今天的工程師的任務(wù)是應(yīng)用無數(shù)的電機技術(shù)，因為大多數(shù)旋轉(zhuǎn)運動最終由電機驅(qū)動。這里我們概述了驅(qū)動交流感應(yīng)電機，永磁電動機和伺服電機的能力 – 三種主要技術(shù)，對于需要精確計量的扭矩，速度或定位的更大，更高端應(yīng)用具有部分重疊的功能。
第3位技術(shù)：交流感應(yīng)電機
在所有的迭代中，感應(yīng)電動機引起磁力，其被用于輸出旋轉(zhuǎn)運動。固定外定子連接到外部電源; 這以旋轉(zhuǎn)進程被饋送到轉(zhuǎn)子的磁極，這導(dǎo)致電動機內(nèi)的磁場的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)桿與定子的磁場相互作用; 在那些條中感應(yīng)出電流，這又產(chǎn)生被吸引到定子的磁場的磁場。
由于轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流和磁性使其跟隨由定子產(chǎn)生的場，輸出旋轉(zhuǎn)運動。因為AC感應(yīng)電動機增加了由其固定線圈包圍的磁通，所以它是具有旋轉(zhuǎn)的次級（轉(zhuǎn)子）的變壓器。轉(zhuǎn)子電流對氣隙磁通的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩。
AC感應(yīng)電機由制造商根據(jù)既定的國家電氣制造商協(xié)會（NEMA）標(biāo)準(zhǔn)建立無數(shù)分?jǐn)?shù)和積分馬力額定值和相關(guān)的框架大小。這些交流感應(yīng)電機是相當(dāng)普遍的 – 工業(yè)的主力。
交流感應(yīng)電機技術(shù)概述
感應(yīng)電動機的定子由具有槽的薄的，高滲透性鋼疊片組成; 疊片被固定在提供機械支撐的鋼或鑄鐵框架中。接受外部電源的繞組穿過插槽。
AC感應(yīng)器轉(zhuǎn)子組件類似于由通過短路端環(huán)連接的鋁或銅導(dǎo)電棒組成的籠，因此用于感應(yīng)電動機的昵稱鼠籠。
轉(zhuǎn)子還具有疊片; 圍繞疊片的徑向槽包含桿。如上所述，當(dāng)移動磁場在短路導(dǎo)體中感應(yīng)電流時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并且其旋轉(zhuǎn)的速率是電動機的同步速度 – 由電源頻率和定子極數(shù)確定。
同步速度是當(dāng)電機以與電機的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場相同的速度旋轉(zhuǎn)時電機可能旋轉(zhuǎn)的最快理論速度。實際上，AC感應(yīng)電動機是異步電動機（其中轉(zhuǎn)子滯后于磁場速度），因此其轉(zhuǎn)子必須比磁場或滑動更緩慢地旋轉(zhuǎn)。這允許感應(yīng)轉(zhuǎn)子電流流動，并產(chǎn)生扭矩以驅(qū)動附接的負(fù)載，同時克服內(nèi)部損失。
AC感應(yīng)電機的力，轉(zhuǎn)矩和速度能力： AC感應(yīng)電機是單相或多相。單相交流電機適用于三相電源不切實際的無數(shù)低功率商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用; 他們沒有效率，但可以持續(xù)一生。它們也按其啟動方式進行分類，因為這些電機單獨不產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，但需要外部裝置用于初始啟動。
簡單的分相（感應(yīng)起動感應(yīng)運行）電動機具有小規(guī)格起動繞組，其比主繞組具有更少的匝數(shù)以產(chǎn)生更多的電阻，并且將起動繞組的磁場設(shè)置在與主繞組不同的電角度，使電機旋轉(zhuǎn)，直到達到額定轉(zhuǎn)速的75％。然后較重線的主繞組保持電機運行。這種便宜的設(shè)計產(chǎn)生高的起動電流（額定的700至1000％），因此長時間的起動導(dǎo)致過熱。適合的應(yīng)用包括小型研磨機，鼓風(fēng)機和低起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)用，需要高達1/3馬力。
分裂電容器電機是常見的，但慢慢被更有效的電機和變頻驅(qū)動器（VFD）取代，我們將在以后探討。分裂電容器電動機具有與啟動繞組永久地串聯(lián)連接的運行型電容器，使得一旦電動機達到運行速度則使輔助繞組成為輔助繞組。起動轉(zhuǎn)矩為額定負(fù)載的30％至150％，不適合難以起動的應(yīng)用。然而，起動電流小于額定負(fù)載電流的200％，使得它們適合于循環(huán)或頻繁反轉(zhuǎn) – 在風(fēng)扇，鼓風(fēng)機，間歇調(diào)節(jié)機構(gòu)和快速反轉(zhuǎn)車庫門開啟器。
