常用的8种电机介绍

大家好，这两天来给大家介绍一下常用的8种电机。今天的内容属于《电机与拖动》里面的一些基础概念，如果想深入学习的话可以查阅这一本书。

当我们在机电系统中选择电机的时候，我们主要需要关注什么？

驱动电源是什么 （单相、三相、直流、交流）

带什么样的负载 （恒转矩负载、恒功率负载、风机负载）

电机具备的特性 （调速特性、机械特性、运行的区间等）

其他的性质 （价格、重量等）

接下来我们就以电机为分类，共8类电机，为大家介绍一下。

1、三相感应电机（三相异步电机）

三相异步电机是工业界应用最多的电机，没有之一。关于它的工作原理，可以参考上一篇推文。

三相异步电机结构非常简单（转子可以不需要接线，不用电刷换向器），制造成本低，容易做大功率（小到几百瓦，大到几十上百千瓦）。不过由于“异步”的影响，三相异步电机的转速会比同步转速稍微慢一些，且会有一定的波动（一般波动大约在同步转速的0.9~1倍）。

一般来说，三相异步电机用在能够接上三相电的场合，用作动力电机。动力电机的意思是为机械系统提供动力的电机，这些电机一般不需要大的调速范围，也不需要精准的控制，只需要提供动力就行。比如说各种农业机械、各种普通机床、吊车、砂轮机。

三相异步电机有一个比较大的局限性：转速范围相对比较单一。在220V50Hz的供电下，同步转速只能是3000转和3000转除以整数的值。如果想要提速，只能把电源接变频器提升频率，或者加机械变速器。

对于电机来说，使用者非常关注的，是一个转速-转矩曲线图，这个曲线也称为 机械特性曲线 。它表示出了一定转速下电机输出转矩的多少，以及电机此时运行的稳定性。我们来看看三相异步电机的机械特性曲线：

这个曲线是这么看的：横轴是转矩，纵轴是转速。E点表示完全空载时的理想情况，这时候，电机不输出力矩，转速等于同步转速（实际不存在）。当电机接上负载，负载产生阻力，导致电机转速下降。转速一旦下降，电机输出力矩就会增大，并且当输出力矩正好平衡负载力矩的时候，电机转速保持稳定。所以一般工作的时候，电机会工作在N点附近，也就是E ~K点的这个范围。

这个范围，称为异步电机的 稳定工作区间 。之所以称为稳定工作区间，是因为其自身能够维持工作点的稳定。比如说，电机在N点运行，这时候负载突然变大，负载变大导致转速降低，转速降低导致输出力矩增大，从而让转速不再降低。因此负载变化后，电机会稳定在一个新的工作点：

但是下方的S ~ K段，称为电机的不稳定工作区间。假设我们在这段区间内有一个工作点，当负载变大时，电机的转速下降；电机转速下降导致电机输出的力矩更小，输出力矩更小转速就下降的更厉害——最后只能导致电机工作点滑到S点，电机停转。如果负载变小，电机的转速会上升，转速的上升进一步导致输出力矩增大，转速又上升……最终会导致电机回到E~K段工作。

稳定和不稳定可以参考这张图理解：

注意一下，我们上面所讨论的情况基于一个假设：负载所需要的转矩是一样的。比如说我们要从一楼把一袋沙子拉到10楼，这个时候我们需要的拉力是确定的（克服重力），而拉的速度是可以变化的，拉的越快，需要的功率就越大，这就是所谓的 恒转矩负载 。恒转矩负载在机械特性上呈现一条竖直的直线。

另一类负载称为恒功率负载。比如说我们开普通机床。普通机床加工一般有粗加工和精加工两种工序，粗加工的时候切削力大，但是切削速度慢；精加工的时候切削力小，切削速度快。也就是说机床的电机输出的是一个稳定的功率，所以机床是一个 恒功率负载 。当然，普通机床一般是通过变速箱实现转矩变换的功能的。另一种典型的恒功率负载就是电动车。我们骑电动车的时候，起步需要大扭矩，巡航需要小扭矩，这也是恒功率特性。恒功率负载的曲线是一条反比例函数。

