科普，各種電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢匯總

電動(dòng)機(jī)（英文：Electric machinery，俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，在電路中用字母M（舊標(biāo)準(zhǔn)用D）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。

1、電動(dòng)機(jī)的使用 

工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域的控制電動(dòng)機(jī)主要有伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)等。

各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動(dòng)機(jī)（又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī) ）。它使用方便 、運(yùn)行可靠 、價(jià)格低廉 、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。 大容量低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力機(jī)常用同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)不但功率因數(shù)高，而且其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)，只決定于電網(wǎng)頻率，工作較穩(wěn)定。在要求寬范圍調(diào)速的場合多用直流電動(dòng)機(jī)，但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，不適于惡劣環(huán)境。 

20世紀(jì)70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價(jià)格日益降低，已開始得到應(yīng)用 。電動(dòng)機(jī)在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時(shí)運(yùn)行制、斷續(xù)周期運(yùn)行制）下所能承擔(dān)而不至引起電機(jī)過熱的最大輸出機(jī)械功率稱為它的額定功率，使用時(shí)需注意銘牌上的規(guī)定。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需注意使其負(fù)載的特性與電機(jī)的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械速度變化的要求。一般電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看，調(diào)速大致可分兩種 ：一是保持輸入功率不變 ，通過改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；二是控制電動(dòng)機(jī)輸入功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 

2、電動(dòng)機(jī)的發(fā)展

就目前電動(dòng)機(jī)的發(fā)展情況來看，節(jié)能是發(fā)展目的，控制智能化是發(fā)展趨勢，無刷直流電機(jī)是發(fā)展熱點(diǎn) 。

節(jié)能是發(fā)展之重

伴隨全球能源危機(jī)的日益凸顯，各國政府和企業(yè)都在努力尋求能源可持續(xù)發(fā)展的途徑，開源節(jié)流是目前通用的方法。在當(dāng)前我國也面臨能源制約方面的諸多問題，平衡好能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系顯得尤為迫切。 

從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效率電動(dòng)機(jī)是目前國際發(fā)展趨勢，歐洲根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，制定的CEMEP標(biāo)準(zhǔn)將效率分為eff1（最高）、eff2、eff3（最低）三個(gè)等級，于2003-2006年間分步實(shí)施。IEC 60034-30標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)效率分為IE1（對應(yīng)eff2）、IE2（對應(yīng)eff1）、IE3、IE4（最高）四個(gè)等級。我國承諾從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標(biāo)準(zhǔn)。國際要求和國內(nèi)能源短缺形勢都需要將電機(jī)的節(jié)能發(fā)展作為首要任務(wù)。 

控制智能化是趨勢

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能控制也成為電機(jī)領(lǐng)域的熱門話題，我們生活中使用的全自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)窗簾等這些都傳遞了智能的信號，電機(jī)控制也趨向簡單化和智能化，PLC、FPGA、DSP這些技術(shù)也越來越多的融合到了電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中。 

智能化電機(jī)控制的功能要比傳統(tǒng)電機(jī)控制功能多得多，智能化電機(jī)實(shí)現(xiàn)了低碳運(yùn)行，并且故障概率和停機(jī)時(shí)間也大大降低了，它成為電機(jī)控制發(fā)展的必然趨勢。例如，可以采用智能功率模塊，利用微控制器或DSP與電機(jī)之間形成功率接口，能夠減小電機(jī)體積并簡化設(shè)計(jì)。

這種模塊較之于以前的分立式解決方案的優(yōu)勢在于寄生電感更小、可靠性更高，因?yàn)槟K內(nèi)的所有功率器件都采用了同批次芯片，具有一致的測試性能。這種智能功率模塊可與微控制器低電壓TTL或CMOS輸出直接接口，并帶有保護(hù)電路。

模塊內(nèi)置有監(jiān)視結(jié)溫的熱敏電阻器、防止上下橋臂直通的邏輯保護(hù)電路、死區(qū)時(shí)間控制，以及用于最大限度減少EMI等的驅(qū)動(dòng)波形整形電路。在模塊中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)IC均可進(jìn)行優(yōu)化，使其以最小的EMI和驅(qū)動(dòng)損耗來完成功率器件的開關(guān)動(dòng)作。對節(jié)能來說是一個(gè)很大的促進(jìn)作用。 

無刷直流電機(jī)是熱點(diǎn)

電機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展應(yīng)用，目前業(yè)內(nèi)將目光聚焦到無刷直流電機(jī)身上，尤其成為當(dāng)前微特電機(jī)的發(fā)展熱點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向，用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷，從而具有高可靠性、無換向火花、機(jī)械噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)。

對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，采用新工藝和新材料改善能耗，通過降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗來提高電機(jī)的效率。目前在家用電器行業(yè)廣泛宣傳的直流變頻就是一個(gè)節(jié)能設(shè)計(jì)的典范。

