有刷无刷,永磁同步,步进,空心杯,统统拆开看看有什么不同

1. 电机大分类

电机本来种类就多,命名也比较混乱,怎样理解各种电机之间的区别?下面这些电机,看了是不是有点儿头大,每种都能弄个明白吗?

比如:交流异步,永磁同步,交流感应,磁阻电机,反应式步进,永磁式步进,混合式步进,空心杯,直流有刷,BLDC,PMSM,伺服电机,两相步进,三相步进。

不过弄不明白也不要紧,我们这篇文章的目的,也不是要把每种电机都说个明白。说实话很多电机小编也没有实际见过啊。希望大家看完后也不要再纠结这些,而是对电机运转的本质有个更深入的了解。

2. 电机如何转动

电机的花样再多,最终都要归到基本原理,即磁铁的异极相吸,同极相斥。如下图,中间圆形的磁铁和边上方形的磁铁,处于这样的位置时,处于一个不平衡的状态,中间圆形磁铁的S极,受到方形磁铁N极的吸引,N极受到方形磁铁N极的排斥,从而逆时针转动,直到S极和N极靠近后静止。

如果我们把方形磁铁沿虚线平转一圈,那么圆形磁铁也会跟着转一圈。电机的关键,就是如何产生两个互相吸引的部分,在吸引力的作用下产生转动,转动的部分我们称之为转子,转子靠吸引转动后会达到平衡,如果想要转子连续转动,就需要在一个新位置对它产生吸引。

还有另外一种电机,不是靠磁极之间的吸引,而是凭借另一个特性,即磁力线总是通过磁阻最小的路径。就像电流总是寻找最小的电阻通路。如下图右侧所示,转子长轴与磁力线在一个方向上,在这种状态下磁力线所受磁阻最小。如果像左图中的样子,转子转动一个角度,磁力线的路径将会变长,磁阻变大了。这时磁力线会对转子产生扭矩,推动它回到原来磁阻最小的位置。

电机不转动的部分叫定子,转动的部分叫转子。转子在内,定子在外的叫内转子,也可以反过来转子在外部,中间部分做定子。定子和转子的磁场都可以由电流通过励磁线圈产生,也可以一个由电流产生,另一个用永磁体。

我们再聊一下同步和异步。应用历史比较长的一种电机是交流感应电动机。三相交流电在这种电机的定子中励磁,合成的磁场是一个以交流电频率变化的旋转磁场,在静止状态下的鼠笼转子开始切割磁力线而形成电流,电流反过来产生磁场,与定子磁场相互作用而开始转动。但是转子的速度总会落后于定子中磁场的旋转速度,因为一旦两者速度相同,定子就不再切割磁力线,也就失去了动力。转子和定子总存在一定速度差,不是同步转动,所以称作异步电动机。

如果转子用永磁体,或用励磁电流产生磁场,那么它可以跟随定子磁场的旋转一起转动,称为同步电机。现在应用较多的永磁同步电机PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)即为一种同步电机。注意这里同步不是指转子的转速和定子磁场旋转速度同步,因为转子转速和它有几对磁极有关系。如果是一对磁极,那么转子的转速与定子磁场旋转速度相等。如果定子有两对磁极,那么它的转速是定子磁场旋转速度的一半。

3. 常见直流电机

在嵌入式领域,用的大多数都是直流电机。我们拆解一些常用的来点直观的感受。

直流有刷电机,Brushed DC Motor。定子是永磁铁,转子是线圈,通电后线圈在磁场作用下转动,当转过一定角度后,通电的电极发生切换,转子在新的通电线圈作用力下继续转动。它的控制非常简单,通上直流电就转,通电极性互换后,转动方向也反转,转速随电压大小变化。

在下图中我们会看到一个叫碳刷的东西,它一端接在电源正负极,另一端压在换向器上。换向器随着转子转动,完成通电线圈的切换。碳刷的缺点就是会产生噪声,火花,有磨损,寿命短。所以现在的趋势是用电子换相取代这种机械换相,也就是无刷电机BLDC(Brushless DC Motor)。

再看一个电极数比较多的直流电机,这是我们在另一篇讲豆浆机的原理的文章中提到过的电机,虽然豆浆机是220交流供电,但里面用的这个电机却是直流电机。220V交流经过整流后变为直流电,直接通过碳刷加到电机的线圈上,它的电极数多,所以扭矩也大。

空心杯电机,它属于直流有刷电机。它的转子没有铁芯,所以转动惯量小,响应快。它的体积可以做的很小,广泛用于飞行器,调焦,仪器仪表等。下图是个716空心杯,即直径7mm,长度16mm。

步进电机,下图为一个两相混合步进电机。可以看到一共有8个绕组,分为A,B两相,1 3 5 7为一相,2 4 6 8为一相。定子和转子上均匀分布这很多小齿,他就是靠A B相通电时,定子和转子上不同极性的小齿交错对齐,驱动转子转动。它的控制也很简单,A B相交替通电脉冲,就可以一步一步驱动转子转动,步进角为1.8°。

直流无刷(BLDC)和永磁同步(PMSM)

一般我们约定俗成,把用霍尔传感器测定转子位置,反电动势为梯形波,用六步换相控制的电机叫直流无刷。把用编码器测转子位置,反电动势为正弦波,用矢量控制(FOC)的电机叫永磁同步。其实很多BLDC的反电动势也不是标准的方波,而是接近正弦波,也可以用矢量控制。同样的,永磁同步也可以用六步换相控制。而且永磁同步也是用直流供电,肯定也是无刷的。

采用矢量控制的永磁同步电机转矩脉动很小,转动平稳,在低速下也能输出大力矩。而直流无刷电机控制简单,成本更低。下图为一个带有磁编码器的永磁同步电机。更高端一些的电机大多采用光电编码器,可以以更高的精度输出转子的位置,从而控制器可以更精确的控制转子的转动。

伺服(Servo)电机,其实很难说哪种电机是或不是伺服电机。伺服本身是指一种系统,它可以根据输入,精确快速地控制转子的位置,转速等。下面这种电机,带光电编码盘,而且集成了电机的驱动控制器,从外面只要通过给脉冲电平信号就能控制它的运行。

4. 结束语

电机的种类实在是太多了,我们列举的这些例子,希望对大家理解电机有一些帮助。以后有机会我们会挑一些典型的电机,更详细的讨论一下它们的原理,如何控制。如果你感兴趣可以关注我们的公众号。

你对各种电机有什么看法?入群和大家一起讨论一下吧!

 

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