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科普 各种电机的工业应用及发展趋势汇总
日期:2018-01-05 15:38:53 点击量: 0

电动机(英文:Electric machinery,俗称“马达”)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置,在电路中用字母M(旧标准用D)表示。它的主要作用是产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源。

1、电动机的使用

工业、农业、交通等领域的控制电动机主要有伺服电动机、步进电动机、力矩电动机、开关磁阻电动机和无刷直流电动机等。

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机(又称感应电动机 )。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固,但功率因数较低,调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机,因为同步电动机不但功率因数高,而且其转速与负载大小无关,只决定于电网频率,工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机,但它有换向器,结构复杂,价格昂贵,维护困难,不适于恶劣环境。

20世纪70年代以后,随着电力电子技术的发展,交流电动机的调速技术渐趋成熟,设备价格日益降低,已开始得到应用。电动机在规定工作制式(连续式、短时运行制、断续周期运行制)下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率,使用时需注意铭牌上的规定。

电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配,避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多,能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看,调速大致可分两种:一是保持输入功率不变,通过改变调速装置的能量消耗,调节输出功率以调节电动机的转速;二是控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

2、电动机的发展

就目前电动机的发展情况来看,节能是发展目的,控制智能化是发展趋势,无刷直流电机是发展热点。

节能是发展之重

伴随全球能源危机的日益凸显,各国政府和企业都在努力寻求能源可持续发展的途径,开源节流是目前通用的方法。在当前我国也面临能源制约方面的诸多问题,平衡好能源与经济发展的关系显得尤为迫切。

从节约能源、保护环境出发,高效率电动机是目前国际发展趋势,欧洲根据电动机的运行时间,制定的CEMEP标准将效率分为eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三个等级,于2003-2006年间分步实施。IEC 60034-30标准将电机效率分为IE1(对应eff2)、IE2(对应eff1)、IE3、IE4(最高)四个等级。我国承诺从2011年7月1日起执行IE2及以上标准。国际要求和国内能源短缺形势都需要将电机的节能发展作为首要任务。

控制智能化是趋势

随着通信技术的发展,智能控制也成为电机领域的热门话题,我们生活中使用的全自动洗衣机、自动窗帘等这些都传递了智能的信号,电机控制也趋向简单化和智能化,PLC、FPGA、DSP这些技术也越来越多的融合到了电机产业链中。

智能化电机控制的功能要比传统电机控制功能多得多,智能化电机实现了低碳运行,并且故障概率和停机时间也大大降低了,它成为电机控制发展的必然趋势。例如,可以采用智能功率模块,利用微控制器或DSP与电机之间形成功率接口,能够减小电机体积并简化设计。

这种模块较之于以前的分立式解决方案的优势在于寄生电感更小、可靠性更高,因为模块内的所有功率器件都采用了同批次芯片,具有一致的测试性能。这种智能功率模块可与微控制器低电压TTL或CMOS输出直接接口,并带有保护电路。

模块内置有监视结温的热敏电阻器、防止上下桥臂直通的逻辑保护电路、死区时间控制,以及用于最大限度减少EMI等的驱动波形整形电路。在模块中,每个驱动IC均可进行优化,使其以最小的EMI和驱动损耗来完成功率器件的开关动作。对节能来说是一个很大的促进作用。

无刷直流电机是热点

电机经过多年的发展应用,目前业内将目光聚焦到无刷直流电机身上,尤其成为当前微特电机的发展热点。无刷直流电动机采用半导体开关器件来实现电子换向,用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷,从而具有高可靠性、无换向火花、机械噪声低等突出优点。

对电机系统进行节能改造,采用新工艺和新材料改善能耗,通过降低电磁能、热能和机械能的损耗来提高电机的效率。目前在家用电器行业广泛宣传的直流变频就是一个节能设计的典范。

有专家称,如果只把每年新增的电机及其拖动系统更换成高效节能电机,每年就可节电超过1000亿千瓦时,这将超过三峡电站全年的发电总量,同时还可减少二氧化碳排放近亿吨。“个体节约一小步,集体节约一大步”,推广高效节能电机总体节能效果还是非常乐观的。

