电机是一种将电能转换为机械能的装置,它利用电力和磁场产生转矩来转动转子,从而做出机械功。

根据电机应用场合的不同,电机由计算机控制系统(如固态逻辑控制器)或可编程逻辑控制器 (PLC) 进行控制,以控制和管理其扭矩、转速、做功或输出的能量。电机控制器可能具有多种电机控制功能,包括但不限于启动、停止、过电流保护、过载保护、反转、变速、点动、反向制动以及顺序控制。电机控制器从简单到复杂变化很大,可以控制一台电机或多组电机。

根据所使用的电源,电机大致分为两类:交流电机和直流电机。

直流电机类型:根据励磁线圈和电枢线圈电路的连接方式,分为串励式、并励式和复励式。其他类型的直流电机还包括永磁 (PMDC) 电机和他励电机。

交流电机类型: 交流感应电机(也称为异步电机)和同步电机。它们按应用进一步分为单相、三相、鼠笼式感应、双电压等类型。

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直流有刷 (BDC)

直流有刷 (BDC) 电机的名称来自于换向“电刷”。直流有刷电机常用于家用电器和汽车中。有刷电机的独特之处在于能够改变扭矩转速比,因此它们也在工业领域备受青睐。BDC 易于控制,因为转速和扭矩与施加的电压/电流成正比。

直流有刷电机由 4 个基本部件组成;定子、转子(或电枢)、电刷和换向器。转子也称为电枢,它由一个或多个绕组构成。当这些绕组通电时,它们会产生磁场。该转子磁场的磁极将被定子产生的相反磁极所吸引,导致转子发生转动。随着电机的转动,绕组将按照不同的顺序不断通电,以使转子产生的磁极不会越过定子产生的磁极。转子绕组中磁场的切换称为换向。顺时针和/或逆时针旋转方向可以通过反转电刷的极性(使电池引线反转)轻松地实现反转。

BDC 电机有四种类型。它们是永磁直流有刷直流电机、并励直流有刷电动机、串励直流有刷电机和复励直流有刷电机,第四种是并励和串励直流有刷电机的组合。

直流无刷 (BLDC)

直流无刷 (BLDC) 电机也称为电子换向电机。转子上没有电刷,电机在转子的某些位置以电子方式执行换向。直流无刷电机是一种永磁同步电机,具有独特的反电动势 (EMF) 波形,其性能与直流有刷电机相似。直流无刷电机不会直接通过直流电源运行。但是,其基本工作原理与直流电机类似。

直流无刷电机是由带永磁体的转子和带绕组的定子组成,直流无刷电机本质上是一种彻底改造的直流电机。电刷和换向器均被淘汰,绕组连接到电子控制元件。电子控制元件取代了换向器的功能并为合适的绕组通电,绕组以围绕定子转动的方式通电,通电的定子绕组引导着转子磁铁并在转子与定子对齐时进行切换。

对于需要高可靠性、高效率和高功率体积比的应用,直流无刷电机是理想的选择。直流无刷电机通常被视为高性能电机,它能在很宽的速度范围内输出高扭矩。

交流感应电机

感应电机是大多数应用中最常见的电机之一。这种电机也称为异步电机,因为转子总是以低于磁场的速度转动,因此属于异步交流电机。其运转速度低于同步速度。交流感应电机可为单相或多相电机。与三相动力系统相比,单相系统广泛用于家庭和商业用途以及某些工业用途。

电机的定子由重叠的偏置绕组组成。当初级绕组或定子接入交流电源时,会建立一个以同步速度旋转的磁场。感应电机转子的理论速度取决于交流电源的频率和定子线圈的数量,在电机空载情况下,其旋转速度接近磁场的转速。除非使用变频驱动,否则转子会恒速转动。

交流感应电机的最大优点是非常简单。它们只有转子这一个运动部件,因此成本低,噪音小,持久耐用且故障发生率较低。感应电机可能因为线圈绕组而变得相当笨重和庞大。三相感应电机凭借坚固性、可靠性和经济性,被广泛应用于工业传动、升降设备、起重机、车床驱动等领域。单相感应电机广泛用于载荷较小的应用,比如风扇、水泵、搅拌器、电动玩具、吸尘器、钻孔设备等家用电器。

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永磁同步电机 (PMSM)

永磁同步电机 (PMSM) 是一种同步交流电机,其励磁由永磁体提供,并具有正弦反电动势波形。永磁同步电机是感应电机和直流无刷电机之间的过渡机型。与直流无刷电机一样,它也有永磁转子和定子绕组。但是,带有绕组的定子结构在电机气隙中产生的正弦磁通密度类似于感应电机。由于没有专门用于产生磁场的定子功率,因此其功率密度高于具有相同额定值的感应电机。

由于使用永磁体,永磁同步电机可以在零速时产生扭矩,它需要数控逆变器控制其操作。永磁同步电机通常用作高性能、高效率的电机驱动装置。高性能电机控制的特点是在电机的整个转速范围内平稳旋转,在零速下实现完全的扭矩控制,以及快速进行加速和减速。

为了实现这种控制,永磁同步电机采用了矢量控制技术。矢量控制技术通常也称为磁场定向控制 (FOC)。矢量控制算法的基本思想是将定子电流分解成磁场生成部分和扭矩生成部分。分解后可以分别控制这两部分。

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步进电机

步进电机是一种直流无刷电机,它将一次完整旋转分成多个相等的步长。它在每一步旋转一个特定的增量距离。所执行的步数控制着电机轴的旋转角度。

步进电机本身具有一定程度的位置控制能力,因为它们具有内置的输出步长。它可以非常精确地控制步进电机的旋转角度和速度。电机所执行的步数等于控制器发出的脉冲命令的数量。步进电机按照与脉冲命令的数量和频率成正比的速率旋转一定距离。

步进电机控制器可以是开环式或闭环式。两者之间的区别在于,假设转子跟随的旋转磁场是一致的,则开环系统会向电机发送一致的功率比。闭环系统根据电机承受的负载类型使用反馈信号来调整功率。大多数电机应用使用开环系统,因为它更简单,成本更低。

相比其他类型的电机,步进电机具有多项优点。其中最突出的是其定位能力非常准确。反复旋转后,它可以达到相同的目标位置。标准步进电机的步进角精度为 +/-5%。误差不会逐步累积。

伺服电机

伺服电机是一种旋转执行器或线性执行器,可实现对角度或线性位置、速度和加速度的高灵敏、高精度控制。作为能够准确控制旋转角度和速度的电机,它可以用于各种设备中。伺服电机适用于机器人、数控机械和自动化制造等领域,通常用作步进电机的高性能替代产品。

伺服系统将高性能伺服电机与伺服放大器(驱动器)相结合,实现了极其精确的位置、速度或扭矩控制。伺服电机具有整体式齿轮和精确控制的转轴。伺服电路内置在电机单元内部,具有可定位的转轴,转轴通常配有齿轮。电机通过电信号进行控制,该信号决定着转轴的移动量。

在闭环控制中,电机上装有旋转检测器(编码器),检测器将电机轴的旋转位置/速度反馈回驱动器。驱动器计算来自控制器的脉冲信号或模拟电压(位置指令/转速指令)与反馈信号(当前位置/转速)之间的误差,并控制电机的旋转以使误差变为零。闭环控制方法由驱动器、电机和编码器来实现,因此电机可以执行高度精确的定位操作。在位置控制系统中,控制器输入脉冲信号,然后根据脉冲数控制转速和停止位置。

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