最強大的所有單相類型，電容器啟動電容器運行電機具有與輔助繞組串聯(lián)的啟動電容器，以及與輔助繞組串聯(lián)的運行型電容器，用于高過載轉(zhuǎn)矩。一些具有更低的滿載電流和更高的效率 – 因此比其他具有可比馬力的單相電機運行更冷。成本更高，但這些電機在木工機械，空氣壓縮機，真空泵和其他1到10馬力的高扭矩應(yīng)用中是不可或缺的。
最后，廉價的陰極單相電動機只有一個主繞組。起始是通過部分地覆蓋每個馬達極的一部分的銅環(huán) – 引起環(huán)形區(qū)域中的磁場滯后于未旋轉(zhuǎn)部分中的磁場。兩個場的反應(yīng)導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn); 變化電壓控制速度。這些是一次性電機，常見于家用風(fēng)扇; 效率為20％以下。
三相異步電動機
遠(yuǎn)離最常見的工業(yè)電機是三相交流感應(yīng)電機。單相電機是通用的，但三相（和其他多相）電機提供更高的功率和效率，并且不需要開關(guān)，電容器或繼電器。更具體地，三相感應(yīng)電動機具有高的起動轉(zhuǎn)矩，因為六個極（僅60°分開）成對工作以提高功率因數(shù)，這在大型工業(yè)應(yīng)用中也是有用的。
過大和過小
在選擇更換電機之前仔細(xì)定義應(yīng)用要求，或者為新設(shè)計選擇一個：較小尺寸的電機表現(xiàn)出電氣應(yīng)力和過早失效。過大功率的電機（例如具有高鎖定轉(zhuǎn)子和擊穿轉(zhuǎn)矩）可能損壞其驅(qū)動的設(shè)備，并且以低于全額定負(fù)載運行，這是低效率的。
NEMA根據(jù)其電氣設(shè)計將通用三相電機分類為A，B，C或D。例如，NEMA Design C電機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，正常的起動電流和小于5％的滑差。
這些電機中的一些通過基本開關(guān)直接連接到線路電源; 其他的都配有Y型三角繞組或軟起動器。然而，所有工業(yè)設(shè)計中大約有三分之一是可變負(fù)載應(yīng)用，在這些設(shè)計中，電機越來越多地由VFD驅(qū)動（由于越來越復(fù)雜，可負(fù)擔(dān)的半導(dǎo)體和電路）在過去二十年中激增。
在這些器件中，脈沖寬度調(diào)制（PWM）用于改變電機電壓。反過來，諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或柵極截止SCR（GTO）的固態(tài)開關(guān)執(zhí)行PWM。這里，AC線電壓被轉(zhuǎn)換為DC，然后重新成形，使得電動機速度隨著輸出電壓中的脈沖的頻率而變化。PWM交流驅(qū)動允許寬的速度范圍，可編程的加速和減速斜坡，良好的能源效率; 速度和扭矩精度在某些情況下可以與直流系統(tǒng)匹配。
?在其最簡單的迭代中，伏特每赫茲 VFD操作通過跟蹤電壓幅度來保持電壓和頻率的比率恒定。這防止磁飽和（電機轉(zhuǎn)子不能進一步磁化，導(dǎo)致高電流）; 要施加的電壓是從保持氣隙磁通所需的施加頻率計算的 – 這種方法提供了可通過的速度控制，雖然沒有直接控制電機轉(zhuǎn)矩。
? 無傳感器矢量控制還調(diào)制頻率，但通過確定與用于近似轉(zhuǎn)矩電流的電壓同相的電流量來測量（和補償）滑移 – 對于電流和電壓之間的幅度和角度。這有助于即使在變化的負(fù)載下也能保持電機以目標(biāo)速度運行。?稍微復(fù)雜一些的磁通矢量驅(qū)動器利用了這樣的事實，即在感應(yīng)電動機中，一些電流使轉(zhuǎn)子磁化或磁通，以將其磁耦合到定子。
磁通矢量驅(qū)動器將該磁通電流保持在誘發(fā)磁場所需的最小值，同時獨立地調(diào)制通過定子的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流脈沖。
最后，稱為磁場定向控制的VFD迭代將驅(qū)動器的電流調(diào)節(jié)器與自適應(yīng)控制器配對，以獨立地計量和控制電機轉(zhuǎn)矩和電機磁通。這種驅(qū)動器可以與用于閉環(huán)伺服控制的編碼器配對，但其一致的性能通常不需要反饋。扭矩輸出從零到滿負(fù)荷在無數(shù)的速度是一致的。
交流感應(yīng)電動機限制
