电机选择基础知识：交流/直流电机的类型

您为传送带、XYZ 工作台或机器人选择哪种类型的电动机？在选择之前，您必须了解市场上每种类型电机的特性。

电动机的类型

根据输入电压的不同，有两种明显的电动机类型：AC（交流电）或 DC（直流电）。 

交流电机使用交流电为一系列缠绕线圈供电，而直流电机使用直流电为碳刷或电子换向供电。直流电机通常比交流电机更高效、更紧凑。 

不仅要了解交流电机和直流电机的特性差异，还要了解这些类别中的具体类型。

请记住，某些制造商有能力同时提供电机和驱动器。即使电机是直流电机，其驱动器也可以容纳内部电源，因此交流输入驱动器可以轻松地使用交流电源运行直流电机。

现在让我们更深入地研究交流和直流电机。

 

交流电机

 

交流电机可分为四大类：罩极电机、分相电机、电容器启动电机、电容器启动/电容器运行电机和永久分离电容器。 

由于 Oriental Motor 仅生产永久分离电容器型交流电机，因此我们将仅涵盖 PSC 电机。 

每种类型的 PSC 电机在结构上都是相似的。定子内绕有线圈，用鼠笼式转子转动。单相电机需要电容器来产生多相电源。这些电机非常易于控制，无需驱动器或控制器即可运行。细微差别会改变基本交流感应电机的特性，以适应不同的性能需求，例如各种类型的制动器。  
 

 

不同类型的“PSC”交流电机 感应电机/异步电机 可逆电机 电磁制动电机 力矩电机 同步电机

 

 

感应电机/异步电机

感应电动机是最常见的，额定连续工作。由于定子和转子产生的旋转磁场之间存在滞后或滑动，因此它们被认为是“异步”电机。它们之所以被称为“感应”电机，是因为它们通过在转子上感应电流来运行。由于除了滚珠轴承外没有摩擦，它们在断电后（齿轮传动之前）提供大约 30 转的超限运行。  

下图描述了感应电机的设计和构造。  

 

① 法兰支架 机 加工压铸铝支架，压入电机外壳 ② 定子 由电磁钢板制成的定子铁芯、聚酯涂层铜线圈和绝缘膜组成 ③ 电机外壳 压铸铝与内部机械加工 ④ 转子 电磁钢板压铸铝 ⑤ 输出轴 有圆轴型和小齿轮轴型。轴中使用的金属是 S45C。圆轴型采用平轴（输出功率25W 1/30HP以上），小齿轮轴型采用精密齿轮精加工。 ⑥ 滚珠轴承 东方马达只使用滚珠轴承。 ⑦ 引线 带耐热聚乙烯涂层的导线 ⑧ 涂漆 丙烯酸树脂或三聚氰胺树脂烤漆

 

他们是如何工作的

电机通电后，在定子中产生旋转磁场。电流感应到转子上，感应电流产生的磁场与旋转磁场相互作用产生旋转。  

这是一篇博文，提供有关交流感应电机的更多信息。

< >展示与讲述：交流感应电机

感应电机坚固耐用，可用于需要连续工作且停止精度不重要的各种通用应用。单相电机可用于固定速度要求。通过将三相感应电机与 VFD（变频驱动器）或单相电机与 TRIAC 控制器相结合，可以满足变速要求。一些制造商还通过将感应电机封装在密封外壳中来提供防水防尘电机。

 

速度-扭矩曲线描绘了预期的电机性能 电机的性能绘制在速度-扭矩曲线上。交流感应电机会以扭矩“Ts”从零速开始，然后逐渐加速超过不稳定区域，并稳定在负载和扭矩平衡的稳定区域“P”。其负载的任何变化都会导致“P”的位置沿曲线移动，如果在不稳定区域运行，电机将失速。每个电机都有自己的速度扭矩曲线和“额定扭矩”规格。

 

可逆电机

可逆电机，顾名思义，可以在运行中反转，是启动/停止操作的理想选择。可逆电机类似于感应电机，但具有摩擦制动器和更平衡的绕组。由于采用了摩擦制动机制，在断电后（齿轮传动之前），其超速会减少到大约 6 转。电机绕组也更加平衡，以增加其启动/停止操作的启动扭矩。  

