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重庆一文归总电机的类型/优缺点/应用

发表时间:2024-06-13 访问量:2888

无刷重庆电机和有刷电机有什么区别?同步电机和异步电机有什么区别?伺服电机是否都是交流电机?伺服电机是否都是同步电机?步进电机属于直流电机还是交流电机?舵机是否属于伺服电机等等……

这些问题,很多老司机也不一定能完全解释的清楚。针对这些问题,大家可以参考下面这篇文章学习,会对电机的分类、用法、优缺点有更加清晰的理解。

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直流电机——有刷电机

读过中学物理的学霸学渣都知道,为了研究通电导体在磁场受力的那点事,我们把左手都练成了断掌,这也正是直流电机的原理。

所有电机都是由定子和转子组成,在直流电机中,为了让转子转起来,需要不断改变电流方向,否则转子只能转半圈,这点就像自行车脚踏板。所以直流电机需要换向器。

广义的直流电机包括有刷电机和无刷电机。

有刷电机又称直流电机或碳刷电机,常说的直流电机就是指有刷直流电机,它采用机械换向,外部磁极不动内部线圈(电枢)动,换向器和转子线圈一起旋转,电刷和磁铁都不动,于是换向器和电刷摩擦摩擦,完成电流方向的切换。

有刷电机缺点:

1、机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短。

2、可靠性差、故障多,需要经常维护。

3、由于换向器存在,限制了转子惯量,限制了更高转速,影响了动态性能。

既然它这么多缺点为什么还被普遍应用,因为它扭力高、结构简单容易维护(即换碳刷)、便宜。


直流电机——无刷电机

无刷电机在某些领域也称直流变频电机(BLDC),它采用电子换向(霍尔传感器),线圈(电枢)不动磁极动,此时永磁铁可以在线圈外部也可以在线圈内部,于是有了外转子无刷电机和内转子无刷电机之分。

无刷电机构造与永磁同步电机相同。

不过,单个的无刷电机不是一套完整的动力系统,无刷基本必须通过无刷控制器也就是电调的控制才能实现连续不断的运转。

真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器(也就是电调)。

一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是方波,另一种是正弦波。

有时候把前一种叫直流无刷电机,后一种叫交流伺服电机,确切地讲是交流伺服电动机的一种。(视频传送门)

无刷电机的运转方式不同,有可以分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。

内转子都是三相的 ,价格较贵。

外转子通常使用的是单相的,价格亲民,大批量生产已经接近碳刷电机,因此近年来得到广泛应用。

外转子三相的价格已经接近内转子的价格。 

嗯,猜都能猜到,有刷电机的缺点就是无刷电机的有点。

它具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速(可达很高转速)等优点,它相对比有刷直流电机体积小的多,控制比异步交流电机简单,启动转矩大过载能力强,至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护。

直流电机——调速原理

直流电机的调速:所谓调速,即通过调节电机转速获得所需扭矩。

直流(有刷)电机通过调节电压、串接电阻、改变励磁都可以调速,但是实际以调节电压最为方便也最为常用,目前主要使用PWM调速,PWM其实就是通过高速的开关来实现直流的调压,一个周期内,开的时间长,平均电压就高,关的时间长,平均电压就低,调起来很方便,只要开关速度够快,电网的谐波就少,且电流更为连续。

但是电刷和换向器长期磨损,同时在换向的时候有巨大的电流变化,非常容易产生火花,换向器和电刷限制了直流电动机的容量和速度,使得直流电动机的调速遇到了瓶颈。

对于无刷直流电机,调速的时候表面上只控制了输入电压,但电机的自控变频调速系统(无刷直流电机本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置,使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速装置的换相时刻)自动根据变压控制了频率,用起来和直流(有刷)电机几乎一样,非常方便。

由于转子采用永磁体,不需要专门的励磁绕组,在同等容量的情况下,电机体积更小,重量更轻,效率更高,结构更紧凑,运行更可靠,动态性能更好,在电动汽车的驱动等方面都获得了广泛的应用。

三相交流电机——异步电机

交流电机分为同步电机和异步电机,同步电机多用于发电机,异步电机多用于电动机。

电机的外壳是定子,定子上有三相对称交流绕组,由于三相电顺序变化,形成一个旋转的合成磁场,磁场的旋转速度就是同步转速。

同步转速n=60f/p,f是频率,p是极对数,比如对于接入电网50Hz的2极电动机(即极对数为1对),那么转速n=60*50/1=3000r/min。

同理,4极,6极,8极电机同步转速为1500,1000,750  。

异步电机机构简单,转子为闭合线圈,比如鼠笼式。

转子线圈将切割旋转磁场,产生感应电动势,进而产生感应电流,最后产生旋转磁场,这样转子就变成了一个电磁铁,将跟随定子磁场旋转,所以转子的转速必然<定子的旋转磁场,这样才能切割磁感线。

即转子的异步转速<同步转速,转子与定子磁场存在转速差,所以称之为异步电机。

不同厂家生产的异步电机额定转速略有差异,2极电机约2800+r/min,4极,6极,8极异步约为1400+,950+,700+。

异步电机空载时转速高,有负载时转速下降。

异步电动机结构简单,维护方便,运行可靠价格便宜,得到广泛应用。


三相交流电机——同步电机

同步电机:

如果让转子速度=定子磁场旋转速度,就成为了同步电机,此时就需要把定子变成一个电磁铁或永磁铁,即给定子通电,此时不需要再切割磁感线就能旋转,旋转速度与磁场旋转速度相同,即形成同步电机。      

同步电机转子结构比异步电机复杂,价格高,在生产生活中应用不如异步电机广泛,主要用作发电机上,现在火电站,水电站、汽轮机、水轮机基本都是同步电机。

三相交流电机——异步电机的调速

异步电机的调速:理论上异步电动机控制交流电频率、电压、或者转子的电阻、电机的磁极分布都可以调速,但是实际上实现无极调速用调节频率和电压的方法实现。

由于调压调速范围不大,一般只能用在调速要求不高的场合,应用并不广泛。      

 变频调速:说到变频,大家可能都听说过。

变频调速的全称是变压变频调速(VVVF),也就是在改变频率的时候改变电压,这样异步电动机的调速范围就足够大了。

变频器可以分为两个大类:交交变频和交直交变频。

交-交变频:将交流电直接通过电力电子器件变换为另一个频率的交流电,更高输出频率不能超过输入频率的一半,所以一般只用在低转速、大容量的系统中,可以省去庞大的齿轮减速箱。

交-直-交变频器将交流电先整流变成直流,再通过逆变器变成可控频率和电压的交流,配合PWM技术,这种变频器可以实现大范围的变压变频。

对于电动汽车来讲,异步电动机皮实耐用,过载能力强,控制算法又如此成熟,完全可以拿来用。

三相交流电机——同步电机的调速

同步电机的调速:同步机没有转差率,在结构确定的情况下,控制电压不能改变转速,所以在变频器出现之前,同步电动机是完全不能调速的。

变频器的出现让交流同步电动机也有了巨大的调速范围,因其转子也有独立励磁(永磁体或者电励磁),其调速范围要比异步电动机更宽,同步电动机焕发了新的生机。       

同步电动机变压变频调速系统可以分为他控变频调速和自控变频调速。

对于他控变频调速,和异步电动机的变频调速类似,也可以根据其数学模型采用SVPWM等控制方式来实现控制,其性能还要优于普通交流异步电动机。

自控变频同步电动机在发展过程中曾经有多种名字,比如无换向器电机;当采用永磁体且输入三相正弦波时,可以称为正弦波永磁同步电动机;而如果输入方波,那么就可以称为梯形波永磁同步电动机,没错,这就是类似于之前说的的无刷直流机(BLDM),大家是不是感觉饶了个大圈有转回去了,但是你现在对于变频变速的理解一定更深一步了,所以无刷直流电机时采用直流输入,但是使用了同步电机的变频技术(结构与永磁同步电机相同),在Model3上就采用了直流无刷电机。

单相交流异步电机——单相交流串励电机(有刷)

单相交流串励电动机,俗称串励电机或通用电机(UniversalMotor国外叫法,因交直流通用而得名),电枢绕组和励磁绕组串联在一起工作。

单相串励电动机又叫做交直流两用串励电动机,它既可以使用交流电源工作,也可以使用直流电源工作。

单相串励电动机的优点是由于它转速高、起动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围很广,可以用调压的方法来调速,简单且易于实现。

因而在电动工具中得到广泛的应用,如角磨机、手电钻等。

单相串励电机的结构同直流串励电机十分相似,主要的区别在于单相串励电机的定子铁心必须由硅钢片叠压而成,而直流的磁极既可以由叠压而成,又可以做成整体结构。

单相串励电机的调速,大多数采用调节电压的方法,就是改变电动势。

单相串励电机的电压调速方法采用的可控移相调压,利用可控硅的触发电压滞后于输入电压实现对输入电压的移相触发。

在实现方法上有硬件和软件方式。

采用调节电压方法,采用可控硅调速技术,具有线路简单,元件体积小等特点,是一种可控硅简单有效的方法。

(a)交流电流变化曲线;

(b)电流为正半波时,转子的旋转方向  

(c)电流为负半波时,转子的旋转方向

单相交流异步电机——单相交流鼠笼式电机(无刷)

单相电流通过电枢绕组时产生的是脉振磁场而不是旋转磁场,所以单相异步电动机不能自起动。

为了解决起动问题,单相交流供电的异步电动机实际上往往做成两相的。

主绕组由单相电源直接供电;副绕组在空间上与主绕组差90°(电角度,等于机械角度被电动机磁极对数除)。

副绕组串联电容或电阻后再接到单相交流电源,使其中通过的电流和主绕组中的电流有一定的相位差。

使合成磁场成椭圆形旋转磁场,甚至可能接近于圆形旋转磁场。

电动机因此获得起动转矩。

利用电阻分相方法的电动机价格低廉,例如副绕组用较细的导线绕制即可,但分相效果较差,且电阻上要消耗能量。

这种电动机在起动并达到一定转速后,通常由装在电动机轴上的离心式开关将副绕组自动切除,以减少电阻上的损耗、提高运行效率。

一般用于起动转矩要求不高的场合,如小型车床、小型电冰箱等,缺点是不能调速速。

利用电容分相,效果较好,有可能在电动机某一工作点时,使电机合成磁场接近于圆形旋转磁场,从而获得较好的工作特性。


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