即使在復(fù)雜的VFD控制下，AC感應(yīng)電機也具有固有的效率限制，如果需要低速度精度，則可能需要編碼器進行反饋。此外，使用新的VFD改造現(xiàn)有設(shè)計可能是麻煩的，特別是當(dāng)裝配有較舊的電動機時。
為什么？其變頻器的合成交流波形加速了加熱（盡管先進性繼續(xù)改善波形，更接近交流正弦波）。以小于50％基本速度擴展VFD動力電機的操作也是不可接受的; 現(xiàn)代逆變器電機具有更高的絕緣額定值，但在極端情況下需要單獨供電的冷卻風(fēng)扇。
事實上，由任何AC電動機產(chǎn)生的廢熱能夠降低對于電動機操作必不可少的絕緣。定子絕緣防止短路，繞組燒壞和故障：磁體線涂層使線圈內(nèi)的線彼此絕緣; 槽電池和相絕緣（安裝在定子槽中的復(fù)合片）屏蔽相對地; 定子清漆浸漬提高防潮性和整體絕緣。
NEMA為各種外殼和服務(wù)系數(shù)的電機設(shè)定特定的溫度標(biāo)準(zhǔn)（在大多數(shù)情況下為1.5或更高）。這些標(biāo)準(zhǔn)基于絕熱等級 – 通常為B，F(xiàn)和H.最高繞組溫度額定值是總溫度，基于104°F最大環(huán)境溫度加上電機運行產(chǎn)生的溫升。5 hp及更高，優(yōu)質(zhì)效率和變頻器工作電機通常具有F級絕緣。除此之外，許多制造商設(shè)計他們的電機操作比他們的熱類定義更酷。H級絕緣更少，保留用于重型，高溫或高海拔條件。
另一個考慮因素是循環(huán)：為頻繁反轉(zhuǎn)而制造的電機可以承受它，但在其他情況下的啟動 – 停止循環(huán)可能導(dǎo)致過熱，因為在這些條件下的典型電機吸收額定運行電流的五到六倍，這加速了加熱。在允許電機穩(wěn)定到其最大連續(xù)工作溫度之前，NEMA將三相連續(xù)負(fù)載感應(yīng)電機連續(xù)兩次啟動。
最后，通常用于驅(qū)動三相AC感應(yīng)電動機的VFD對慣性，馬力，電動機引線長度和電力質(zhì)量敏感，因此必須用滿載和空載安培，基本速度和頻率以及電動機編程最初連接到新電機時的電壓。通常VFD還需要調(diào)諧，在此期間記錄電機響應(yīng)和電氣特性。
第2位的技術(shù)：永磁交流電機
一種增量選擇永磁交流（PMAC）電機具有與交流感應(yīng)和伺服電機的功能部分重疊的功能，用于需要精確計量的轉(zhuǎn)矩，速度或定位的更大，更高端的應(yīng)用。
在PMAC中，安裝在或嵌入在轉(zhuǎn)子中的磁體與電動機的由電輸入到定子產(chǎn)生的電流感應(yīng)的內(nèi)部磁場耦合。更具體地，轉(zhuǎn)子本身包含永磁體，其或者表面安裝到轉(zhuǎn)子疊片組或嵌入在轉(zhuǎn)子疊片中。如在常見的交流感應(yīng)電動機中，通過定子繞組提供電功率。
根據(jù)定義，永磁場是恒定的，并且不會失效，除非在極端情況下磁體被濫用和由于過熱而退磁。PMAC，PM同步和無刷ac是同義詞。
永磁電機中的磁體
- 稀土元素是在周期表中省略的長中心兩行中發(fā)現(xiàn)的30種金屬; 它們用于許多現(xiàn)代應(yīng)用中。由稀土金屬制成的磁體是特別強的合金，具有具有高磁性混合物的晶體結(jié)構(gòu)，這意味著它們?nèi)菀自谝粋€方向上排列，并且在其它方向上抵抗它。
- 發(fā)明于1940年代，在1966年發(fā)現(xiàn)，稀土磁鐵比傳統(tǒng)的鐵氧體磁鐵強大三分之一到兩倍，在某些情況下產(chǎn)生高達1.4特斯拉。
- 永磁體用于MRI機，便攜式電子裝置，磁滯離合器，加速度計，以及最后但并非最不重要的永磁式旋轉(zhuǎn)和線性電動機。
反電動勢（EMF）是與導(dǎo)致其的電流相反的電壓。事實上，當(dāng)在載流銜鐵（無論是轉(zhuǎn)子或定子）和外部磁場之間存在相對運動時，在任何電動機中都會產(chǎn)生反電動勢。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（有或沒有施加到繞組的功率），機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電壓，因此實際上變?yōu)榘l(fā)電機。典型的單位是（V / krpm） – 伏特/（1,000rpm）。
PMAC電機具有正弦分布的定子繞組，以產(chǎn)生正弦反EMF波形。
所有PMAC電機需要匹配的PM驅(qū)動器進行操作; 它們不是為跨線啟動而設(shè)計的。
PMAC兼容的驅(qū)動器（稱為PM驅(qū)動器）用更傳統(tǒng)的梯形波形的平頂替換為更接近PMAC反EMF的正弦波形，因此扭矩輸出更平滑。相的每個換向必須重疊，每次選擇性地觸發(fā)多于一對功率開關(guān)器件。這些電動機驅(qū)動設(shè)置可作為開環(huán)系統(tǒng)在需要速度和轉(zhuǎn)矩控制的中端性能應(yīng)用中運行。這里，PMAC電機被置于矢量型控制下。