由于可逆电机会产生额外的热量，因此推荐的占空比仅为 30 分钟或 50%。可逆电机应用的一个示例是对吞吐量或停止精度要求不太高的分度输送机。

 

	摩擦制动机构安装在可逆电机的后部。螺旋弹簧施加恒定压力，使制动蹄向制动板滑动。   Oriental Motor 可逆电机的制动机构产生的制动力约为电机输出扭矩的10%。

该图显示了感应电机与可逆电机的速度-扭矩曲线之间的差异。

 

电磁刹车电机

电磁制动电机将三相感应电机或单相可逆电机与内置的断电激活电磁制动器组合在一起。与可逆电机相比，这些电机的超速仅为 2~3 转（齿轮传动前），每分钟最多可使用 50 次。这些电机设计用于在垂直操作期间保持其额定负载，或者只是在断电时将电机锁定到位。

电磁制动电机内部的制动机构比可逆电机更先进。电磁制动器不是通过制动蹄和不断施加压力的螺旋弹簧，而是通过电磁铁和弹簧机构进行接合和分离。

他们是如何工作的

如上图所示，当对电磁线圈施加电压时，电枢克服弹簧力被吸引到电磁铁上，从而释放制动器并使电机轴自由旋转。当没有施加电压时，弹簧将电枢压在制动轮毂上并将电机轴固定到位，从而启动制动器。

电磁制动电机用于必须保持负载的垂直应用，或用于在电源断开时必须将负载锁定到位的应用。

力矩电机

力矩电机旨在提供高启动扭矩和倾斜特性（扭矩在零速时最高，并随着速度的增加而稳定下降），以及在较宽的速度范围内运行。由于它们能够根据输入电压改变扭矩输出，因此它们可在转子锁定或失速条件下提供稳定的运行，例如卷绕/张紧应用。

 

轻松调整张紧力矩

 

同步电机

同步电动机之所以称为“同步”，是因为它们使用特殊的转子使其速度与输入电源频率同步。对于以 60 Hz 功率运行的 4 极同步电机，它将以 1800 RPM（也称为“同步速度”）旋转。我对同步电机应用的最早记忆是有人用它来驱动塔钟的时钟指针。

 

 

另一种称为低速同步电动机的同步电动机提供高精度调速、低速旋转和快速双向旋转。这些电机在转子中使用永磁体，因此它们非常灵敏。但是，它们增加了极数，因此同步速度在 60 Hz 时降至 72 RPM。如果在允许的负载惯性范围内运行，低速同步电机可以在 60 Hz 时在 0.025 秒内停止。

低速同步电机的基本结构与步进电机相同。由于它们可以由交流电源驱动并提供极好的启动和停止特性，它们有时被称为“交流步进电机”。  

 

直流电机

 

直流电机使用直流电为碳刷和换向器供电，或使用驱动器对绕组进行电气换向。直流电机的效率比交流电机高约 30%，因为它们不必感应电流来产生磁场。相反，他们在转子中使用永磁体。 

在直流电机中，有两种主要类型：有刷和无刷。有刷电机是为通用应用而设计的，而无刷电机是为精密应用而设计的。

 

不同类型的直流电机 拉丝 无刷

 

有刷电机

资料来源：线性运动技巧/设计世界

有刷电机内部的电刷和换向器对电机绕组进行机械换向，只要连接电源，电机就会继续旋转。有刷电机易于控制，但需要定期维护和更换电刷，因此预计寿命为1000~1500小时（因运行条件而异）。虽然它们被认为比交流电机更高效，但由于绕组中的初始电阻、电刷摩擦和涡流损耗，它们会遭受效率损失。

有刷电机有多种类型：永磁电刷型、并联绕组型、串绕型和复合绕组型。有刷电机的典型应用包括遥控汽车和挡风玻璃刮水器。 

由于 Oriental Motor 不生产有刷电机，因此我们提供的有关有刷电机的信息有限。

无刷电机

由于电气换向和闭环反馈，无刷电机系统提供比有刷电机更好的性能，但需要驱动器对电机绕组进行电气换向。这会增加每轴的总成本，但对于需要更高级速度控制功能或闭环功能的应用（例如连续负载输送机）而言，这可能是必要的成本。

