科普，各種電機的工業(yè)應用及發(fā)展趨勢匯總
電動機（英文：Electric machinery，俗稱“馬達”）是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，在電路中用字母M（舊標準用D）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。
1、電動機的使用
工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領域的控制電動機主要有伺服電動機、步進電動機、力矩電動機、開關磁阻電動機和無刷直流電動機等。
各種電動機中應用最廣的是交流異步電動機（又稱感應電動機 ）。它使用方便 、運行可靠 、價格低廉 、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)速的動力機常用同步電動機，因為同步電動機不但功率因數(shù)高，而且其轉(zhuǎn)速與負載大小無關，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機，但它有換向器，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，維護困難，不適于惡劣環(huán)境。
20世紀70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設備價格日益降低，已開始得到應用 。電動機在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時運行制、斷續(xù)周期運行制）下所能承擔而不至引起電機過熱的最大輸出機械功率稱為它的額定功率，使用時需注意銘牌上的規(guī)定。
電動機運行時需注意使其負載的特性與電機的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動機的調(diào)速方法很多，能適應不同生產(chǎn)機械速度變化的要求。一般電動機調(diào)速時其輸出功率會隨轉(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)電動機的轉(zhuǎn)速；二是控制電動機輸入功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。
2、電動機的發(fā)展
就目前電動機的發(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，無刷直流電機是發(fā)展熱點 。
節(jié)能是發(fā)展之重
伴隨全球能源危機的日益凸顯，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)濟發(fā)展的關系顯得尤為迫切。
從節(jié)約能源、保護環(huán)境出發(fā)，高效率電動機是目前國際發(fā)展趨勢，歐洲根據(jù)電動機的運行時間，制定的CEMEP標準將效率分為eff1（最高）、eff2、eff3（最低）三個等級，于2003-2006年間分步實施。IEC 60034-30標準將電機效率分為IE1（對應eff2）、IE2（對應eff1）、IE3、IE4（最高）四個等級。我國承諾從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標準。國際要求和國內(nèi)能源短缺形勢都需要將電機的節(jié)能發(fā)展作為首要任務。
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領域的熱門話題，我們生活中使用的全自動洗衣機、自動窗簾等這些都傳遞了智能的信號，電機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產(chǎn)業(yè)鏈中。
智能化電機控制的功能要比傳統(tǒng)電機控制功能多得多，智能化電機實現(xiàn)了低碳運行，并且故障概率和停機時間也大大降低了，它成為電機控制發(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與電機之間形成功率接口，能夠減小電機體積并簡化設計。
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，因為模塊內(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電路、死區(qū)時間控制，以及用于最大限度減少EMI等的驅(qū)動波形整形電路。在模塊中，每個驅(qū)動IC均可進行優(yōu)化，使其以最小的EMI和驅(qū)動損耗來完成功率器件的開關動作。對節(jié)能來說是一個很大的促進作用。
無刷直流電機是熱點
電機經(jīng)過多年的發(fā)展應用，目前業(yè)內(nèi)將目光聚焦到無刷直流電機身上，尤其成為當前微特電機的發(fā)展熱點。無刷直流電動機采用半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向，用電子開關器件代替?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、機械噪聲低等突出優(yōu)點。
對電機系統(tǒng)進行節(jié)能改造，采用新工藝和新材料改善能耗，通過降低電磁能、熱能和機械能的損耗來提高電機的效率。目前在家用電器行業(yè)廣泛宣傳的直流變頻就是一個節(jié)能設計的典范。
有專家稱，如果只把每年新增的電機及其拖動系統(tǒng)更換成高效節(jié)能電機，每年就可節(jié)電超過1000億千瓦時，這將超過三峽電站全年的發(fā)電總量，同時還可減少二氧化碳排放近億噸。“個體節(jié)約一小步，集體節(jié)約一大步”，推廣高效節(jié)能電機總體節(jié)能效果還是非常樂觀的。
雖然國家在積極推動，但是目前電機系統(tǒng)節(jié)能依然存在五大難題：技術(shù)標準等基礎性工作有待加強；高效通用和專用設備有待開發(fā)；電機系統(tǒng)合理匹配及運行效率有待提高；第三方節(jié)能服務隊伍建設有待加強；激勵政策及體制機制也有待完善。
3、各種電機詳解
伺服電動機
伺服電動機廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。
伺服電動機有直流和交流之分；最早的伺服電動機是一般的直流電動機，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機做伺服電動機。目前的直流伺服電動機從結(jié)構(gòu)上講，就是小功率的直流電動機，其勵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)電機的分類，直流伺服電動機在機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)動器工作，不能應用在有可燃氣體的場合；電刷和換向器存在摩擦，會產(chǎn)生較大的死區(qū)；結(jié)構(gòu)復雜，維護比較困難。
交流伺服電動機本質(zhì)上是一種兩相異步電動機，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，伺服電動機要求電動機的轉(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；電動機的反映要快、體積要小、控制功率要小。
步進電動機
所謂步進電動機就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。更通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。
我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電機的角位移量，從而達到精確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
目前，比較常用的步進電動機包括反應式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）和單相式步進電動機等。