事實上，盡管PMAC需要專門為PM電機設(shè)計的驅(qū)動器，PM驅(qū)動器設(shè)置與用于交流感應(yīng)電機的磁通矢量驅(qū)動器最相似，因為驅(qū)動器使用電流開關(guān)技術(shù)來控制電機轉(zhuǎn)矩，同時控制轉(zhuǎn)矩和磁通電流通過一個坐標(biāo)系和另一個坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)密集變換。
這些PM驅(qū)動器使用電機數(shù)據(jù)和電流測量來計算轉(zhuǎn)子位置; 數(shù)字信號處理器（DSP）的計算相當(dāng)準(zhǔn)確。在每個采樣間隔期間，依賴于時間和速度的三相交流系統(tǒng)被變換成旋轉(zhuǎn)的兩坐標(biāo)系，其中每個電流被表達并控制為兩個矢量的和。
力，扭矩和速度
在PMAC電機中，速度是頻率的函數(shù) – 與感應(yīng)電機相同。然而，PMAC電機以與定子繞組產(chǎn)生的磁場相同的速度旋轉(zhuǎn); 它是一臺同步機。因此，如果磁場以1,800rpm旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也以1,800rpm旋轉(zhuǎn) – 并且來自驅(qū)動器的輸入頻率越高，電動機旋轉(zhuǎn)得越快。
大多數(shù)同步電機制造商保持極數(shù)常數(shù)，因此輸入頻率決定了電機的速度。例如，對于具有六極的48框架電機，電機的驅(qū)動器輸入頻率必須為90 Hz，以獲得1,800 rpm。要從10極180°電機中提取相同的速度，輸入頻率必須為150 Hz。計算極數(shù)和速度已知時所需的輸入頻率（Hz）：
PMAC電機適用于可變或恒定扭矩應(yīng)用，其中驅(qū)動和應(yīng)用參數(shù)指示在任何給定速度下產(chǎn)生多少扭矩。這種靈活性還使得PMAC適合于需要超高電動機效率的變速操作。
同步電機和開關(guān)磁阻運行
- 永磁交流（PMAC）電機是同步電機，意味著其轉(zhuǎn)子以與電機的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場相同的速度旋轉(zhuǎn)。其他交流同步技術(shù)包括磁滯電機，較大的直流勵磁電機和公共磁阻電機。后者包括具有多個突起的定子和轉(zhuǎn)子; 定子的磁極被纏繞有通電的繞組，而轉(zhuǎn)子的可透磁的鋼突起用作通過磁阻存儲磁能的突極 – 利用磁通量遵循最小磁阻的路徑的趨勢，以便重復(fù)地對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子和定子極。
- 注意，這種開關(guān)磁阻電動機迭代可以構(gòu)造成提供高達200hp，與感應(yīng)和PMAC電動機能力重疊。在開關(guān)磁阻電動機中，定子線圈以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)被同步地激勵，具有重疊的相位。雖然磁阻電動機通常用作開環(huán)步進器，但是它們的開關(guān)磁阻導(dǎo)數(shù)（有時也稱為可變磁阻）通常在閉環(huán)控制下操作。事實上，步進電機有些類似于開關(guān)磁阻，并且步進到每個限定的轉(zhuǎn)子位置，導(dǎo)致高重復(fù)性和精度。
- 開關(guān)磁阻電機產(chǎn)生高效率和控制，并在失速時產(chǎn)生100％的扭矩 – 對于需要保持的應(yīng)用非常有用。最后，雖然必須克服轉(zhuǎn)矩波動，但是開關(guān)磁阻電機可以以比PMAC更高的速度操作，因為它們沒有反電動勢約束。
齒槽 – 在電機旋轉(zhuǎn)期間由于反復(fù)克服永磁體的吸引力和定子的鋼結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的不希望的急轉(zhuǎn) – 通常與PM電動機相關(guān)聯(lián)。特別是在啟動時，由于諧波，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁體和定子繞組被激勵時，齒輪轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子磁體和定子繞組的相互作用而產(chǎn)生。齒輪又會導(dǎo)致噪音，振動和不均勻的旋轉(zhuǎn)?？梢岳迷S多減少齒槽效應(yīng)的方法來消除扭矩和速度波動。一些PMAC電機設(shè)計有比等效交流感應(yīng)電機更多的轉(zhuǎn)子極，這有助于減少這些問題。
