电机的工作原理和分类
电动机是一种将电能转化为机械能的装置。电机广泛应用于机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业等行业。随着工业自动化程度的不断提高，需要使用各种控制电机作为自动化系统的部件，在人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外，电机越来越广泛地应用于国防、文化、教育、医疗和日常生活(现代家电行业)。
一般电机主要由两部分组成:固定的部分叫定子，旋转的部分叫转子。此外，还有端盖、风扇、外壳、支架、接线盒等。
电机的工作原理是基于电磁感应定律，全电路欧姆定律，电磁力定律。当磁极顺时针旋转时，磁极的磁力切割转子线棒，线棒中感应出电动势。电动势的方向由右手定则决定。因为运动是相对的，如果磁极不动，转子线棒逆时针旋转，也可以在线棒中感应出电动势。在电动势的作用下，闭合导体中产生电流。电流与旋转磁极的磁场相互作用，使转子线棒受到电磁力(安培力)，电磁力的方向可由左手定则决定。电磁力产生电磁转矩，转子旋转。伺服电机伺服电机广泛应用于各种控制系统中，它可以将输入的电压信号转换成电机轴上的机械输出，拖动被控元件，从而达到控制的目的。伺服电机可分为DC和交流；最早的伺服电机是通用的DC电机，在控制精度不高的时候作为伺服电机使用。目前，DC伺服电机在结构上属于小功率DC电机，其励磁多采用电枢控制和磁场控制，但通常采用电枢控制。按照旋转电机的分类，DC伺服电机在机械特性上可以满足控制系统的要求，但由于换向器的存在存在很多缺点:换向器与电刷之间容易产生火花，干扰驱动器的工作，不能在有可燃气体的场合使用；电刷和换向器之间有摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护困难。交流伺服电机本质上是一种两相异步电机，控制方式主要有三种:幅值控制、相位控制和幅相控制。一般来说，伺服电机要求电机的速度应该由施加的电压信号来控制；转速可以随着外加电压信号的变化而连续变化；电机应具有快速响应、小体积和低控制功率。伺服电机主要用于各种运动控制系统，尤其是伺服系统。2.2步进电机所谓步进电机，是将电脉冲转化为角位移的执行机构；更一般地说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前常用的步进电机有反应式步进电机(VR)、永磁步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相步进电机。步进电机与普通电机的区别主要在于它的脉冲驱动形式。正是这一特点，使得步进电机可以与现代数字控制技术相结合。然而，步进电机在控制精度、速度变化范围和低速性能方面不如传统的闭环DC伺服电机。所以主要用在精度要求不是特别高的场合。步进电机因其结构简单、可靠性高、成本低，被广泛应用于生产实践的各个领域。特别是在数控机床制造领域，步进电机由于可以不经过A/D转换，直接将数字脉冲信号转换成角位移，一直被认为是数控机床最理想的执行机构。除了在数控机床中的应用，步进电机还可以用在其他机器中，如自动送料机中的电机、通用软盘驱动器中的电机、打印机和绘图仪等。另外，步进电机也有很多缺陷；由于步进电机有空载启动频率，低速时可以正常运行，但高于一定速度时就不能启动，并伴有尖锐的啸叫；不同厂家的细分驱动精度可能相差很大，细分数越大，精度越难控制；而且步进电机低速旋转时振动大，噪音大。2.3力矩电机所谓力矩电机是一种扁平多极永磁DC电机。它的电枢有更多的槽，换向器和串联导体，以减少扭矩波动和速度波动。力矩电机有两种:DC力矩电机和交流力矩电机。其中DC力矩电机的自感电抗很小，所以响应很好；它的输出转矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关。它可以直接与负载相连，在接近锁止转动的状态下低速运转而不需要齿轮减速，因此它可以在负载的轴上产生很高的力矩惯量比，消除了使用减速齿轮带来的系统误差。交流力矩电机可分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼式异步力矩电机，具有转速低、转矩大的特点。总的来说，纺织行业常用交流力矩电机，其工作原理和结构与单相异步电机相同，但由于鼠笼式转子电阻较大，机械特性较软。2.4开关磁阻电机开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构极其简单牢固，成本低廉，调速性能优良。它是传统控制电机的有力竞争者，具有强大的市场潜力。2.5无刷DC电机无刷DC电机(BLDCM)是在无刷DC电机的基础上发展起来的，但其驱动电流是不折不扣的交流电；无刷DC电机可分为无刷速度电机和无刷力矩电机。