大家好，這兩天來給大家介紹一下常用的8種電機(jī)。今天的內(nèi)容屬于《電機(jī)與拖動》里面的一些基礎(chǔ)概念，如果想深入學(xué)習(xí)的話可以查閱這一本書。

當(dāng)我們在機(jī)電系統(tǒng)中選擇電機(jī)的時候，我們主要需要關(guān)注什么？

驅(qū)動電源是什么 （單相、三相、直流、交流）

帶什么樣的負(fù)載 （恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、風(fēng)機(jī)負(fù)載）

電機(jī)具備的特性 （調(diào)速特性、機(jī)械特性、運(yùn)行的區(qū)間等）

其他的性質(zhì) （價格、重量等）

接下來我們就以電機(jī)為分類，共8類電機(jī)，為大家介紹一下。

1、三相感應(yīng)電機(jī)（三相異步電機(jī)）

三相異步電機(jī)是工業(yè)界應(yīng)用最多的電機(jī)，沒有之一。關(guān)于它的工作原理，可以參考上一篇推文。

三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡單（轉(zhuǎn)子可以不需要接線，不用電刷換向器），制造成本低，容易做大功率（小到幾百瓦，大到幾十上百千瓦）。不過由于“異步”的影響，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速會比同步轉(zhuǎn)速稍微慢一些，且會有一定的波動（一般波動大約在同步轉(zhuǎn)速的0.9~1倍）。

一般來說，三相異步電機(jī)用在能夠接上三相電的場合，用作動力電機(jī)。動力電機(jī)的意思是為機(jī)械系統(tǒng)提供動力的電機(jī)，這些電機(jī)一般不需要大的調(diào)速范圍，也不需要精準(zhǔn)的控制，只需要提供動力就行。比如說各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、各種普通機(jī)床、吊車、砂輪機(jī)。

三相異步電機(jī)有一個比較大的局限性：轉(zhuǎn)速范圍相對比較單一。在220V50Hz的供電下，同步轉(zhuǎn)速只能是3000轉(zhuǎn)和3000轉(zhuǎn)除以整數(shù)的值。如果想要提速，只能把電源接變頻器提升頻率，或者加機(jī)械變速器。

對于電機(jī)來說，使用者非常關(guān)注的，是一個轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線圖，這個曲線也稱為 機(jī)械特性曲線 。它表示出了一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的多少，以及電機(jī)此時運(yùn)行的穩(wěn)定性。我們來看看三相異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線：

這個曲線是這么看的：橫軸是轉(zhuǎn)矩，縱軸是轉(zhuǎn)速。E點(diǎn)表示完全空載時的理想情況，這時候，電機(jī)不輸出力矩，轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速（實(shí)際不存在）。當(dāng)電機(jī)接上負(fù)載，負(fù)載產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。轉(zhuǎn)速一旦下降，電機(jī)輸出力矩就會增大，并且當(dāng)輸出力矩正好平衡負(fù)載力矩的時候，電機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。所以一般工作的時候，電機(jī)會工作在N點(diǎn)附近，也就是E ~K點(diǎn)的這個范圍。

這個范圍，稱為異步電機(jī)的 穩(wěn)定工作區(qū)間 。之所以稱為穩(wěn)定工作區(qū)間，是因?yàn)槠渥陨砟軌蚓S持工作點(diǎn)的穩(wěn)定。比如說，電機(jī)在N點(diǎn)運(yùn)行，這時候負(fù)載突然變大，負(fù)載變大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致輸出力矩增大，從而讓轉(zhuǎn)速不再降低。因此負(fù)載變化后，電機(jī)會穩(wěn)定在一個新的工作點(diǎn)：

但是下方的S ~ K段，稱為電機(jī)的不穩(wěn)定工作區(qū)間。假設(shè)我們在這段區(qū)間內(nèi)有一個工作點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載變大時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降；電機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致電機(jī)輸出的力矩更小，輸出力矩更小轉(zhuǎn)速就下降的更厲害——最后只能導(dǎo)致電機(jī)工作點(diǎn)滑到S點(diǎn)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。如果負(fù)載變小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會上升，轉(zhuǎn)速的上升進(jìn)一步導(dǎo)致輸出力矩增大，轉(zhuǎn)速又上升……最終會導(dǎo)致電機(jī)回到E~K段工作。