閉環(huán)功能
在特殊情況下，PMAC電機在使用速度反饋的閉環(huán)配置中使用。反饋允許驅(qū)動器跟蹤精確的轉(zhuǎn)子位置 – 提供真正的無限速度范圍，包括零速度下的全扭矩。從外部源所需的速度參考可以是模擬或編碼器信號，或來自反饋設(shè)備的串行命令，該反饋設(shè)備在軸上希望遵循。這通常是速度信號，有時在用作命令之前在驅(qū)動器中進一步處理。
限制和挑戰(zhàn)
PMAC速度受反EMF限制，因為后EMF直接隨電機速度增加。電機連接到電子驅(qū)動器，其電子部件設(shè)計用于最大電壓高于額定驅(qū)動電壓。通常，電動機和控制裝置設(shè)計成在低于組件的最大電壓下工作。但是，如果電機速度超過設(shè)計速度范圍（由控制器供電或由負(fù)載驅(qū)動），則可能超過驅(qū)動器組件的最大電壓，并導(dǎo)致故障。請注意，驅(qū)動器能夠在正常工作時限制電機反電勢。但是，如果驅(qū)動器在超速期間出現(xiàn)故障并失去控制，則它不能保護自身。
此外，PMAC電機控制需要一些技術(shù)知識來實施：雖然目前正在研究開始的PMAC電機，但所有市售的PMAC電機都需要PM兼容的驅(qū)動器來運行。
顯著性
- 關(guān)于PMAC電動機，凸極性是指電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時電動機端子處的電動機電感的差異。該差異對應(yīng)于定子轉(zhuǎn)子的對準(zhǔn)和不對準(zhǔn) – 電動機的驅(qū)動器在操作期間跟蹤以監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的特性。
并非所有交流變頻器都適用于PMAC電機的運行; 只有專門設(shè)計用于永磁電動機兼容性的驅(qū)動器才適合。這里，驅(qū)動編程中的參數(shù)通常允許操作者設(shè)置PM電動機的驅(qū)動。某些非專門設(shè)計的驅(qū)動器可以運行和控制永磁電機，雖然性能下降 – 如果電機或驅(qū)動器不匹配，可能會損壞電機或驅(qū)動器。
軸向和徑向磁通電機
- 與包括永磁體的其它電動機設(shè)計一樣，存在PMAC軸向磁通電動機。在這些電動機中，磁力（通過氣隙）沿著電動機軸 – 沿著電動機長度的同一平面。軸向通量可以被認(rèn)為具有與常規(guī)車輛上的盤式制動器相同的取向，因為盤在軸向通量設(shè)計中像轉(zhuǎn)子那樣旋轉(zhuǎn)。徑向磁通電動機是更傳統(tǒng)的設(shè)計，其中磁力垂直于電動機軸的長度。
- 設(shè)計的外形決定了哪種方向最合適：機器是否需要更長，更薄的徑向電機，或者是“煎餅”軸向設(shè)計更合適？最終確定因素可以是成本，因為一旦用于生產(chǎn)的模具，軸向設(shè)計提供等效扭矩，但是使用較少活性材料以獲得更好的功率密度。雖然還不適合電梯應(yīng)用，但工程師正在開發(fā)PMAC徑向電機，以將軸向氣隙PMAC設(shè)計合并到電梯中，不需要機房。
最后，高電流或工作溫度可能導(dǎo)致PMAC電機中的磁體失去其磁性。永久磁鐵，一旦消磁，即使電流或溫度恢復(fù)到正常水平，也不能恢復(fù)。PM驅(qū)動器通過過流保護降低大電流退磁的風(fēng)險。一些電機設(shè)計進一步最小化了使用高溫磁鐵，集成恒溫器和電機工作溫度限制的退磁的可能性。
3/3技術(shù)：伺服電機
伺服電機是使用反饋對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制的電機，其中工作是變量。設(shè)計用于伺服操作的交流感應(yīng)電機以直角纏繞兩相。固定的參考繞組由固定電壓源激勵，而來自伺服放大器的可變控制電壓的控制激勵繞組。繞組通常設(shè)計為具有相同的電壓 – 匝數(shù)比，使得在最大固定相位激勵和最大控制相位信號下的功率輸入處于平衡。任何設(shè)計用于伺服使用的電機通常比具有類似輸出的其他電機小25至50％，并且減小的轉(zhuǎn)子慣量使得響應(yīng)更快。例如，AC伺服電機用于需要快速和精確響應(yīng)特性的應(yīng)用中 – 因此這些感應(yīng)電機具有小直徑，低慣量和快速啟動，停止和反轉(zhuǎn)。高電阻提供近乎線性的速度 – 轉(zhuǎn)矩特性，用于精確控制。
換向基礎(chǔ)
- 換向是指電流如何精確地傳送到有刷DC轉(zhuǎn)子的線圈陣列，以通過電刷和換向器產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。換向器安裝在轉(zhuǎn)子軸上并且包括墊，刷子擱置在墊上。
