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電機(jī)大分類
電機(jī)本來種類就多,命名也比較混亂,怎樣理解各種電機(jī)之間的區(qū)別?下面這些電機(jī),看了是不是有點(diǎn)兒頭大,每種都能弄個(gè)明白嗎?
比如:交流異步,
永磁同步,交流感應(yīng),磁阻電機(jī),反應(yīng)式步進(jìn),永磁式步進(jìn),混合式步進(jìn),空心杯,直流有刷,BLDC,PMSM,伺服電機(jī),兩相步進(jìn),三相步進(jìn)。
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(jī)都說個(gè)明白。說實(shí)話很多電機(jī)小編也沒有實(shí)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)有個(gè)更深入的了解。
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電機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)
電機(jī)的花樣再多,最終都要?dú)w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(shí),處于一個(gè)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),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(huì)跟著轉(zhuǎn)一圈。電機(jī)的關(guān)鍵,就是如何產(chǎn)生兩個(gè)互相吸引的部分,在吸引力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)的部分我們稱之為轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子靠吸引轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)達(dá)到平衡,如果想要轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),就需要在一個(gè)新位置對它產(chǎn)生吸引。
還有另外一種電機(jī),不是靠磁極之間的吸引,而是憑借另一個(gè)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(gè)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(dòng)一個(gè)角度,磁力線的路徑將會(huì)變長,磁阻變大了。這時(shí)磁力線會(huì)對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩,推動(dòng)它回到原來磁阻最小的位置。
電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分叫定子,轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)磁線圈產(chǎn)生,也可以一個(gè)由電流產(chǎn)生,另一個(gè)用永磁體。
我們再聊一下同步和異步。應(yīng)用歷史比較長的一種電機(jī)是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三相交流電在這種電機(jī)的定子中勵(lì)磁,合成的磁場是一個(gè)以交流電頻率變化的旋轉(zhuǎn)磁場,在靜止?fàn)顟B(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(dòng)。但是轉(zhuǎn)子的速度總會(huì)落后于定子中磁場的旋轉(zhuǎn)速度,因?yàn)橐坏﹥烧咚俣认嗤?,定子就不再切割磁力線,也就失去了動(dòng)力。轉(zhuǎn)子和定子總存在一定速度差,不是同步轉(zhuǎn)動(dòng),所以稱作異步電動(dòng)機(jī)。
如果轉(zhuǎn)子用永磁體,或用勵(lì)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(dòng),稱為同步電機(jī)。現(xiàn)在應(yīng)用較多的永磁同步電機(jī) PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即為一種同步電機(jī)。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?yàn)檗D(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(jī)
在嵌入式領(lǐng)域,用的大多數(shù)都是直流電機(jī)。我們拆解一些常用的來點(diǎn)直觀的感受。
直流有刷電機(jī),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(dòng),當(dāng)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(dòng)。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(dòng)方向也反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速隨電壓大小變化。
在下圖中我們會(huì)看到一個(gè)叫碳刷的東西,它一端接在電源正負(fù)極,另一端壓在換向器上。換向器隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),完成通電線圈的切換。碳刷的缺點(diǎn)就是會(huì)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(jī)械換相,也就是無刷電機(jī) BLDC(Brushless DC Motor)。
再看一個(gè)電極數(shù)比較多的直流電機(jī),這是我們在另一篇講豆?jié){機(jī)的原理的文章中提到過的電機(jī),雖然豆?jié){機(jī)是 220 交流供電,但里面用的這個(gè)電機(jī)卻是直流電機(jī)。220V 交流經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟?,直接通過碳刷加到電機(jī)的線圈上,它的電極數(shù)多,所以扭矩也大。
空心杯電機(jī),它屬于直流有刷電機(jī)。它的轉(zhuǎn)子沒有鐵芯,所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,響應(yīng)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(gè) 716 空心杯,即直徑 7mm,長度 16mm。
步進(jìn)電機(jī),下圖為一個(gè)兩相混合步進(jìn)電機(jī)。可以看到一共有 8 個(gè)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(shí),定子和轉(zhuǎn)子上不同極性的小齒交錯(cuò)對齊,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),步進(jìn)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(dòng)勢為梯形波,用六步換相控制的電機(jī)叫直流無刷。把用編碼器測轉(zhuǎn)子位置,反電動(dòng)勢為正弦波,用矢量控制(FOC)的電機(jī)叫永磁同步。其實(shí)很多 BLDC 的反電動(dòng)勢也不是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小,轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),在低速下也能輸出大力矩。而直流無刷電機(jī)控制簡單,成本更低。下圖為一個(gè)帶有磁編碼器的
永磁同步電機(jī)。更高端一些的電機(jī)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(dòng)。
伺服(Servo)電機(jī),其實(shí)很難說哪種電機(jī)是或不是伺服電機(jī)。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(jī),帶光電編碼盤,而且集成了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器,從外面只要通過給脈沖電平信號就能控制它的運(yùn)行。
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結(jié)束語
電機(jī)的種類實(shí)在是太多了,我們列舉的這些例子,希望對大家理解電機(jī)有一些幫助。以后有機(jī)會(huì)我們會(huì)挑一些典型的電機(jī),更詳細(xì)的討論一下它們的原理,如何控制。如果你感興趣可以星標(biāo)我們的公眾號。
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