电机种类性能及特点比较.docx
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电机种类性能及特点比较
各种电机列表比较
电机分类
构造
工作原理
起动
反转
调速
机械特性及应用
励磁方式
三相异步电动机
1、定子：
定子铁芯、定子绕组、机座。
1、2、转子：
转子铁芯、转子绕组、转轴。
分为鼠笼式转子和绕线式转子。
（绕线式转子绕组接成Y型；可将附加电阻入转子电路，改善起动性能和调节转速。
）
通入三相异步电动机定子绕组的三相电流共同产生合成磁场，该磁场随着电流的交变在空间不断地旋转，故称为旋转磁场。
旋转磁场切割转子导体，产生感应电动势，进而在闭合导体中产生电流，转子导体电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩而使转子旋转。
1、直接起动：
在供电变压器容量较大，电动机容量较小（额定功率在7.5kW以下）时，三相异步电动机可以直接起动。
常使用的电器有:
组合开关（刀开关）、熔断器、交流接触器、热继电器和按钮等。
组合开关多用于电源的引入。
2、鼠笼式三相异步电动机降压起动：
当鼠笼式三相异步电动机容量较大，而电源容量不够大时，为了限制起动电流，避免电网电压显著下降，需采用降压起动，降压起动只适用于空载与轻载起动。
如采用星形一三角形起动或自耦变压器降压起动。
（如果电动机在工作时其定子绕组为三角形联接方式，那么在起动时把它联成星形，等到转速接近额定值时再改接成三角形，就是Y-△起动。
）；自耦变压器起动适用于⑴、正常运行定子连成星形；⑵、容量较大；⑶、较大起动转矩；
3、绕线式三相异步电动机常采用转子回路串接变电阻起动或转子回路串接频敏变阻器起动。
只要将接到电源的任意二根线对调即可。
有两种控制电路：
1、触头联锁电路；2、复式按钮和触头联锁电路；
n=60f／P（1-S）
三种调速方案：
改变电源频率f、改变绕组磁极对数P以及改变转差率S。
其中改变电源频率调速其调速范围宽，技术成熟，具体方法有：
变频机组、交一直一交变频和交一交变频。
改变转差率S的调速方法只能在绕线式转子电动机中使用。
在转子回路中串接附加电阻。
当负载在空载与额定值之间变化时，电动机的转速变化不大，称为硬机械特性。
非常适用于一般金属切削机床。
（一）、额定转矩；电动机在额定负载时的转矩，它可从电动机铭牌上的额定功率（输出机械功率）和额定转速求得，即
TN=9550×PN/nN（N•m）；
（二）最大转矩Tmax
从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值，称为最大转矩或临界转矩Tmax。
当负载转矩超过最大转矩时，电动机将发生所谓“闷车”现象。
因此，最大转矩也表示电动机短时允许过载能力。
电动机的额定转矩TN要比Tmax小，两者之比称为过载系数λ，即
一般三相异步电动机的过载系数为1.6～2.5。
在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩。
然后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，其值必须大于最大负载转矩。
否则就要重选电动机。
（三）起动转矩TQ
电动机刚起动（n=0,S=1）时的转矩称起动转矩。
在刚起动时，转子电流比较大，但起动转矩实际上并不大，它与额定转矩之比约为1.0～2.0。
一般机床的主电动机都是空载起动，对起动转矩没有什么要求。
但对于诸如起重用的电动机，因为是在带负载的情况下起动，因此应采用起动转矩较大一点的。
同步电动机
定子：
电枢；转子：
磁级，其铁芯上绕有励磁绕组，采用直流励磁。
当同步电动机的电枢绕组与三相交流电源接通时，由于转子和转轴上的生产机械是有惯性的，而旋转磁场转得又快，结果是同步电动机自己不能起动。
必须采用一定的方法来起动同步电动机。
通常采用所谓异步起动法。
就是在磁极的极掌上装有和鼠笼式绕组相似的起动绕组，让同步电动机象异步电动机那样先起动起来。
当电动机的转速接近同步转速时，将开关合在励磁机上，使转子励磁。
这时，旋转磁场就能紧紧地牵引着转子一起转动。
此后，两者转速保持相等（同步）即
同步电动机的异步起动电路
转子绕组中通的是直流电。
当电源频率f一定时，同步电动机的转速n是恒定的，不随负载而变化。
所以，它的机械特性曲线n=f（T）是一条与横轴平行的直线。
应用：
主要用于恒速的、容量较大的驱动中。
直流电动机
1、定子：
主磁极、换向极、电刷装置、机座；
2、转子：
转子铁芯、转子绕组、换向器、转轴和风扇。
直流电动机由定子和转子组成。
定子的作用是在励磁绕组中通入直流电流励磁而产生磁场；转子的作用是通电后产生电磁转矩。
直流电源通电导线在磁场中会受到电磁力作用，其方向由左手定
则确定。
直接起动直流电动机是绝对不允许的。
为了限制起动电流，通常在转子绕组电路中串联接入一个起动变阻器RQ，
要改变电动机的旋转方向，关键在于改变电磁转矩的方向。
根据左手定则，改变转子绕组电流的方向或者改变励磁电流的方向（即改变磁场的方向），都可以达到改变电磁转矩方向的目。
将转子绕组两端的接头对调或者将励磁绕组两端的接头对调，都能够使电动机的电磁转矩转向，从而使其反转。
三种调速方法：
1、改变磁通的调速：
为恒功率调速通常只是减小磁通将转速往上调。
适用于转矩、转速约成反比而输出功率基本上不变的场合，例如用于切削机床中。
2、改变外加电压的调速：
恒转矩调速，通常是通过降低电压将转速往下调。
这种调速方法为，起重设备多采用这种调速方法。
3、 改变转子绕组回路电阻的调速方法需在转子绕组电路中串联一个调速用的变阻器。
有较大的功率损失，应用范围不广。
电动机的转速将随着负载的增加稍有降低，但降低的幅度不大，可以看成是近于恒速的电动机。
亦即并励直流电动机的机械特性比较硬。
应用：
它的优点是具有良好的调速性能和较大的起动转矩，因而广泛地应用于要求调速性能较高和较大起动转矩的生产机械。
但直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差。
（一）直流他励电动机
励磁电流是由另外的直流电源（如蓄电池组）供给的。
（二）直流并励电动机
励磁绕组与转子绕组并联，但励磁绕组用细导线绕成，其匝数绕得很多，因此具有较大的电阻，使通过它的励磁电流较小。
（三）直流串励电动机
励磁绕组与转子绕阻串联，为使励磁绕组不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励绕组通常用较粗的导线绕成，其匝数也较少。
（四）直流复励电动机
有两个励磁绕组，一个与转子绕组并联，另一个与转子绕组串联，电动机中的磁通由这两个绕组内的励磁电流共同产生。
步进电动机（反应式步进电动机）
1.反应式步进电动机。
电动机定子有A、B、C三对磁极。
在相对的磁极上绕有A、B、C三相控制绕组。
转子上相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。
齿距角
为：
（5-1）
式中
--转子齿数。
当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极
吸引而对齐。
然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极
吸引，这时转子逆时针转了
步进电动机是一种同步电动机：
由于输入一个脉冲，转子转过