- 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，電流從電刷傳導(dǎo)到換向器，然后傳導(dǎo)到連接的線圈。有時術(shù)語換向用于指無刷直流電動機操作，即使電子器件和轉(zhuǎn)子軸上的傳感器代替任何電刷或換向器。在這種情況下，電流仍然由電子器件切換。
- 該術(shù)語在AC電動機的世界中失去意義，盡管有時錯誤地指示驅(qū)動器中如何產(chǎn)生AC電壓。
繞組場直流電動機（轉(zhuǎn)子中的銅段通過磁線繞組和定子繞組連接）是另一種選擇。然而，更常見的是，緊湊的刷式DC電動機（其使用固定到電動機框架的內(nèi)部的永久磁鐵，加上旋轉(zhuǎn)纏繞的電樞和換向電刷）用作伺服電機，因為速度控制容易：唯一的變量是施加到電壓旋轉(zhuǎn)銜鐵。沒有勵磁繞組來激勵，因此這些電機使用比纏繞DC設(shè)計更少的能量，并且具有比繞組勵磁電機更好的功率密度。伺服內(nèi)置有刷直流電機還包括更多的線繞在疊片上，以提高扭矩。
DC伺服控制：復(fù)雜
- 直流電機的可靠的速度控制很多。許多使用固態(tài)設(shè)備; 硅控整流器（SCR或晶閘管）是常見的，將AC線電壓轉(zhuǎn)換為施加到DC電動機電樞的受控DC電壓。增加電壓增加速度 – 所以這有時稱為電樞電壓控制。它對高達約3馬力的電機非常有效，即使在降低的速度下也允許60：1的速度調(diào)節(jié)和恒定的轉(zhuǎn)矩。
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另一方面，伺服控制器通過反饋控制到下一級 – 適用于更大的設(shè)計。
- 高壓DC電機通常與SCR或PWM控制器一起使用，用于在整個速度范圍內(nèi)需要可調(diào)速度和恒定扭矩的應(yīng)用中。
- 此處所示的SCR額定（通用電機）廣泛應(yīng)用于需要動態(tài)制動或可調(diào)節(jié)速度和反轉(zhuǎn)的應(yīng)用中。刷架設(shè)計提供容易進入，而刷子本身是大的延長的壽命。
三相PMDC電機（無刷電機）也通常用于伺服應(yīng)用。 大多數(shù)無刷直流繞組以陣列互連，并且大多數(shù)單元在一個定子端處裝配有三個霍爾傳感器。這些霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的南磁極和北磁極通過時輸出低和高信號，以允許以下的通電順序和轉(zhuǎn)子位置。
伺服應(yīng)用中的永磁直流電機
- 今天，許多PM電動機是直流并用于需要可調(diào)節(jié)速度的伺服應(yīng)用中。對于快速停止，這些可以通過利用動態(tài)制動（電動機產(chǎn)生的能量饋送到電阻網(wǎng)）或再生制動（電動機產(chǎn)生的能量返回交流電源）來最小化機械制動器尺寸（或消除制動器）。此外，PMDC電機速度可以平滑地控制到零，隨后立即沿相反方向加速，而不進行電源電路切換。在典型的三相無刷直流電動機中，通電是電子控制的。在一些設(shè)計中，永磁體安裝在定子上。更常見的設(shè)計包括具有堆疊鋼疊片的定子和通過軸向槽的繞組; 永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。這里，定子繞組被梯形地纏繞以產(chǎn)生具有六步換向的梯形反EMF波形。無刷直流開關(guān)以預(yù)定義的換向順序?qū)ψ兓碾妱訖C相位進行通電。大多數(shù)單元在一個定子端裝配有三個霍爾傳感器，以允許以下的通電順序和轉(zhuǎn)子位置。輸出扭矩具有相當(dāng)大的扭矩波動，其在梯形換向的每個步驟發(fā)生。然而，由于高的轉(zhuǎn)矩慣量比，無刷直流電機對控制信號變化做出快速響應(yīng)，使其在伺服應(yīng)用中非常有用。以允許以下的通電順序和轉(zhuǎn)子位置。輸出扭矩具有相當(dāng)大的扭矩波動，其在梯形換向的每個步驟發(fā)生。然而，由于高的轉(zhuǎn)矩慣量比，無刷直流電機對控制信號變化做出快速響應(yīng)，使其在伺服應(yīng)用中非常有用。以允許以下的通電順序和轉(zhuǎn)子位置。輸出扭矩具有相當(dāng)大的扭矩波動，其在梯形換向的每個步驟發(fā)生。然而，由于高的轉(zhuǎn)矩慣量比，無刷直流電機對控制信號變化做出快速響應(yīng)，使其在伺服應(yīng)用中非常有用。
在它們最基本的形式中，用于伺服電機的驅(qū)動器接收表示期望的電動機電流的電壓指令。伺服電機根據(jù)慣性（包括伺服電機和負(fù)載慣量）阻尼和轉(zhuǎn)矩常數(shù)建模。負(fù)載被認(rèn)為是剛性耦合，使得自然機械共振安全地超過伺服控制器的帶寬。電機位置通常由耦合到電機軸的編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器測量。