有專家稱，如果只把每年新增的電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)更換成高效節(jié)能電機(jī)，每年就可節(jié)電超過1000億千瓦時(shí)，這將超過三峽電站全年的發(fā)電總量，同時(shí)還可減少二氧化碳排放近億噸。“個(gè)體節(jié)約一小步，集體節(jié)約一大步”，推廣高效節(jié)能電機(jī)總體節(jié)能效果還是非常樂觀的。 

雖然國家在積極推動(dòng)，但是目前電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能依然存在五大難題：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)性工作有待加強(qiáng)；高效通用和專用設(shè)備有待開發(fā)；電機(jī)系統(tǒng)合理匹配及運(yùn)行效率有待提高；第三方節(jié)能服務(wù)隊(duì)伍建設(shè)有待加強(qiáng)；激勵(lì)政策及體制機(jī)制也有待完善。 

3、各種電機(jī)詳解

伺服電動(dòng)機(jī) 

伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。

 伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分；最早的伺服電動(dòng)機(jī)是一般的直流電動(dòng)機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電動(dòng)機(jī)。目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講，就是小功率的直流電動(dòng)機(jī)，其勵(lì)磁多采用電樞控制和磁場控制，但通常采用電樞控制。 

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類，直流伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)械特性上能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的要求，但是由于換向器的存在，存在許多的不足：換向器與電刷之間易產(chǎn)生火花，干擾驅(qū)動(dòng)器工作，不能應(yīng)用在有可燃?xì)怏w的場合；電刷和換向器存在摩擦，會(huì)產(chǎn)生較大的死區(qū)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)比較困難。 

交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)，其控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅相控制。 

 一般地，伺服電動(dòng)機(jī)要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號的控制；轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號的變化而連續(xù)變化；電動(dòng)機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

所謂步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。

我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

目前，比較常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)；所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場合。

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域；尤其是在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以一直被認(rèn)為是最理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。  

除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。 

此外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也存在許多缺陷；由于步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大，細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制；并且，步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲。 

力矩電動(dòng)機(jī) 

所謂的力矩電動(dòng)機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電動(dòng)機(jī)。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。力矩電動(dòng)機(jī)有直流力矩電動(dòng)機(jī)和交流力矩電動(dòng)機(jī)兩種。

其中，直流力矩電動(dòng)機(jī)的自感電抗很小，所以響應(yīng)性很好；其輸出力矩與輸入電流成正比，與轉(zhuǎn)子的速度和位置無關(guān)；它可以在接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接和負(fù)載連接低速運(yùn)行而不用齒輪減速，所以在負(fù)載的軸上能產(chǎn)生很高的力矩對慣性比，并能消除由于使用減速齒輪而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。 

交流力矩電動(dòng)機(jī)又可以分為同步和異步兩種，目前常用的是鼠籠型異步力矩電動(dòng)機(jī)，它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點(diǎn)。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動(dòng)機(jī)，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動(dòng)機(jī)的相同，但是由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的電阻較大，所以其機(jī)械特性較軟。 

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)  

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡單且堅(jiān)固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異。

無刷直流電動(dòng)機(jī)

無刷直流電機(jī)（BLDCM）是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流；無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷力矩電機(jī)。一般地，無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。

有時(shí)候把前一種叫直流無刷電機(jī)，后一種叫交流伺服電機(jī)，確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常采用“細(xì)長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機(jī)一般的容量都在100kW以下。 

這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。 

變頻電機(jī)

變頻電機(jī)的構(gòu)造原理  

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與控制，是工農(nóng)業(yè)各類機(jī)械及辦公、民生電器設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，采用“專用變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+變頻器”的交流調(diào)速方式，正在以其卓越的性能和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)了一場取代傳統(tǒng)調(diào)速方式的更新?lián)Q代的變革。

它給各行各業(yè)帶來的福音在于：使機(jī)械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、電源系統(tǒng)容量相應(yīng)提高、設(shè)備小型化、增加舒適性，目前正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速和直流調(diào)速方案。  

由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求，對作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機(jī)，提出了苛刻的要求，給電動(dòng)機(jī)帶來了在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面新的課題。 

變頻電機(jī)的應(yīng)用  

變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級變速傳動(dòng)。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻電機(jī)的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機(jī)在變頻控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機(jī)的身影。 

直線電機(jī)

用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是隨動(dòng)系統(tǒng) 由于交流同步電機(jī)（簡稱同步電機(jī)）在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢，對于大容量電機(jī)，世界各國已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 

近幾年來，直線電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起"直線電機(jī)熱"。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱為"零傳動(dòng)"。 

"零傳動(dòng)"的傳動(dòng)方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。高速響應(yīng)由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件(如絲杠等)，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

精度直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。動(dòng)剛度高由于"直接驅(qū)動(dòng)"，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。

其次，速度快、加減速過程短由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車(時(shí)速可達(dá)500Km/h)，所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度(要求達(dá)60～100M/min或更高)當(dāng)然是沒有問題的。

也由于上述"零傳動(dòng)"的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。可獲得較高的加速度，一般可達(dá)2～10g(g=9.8m/s2)，而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1～0.5g。行程長度不受限制在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無限延長其行程長度。

運(yùn)動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌(無機(jī)械接觸)，其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。效率高由于無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。

（來源 電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用）