给电机技术做个普查

电机的种类划分非常多，往往让人难以具体区分。像伺服电机就有永磁同步伺服和感应伺服，有直流伺服有交流伺服……下面让我们来给电机家族做个人口普查吧!

何为电机？

电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，它在包装，食品和饮料，制造业，医疗和机器人等众多行业的许多运动控制功能中发挥着关键作用。随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式，这么一说好像选型非常复杂，因此为了人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。

本文从电机中最有代表性、最常用、最基本的三大典型——控制电机、功率电机以及信号电机说起，带您重新认识一下这一不可或缺的装置。

控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”。

电机的基本常识

什么叫绕组？

电枢绕组是直流电机的核心部分，是铜质漆包线绕制的线圈。当电枢绕组在电机的磁场中旋转都会产生电动势。

什么叫磁场？

在永磁体或电流周围所发生的力场及凡是磁力所能达到的空间或磁力作用的范围。

工作原理

电机是将电池电能转换成机械能，驱动电动车车轮旋转的部件。这个东西俗称“马达”。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到千瓦级。机床、水泵，需要电动机带动；电力机车、电梯，需要电动机牵引。家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机，甚至各种电动机玩具都离不开电动机。电动机已经应用在现代社会生活中的各个方面。

电动机工作原理简单理解为就是：通电导线在磁场中受到力的作用。而电磁感应现象是指闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时产生感应电流的现象。比如：麦克风是运用电磁感应现象，而扬声器是运用电动机原理。

有的同学总是搞不清楚电机和发电机的区别，简单来讲：电机在电路中是用字母M（旧标准用D）表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源；而发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。

电动机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子和其它附件组成。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。

构造

有刷电机

有刷电机是大家最早接触的一类电机，中学时物理课堂上介绍电动机也是以它为模型来展示的。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

在有刷电机中，这个过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子（碳刷），在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。

随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，象刷子在物体表面刷，因此叫“碳刷”。

通电后在洛仑磁力的作用下旋转，但是单个线圈会出现扭矩=0，会导致受力稳定性较差，通常会增加线圈提高受力稳定性。

其中永磁铁做定子一般用在较小的电机上，更常用的结构是电磁铁定子。

相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷；碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

总结一下有刷电机特点：

1、结构简单

有刷电机机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制；直流电机还具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。

2、运行平稳，起、制动效果好

有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。

3、控制精度高

有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使的电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。

缺点

a、电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易发热，有刷电机的寿命要比无刷短几倍。

b、维护麻烦，需要不停的换电刷。

c、因为电阻大，效率低、输出功率少。

d、电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大。

无刷电机

为了使电机的工作更可靠，效率更高，以及更低的噪音，目前的大趋势基本上是无刷直流电机为主了。相比同功率的有刷直流电机，无刷直流电机有着更低的重量。传统直流电机的电刷会随着使用而磨损，还有可能产生电火花，因此对于现在对寿命和耐用性有着更高要求的现代工业来讲，有刷直流电机即将隐退。

无刷直流电机（BLDC）由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路（一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器）来完成。

当给线圈冲直流电时，线圈充能形成一个电磁体，BLDC的工作是以永磁体和电磁体之间的相互作用力为基本条件，定子和转子的上极性相反的磁极就会相互吸引，当磁极依次接近线圈A时，线圈B开始通电，接近B时，C通电，整个过程一直重复，转子就会持续转动。

这就好似驴子吃萝卜，要想让驴子一直行走，在他的脑袋钱挂个萝卜就行。

无刷直流电机有以下的特点：

无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；

无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；

无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态；

无刷直流电机的体积小，功率密度高；

无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高；

无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。

总结一下有刷电机vs无刷电机的区别：

实际上两种电机的控制都是调压，只是由于无刷直流采用了电子换向，所以要有数字控制才可以实现了，而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统模拟电路都可以控制，比较简单。

1.有刷马达调速过程是调整马达供电电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。

2.无刷马达调速过程是马达的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。

分类和用途

我们生活中大多数用的是单相异步电动机，它是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电机。由于它具有结构简单、成本低廉运行可靠、维护方便等优点以及可以再单相220伏交流电源上使用的特点，被广泛采用与办公场所、家用电器等方面，在工农业生产及其他领域也使用着不少单相异步电动机。如台扇、吊扇、洗衣机、电冰箱、吸尘器、小型鼓风机、小型车床、医疗器械等等。

单相异步电动机的不足之处是它与同容量的三相异步电动机相比较，体积较大、运行性能较差、效率较低。因此一般只制成小型的微型系列，容量在几瓦到几百瓦之间。

电机产品种类繁多,根据型号、规格、功率、轴伸、绝缘、编码器、转速开关、热敏元件、加热带等参数的不同可划分出各种各样电机。如果细分起来是有很多种：

1．按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机

2．按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

3．按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。

5．按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

7. 应用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。

典型代表

1. 伺服电机

交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。一般地，伺服电机要求电机的转速要受所加电压信号的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;转矩能通过控制器输出的电流进行控制;电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。

交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

伺服电机有直流和交流之分，最早的伺服电机是一般的直流电机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。

2. 三相异步电动机

在生产上主要用的是交流电动机，是靠同时接入380V三相交流电流（相位差120度）供电的一类电动机。因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

为了说明三相异步电动机的工作原理，我们先看下面的演示：

在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(是不是听起来感觉回到了初中时代..)