穩(wěn)定和不穩(wěn)定可以參考這張圖理解：

注意一下，我們上面所討論的情況基于一個假設(shè)：負(fù)載所需要的轉(zhuǎn)矩是一樣的。比如說我們要從一樓把一袋沙子拉到10樓，這個時候我們需要的拉力是確定的（克服重力），而拉的速度是可以變化的，拉的越快，需要的功率就越大，這就是所謂的 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在機(jī)械特性上呈現(xiàn)一條豎直的直線。

另一類負(fù)載稱為恒功率負(fù)載。比如說我們開普通機(jī)床。普通機(jī)床加工一般有粗加工和精加工兩種工序，粗加工的時候切削力大，但是切削速度慢；精加工的時候切削力小，切削速度快。也就是說機(jī)床的電機(jī)輸出的是一個穩(wěn)定的功率，所以機(jī)床是一個 恒功率負(fù)載 。當(dāng)然，普通機(jī)床一般是通過變速箱實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩變換的功能的。另一種典型的恒功率負(fù)載就是電動車。我們騎電動車的時候，起步需要大扭矩，巡航需要小扭矩，這也是恒功率特性。恒功率負(fù)載的曲線是一條反比例函數(shù)。

除了這兩類負(fù)載之外，還有一種特殊的負(fù)載稱為 風(fēng)機(jī)負(fù)載 。風(fēng)機(jī)負(fù)載一般指的就是帶動流體動力設(shè)備（比如說風(fēng)扇、水泵等）的負(fù)載，最簡單可以理解成一個電扇。風(fēng)機(jī)負(fù)載的力矩隨著轉(zhuǎn)速的提升而提升，阻力大致與轉(zhuǎn)速呈平方關(guān)系，所以體現(xiàn)在圖上是一個開口向右的拋物線。電風(fēng)扇是從來不會堵轉(zhuǎn)的，因?yàn)閱拥臅r候基本不需要力矩。

對于異步電機(jī)來說，有一個重要的參數(shù)，就是能輸出的最大轉(zhuǎn)矩（臨界轉(zhuǎn)矩），也就是圖上K點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩。異步電機(jī)帶的負(fù)載不能超過這個轉(zhuǎn)矩，否則就會堵轉(zhuǎn)，這個轉(zhuǎn)矩的具體大小可以查閱書本計(jì)算。

另外還有兩條特性曲線：

調(diào)壓機(jī)械特性：

注意一下異步電機(jī)調(diào)節(jié)輸入電壓（頻率不變）的時候，最大轉(zhuǎn)矩所在的轉(zhuǎn)速是一樣的，但是總體轉(zhuǎn)矩會變化。

調(diào)轉(zhuǎn)子電阻機(jī)械特性：

調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻的時候，最大轉(zhuǎn)矩不會變，但最大轉(zhuǎn)矩的工作點(diǎn)會變，轉(zhuǎn)子電阻小時，電機(jī)在運(yùn)行的時候，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響小（稱為機(jī)械特性硬）；轉(zhuǎn)子電阻大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大（稱為機(jī)械特性軟），但是啟動轉(zhuǎn)矩會變大。作為拖動電機(jī)的時候我們希望電機(jī)特性硬一些，這樣輸出更穩(wěn)定；而作為控制電機(jī)，我們希望電機(jī)特性軟一些，這樣比較能夠控制。

2、單相感應(yīng)電機(jī)（單相異步電機(jī)）

三相電對于家庭來說獲取困難，所以對于加工的設(shè)備，我們希望用單相電就能夠帶動，比如風(fēng)扇。大家可能會想到單相電整流之后送直流電機(jī)，這樣可以，但是整流設(shè)備要錢，直流電機(jī)有電刷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護(hù)困難。有沒有可能用單相電驅(qū)動三相異步電機(jī)呢？

答案是有的，但是需要一點(diǎn)改進(jìn)。三相電可以直接生成旋轉(zhuǎn)磁場，但是單相電只能形成一個方向在一個直線上的交變磁場。如果要想形成旋轉(zhuǎn)磁場，電流就一定要有相位差。怎么辦呢？純電感電路的電流是滯后電壓90度的，如果我們給這個電路加上一個足夠大的電容，讓容性抵消感性，這時候回路變成近乎阻性的，那么電壓和電流同相位。如果我們制造兩個回路，一個回路串電容，一個回路不串電容，那就可以形成兩個有90度相位差的回路。繞兩組線圈，就能把單相分成兩相，形成旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電機(jī)。

