电机科普

一、伺服电机：
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，控制比较容易，体积小重量轻，输出功率和转矩大，方便调速。启动转矩大，调速一般为变频调速。又分为直流和交流伺服电动机两大类。
1、直流伺服电机：
输入或输出为直流电能的旋转电机。它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。通常是由模拟运放构成PI或PID电路；信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统动态传递函数关系在模拟调速系统的调试过程中，因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异，往往需要频繁更换R，C等元件来改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做起来非常麻烦，如果采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改，调试起来就非常方便了。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机，有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，转动惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。他们还同时具有输出功率高的特点。
直流伺服电机可应用在火花机，机器手，精确的机器等，同时可加配减速箱，令机器设备带来可靠的准确性及高扭力。
2、交流伺服电机：
输入或输出为交流电能的旋转电机。交流电动机分定子绕组和转子导体。转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片，有的交流电动机转子也有绕组。交流伺服电机转子是高阻抗的金属合金制成的，定子上的线圈有两组，分励磁线圈和力矩线圈，励磁线圈以固定的频率给转子励磁，力矩线圈负责提供转动的力矩，这两组线圈都在驱动器的带动下工作。自带的叫：旋转编码器，精度是：分度数（转动一周发出的脉冲数）。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低 ，适应于高速大力矩工作状态。
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。
异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。普通异步电机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需与其他电源连接。因此，它具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种防护型式，以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时，必须从电网吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏。因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差(交流换向器电动机除外)。对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等，采用直流电机较经济、方便。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶转子惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
二、直流电机：
实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电动机分为定子绕组和转子绕组，定子绕组产生磁场。当通直流电时，定子绕组产生固定极性的磁场。转子通直流电在磁场中受力，于是转子在磁场中受力就旋转起来。直流电机构造复杂，造价高。构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
直流电机和直流伺服电机的区别在于伺服电机是有反馈的控制系统,它是直流供电,有编码器反馈速度和位置信号,直流电机没有反馈信号,不能形成闭合回路 ，制作直流伺服电机的材料工艺要和普通的直流电机的有所不同，因为直流伺服电机要保证很好的动态响应。还有伺服电机要加装反馈装置，和驱动器构成伺服算法，以保证位置，速度，扭矩的各种要求。
   直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。
三、步进电机：
步进电机是利用电磁铁的作用原理，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电动机的位移量与脉冲数严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。对于步进电机不能简单的说是直流还是交流，步进电机在运行时，步进电机的各绕组，要按一定的次序加以一定幅度，一定宽度的脉冲，这个脉冲电流流过绕组时，有单方向，也有双方向的区别。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。而且步进电机本身不接电源的! 步进电机是通过驱动器连接电源的！驱动器分高压和低压之分，也就是所谓的直流和交流！
步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR），混合式（HB）和单相式步进电机。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机的特点:一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

四、力矩电机：
力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。这种电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。力矩电机的一个最主要的特点就是低转速，高力矩。力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩。因为它所标的容量是用轴上的输出转矩来表示的，所以才叫力矩电机。当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。但转速的调整率不好！！！因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器.利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定！可使张力和线速度的变化保持在一定范围内。力矩电机的控制是根据不同的要求，调节其电源电压，以适合不同张力的需要。一般对同一种规格的产品，调整好张力后，在以后的周期内不必再予调整。控制的方法很简单，任何一种调压装置都可应用。调压装置的功率，应按电机的最大电流（既在额定输出并处于堵转时的电流）选用。
同时具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。为取得不同性能指标，该电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高；中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。
力矩电机主要应用在纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中，需要将产品卷绕在卷筒（盘）上。卷绕的直径从开始至末了是越卷越大，为保持被卷物张力均匀（即线速度不变），就要求卷筒转速越卷越小，卷绕力越卷越大
五、直流减速电机：
减速电机是在运行中可以随时降低速度的电机，一般的电机是不可以的。变频控制设备就是通过改变频率来控制电机的设备。变频控制设备用来控制输出电的频率,用在电机上就是改变电机速度,以用来省电，它是将电机和减速器合为一体的。它和传统的直流伺服电机的工作原理是相同的，只是在结构和尺寸上有所不同。一般直流伺服电机为了减少其转动惯量，大部分做成细长圆柱形，而直流减速电机为了能在相同体积和电驱电压的前提下，产生比较大的转矩和比较低的转速，一般都是做成扁平型。

六、控制电机：
控制电机的种类和特点：
伺服电机，步进电机，测速电机都属于控制电机。
特点：伺服电机是将电压信号转化为转矩和转速。
     步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移。
     测速电机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。

七、测速电机：
  测速电机为一种辅助型电机，在普通直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电机产生的电压反馈给直流电源，来达到控制直流电机转速的目的。