转，脉冲电源频率为f,则步进电动机的转速为：
（5-3）
式中：
f--控制脉冲频率，即步进电动机每秒接收的脉冲数；
1、步进电动机具有独特的优点：
（1）步进电动机的转速主要取决于脉冲的频率，移动的总位移取决于总的脉冲数。
其步距值不受各种干扰因素的影响。
（2）步距误差不长期积累。
步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距值之间总有一定的误差。
从某一步到任何一步，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零。
（3）控制性能好。
起动、停止、反转及其他任何运动方式的改变，都在少数脉冲内完成。
在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢步。
2、分类：
步进电动机的种类很多，有多种分类方法。
若按工作原理分类，则可将步进电动机分为：
反应式（磁阻式）步进电动机
电磁式步进电动机
永磁式步进电动机
永磁感应子式步进电动机。
其中反应式和永磁感应子式步进电动机比较常用。
3.步进电动机的主要性能指标。
步进电动机的主要性能指标有：
。
接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极
轴线对齐，转子又逆时针转过了
。
这种按A→B→C→A→B→C→A…顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。
"三相"是指定子有三相绕组A、B、C，"单"是指每次只有一相绕组单独通电，"三拍"是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。
每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角
。
其计算公式如下：
（5－2）
式中：
N--运行拍数，
；
m--步进电动机的相数；
--步进电动机转子的齿数
K--与通电方式有关的系数，是拍数与相数比例系数，如单拍或双拍时k=1，单、双拍时K=2。
上述三相单三拍反应式步进电动机的步距角
时为：
（1）步距精度。
空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。
我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。
（2）最大静转距。
转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电动机的最大转矩。
它是衡量步进电动机带负载能力的主要指标。
（3）起动频率。
使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。
在电动机空载情况下，称为空载起动频率。
在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。
（4）连续运行频率。
步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。
步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。
（二）步进电动机驱动电源，必须使其定子励磁绕组顺序通电，并具有一定功率的电脉冲信号，步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合体现。
驱动电源应该满足以下基本要求：
1.电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电动机的基本参数相适应；
2.能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；
3.工作可靠，抗干扰能力强；
4.成本低，效率高，安装和维护方便。
驱动电源通常由环形分配器和功率驱动器组成。
环形分配器的功能将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给功率驱动器的各相输入端，以控制步进电动机励磁绕组的导通或关断。
由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。
功率驱动器或称功率放大电路其主要作用是将环形分配器输出的脉冲信号放大，以使用足够的功率来驱动步进电动机。
永磁感应子式步进电动机
永磁感应子式步进电动机由定子和转子两大部分组成。
它的定子分为若干极，极上有齿和控制线圈。
转子由环行磁钢及两段铁芯组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁。
由于它的磁路内含有永久磁钢，故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。
而从定子或转子导磁体来看，又像反应式步进电动机，故称为永磁感应子式步进电动机，又称为混合式步进电动机。
永磁感应子式步进电动机是步进电动机的最新发展，从发展趋势来看，它将取代反应式步进电动机。
直流主轴电动机
数控机床直流主轴驱动系统中所用的直流主轴电动机与普通直流电动机基本相同。
其定子也有主磁极和换向磁极，采用矽钢片叠成。
1、 在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，其作用是为了抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。
换向磁极的作用是为了改善电动机的换向性能。
2、 直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴。
3、电动机尾部还同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。
直流主轴电动机的速度控制关系无论在静态还是在动态都成立，这就保证了电动机的良好的静、动态转矩控制特性、从而得到优良的调速性能。
为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。
在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。
在磁场控制回路中，通过改变励磁电流
（即改变磁通φ）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
直流主轴电动机的转矩一速特性曲线图中，曲线1为p－n曲线、曲线2为T－n曲线。
由图可见，在基本速度
以下为恒转矩范围，在基本速度
以上为恒功率范围。
通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:
2。
直流主轴电动机一般都能承受150%的过载载荷。
进给直流伺服电动机
→
在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。
电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。
反馈用的检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器