除了这两类负载之外，还有一种特殊的负载称为 风机负载 。风机负载一般指的就是带动流体动力设备（比如说风扇、水泵等）的负载，最简单可以理解成一个电扇。风机负载的力矩随着转速的提升而提升，阻力大致与转速呈平方关系，所以体现在图上是一个开口向右的抛物线。电风扇是从来不会堵转的，因为启动的时候基本不需要力矩。

对于异步电机来说，有一个重要的参数，就是能输出的最大转矩（临界转矩），也就是图上K点的转矩。异步电机带的负载不能超过这个转矩，否则就会堵转，这个转矩的具体大小可以查阅书本计算。

另外还有两条特性曲线：

调压机械特性：

注意一下异步电机调节输入电压（频率不变）的时候，最大转矩所在的转速是一样的，但是总体转矩会变化。

调转子电阻机械特性：

调节转子电阻的时候，最大转矩不会变，但最大转矩的工作点会变，转子电阻小时，电机在运行的时候，转速受负载影响小（称为机械特性硬）；转子电阻大时，电机转速受负载影响大（称为机械特性软），但是启动转矩会变大。作为拖动电机的时候我们希望电机特性硬一些，这样输出更稳定；而作为控制电机，我们希望电机特性软一些，这样比较能够控制。

2、单相感应电机（单相异步电机）

三相电对于家庭来说获取困难，所以对于加工的设备，我们希望用单相电就能够带动，比如风扇。大家可能会想到单相电整流之后送直流电机，这样可以，但是整流设备要钱，直流电机有电刷，结构复杂维护困难。有没有可能用单相电驱动三相异步电机呢？

答案是有的，但是需要一点改进。三相电可以直接生成旋转磁场，但是单相电只能形成一个方向在一个直线上的交变磁场。如果要想形成旋转磁场，电流就一定要有相位差。怎么办呢？纯电感电路的电流是滞后电压90度的，如果我们给这个电路加上一个足够大的电容，让容性抵消感性，这时候回路变成近乎阻性的，那么电压和电流同相位。如果我们制造两个回路，一个回路串电容，一个回路不串电容，那就可以形成两个有90度相位差的回路。绕两组线圈，就能把单相分成两相，形成旋转磁场驱动电机。

实际使用的时候单相电机往往直接用一个三相电机接两个电容分出两相来使用，所以看到挂着电容的异步电机就是单相电机了。

家里空调坏了也经常是因为压缩机（就是单相异步电机）的电容坏了，导致没法启动，所以总是要换电容。

用单相电驱动电机的代价是会损失一点力矩，并且没法直接启动，因此要接电容分相才能启动。

3、直流有刷电机

直流有刷电机就是大家初中高中学的，需要用电刷换向的电机。如果说在交流电供电下三相异步电机用的最多，那直流电供电下有刷电机是普及率最高的了。

大家见的比较多的直流电机一般就是这种

这种是结构最简单的直流电机。其中电流通进转子的线圈（称为电枢），依靠电机内部的永久磁铁的磁性实现励磁，让电机转起来。

对于一些更专业的直流电机，大家希望直流电机中定子的磁场也能受控制，所以用线圈+硅钢片代替永磁体。然后定子的线圈（称为励磁绕组）和转子线圈（称为电枢绕组）之间还可以有各种连接方式的组合：

上图中的四种：他励，并励，串励，复励。

接下来我们来讲讲直流电机的回路。直流电机的回路在初高中只是当成一个“非纯电阻电路”来看待，这里我们把这个定义明确：电动机是一个“电阻负载+反电势负载”。

当电机不转的时候，电枢回路只相当于是一个电阻，而线圈的电阻是很小的，所以如果给电机加大电压，但不让电机转动，这时候是一个纯电阻电路，电流是非常大的，电机很容易烧坏。

当加上电压，电机开始转动。电机一旦开始转动，就会在电磁感应的作用下产生一个感应电动势E（emf）。这个感应电动势对外加电压起到抵消的作用，从而使电流减小。所以电机空载的时候，电流是很小的。

当电机加上负载，就会导致电机的转速变慢。电机的转速变慢，使得感应电动势变小，电机上的电流就会增大。增大的电流产生更大的力矩，抵消转速变慢的效应，从而使电机的转速保持稳定。

