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同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)

 

 

原理：

 

同步電機(jī)就是靠勵(lì)磁電流運(yùn)行的，如果沒(méi)有勵(lì)磁，電機(jī)就是異步的。勵(lì)磁是加在轉(zhuǎn)子上的直流系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)速度和極性與定子是一致的，如果勵(lì)磁出現(xiàn)問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步，調(diào)整不過(guò)來(lái)，觸發(fā)保護(hù)“勵(lì)磁故障”電動(dòng)機(jī)跳閘說(shuō)的白一點(diǎn)，勵(lì)磁電流就是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中流過(guò)的電流（有了這個(gè)電流，使轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個(gè)電磁鐵，有N極和S極），在正常運(yùn)行時(shí)，這個(gè)電流是由外部加在轉(zhuǎn)子上的直流電壓產(chǎn)生的。以前這個(gè)直流電壓是由直流電動(dòng)機(jī)供給，現(xiàn)在大多是由可控硅整流后供給。我們通常把可控硅整流系統(tǒng)稱為勵(lì)磁裝置。

 

直線異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、動(dòng)子和直線運(yùn)動(dòng)的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內(nèi)定子和動(dòng)子之間具有良好的電磁場(chǎng)耦合，定子和動(dòng)子的鐵心長(zhǎng)度不等。定子可制成短定子和長(zhǎng)定子兩種形式。由于長(zhǎng)定子結(jié)構(gòu)成本高、運(yùn)行費(fèi)用高，所以很少采用。直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一樣，定子鐵心也是由硅鋼片疊成，表面開(kāi)有齒槽；槽中嵌有三相、兩相或單相繞組；單相直線異步電動(dòng)機(jī)可制成罩極式，也可通過(guò)電容移相。直線異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子有三種形式：

 

(1)磁性動(dòng)子動(dòng)子是由導(dǎo)磁材料制成（鋼板），既起磁路作用，又作為籠型動(dòng)子起導(dǎo)電作用。

 

(2)非磁性動(dòng)子，動(dòng)子是由非磁性材料（銅）制成，主要起導(dǎo)電作用，這種形式電動(dòng)機(jī)的氣隙較大，勵(lì)磁電流及損耗大。

 

(3)動(dòng)子導(dǎo)磁材料表面覆蓋一層導(dǎo)電材料，導(dǎo)磁材料只作為磁路導(dǎo)磁作用；覆蓋導(dǎo)電材料作籠型繞組。

 

因磁性動(dòng)子的直線異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)子不僅作為導(dǎo)磁、導(dǎo)電體，甚至可以作為結(jié)構(gòu)部件，其應(yīng)用前景廣闊。

 

異步機(jī)就是電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度不一致，有一個(gè)差值（不同步）。我們叫轉(zhuǎn)差。這個(gè)轉(zhuǎn)差與定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速的比率叫轉(zhuǎn)差率。

 

同步機(jī)與異步機(jī)的區(qū)別在于：

 

從供電方面說(shuō)，異步機(jī)只是在定子側(cè)加上電壓（也有轉(zhuǎn)子上加電壓的），而同步機(jī)要在定子和轉(zhuǎn)子上都加上電壓。也就是說(shuō)異步機(jī)是單邊勵(lì)磁，同步機(jī)是雙邊勵(lì)磁。從轉(zhuǎn)速方面說(shuō)，異步機(jī)的轉(zhuǎn)速只與負(fù)荷大小有關(guān)（當(dāng)然有一定的范圍），而同步機(jī)的轉(zhuǎn)速只與電網(wǎng)的頻率有關(guān)。從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，同步電機(jī)與異步機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造也不一樣。異步機(jī)的轉(zhuǎn)子是有夕鋼片和鋁條（或夕鋼片和線圈組成），而同步機(jī)一般由數(shù)塊磁鋼和線圈組成（也有隱極式的不太一樣）。當(dāng)然還有許多差別，如工藝要求、設(shè)計(jì)問(wèn)題等等，我也說(shuō)不全，請(qǐng)共同探討。

 

在電機(jī)設(shè)計(jì)上，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般為鼠籠型的，還有繞線型的，定子上繞組也有不同的繞制方法。而同步電機(jī)設(shè)計(jì)上定子轉(zhuǎn)子可能都是繞線的。

 

電機(jī)的工作上，同步電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子通入直流電，產(chǎn)生類似永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而定子上通入三相交流電，此時(shí)定子隨磁場(chǎng)變化同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速n＝60f/p，這里f是電源頻率，p是電機(jī)的極對(duì)數(shù)。異步電機(jī)工作時(shí)候，只有定子通電（三相交流電），轉(zhuǎn)子由于受到感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)（原理同變壓器），由于是感應(yīng)電流，所以，產(chǎn)生磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)候要滯后定子磁場(chǎng)一個(gè)角度，在定子側(cè)看，是定子磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速要低于同步轉(zhuǎn)速，所以就稱之為異步電機(jī)。

 

 

直線異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和旋轉(zhuǎn)式異步電動(dòng)機(jī)一樣，定子繞組與交流電源相連接，通以多相交流電流后，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的行波磁場(chǎng)（當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)半徑很大時(shí)，就成了直線運(yùn)動(dòng)的行波磁場(chǎng)）。該磁場(chǎng)沿氣隙作直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，在動(dòng)子導(dǎo)體中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生電流，這個(gè)電流與行波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生異步推動(dòng)力，使動(dòng)子沿行波方向作直線運(yùn)動(dòng)。若把直線異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中電源相序改變一下，則行波磁場(chǎng)移動(dòng)方向也會(huì)反過(guò)來(lái)，根據(jù)這一原理，可使直線異步電動(dòng)機(jī)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

 

直線異步電動(dòng)機(jī)主要用于功率較大場(chǎng)合的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如門自動(dòng)開(kāi)閉裝置，起吊、傳遞和升降的機(jī)械設(shè)備，驅(qū)動(dòng)車輛，尤其是用于高速和超速運(yùn)輸?shù)?。由于牽引力或推?dòng)力可直接產(chǎn)生，不需要中間連動(dòng)部分，沒(méi)有摩擦，無(wú)噪聲，無(wú)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，不受離心力影響等問(wèn)題。因此，其應(yīng)用將越來(lái)越廣。直線同步電動(dòng)機(jī)由于性能*，應(yīng)用場(chǎng)合與直線異步電動(dòng)機(jī)相同，有取代趨勢(shì)。直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于數(shù)控繪圖儀、記錄儀、數(shù)控制圖機(jī)、數(shù)控裁剪機(jī)、磁盤存儲(chǔ)器、精密定位機(jī)構(gòu)等設(shè)備中。

 

同步式(次級(jí)為磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，盡管其對(duì)隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機(jī)床用直線電機(jī)的主流。

 

步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較

 

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

 

一、控制精度不同

 

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。

 

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

 

二、低頻特性不同

 

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。

 

交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

 

三、矩頻特性不同

 

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

 

四、過(guò)載能力不同

 

步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

 

五、運(yùn)行性能不同

 

步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

 

六、速度響應(yīng)性能不同

 

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

 

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。