永磁直流伺服电动机的速度控制。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。
这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。
常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制（
永磁直流伺服电动机的转矩一速度特性曲线，又叫工作曲线。
伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：
Ⅰ区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。
Ⅱ区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间歇工作。
Ⅲ区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。
等，它们同轴安装在电动机的尾部（非轴伸出端）。
永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体。
永磁直流伺服电动机的转子分为普通型和小惯量型两类。
普通型的与一般直流电动机相比，转子铁芯长度对直径的比大些，气隙小些。
小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。
（其中无槽的可有永磁和电磁励磁两种方式）三种小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。
但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机轴与械传动系统不能直接相连，必采取一些措施。
普通型转子永磁直流伺服电动机与小惯量型转子直流伺服电动机相比，具有以下一些特点：
（1）低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。
（2）转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。
（3）调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:
1000以上。
（4）转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电动机的加速转矩，为此需要加大电源容量。
（5）转子温升高（电动机允许升可达150～1800C）可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。
PWM－PulseWidthModulation）调速系统。
现代数控机床的直接进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。
所谓脉宽调制调速，就是将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机转子绕组两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子绕组两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。
交流主轴电动机
→
直流伺服电动机具有优良的调速性能，但它的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。
因此，20世纪80年代中期以来，交流伺服电动机得到飞速发展，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。
（一）交流伺服电动机
交流伺服电动机分为同步型和异步型两大类。
交流主轴电动机的速度控制。
交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法。
要改善交流主轴电动机的控制性能，应该设法将被控制量从矢量转换为标量。
通过这种转换，将交流电动机模拟成直流电动机来控制其转矩
交流主轴电动机的功率一速度特性曲线与直流主轴电动机相类似，在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。
恒功率的速度范围只有1:
3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。
异步型交流伺服电动机也称交流感应伺服电动机。
数控机床的主轴驱动系统中所采用的交流主轴电动机为经过专门设计的鼠笼式感应电动机。
同步型交流伺服电动机有永磁式和励磁式两种。
数控机床的进给伺服驱动系统中多采用永磁交流伺服电动机，这是因为这种电动机尽管体积稍大一些，但其结构简单，运行可靠，效率较高；若采用变频电源供电，则可方便地获得与频率成正比的可变转速，并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。
1.交流主轴电动机。
交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。
它的特点是：
没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积。
2.转子做成细长型，以便减小转子的转动惯量。
3.尾部都同轴安装有脉冲发生器（或脉冲编码器）。
4.外形呈多边形，而不是圆形。
，从而获得高动态调速性能。
这就是交流电动机矢量控制调速。
交流矢量的直流标量化可以使交流电动机获得与直流电动机同样优越的调速性能。
永磁同步交流伺服电动机
→
主要由定子、转子和检测部件三部分组成：
定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组，外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。
转子由多块永久磁铁和冲片组成。
当定子三相绕组接上电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速
旋转，并且与转子的永磁磁极互相吸引，从而带动转子一起旋转。
当转子加上负载转矩后，将造成定子磁场轴线与转子磁场轴线不重合，有一个θ角。
随着负载增加，θ角也随之增大。
当负载减少时，
永磁同步交流伺服电动机的速度控制。
永磁同步交流伺服电动机转子转速如式
可见，可以通过改变电动机电源频率来调速。
该方法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。
交流伺服电动机的机械特性要比直流伺服电动机的机械特性更硬，其直线更接近水平线。
另外，断续工作区的范围更为扩大，尤其是在高速区域，这将有利于提高电动机的加、减速能力。
θ角也随之减小。
只要负载不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速
旋转。
变频调速的关键环节是能为电动机提供变频电源的变频器。
变频器分为交一直一交变频器和交一交变频器两种。
目前应用比较多的是交一直一交变频器，而且逆变器多采用PWM型。
可以采用不同的方案来实现永磁同步交流伺服电动机的调速控制，常见的有自同步控制变频调速，电流控制调速和矢量控制调速等。
（注：
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