科普，各種電機的工業(yè)應(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(guān)磁阻電動機和無刷直流電動機等。
各種電動機中應(yīng)用最廣的是交流異步電動機（又稱感應(yīng)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(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機，但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)備價格日益降低，已開始得到應(yīng)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(dān)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(yīng)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(guān)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(yīng)eff2）、IE2（對應(yīng)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(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領(lǐng)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(shè)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(guān)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(yīng)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(dǎo)體開關(guān)器件來實現(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(shè)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(chǔ)性工作有待加強；高效通用和專用設(shè)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(wù)隊伍建設(shè)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(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(yīng)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(fù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域；尤其是在數(shù)控機床制造領(lǐng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(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(guān)磁阻電動機
開關(guān)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(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(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(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(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(yīng)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(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。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(yīng)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(yīng)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(yīng)由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)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(yīng)性能大大提高，反應(yīng)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(yīng)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。可獲得較高的加速度，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(dǎo)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(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)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?xí)r的能量損耗，傳動效率大大提高。
（來源 電機技術(shù)及應(yīng)用）