基本伺服控制通常包含軌跡發(fā)生器和PID控制器：前者提供位置設(shè)定點命令; 后者使用位置誤差來輸出校正扭矩命令，該校正扭矩命令有時被縮放到用于特定電流（扭矩常數(shù)）的電動機的扭矩產(chǎn)生。
伺服電機的力，轉(zhuǎn)矩，速度和其他因素的能力：與開環(huán)系統(tǒng)相比，Servocontrol表現(xiàn)出較小的穩(wěn)態(tài)誤差，瞬態(tài)響應(yīng)和對負(fù)載參數(shù)的靈敏度。改善瞬態(tài)響應(yīng)增加了系統(tǒng)帶寬，縮短了建立時間和提高了吞吐量。最小化穩(wěn)態(tài)誤差提高了精度。最后，降低負(fù)載敏感性允許運動系統(tǒng)容忍電壓，轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣性的波動。
通常，輪廓被編程用于在時間，位置和速度方面定義操作的指令：數(shù)字伺服控制器將速度命令信號發(fā)送到驅(qū)動伺服電機的放大器。借助于解算器，編碼器或用于反饋的轉(zhuǎn)速計（安裝在電機中或負(fù)載上），控制器然后將實際位置和速度與目標(biāo)運動曲線進行比較，并校正差異。
伺服電機限制
最重要的是，伺服電機設(shè)計的性能的提高帶來了顯著增加的成本。
此外，存在兩種情況，其中伺服電機效率下降 – 低電壓和高扭矩。簡而言之，伺服電機最常使用，因為它們能夠產(chǎn)生高峰值轉(zhuǎn)矩，從而提供快速加速 – 但是高轉(zhuǎn)矩通常需要伺服電機運行其正常轉(zhuǎn)矩范圍的兩到三倍，這降低了效率。
最后，伺服器被設(shè)計成在寬范圍的電壓下操作（因為這是它們的速度如何變化），但是效率隨電壓下降。
比較感應(yīng)電機，交流永磁電機和伺服電機
設(shè)計師和汽車人員可以從尋找一個經(jīng)驗豐富的信息資源的供應(yīng)商中獲益，以幫助實際的電機選擇。盡早讓應(yīng)用專家參與，因為他們可以幫助開發(fā)原型，定制電氣和機械設(shè)計，安裝和齒輪箱。這也降低了與較短的交貨時間和緊急交貨相關(guān)的成本。
最后，所有工業(yè)電機子類型都有優(yōu)勢和劣勢，加上它們最適合的應(yīng)用程序。例如，許多工業(yè)應(yīng)用基本上是恒定扭矩，例如輸送機。其它的，例如離心鼓風(fēng)機，需要扭矩以速度的平方變化。相比之下，機床和中心卷繞機是恒定馬力，隨著速度增加扭矩減小。哪些電機最適合這些情況？正如我們將要探討的，速度 – 扭矩關(guān)系和效率要求通常決定最合適的電動機。
每種電機類型的利弊概述
感應(yīng)電機 |
PMAC |
伺服電機 |
|
| 速度 | 比PMAC電機的速度范圍更小?速度范圍是所用驅(qū)動器的功能 – 在編碼器情況下為1,000：1，在磁場控制下為120：1 | VFD驅(qū)動的PMAC電機可用于幾乎所有感應(yīng)電機和一些伺服應(yīng)用中?典型的伺服電機應(yīng)用速度 – 10,000 rpm – 超出PMAC電機范圍 | 達到10,000 rpm?無刷直流伺服電機也可在所有速度下運行，同時保持額定負(fù)載 |
| 效率 | 即使NEMA-premium效率單位在低負(fù)載下表現(xiàn)出降低的效率 | 比感應(yīng)電機效率更高，因此在相同負(fù)載條件下運行更加涼爽 | 設(shè)計用于寬范圍的電壓（因為這是它們的速度如何變化），但效率隨電壓下降 |
| 可靠性 | 廢熱能夠降低電機運行所必需的絕緣。?正常運行時的使用年限 | 較低的工作溫度降低磨損，維護?延長軸承和絕緣壽命?堅固結(jié)構(gòu)，可在惡劣環(huán)境中無故障運行 | 物理運動問題最小; 要求苛刻的伺服應(yīng)用需要仔細(xì)的選型，否則可能會導(dǎo)致故障 |
| 動力密度 | 鼠籠式轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)固有地限制功率密度 | 稀土永磁體產(chǎn)生比感應(yīng)類型更多的磁通（和合成轉(zhuǎn)矩）用于其物理尺寸 | 具有高峰值轉(zhuǎn)矩，可快速加速 |
| 準(zhǔn)確性 | 磁通矢量和磁場定向控制允許舵機的一些精度 | 沒有反饋，可能難以定位和定位到伺服電機的精確點 | 閉環(huán)伺服電機操作利用反饋將速度精度提高到基本速度的±0.001％ |
| 成本 | 初始成本相對較低; 更高的運營成本 | 具有更高的效率，因此他們的能源使用更小，并且其初始購買成本的全部回報更快地實現(xiàn) | 價格可以是其他系統(tǒng)的十倍 |
PMAC與伺服電機