虽然国家在积极推动,但是目前电机系统节能依然存在五大难题:技术标准等基础性工作有待加强;高效通用和专用设备有待开发;电机系统合理匹配及运行效率有待提高;第三方节能服务队伍建设有待加强;激励政策及体制机制也有待完善。

3、各种电机详解

伺服电动机

伺服电动机广泛应用于各种控制系统中,能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量,拖动被控制元件,从而达到控制目的。

伺服电动机有直流和交流之分;最早的伺服电动机是一般的直流电动机,在控制精度不高的情况下,才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。

旋转电机的分类,直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求,但是由于换向器的存在,存在许多的不足:换向器与电刷之间易产生火花,干扰驱动器工作,不能应用在有可燃气体的场合;电刷和换向器存在摩擦,会产生较大的死区;结构复杂,维护比较困难。

交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机,其控制方法主要有三种:幅值控制、相位控制和幅相控制。

一般地,伺服电动机要求电动机的转速要受所加电压信号的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;电动机的反映要快、体积要小、控制功率要小。

步进电动机

所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。更通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量,从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

目前,比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)和单相式步进电动机等。

步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式,正是这个特点,步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机;所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。

由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点,所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域;尤其是在数控机床制造领域,由于步进电动机不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用,步进电机也可以用在其他的机械上,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中。

此外,步进电动机也存在许多缺陷;由于步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸叫声;不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大,细分数越大精度越难控制;并且,步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。

力矩电动机

所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数,以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。

其中,直流力矩电动机的自感电抗很小,所以响应性很好;其输出力矩与输入电流成正比,与转子的速度和位置无关;它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速,所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比,并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。

交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种,目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机,它具有低转速和大力矩的特点。一般地,在纺织工业中经常使用交流力矩电动机,其工作原理和结构和单相异步电动机的相同,但是由于鼠笼型转子的电阻较大,所以其机械特性较软。

开关磁阻电动机

开关磁阻电动机是一种新型调速电动机,结构极其简单且坚固,成本低,调速性能优异。

无刷直流电动机

无刷直流电机(BLDCM)是在有刷直流电动机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交流;无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是梯形波(一般是“方波”),另一种是正弦波。

有时候把前一种叫直流无刷电机,后一种叫交流伺服电机,确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直流电机为了减少转动惯量,通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多,相应的转动惯量可以减少40%-50%左右。由于永磁材料的加工问题,致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。 

这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。

变频电机

变频电机的构造原理

电动机的调速与控制,是工农业各类机械及办公、民生电器设备的基础技术之一。随着电力电子技术、微电子技术的惊人发展,采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式,正在以其卓越的性能和经济性,在调速领域,引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。

它给各行各业带来的福音在于:使机械自动化程度和生产效率大为提高、节约能源、提高产品合格率及产品质量、电源系统容量相应提高、设备小型化、增加舒适性,目前正以很快的速度取代传统的机械调速和直流调速方案。

由于变频电源的特殊性,以及系统对高速或低速运转、转速动态响应等需求,对作为动力主体的电动机,提出了苛刻的要求,给电动机带来了在电磁、结构、绝缘各方面新的课题。

变频电机的应用

变频调速目前已经成为主流的调速方案,可广泛应用于各行各业无级变速传动。特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用,变频电机的使用也日益广泛起来,可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性,凡是用到变频器的地方我们都不难看到变频电机的身影。

直线电机

用在各种运动控制系统中,尤其是随动系统由于交流同步电机(简称同步电机)在可靠性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势,对于大容量电机,世界各国已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。

近几年来,直线电机在机床进给伺服系统中的应用,已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。

"零传动"的传动方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。动刚度高由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

其次,速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500Km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进个速度(要求达60~100M/min或更高)当然是没有问题的。

也由于上述"零传动"的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g(g=9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机,就可以无限延长其行程长度。

运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),其运动时噪音将大大降低。效率高由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。

(来源 电机技术及应用)