電機的結(jié)構(gòu)同直流串勵電機十分相似,主要的區(qū)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(jié)構(gòu)。
單相串勵電機的調(diào)速,大多數(shù)采用調(diào)節(jié)電壓的方法,就是改變電動勢。
單相串勵電機的電壓調(diào)速方法采用的可控移相調(diào)壓,利用可控硅的觸發(fā)電壓滯后于輸入電壓實現(xiàn)對輸入電壓的移相觸發(fā)。
在實現(xiàn)方法上有硬件和軟件方式。
采用調(diào)節(jié)電壓方法,采用可控硅調(diào)速技術(shù),具有線路簡單,元件體積小等特點,是一種可控硅簡單有效的方法。
(a)交流電流變化曲線;
(b)電流為正半波時,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向
(c)電流為負半波時,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向
單相交流異步電機——單相交流鼠籠式電機(無刷)
單相電流通過電樞繞組時產(chǎn)生的是脈振磁場而不是旋轉(zhuǎn)磁場,所以單相異步電動機不能自起動。
為了解決起動問題,單相交流供電的異步電動機實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機磁極對數(shù)除)。
副繞組串聯(lián)電容或電阻后再接到單相交流電源,使其中通過的電流和主繞組中的電流有一定的相位差。
使合成磁場成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場,甚至可能接近于圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
電動機因此獲得起動轉(zhuǎn)矩。
利用電阻分相方法的電動機價格低廉,例如副繞組用較細的導(dǎo)線繞制即可,但分相效果較差,且電阻上要消耗能量。
這種電動機在起動并達到一定轉(zhuǎn)速后,通常由裝在電動機軸上的離心式開關(guān)將副繞組自動切除,以減少電阻上的損耗、提高運行效率。
一般用于起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合,如小型車床、小型電冰箱等,缺點是不能調(diào)速速。
利用電容分相,效果較好,有可能在電動機某一工作點時,使電機合成磁場接近于圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而獲得較好的工作特性。