實(shí)際使用的時候單相電機(jī)往往直接用一個三相電機(jī)接兩個電容分出兩相來使用，所以看到掛著電容的異步電機(jī)就是單相電機(jī)了。

家里空調(diào)壞了也經(jīng)常是因?yàn)閴嚎s機(jī)（就是單相異步電機(jī)）的電容壞了，導(dǎo)致沒法啟動，所以總是要換電容。

用單相電驅(qū)動電機(jī)的代價是會損失一點(diǎn)力矩，并且沒法直接啟動，因此要接電容分相才能啟動。

3、直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)就是大家初中高中學(xué)的，需要用電刷換向的電機(jī)。如果說在交流電供電下三相異步電機(jī)用的最多，那直流電供電下有刷電機(jī)是普及率最高的了。

大家見的比較多的直流電機(jī)一般就是這種

這種是結(jié)構(gòu)最簡單的直流電機(jī)。其中電流通進(jìn)轉(zhuǎn)子的線圈（稱為電樞），依靠電機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵的磁性實(shí)現(xiàn)勵磁，讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來。

對于一些更專業(yè)的直流電機(jī)，大家希望直流電機(jī)中定子的磁場也能受控制，所以用線圈+硅鋼片代替永磁體。然后定子的線圈（稱為勵磁繞組）和轉(zhuǎn)子線圈（稱為電樞繞組）之間還可以有各種連接方式的組合：

上圖中的四種：他勵，并勵，串勵，復(fù)勵。

接下來我們來講講直流電機(jī)的回路。直流電機(jī)的回路在初高中只是當(dāng)成一個“非純電阻電路”來看待，這里我們把這個定義明確：電動機(jī)是一個“電阻負(fù)載+反電勢負(fù)載”。

當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)的時候，電樞回路只相當(dāng)于是一個電阻，而線圈的電阻是很小的，所以如果給電機(jī)加大電壓，但不讓電機(jī)轉(zhuǎn)動，這時候是一個純電阻電路，電流是非常大的，電機(jī)很容易燒壞。

當(dāng)加上電壓，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。電機(jī)一旦開始轉(zhuǎn)動，就會在電磁感應(yīng)的作用下產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢E（emf）。這個感應(yīng)電動勢對外加電壓起到抵消的作用，從而使電流減小。所以電機(jī)空載的時候，電流是很小的。

當(dāng)電機(jī)加上負(fù)載，就會導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢。電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，使得感應(yīng)電動勢變小，電機(jī)上的電流就會增大。增大的電流產(chǎn)生更大的力矩，抵消轉(zhuǎn)速變慢的效應(yīng)，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

這就是為什么對直流電機(jī)不能以I2R計(jì)算電功率的問題，因?yàn)檫@樣只是計(jì)算出了電機(jī)的電阻發(fā)熱，而沒有考慮電機(jī)輸出的有用功。

直流電機(jī)有一個令其他電機(jī)都羨慕的特性：機(jī)械特性是一條直線，調(diào)速方便。

下圖，通過調(diào)節(jié)電樞電阻，可以調(diào)節(jié)機(jī)械特性的軟硬：

下圖，通過調(diào)節(jié)電樞電壓的大小，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速：

如果在額定轉(zhuǎn)速下還覺得電機(jī)速度不夠快，可以把磁通減弱，這樣電機(jī)能夠高于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這個原理稱為 弱磁調(diào)速 。當(dāng)然，一般來說不會通過增加勵磁電流來降低轉(zhuǎn)速，因?yàn)殍F磁性材料有個磁飽和的問題。一旦勵磁電流過大，磁路飽和，磁通無法再增強(qiáng)，磁鐵上還會大量發(fā)熱。

