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電機大分類
電機本來種類就多,命名也比較混亂,怎樣理解各種電機之間的區(qū)別?下面這些電機,看了是不是有點兒頭大,每種都能弄個明白嗎?
比如:交流異步,
永磁同步,交流感應,磁阻電機,反應式步進,永磁式步進,混合式步進,空心杯,直流有刷,BLDC,PMSM,伺服電機,兩相步進,三相步進。
不過弄不明白也不要緊,我們這篇文章的目的,也不是要把每種電機都說個明白。說實話很多電機小編也沒有實際見過啊。希望大家看完后也不要再糾結(jié)這些,而是對電機運轉(zhuǎn)的本質(zhì)有個更深入的了解。
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電機如何轉(zhuǎn)動
電機的花樣再多,最終都要歸到基本原理,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,處于一個不平衡的狀態(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,從而逆時針轉(zhuǎn)動,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。電機的關(guān)鍵,就是如何產(chǎn)生兩個互相吸引的部分,在吸引力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動的部分我們稱之為轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子靠吸引轉(zhuǎn)動后會達到平衡,如果想要轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動,就需要在一個新位置對它產(chǎn)生吸引。
還有另外一種電機,不是靠磁極之間的吸引,而是憑借另一個特性,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)動一個角度,磁力線的路徑將會變長,磁阻變大了。這時磁力線會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩,推動它回到原來磁阻最小的位置。
電機不轉(zhuǎn)動的部分叫定子,轉(zhuǎn)動的部分叫轉(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磁線圈產(chǎn)生,也可以一個由電流產(chǎn)生,另一個用永磁體。
我們再聊一下同步和異步。應用歷史比較長的一種電機是交流感應電動機。三相交流電在這種電機的定子中勵磁,合成的磁場是一個以交流電頻率變化的旋轉(zhuǎn)磁場,在靜止狀態(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。但是轉(zhuǎn)子的速度總會落后于定子中磁場的旋轉(zhuǎn)速度,因為一旦兩者速度相同,定子就不再切割磁力線,也就失去了動力。轉(zhuǎn)子和定子總存在一定速度差,不是同步轉(zhuǎn)動,所以稱作異步電動機。
如果轉(zhuǎn)子用永磁體,或用勵磁電流產(chǎn)生磁場,那么它可以跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動,稱為同步電機。現(xiàn)在應用較多的永磁同步電機 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即為一種同步電機。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,因為轉(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。
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常見直流電機
在嵌入式領(lǐng)域,用的大多數(shù)都是直流電機。我們拆解一些常用的來點直觀的感受。
直流有刷電機,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,當轉(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。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叫碳刷的東西,它一端接在電源正負極,另一端壓在換向器上。換向器隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,完成通電線圈的切換。碳刷的缺點就是會產(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械換相,也就是無刷電機 BLDC(Brushless DC Motor)。
再看一個電極數(shù)比較多的直流電機,這是我們在另一篇講豆?jié){機的原理的文章中提到過的電機,雖然豆?jié){機是 220 交流供電,但里面用的這個電機卻是直流電機。220V 交流經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟?,直接通過碳刷加到電機的線圈上,它的電極數(shù)多,所以扭矩也大。
空心杯電機,它屬于直流有刷電機。它的轉(zhuǎn)子沒有鐵芯,所以轉(zhuǎn)動慣量小,響應快。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 716 空心杯,即直徑 7mm,長度 16mm。
步進電機,下圖為一個兩相混合步進電機。可以看到一共有 8 個繞組,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,定子和轉(zhuǎn)子上不同極性的小齒交錯對齊,驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。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)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,步進角為 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,反電動勢為梯形波,用六步換相控制的電機叫直流無刷。把用編碼器測轉(zhuǎn)子位置,反電動勢為正弦波,用矢量控制(FOC)的電機叫永磁同步。其實很多 BLDC 的反電動勢也不是標準的方波,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轉(zhuǎn)矩脈動很小,轉(zhuǎn)動平穩(wěn),在低速下也能輸出大力矩。而直流無刷電機控制簡單,成本更低。下圖為一個帶有磁編碼器的
永磁同步電機。更高端一些的電機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。
伺服(Servo)電機,其實很難說哪種電機是或不是伺服電機。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,帶光電編碼盤,而且集成了電機的驅(qū)動控制器,從外面只要通過給脈沖電平信號就能控制它的運行。
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結(jié)束語
電機的種類實在是太多了,我們列舉的這些例子,希望對大家理解電機有一些幫助。以后有機會我們會挑一些典型的電機,更詳細的討論一下它們的原理,如何控制。如果你感興趣可以星標我們的公眾號。
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