一般来说，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(一般是“方波”)，一种是正弦波。有时前者被称为DC无刷电机，后者被称为交流伺服电机，正是交流伺服电机的一种。为了减小转动惯量，无刷DC电机通常采用“细长”结构。无刷DC电机在重量和体积上比无刷DC电机小得多，相应的转动惯量可以降低40%-50%左右。由于永磁材料的加工问题，无刷DC电机一般容量在100kW以下。这种电机具有机械特性和调节特性的线性度好、调速范围宽、使用寿命长、维护方便、噪音低等优点，并且没有电刷带来的一系列问题，因此这种电机在控制系统中有很大的应用潜力。3动力电机3.1 DC电机DC电机是最早的电机。19结尾，大致可以分为换向器和非换向器两类。DC电机具有更好的控制特性。DC电机在结构、价格、维护等方面都不如交流电机。但交流电机的调速问题一直没有得到很好的解决，而DC电机具有调速性能好、起动容易、带负载起动等优点，所以目前仍被广泛使用，尤其是可控硅DC电源出现以后。3.2异步电动机异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流的相互作用，产生电磁转矩，实现能量转换的交流电动机。异步电机一般是各种规格的系列产品，在所有电机中应用最广，需求量最大；目前电传动中约90%的机器采用交流异步电动机，因此其用电量占总电力负荷的一半以上。异步电动机具有结构简单、制造、使用和维护方便、运行可靠、质量小、成本低等优点。而且异步电机运行效率高，工作特性好，从空载到满载恒速运行，可以满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机广泛用于驱动机床、泵、鼓风机、压缩机、起重设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械、大部分工农业生产机械以及家用电器和医疗器械。在异步电动机中，常见的有单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。单相异步电动机一般用于三相供电不方便的地方，多为微型、小容量电动机，广泛应用于家用电器，如风扇、冰箱、空调、吸尘器等。3.3同步电机所谓同步电机，是由交流电驱动的电机，转子和定子的旋转磁场同步运行。同步电机的定子和异步电机的定子完全一样；不过转子有两种:凸极式和隐极式。凸极转子同步电机结构简单，制造方便，但机械强度低，适用于低速运行场合。隐极同步电机制造工艺复杂，但机械强度高，适合高速运行。同步电机的工作特性与所有电机相同。同步电机也是“逆行”，即可以发电机模式运行，也可以电动机模式运行。同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、泵、球磨机、压缩机、轧机、小型和微型仪器设备或作为控制元件；其中，三相同步电机是其主体。此外，它还可以用作调制器，向电网传输感性或容性无功功率。4信号电机4.1位置信号电机目前最具代表性的位置信号电机有旋转变压器、感应同步器和自整角机。旋变器本质上是一个变压器，可以任意改变一次绕组和二次绕组的耦合度。其结构与绕线式异步电动机相同。定子和转子有两组相互垂直分布的绕组，转子绕组通过滑环和电刷与外部电路相连。当初级绕组励磁时，次级绕组的输出电压与转子的转角成正弦、余弦、线性或其他函数关系，可用于计算装置中的坐标变换和三角运算，也可用作控制系统中的角度数据传输和移相器。感应同步器是一种高精度的位置或角度检测元件，有盘式和线型两种。圆盘式感应同步器用于测量转角位置；直线感应同步器用于测量直线位移。自整角机是一种感应式机电元件，广泛应用于伺服系统中作为角度传递、变换和指示的装置。在控制系统中，往往是两个或两个以上的轴一起使用，使两个或两个以上没有机械连接的轴自动保持相同的旋转角度变化或同步旋转。4.2速度信号电机最具代表性的速度信号电机是测速发电机，它本质上是一种将转速转化为电信号的机电元件，其输出电压与转速成正比。从工作原理上来说，属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要用作阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件。测速发电机可分为DC和交流。DC测速发电机可分为他励发电机和永磁发电机。其结构和工作原理与小功率DC发电机相同，输出功率通常较小。作为计算元件，要求其输出电压的线性误差和温度误差低于上限。交流测速发电机可分为同步和异步。同步测速发电机包括:永磁式、感应式和脉冲式；杯形转子异步测速发电机是应用最广泛的一种。为了提高测速发电机的精度和可靠性，目前出现了无刷结构的霍尔效应DC测速发电机。由于这种霍尔效应无刷DC测速发电机是一种没有齿槽和绕组的电机，不会因为齿槽而产生“齿槽谐波电势”。这种电机结构简单，便于小型化。