说的在官方一点就是：

当三相交流电流通入三相定子绕组后，在定子腔内便产生一个旋转磁场。转动前静止不动的转子导体在旋转磁场作用下，相当于转子导体相对地切割磁场的磁力线，从而在转子导体中产生了感应电流（电磁感应原理）。这些带感应电流的半导体在磁场中便会发生运动（电流的效应——电磁力）。由于转子内导体总是对称布置的，因而导体上产生的电磁力正好方向相反，从而形成电磁转矩，使转子转动起来。由于转子导体中的电流是定子旋转磁场感应产生的，因此也称感应电动机。又由于转子的转速始终低于定子旋转磁场的转速，所以又称为异步电动机。

结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

3. 步进电机

所谓步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。脉冲数越多，电机转动的角度越大；脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电机;所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电机广泛应用在生产实践的各个领域;尤其是在数控机床制造领域，由于步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。此外，步进电机也存在许多缺陷;由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声;不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制;并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。

4. 力矩电机

所谓的力矩电机是一种扁平型多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电机有直流力矩电机和交流力矩电机两种。

其中，直流力矩电机的自感电抗很小，所以响应性很好;其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关;它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。

交流力矩电机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电机，它具有低转速和大力矩的特点。一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电机，其工作原理和结构和单相异步电机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。

5. 开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构极其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。 但目前也存在转矩脉动、运行噪声和振动大等问题，需要一定时间去优化改良以适应实际的市场应用。

6. 无刷直流电机

无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流;无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“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，确切地讲也是交流伺服电机的一种。

无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。

这种电机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电机在控制系统中有很大的应用潜力。

7. 永磁电机

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机，随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展．永磁电机的应用将会变得更为广泛。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

型号含义

现在我们来普及一下电机标牌那些代号是啥含义：

对于Y系列电动机的型号由四部分组成：

• 产品代号：用字母“YY”表示单相电容运转异步电动机；用“YL”表示单相电动机为电容起动电容运转异步电动机；用字母“YC”代表电容起动电动机；

• 机座号：电机的中心高

• 级数：电机级数由数字组成，由2、4、6表示不同级数的电机。

• 产品规格序号由数字组成，在同一机座号中不同规格的产品（部分厂商的由字母组成）。

比如：Y112M-4中“Y”表示Y系列鼠笼式异步电动机（YR表示绕线式异步电动机），“112”表示电机的中心高为112mm，“M”表示中机座（L表示长机座，S表示短机座），“4”表示4极电机。

未来技术发展

随着电动机制造行业竞争的不断加剧，大型电动机制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内外优秀的电动机制造企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内外优秀的电动机品牌迅速崛起，逐渐成为电动机制造行业中的翘楚。

电机本身是劳动密集型产品，达不到一定产量规模很难产生效益，所以行业利润十分微薄，全国电机行业从业人员约30万人，2003年行业实现利润仅2.8亿元。据了解，即使在一些效益比较好的企业，去年的纯利润也达不到5%。近几年来，我国的电机行业也涌现了一批产量规模大，产品水平、质量好，技术装备先进的企业。但是，还没有哪一家的产品份额能在国内市场上占到统治地位。中小电机至今还没有形成具有国际影响力的品牌。

高效节能电机成为全球电机产业发展共识

在全球降低能耗的背景下，高效节能电机成为全球电机产业发展的共识。美国、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亚和新西兰等国家都相继制定了电动机的能效标准与能效标识制度，明确了电机节能与效率提高的时间表、执行方式与实施范围。比如，美国在EPACT标准之上制定的NEMAPremium超高能效标准、欧盟的EU—CEMEP标准、澳大利亚AS/NS1359.5—2000和中国GB18613—2012标准。

新能源汽车发展带动驱动电机快速增长

2011年新能源汽车保有量增速为59.58%，在《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》等政策刺激下，中国新能源汽车产业市场预期良好，带动驱动电机市场规模迅速增长。目前，国内客车驱动电机系统以南车时代、天元电机为代表，大约有十几家。其中，混合动力客车是目前的主要电动客车产品，而纯电动客车上用的驱动电机系统对功率的要求较高，生产企业比较少。

智能电机将成为主流

中国已经成为世界上最大的智能制造市场。而电机作为工业的心脏，只要有运动的地方就有电机的身影，而且电机耗电已经占到全社会用电量的60%，其产品质量的高低直接关系着建设能源节约友好型社会能否实现。电机之所以实现智能制造较晚，这与其特有的行业特性有关。在我国电机行业属于典型的离散型制造，行业品类多，小批量生产普遍，系统之间信息交流困难，信息孤岛现象严重，造成电机行业运维难度越来越大。而且我国电机行业自动化及信息化水平低，生产设备落后，从业人员技术水平偏低等制约着行业的发展。

随着世界范围内各大工业企业快速推进智能制造，更多行业正在进入智能制造的队列之中，电机行业虽然起步较晚，但得益于巨大的市场体量，借智能制造的东风，未来必将成为智能制造的新名片。

电机行业亟需重新整合、优胜劣汰，这已成为电机行业的发展趋势。电机行业虽然是一个老传统工业，然而各行各业配套电机不可缺少。而且，一些较大的电机企业占地面积大，所处地段好，收购兼并后，将会给收购者带来非常丰厚的效益和财源。