他们是如何工作的

 

 

无刷电机内置磁性元件或光学编码器，用于检测转子位置。位置传感器向驱动电路发送信号。
无刷电机使用“星形”连接的三相绕组。转子中使用径向分段的永磁体。

霍尔效应 IC 用于传感器的磁性元件。三个霍尔效应 IC 放置在定子内，并在电机旋转时发送数字信号。这些信号告诉驾驶员电机的运行速度以及何时在正确的时间为下一组绕组线圈通电。

详细了解有刷电机与无刷电机之间的区别

无刷电机和驱动器系统经常与交流电机和 VFD 系统进行比较。这是 200 W 交流电机和 VFD 与 BLE2 系列无刷电机和驱动器之间的比较。  

 

 

我们还展示了无刷电机系统与同等机架尺寸的交流电机和 VFD 系统相比的速度扭矩曲线。  

 

无刷电机+驱动器	交流电机+变频器

 

与有刷电机和交流电机相比，无刷电机具有多项优势，可以改善操作或缩小传送带和移动机器人等应用的尺寸。

Oriental Motor 的无刷电机与他们自己的专用驱动器配对，以保证规格和快速设置。提供各种传动装置选项以提高灵活性。闭环反馈由编码器或霍尔效应传感器完成，每个驱动器提供不同的特性和功能以适应不同的应用。

无刷电机的优势（相对于交流电机）

 

与有刷电机相比的优势	与交流电机相比的优势
更长的寿命 更低的电噪声 (EMI) 更低的可闻噪音 无电弧或火花 更多可用扭矩 低温 清洁工 较小的尺寸	更高效 较小的尺寸 低温 恒转矩

 

步进电机

从技术上讲，无刷电机还包括步进电机和伺服电机，由于其卓越的停在精确位置的能力，它们专为定位应用而设计。使步进电机与无刷电机或伺服电机不同的一件事是它们能够在没有反馈的情况下运行。  

 

带永磁体的齿形转子和定子	2相励磁方式（简图）

 

步进电机的精确停止能力来自带齿的磁化转子和带齿的电磁定子。换句话说，标准的 1.8° 步进电机不是在上面的无刷电机示例中只有 4 个极，而是具有 50 个齿的 50 个极。 

由于其转子和定子设计，驱动器接收到每个方波脉冲，步进电机移动四分之一齿距，速度由脉冲输入频率控制，因此很容易控制步进电机移动的距离和速度步进电机。步进电机还会在静止时产生保持扭矩，这对于保持定位精度很重要。 

开环步进电机可能足以满足一般的重复定位应用。但是，闭环步进电机可用于需要精度和位置验证的高级定位应用。

 

步进电机的速度转矩特性

步进电机的速度转矩曲线通常向下倾斜；最大扭矩出现在低速时，这意味着它可以用于加速和减速。与无刷电机系统不同，步进电机没有限制区。

 

如果您想了解更多信息，我已经写了关于步进电机的单独说明。

了解混合式、PM 和 VR 步进电机之间的区别

详细了解伺服电机和步进电机之间的区别

 

电机选择提示：经验法则（所有电机）

使用我们的电机选型工具计算所需的扭矩、负载惯量和速度。 选择能够满足应用的扭矩、负载惯量和速度要求的电机。  选择使用可用电源的电机或电机和驱动器系列。  请记住：交流输入步进电机系统在高速区域输出更大的扭矩。 选择满足其他应用要求（例如电磁制动或网络功能）的电机或电机和驱动器系列。

 

这篇博文提供了对市场上多种类型的交流/直流电机的总体了解。除了性能差异之外，质量、成本、产品范围、交货时间和支持也可能是决定因素。寻找可以保证质量性能、为广泛的产品提供专家支持并以合理的较短交货时间发货的电机供应商非常重要。

审核编辑 黄宇