这就是为什么对直流电机不能以I²R计算电功率的问题，因为这样只是计算出了电机的电阻发热，而没有考虑电机输出的有用功。

直流电机有一个令其他电机都羡慕的特性：机械特性是一条直线，调速方便。

下图，通过调节电枢电阻，可以调节机械特性的软硬：

下图，通过调节电枢电压的大小，可以调节转速：

如果在额定转速下还觉得电机速度不够快，可以把磁通减弱，这样电机能够高于额定转速运行，这个原理称为 弱磁调速 。当然，一般来说不会通过增加励磁电流来降低转速，因为铁磁性材料有个磁饱和的问题。一旦励磁电流过大，磁路饱和，磁通无法再增强，磁铁上还会大量发热。

除了他励/并励这种电机磁通量恒定的情况，还有一种特殊情况： 串励电机。 串励电机在直流电机中拥有很神奇的特性：

当电机的负载增大，反电动势减小，回路电流增大。回路的电流增大同时导致励磁回路电流增大，磁通增强，因而导致输出力矩增大（而且增大得比他励电机多）。电机负载减小，反电动势增大，回路电流减小。回路电流减小同时导致励磁回路电流减小，磁通减弱，电机转速更快（相当于自动进行了“弱磁”）。串励电机的机械特性是恒功率的：

这个特性有时候很好用。比如说用在电动车上，起步的时候速度为0，转矩可以相当大，而巡航的时候可以速度很快，转矩很小，等于是一个“无级变速”电机。另外 串励电机还可以在交流电下运行 ，因为电枢回路和励磁回路同时改变方向，磁场作用力还是一样的。

还可以把串励电机用来做雕刻机的主轴。雕刻机就是CNC，吃刀量大，转速自然慢，吃刀量小，转速自然快。国外就很多用木工修边机做雕刻机主轴的。

相比交流电机，直流电机的体积可以做的比较小，并且转速高、功率大、调速方便。所以许多需要高速的设备，比如说需要上万转的电锯，需要灵活调速的手电钻等，都会采用交流电整流+可控硅调速这样的方法来带直流电机。

4、交流同步电机

看到这个词大家应该会想到“异步电机”。没错，同步电机的转速和电源是“同步”的。如果磁场旋转速度是3000转，那么电机的旋转速度也会是稳定的3000转（只要不过载）。

同步电机是什么原理呢？同步电机的定子和异步电机是一样的，三相绕组通入三相电，产生旋转磁场。不过转子不太一样，同步电机的转子是一块有极性的磁铁（可以是永磁体或者是硅钢通电励磁）。对于异步电机来说，转子产生磁场是由于旋转磁场切割磁感线从而导致转子产生感应电流继而产生磁场，这样就一定会有一个滞后。但同步电机的转子是本身自带磁场，所以不存在这个滞后现象，转子的磁体会跟随定子的旋转磁场同步转动。

“同步”这个功能有时候很重要，因为我们总有一些要维持转速恒定的场合。举个最简单的例子，以前对于音频的记录，都是靠磁带的。用磁带放音，如果电机的转速高低不定，听到的声音就会非常奇怪。有时候磁带机的电池没电了，就会出现音调降低的情况。

另外，同步电机还有一个非常非常重要的特性：

同步电机的功率因数是可以调的。

前面的学习我们知道，异步电机需要励磁，励磁的电流是无功感性电流，这会对功率因数产生一定的影响。并且如果电网上异步电机很多，功率因数就会很差，也就代表能量得不到利用。

但是同步电机有一个特殊的本领：当转子的励磁电流比较小的时候（称为欠励），同步电机是感性的。当转子的励磁电流增大到一定程度，感性就消失了，这个时候整个同步电机是阻性的。阻性电路就代表所有电流都用来做功，这个时候功率因数就是最大的，能量利用率也是最高的。如果我们再增加一点励磁电流，这时候同步电机会变成容性的！因为通常情况下使用异步电机远多于同步电机，所以使用同步电机，并且让同步电机工作在过励磁状态，就能补偿整个电网的功率因数。