除了他勵/并勵這種電機(jī)磁通量恒定的情況，還有一種特殊情況： 串勵電機(jī)。 串勵電機(jī)在直流電機(jī)中擁有很神奇的特性：

當(dāng)電機(jī)的負(fù)載增大，反電動勢減小，回路電流增大?；芈返碾娏髟龃笸瑫r導(dǎo)致勵磁回路電流增大，磁通增強(qiáng)，因而導(dǎo)致輸出力矩增大（而且增大得比他勵電機(jī)多）。電機(jī)負(fù)載減小，反電動勢增大，回路電流減小?；芈冯娏鳒p小同時導(dǎo)致勵磁回路電流減小，磁通減弱，電機(jī)轉(zhuǎn)速更快（相當(dāng)于自動進(jìn)行了“弱磁”）。串勵電機(jī)的機(jī)械特性是恒功率的：

這個特性有時候很好用。比如說用在電動車上，起步的時候速度為0，轉(zhuǎn)矩可以相當(dāng)大，而巡航的時候可以速度很快，轉(zhuǎn)矩很小，等于是一個“無級變速”電機(jī)。另外 串勵電機(jī)還可以在交流電下運(yùn)行 ，因?yàn)殡姌谢芈泛蛣畲呕芈吠瑫r改變方向，磁場作用力還是一樣的。

還可以把串勵電機(jī)用來做雕刻機(jī)的主軸。雕刻機(jī)就是CNC，吃刀量大，轉(zhuǎn)速自然慢，吃刀量小，轉(zhuǎn)速自然快。國外就很多用木工修邊機(jī)做雕刻機(jī)主軸的。

相比交流電機(jī)，直流電機(jī)的體積可以做的比較小，并且轉(zhuǎn)速高、功率大、調(diào)速方便。所以許多需要高速的設(shè)備，比如說需要上萬轉(zhuǎn)的電鋸，需要靈活調(diào)速的手電鉆等，都會采用交流電整流+可控硅調(diào)速這樣的方法來帶直流電機(jī)。

4、交流同步電機(jī)

看到這個詞大家應(yīng)該會想到“異步電機(jī)”。沒錯，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源是“同步”的。如果磁場旋轉(zhuǎn)速度是3000轉(zhuǎn)，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也會是穩(wěn)定的3000轉(zhuǎn)（只要不過載）。

同步電機(jī)是什么原理呢？同步電機(jī)的定子和異步電機(jī)是一樣的，三相繞組通入三相電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。不過轉(zhuǎn)子不太一樣，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一塊有極性的磁鐵（可以是永磁體或者是硅鋼通電勵磁）。對于異步電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場是由于旋轉(zhuǎn)磁場切割磁感線從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流繼而產(chǎn)生磁場，這樣就一定會有一個滯后。但同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是本身自帶磁場，所以不存在這個滯后現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的磁體會跟隨定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動。

“同步”這個功能有時候很重要，因?yàn)槲覀兛傆幸恍┮S持轉(zhuǎn)速恒定的場合。舉個最簡單的例子，以前對于音頻的記錄，都是靠磁帶的。用磁帶放音，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低不定，聽到的聲音就會非常奇怪。有時候磁帶機(jī)的電池沒電了，就會出現(xiàn)音調(diào)降低的情況。

另外，同步電機(jī)還有一個非常非常重要的特性：

同步電機(jī)的功率因數(shù)是可以調(diào)的。

前面的學(xué)習(xí)我們知道，異步電機(jī)需要勵磁，勵磁的電流是無功感性電流，這會對功率因數(shù)產(chǎn)生一定的影響。并且如果電網(wǎng)上異步電機(jī)很多，功率因數(shù)就會很差，也就代表能量得不到利用。

但是同步電機(jī)有一個特殊的本領(lǐng)：當(dāng)轉(zhuǎn)子的勵磁電流比較小的時候（稱為欠勵），同步電機(jī)是感性的。當(dāng)轉(zhuǎn)子的勵磁電流增大到一定程度，感性就消失了，這個時候整個同步電機(jī)是阻性的。阻性電路就代表所有電流都用來做功，這個時候功率因數(shù)就是最大的，能量利用率也是最高的。如果我們再增加一點(diǎn)勵磁電流，這時候同步電機(jī)會變成容性的！因?yàn)橥ǔＧ闆r下使用異步電機(jī)遠(yuǎn)多于同步電機(jī)，所以使用同步電機(jī)，并且讓同步電機(jī)工作在過勵磁狀態(tài)，就能補(bǔ)償整個電網(wǎng)的功率因數(shù)。