伺服電機用于低慣性和動態(tài)響應(yīng)非常重要的運動控制應(yīng)用中。事實上，許多用于伺服應(yīng)用的電機類似于PMAC電機，但使用特殊的控制器（放大器）和反饋來控制位置，而不僅僅是速度。然而，伺服系統(tǒng)的價格可能很高 – 通常是等價的感應(yīng)電機的10到20倍。需要近伺服性能的應(yīng)用是PMAC電機的合適候選產(chǎn)品，受益于其性價比。例子：PMAC非常適合于典型的泵操作，其典型地以在最大速度的75％和85％之間的可變速度運行。
PMAC電機不適合典型的伺服電機應(yīng)用，在PMAC電機范圍內(nèi)接近10,000 rpm。此外，沒有PMAC的反饋，設(shè)計者可能發(fā)現(xiàn)難以定位并定位伺服電機必須經(jīng)常提供的精確點。
現(xiàn)在將PMAC電機與最常用于伺服應(yīng)用的產(chǎn)品（無刷直流電機）進行比較。傳統(tǒng)的無刷直流驅(qū)動波形為梯形; 這里，兩個電機的三個引線用于相位，第三個用于狩獵 – 所以它的定期變化的領(lǐng)域。相比之下，PMAC的三個引線被積極使用; 輸入波形為正弦波，以提高效率，同時最小化噪聲和振動。
如上所述，電動機定子繞組模式通常專用于特定波形形狀。人們不能通過視覺檢查來區(qū)分它們。
產(chǎn)生梯形波形的控制器比產(chǎn)生正弦波形的控制器成本更低。然而，正弦控制器和電機產(chǎn)生比梯形更一致的軸旋轉(zhuǎn) – 轉(zhuǎn)子慣量，電機額定值和特定的控制器特性放大了性能差異。
一個警告：在低電壓應(yīng)用（低于110 V的任何電壓）中，傳統(tǒng)的無刷直流或交流感應(yīng)電機仍然是PMAC電機的更好的選擇 – 盡管有工作來解決在這些情況下出現(xiàn)的問題。
簡而言之，無刷直流電動機通常構(gòu)造用于低至12或24V的電壓。然而，為該電壓纏繞PMAC實際上取200或300hp并將其纏繞200V。這里，引線尺寸可以增長到平均咖啡杯的尺寸（正常結(jié)果）和纏繞這樣的電動機的磁線（用機器或手）是有問題的，因為制造商在這種情況下必須相當(dāng)廣泛地重新設(shè)計定子和轉(zhuǎn)子，以確保設(shè)置是物理上可能的。
感應(yīng)電機和PMAC電機
對于交流感應(yīng)電動機與PMAC電動機的蘋果對比，我們必須考慮驅(qū)動器 – 因為后者需要驅(qū)動器進行操作，并且不能像典型的交流電動機那樣直接連接到電源。
對于PMAC電機/驅(qū)動器設(shè)置，系統(tǒng)效率高于40％至超過120％負(fù)載。此外，PMAC電機表現(xiàn)出比等效感應(yīng)電機更高的功率密度：稀土永磁體的物理尺寸比由感應(yīng)電機的鼠籠式轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁能和合成轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生更多的磁通。在后者中，反電動勢的影響也更明顯：反電動勢降低電流，并且工作以減慢電動機 – 并且隨著速度增加而變大。當(dāng)沒有負(fù)載存在時，它接近輸入電壓幅度，降低效率。考慮一般情況下，某些PMAC電機的額定轉(zhuǎn)矩為可變或恒定轉(zhuǎn)矩，無反饋（開環(huán)）為20：1或閉環(huán)（帶編碼器）為2,000：1。
速度（輸入頻率）對PMAC電機效率的影響比對交流感應(yīng)電機的影響小，這意味著在降低速度時節(jié)省能量。PMAC電機損耗（效率的倒數(shù)）比NEMA Premium感應(yīng)電機低15％至20％。
根據(jù)電機規(guī)格，電氣利用率和占空比，設(shè)計師可以在一年內(nèi)在某一PMAC電機購買中實現(xiàn)全回報。PMAC效率等級是NEMA Premium之上的一到三個指數(shù)，比傳統(tǒng)電機減少10％至30％的損失。電力估計占電動機總生命周期成本的約95％至97％，因此節(jié)能顯著降低總投資。
總之，由于它們的同步操作，PMAC電機還提供更好的動態(tài)性能和速度控制精度 – 在高慣性定位應(yīng)用中的一個好處。盡管具有驅(qū)動器的功率因數(shù)可能不如僅基于電動機的感應(yīng)電機那樣高，但是PMAC電動機通常由于更高的磁通量而提供更高的功率密度。因此，在給定的物理尺寸或者在較小包裝中產(chǎn)生的相等扭矩可以產(chǎn)生更多的扭矩。最后，PMAC電機通常比交流感應(yīng)電機運行更冷，導(dǎo)致更長的軸承和絕緣壽命。
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