【机械设计】非标机械设计：电机的分类及特点，全面解析

非标自动化就是指根据客户需求定制的非标准类的自动化设备。同样属于自动化领域，功能是按企业用户工艺要求而量身设计、定制的自动化机械设备，其操作方便、灵活不单一，功能可按用户的要求而添加，可更改余地大。常用于工业、电子、医疗、卫生、科研等自动化机械设备，目前来说，相对标准机自动化，非标自动化在市场的比重还是比较高的。

电机作为自动化机械设备的重要部件，在非标自动化设计中，设计师们对电机的选择也尤为重要，下面我们就来聊聊电机的分类及特点。

一、电机的分类

电机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。它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是利用电能转化为机械能。电机按工作电源种类划分可分为直流电机和交流电机。

1. 直流电机

直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的机器。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机具有调速性能好、起动力矩大、易于控制、运行可靠的优点，但直流电机结构复杂、成本高、维护困难，一般用于需要较大范围的调速系统。

2. 交流电机

交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大容量、大电流的电机。交流电动机由电枢绕组和产生磁场的励磁绕组组成。大多数交流电动机在电枢中流过电流，在励磁绕组中流过电流产生磁场。由于在磁场和电枢电流之间的相互作用下产生旋转力（即转矩），使电动机旋转。

交流电机主要分为同步电机和异步电机。

（1）同步电机

同步电机，和感应电机（即异步电机）一样是一种常用的交流电机。同步电机是电力系统的心脏，它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大影响。

特点：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，其中f为电网频率，p为电机的极对数，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

同步电机的工作原理主要是通过原动机拖动转子旋转（作为电动机），或者是原动机拖动定子旋转（作为发电机），使转子与定子同步速旋转，做切割磁感线的运动，从而在转子绕组中产生感应电势，通过端子外接电路产生电流。

同步电机主要用于大型发电机。此外，在作为电动机使用时，由于其具有转速恒定及功率因数可调的特点，多用于拖动恒速运转的大、中型低速机械设备，如大型鼓风机、水泵、压缩机、轧钢机、造纸机、电梯等，还可以改善电网功率因数，向电网提供无功功率。

（2）异步电机

异步电机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电机。

异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。还随着负载的大小发生变化。负载转矩增加，转速下降，转差率增大；反之，负载转矩减小，转速上升，转差率减小。

异步电机结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、维护方便、坚固耐用；并且它还具有重量轻、体积小、效率高、运行维护方便，对运行环境适应性强等特点，因此被广泛用于工农业、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗器械等领域。

二、电机的特点

电机在非标自动化行业的应用非常广泛，不同的电机有不同的特点及性能，下面我们来详细分析各种电机的特点及性能。

1. 步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但它的步进角一般较大（大多为1.8°/步或0.9°/步），并且和人的步子一样，从静止到高速运转（或从高速运转到静止）需要有一个“加速”和“减速”过程（即步进电机的启动频率、运行频率和停止频率不能突变）。正因为步进电机具有这些特点，所以步进电机可以和单片机很好地配合，方便地实现数字控制，非常适合于在数控系统中使用。

2. 伺服电机

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的好处主要是具有运行稳定，可控性好，响应快速，灵敏度高，以及一定的过载能力等。即使在没有控制电压的情况下，不存在自转现象，因此广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写 真机、点胶机、焊锡机、装配机械、包装机械、数控机床、机器人系统等多种自动化设备上。

3. 直流无刷电机

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，可以说直到目前还未找到理想的控制方案，其控制效果始终无法和直流电动机相比。直流电动机具有控制效果好，调速性能优越等特点，在控制领域中得到了广泛的应用。但由于直流电动机存在换向器和电刷等机械部件，一方面机械换向会带来噪声、火花及无线电干扰等缺点，另一方面在换向时会产生换向电势和换向电流，致使换向困难，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展。

无刷直流电机则克服了有刷直流电动机的机械换向缺点，以电子换向取代机械换向，所以无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、响应速度快、调速范围广、寿命长、维护简单等特点。

4. 空心杯电机

空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用了无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖电机又称为空心杯电机或者无铁芯电机。空心杯电动机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。

空心杯电动机在结构上将绕组和用磁材料制成的磁极合为一体，定、转子之间没有径向间隙。从而，利用空心杯转子惯量小，运行平稳的特性，实现了电机的高速平稳运行。通过电机直接驱动负载的方式，省去了齿轮减速箱等传动装置，是传动结构大大简化，降低了机械噪声和成本。

空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。空心杯电动机以其体积小、重量轻、效率高、动态响应速度快、过载能力强、转动惯量小、运行平稳、噪音低等一系列优点，而广泛应用于高档的玩具、模型、医疗器械、汽车、航空、工业控制等行业。

电机的种类及特点还有很多，在非标自动化设计中，设计师们应根据项目的需求，选择合适的电机，以达到预期的控制效果。

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文案来源：时光

排版编辑：时光

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