步進電動機和普通電動機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進電動機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進電動機在控制精度、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機；所以主要應用在精度要求不是特別高的場合。
由于步進電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點，所以步進電動機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域；尤其是在數(shù)控機床制造領域，由于步進電動機不需要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，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。
除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。
此外，步進電動機也存在許多缺陷；由于步進電機存在空載啟動頻率，所以步進電機可以低速正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大，細分數(shù)越大精度越難控制；并且，步進電機低速轉(zhuǎn)動時有較大的振動和噪聲。
力矩電動機
所謂的力矩電動機是一種扁平型多極永磁直流電動機。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導體數(shù)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速脈動。力矩電動機有直流力矩電動機和交流力矩電動機兩種。
其中，直流力矩電動機的自感電抗很小，所以響應性很好；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；它可以在接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接和負載連接低速運行而不用齒輪減速，所以在負載的軸上能產(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。
交流力矩電動機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機，它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動機，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動機的相同，但是由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的電阻較大，所以其機械特性較軟。
開關磁阻電動機
開關磁阻電動機是一種新型調(diào)速電動機，結(jié)構(gòu)極其簡單且堅固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異。
無刷直流電動機
無刷直流電機（BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。
有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切地講是交流伺服電動機的一種。無刷直流電機為了減少轉(zhuǎn)動慣量，通常采用“細長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉(zhuǎn)動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。
這種電動機的機械特性和調(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，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。
變頻電機
變頻電機的構(gòu)造原理
電動機的調(diào)速與控制，是工農(nóng)業(yè)各類機械及辦公、民生電器設備的基礎技術(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“專用變頻感應電動機+變頻器”的交流調(diào)速方式，正在以其卓越的性能和經(jīng)濟性，在調(diào)速領域，引導了一場取代傳統(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：使機械自動化程度和生產(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)容量相應提高、設備小型化、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)對高速或低速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動態(tài)響應等需求，對作為動力主體的電動機，提出了苛刻的要求，給電動機帶來了在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面新的課題。
變頻電機的應用
變頻調(diào)速目前已經(jīng)成為主流的調(diào)速方案，可廣泛應用于各行各業(yè)無級變速傳動。特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領域內(nèi)日益廣泛的應用，變頻電機的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機在變頻控制方面較普通電機的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機的身影。
直線電機
用在各種運動控制系統(tǒng)中，尤其是隨動系統(tǒng) 由于交流同步電機（簡稱同步電機）在可靠性與維護量、功率因數(shù)、電機尺寸與轉(zhuǎn)動慣量、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，世界各國已基本趨向于使用同步電機。比如工業(yè)應用上大功率空氣壓縮機、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機和鋼廠大容量軋鋼機等均采用同步電機驅(qū)動。
近幾年來，直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用，已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。
"零傳動"的傳動方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。高速響應由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。
精度直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。動剛度高由于"直接驅(qū)動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
其次，速度快、加減速過程短由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車(時速可達500Km/h)，所以用在機床進給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度(要求達60～100M/min或更高)當然是沒有問題的。
也由于上述"零傳動"的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停?？色@得較高的加速度，一般可達2～10g(g=9.8m/s2)，而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。行程長度不受限制在導軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
運動動安靜、噪音低由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸)，其運動時噪音將大大降低。效率高由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高。
（來源 電機技術(shù)及應用）
