1. 電機(jī)大分類

本來(lái)電機(jī)就有很多種，命名比較混亂。如何理解各種電機(jī)之間的區(qū)別？下面這些電機(jī)有點(diǎn)太大了。你能理解每一個(gè)嗎？

例如：交流異步、永磁同步、交流感應(yīng)、磁阻電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)、永磁步進(jìn)、混合式步進(jìn)、空心杯、DC刷、BLDC、PMSM、伺服電機(jī)、兩相步進(jìn)、三相步進(jìn)。

但是不懂也沒(méi)關(guān)系。本文的目的不是解釋各種電機(jī)。說(shuō)實(shí)話，很多電機(jī)編輯其實(shí)都沒(méi)見(jiàn)過(guò)。希望大家看完之后不要再糾結(jié)于此，而是對(duì)電機(jī)運(yùn)行的本質(zhì)有更深入的理解。

2. 電機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)

無(wú)論電機(jī)有多少種模式，都會(huì)歸結(jié)到一個(gè)基本原理，就是磁鐵的異極相吸，同極相斥。如下圖所示，當(dāng)中圓磁鐵和邊方磁鐵在這樣的位置時(shí)，處于不平衡狀態(tài)。中間圓形磁鐵的S極被方形磁鐵的N極吸引，N極被方形磁鐵的N極排斥，從而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到S極和N極相互靠近后停止。

如果我們沿著虛線水平旋轉(zhuǎn)方形磁鐵，圓形磁鐵也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的關(guān)鍵是如何產(chǎn)生兩個(gè)相互吸引的部分，在吸引力的作用下旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的部分叫轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通過(guò)引力旋轉(zhuǎn)后會(huì)達(dá)到平衡。如果你想讓轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)，你需要在一個(gè)新的位置吸引它。

還有一種電機(jī)，它不是依靠磁極間的引力，而是依靠另一個(gè)特性，即磁力線總是通過(guò)磁阻最小的路徑。就像電流總是尋找最小的電阻路徑。如下圖右側(cè)所示，轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)軸與磁力線方向一致，在這種狀態(tài)下磁力線的磁阻最小。如左圖所示，如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，磁力線的路徑會(huì)變長(zhǎng)，磁阻會(huì)變大。此時(shí)磁力線會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩，將轉(zhuǎn)子推回原來(lái)磁阻最小的位置。

電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子內(nèi)，定子外稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子，反之亦然，轉(zhuǎn)子在外，中間部分為定子。定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)可以由流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流產(chǎn)生，也可以一個(gè)由電流產(chǎn)生，一個(gè)由永磁體產(chǎn)生。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)同步和異步。交流感應(yīng)電機(jī)是一種歷史悠久的電機(jī)。這種電機(jī)的定子中激勵(lì)出三相交流電，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)交變電流頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在靜止?fàn)顟B(tài)下，鼠籠式轉(zhuǎn)子開(kāi)始切割磁力線形成電流，電流又產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。但轉(zhuǎn)子的速度總是滯后于定子中磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)橐坏﹥烧咚俣认嗤ㄗ泳筒辉偾懈畲帕€，從而失去動(dòng)力。轉(zhuǎn)子和定子之間總是有一定的速度差，因?yàn)椴煌叫D(zhuǎn)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)。

如果轉(zhuǎn)子利用永磁體或勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，可以隨著定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，這種電機(jī)稱為同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)(PMSM)是同步電機(jī)的一種，目前應(yīng)用廣泛。注意，這里的同步不是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速同步，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與它有多少對(duì)磁極有關(guān)。如果是一對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。如果定子有兩對(duì)磁極，其轉(zhuǎn)速是定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的一半。

3. 常見(jiàn)直流電機(jī)

在嵌入式領(lǐng)域，大部分是DC汽車。我們來(lái)拆解一些常用的，有一些直觀的感受。

刷DC電機(jī)，刷DC電機(jī)。定子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是線圈。通電后，線圈在磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)彎后

在下圖中，我們會(huì)看到一種叫做碳刷的東西。它的一端接電源的正負(fù)極，另一端壓在換向器上。隨著換向器的轉(zhuǎn)動(dòng)，通電線圈的切換完成。碳的缺點(diǎn)是產(chǎn)生噪音、火花、磨損和壽命短。因此，目前的趨勢(shì)是用電子換向取代這種機(jī)械換向，即BLDC(無(wú)刷DC電機(jī))。

看看另一個(gè)有大量電極的DC發(fā)動(dòng)機(jī)。這是我們?cè)诹硪黄P(guān)于豆?jié){機(jī)原理的文章中提到的電機(jī)。雖然豆?jié){機(jī)是由220交流供電，但其中使用的電機(jī)是DC電機(jī)。20 V交流電經(jīng)過(guò)整流后轉(zhuǎn)換成DC，通過(guò)碳刷直接施加到電機(jī)的線圈上。它的電極數(shù)量多，所以扭矩也大。

杯形電機(jī)屬于DC有刷電機(jī)。它的轉(zhuǎn)子沒(méi)有鐵芯，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。它的體積可以做得很小，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、聚焦、儀器儀表等。下圖是一個(gè)直徑7mm，長(zhǎng)16mm的716空心杯。

步進(jìn)電機(jī)，下圖為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。可以看到有八個(gè)繞組，分為A、B兩相，1 3 5 7為一相，2 4 6 8為一相。這些小齒均勻分布在定子和轉(zhuǎn)子上。A B相通電時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子上不同極性的小齒交錯(cuò)排列，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。它的控制也很簡(jiǎn)單。通過(guò)交-交脈沖的交替，可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)角為1.8。

無(wú)刷直流(BLDC)和永磁同步(PMSM)

一般我們習(xí)慣上把采用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，六步換相控制的電機(jī)稱為DC無(wú)刷。編碼器用于測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，反電動(dòng)勢(shì)為正弦波，采用矢量控制(FOC)的電機(jī)稱為永磁同步。其實(shí)很多BLDC的反電動(dòng)勢(shì)并不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，而是接近正弦波，也可以矢量控制。同樣，永磁同步也可以通過(guò)六步換相來(lái)控制。此外，永磁同步也是由DC供電，而且必須是無(wú)刷的。

矢量控制的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，低速時(shí)能輸出大轉(zhuǎn)矩。然而，DC無(wú)刷電機(jī)控制簡(jiǎn)單，成本較低。下圖為帶磁性編碼器的永磁同步電機(jī)。更高端的電機(jī)大多采用光電編碼器，可以更高精度的輸出轉(zhuǎn)子位置，讓控制器更精確的控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

伺服電機(jī)，其實(shí)很難說(shuō)哪個(gè)電機(jī)是不是伺服電機(jī)。伺服本身指的是一個(gè)系統(tǒng)，能夠根據(jù)輸入精確快速地控制轉(zhuǎn)子的位置和速度。下面這種電機(jī)，帶光電編碼盤，與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器集成在一起，可以通過(guò)外部給脈沖電平信號(hào)來(lái)控制其運(yùn)行。

4. 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)種類太多了。我們列舉這些例子，希望能幫助你了解電機(jī)。今后，我們將選擇一些典型的電機(jī)，更詳細(xì)地討論它們的原理以及如何控制它們。有興趣的可以星我們的微信官方賬號(hào)。