同步電動(dòng)機與異步電動(dòng)機

 

 

原理：

 

同步電機就是靠勵磁電流運行的，如果沒(méi)有勵磁，電機就是異步的。勵磁是加在轉子上的直流系統，它的旋轉速度和極性與定子是一致的，如果勵磁出現問(wèn)題，電動(dòng)機就會(huì )失步，調整不過(guò)來(lái)，觸發(fā)保護“勵磁故障”電動(dòng)機跳閘說(shuō)的白一點(diǎn)，勵磁電流就是同步電機轉子中流過(guò)的電流（有了這個(gè)電流，使轉子相當于一個(gè)電磁鐵，有N極和S極），在正常運行時(shí)，這個(gè)電流是由外部加在轉子上的直流電壓產(chǎn)生的。以前這個(gè)直流電壓是由直流電動(dòng)機供給，現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稱(chēng)為勵磁裝置。

 

直線(xiàn)異步電動(dòng)機的結構主要包括定子、動(dòng)子和直線(xiàn)運動(dòng)的支撐輪三部分。為了保證在行程范圍內定子和動(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(cháng)度不等。定子可制成短定子和長(cháng)定子兩種形式。由于長(cháng)定子結構成本高、運行費用高，所以很少采用。直線(xiàn)電動(dòng)機與旋轉磁場(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(xiàn)異步電動(dòng)機可制成罩極式，也可通過(guò)電容移相。直線(xiàn)異步電動(dòng)機的動(dòng)子有三種形式：

 

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

 

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

 

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

 

因磁性動(dòng)子的直線(xiàn)異步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，動(dòng)子不僅作為導磁、導電體，甚至可以作為結構部件，其應用前景廣闊。

 

異步機就是電機的轉子轉動(dòng)的速度與定子所產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)的旋轉速度不一致，有一個(gè)差值（不同步）。我們叫轉差。這個(gè)轉差與定子所產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)的轉速的比率叫轉差率。

 

同步機與異步機的區別在于：

 

從供電方面說(shuō)，異步機只是在定子側加上電壓（也有轉子上加電壓的），而同步機要在定子和轉子上都加上電壓。也就是說(shuō)異步機是單邊勵磁，同步機是雙邊勵磁。從轉速方面說(shuō)，異步機的轉速只與負荷大小有關(guān)（當然有一定的范圍），而同步機的轉速只與電網(wǎng)的頻率有關(guān)。從結構上說(shuō)，同步電機與異步機轉子的構造也不一樣。異步機的轉子是有夕鋼片和鋁條（或夕鋼片和線(xiàn)圈組成），而同步機一般由數塊磁鋼和線(xiàn)圈組成（也有隱極式的不太一樣）。當然還有許多差別，如工藝要求、設計問(wèn)題等等，我也說(shuō)不全，請共同探討。

 

在電機設計上，交流異步電機的轉子一般為鼠籠型的，還有繞線(xiàn)型的，定子上繞組也有不同的繞制方法。而同步電機設計上定子轉子可能都是繞線(xiàn)的。

 

電機的工作上，同步電機工作時(shí)，電機的轉子通入直流電，產(chǎn)生類(lèi)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，轉速n＝60f/p，這里f是電源頻率，p是電機的極對數。異步電機工作時(shí)候，只有定子通電（三相交流電），轉子由于受到感應電流產(chǎn)生磁場(chǎng)（原理同變壓器），由于是感應電流，所以，產(chǎn)生磁場(chǎng)旋轉時(shí)候要滯后定子磁場(chǎng)一個(gè)角度，在定子側看，是定子磁場(chǎng)拖動(dòng)轉子旋轉。轉速要低于同步轉速，所以就稱(chēng)之為異步電機。

 

 

直線(xiàn)異步電動(dòng)機的工作原理和旋轉式異步電動(dòng)機一樣，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)平穩的行波磁場(chǎng)（當旋轉磁場(chǎng)半徑很大時(shí)，就成了直線(xiàn)運動(dòng)的行波磁場(chǎng)）。該磁場(chǎng)沿氣隙作直線(xiàn)運動(dòng)，同時(shí)，在動(dòng)子導體中感應出電動(dòng)勢，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(xiàn)運動(dòng)。若把直線(xiàn)異步電動(dòng)機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)，根據這一原理，可使直線(xiàn)異步電動(dòng)機作往復直線(xiàn)運動(dòng)。

 

直線(xiàn)異步電動(dòng)機主要用于功率較大場(chǎng)合的直線(xiàn)運動(dòng)機構，如門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉裝置，起吊、傳遞和升降的機械設備，驅動(dòng)車(chē)輛，尤其是用于高速和超速運輸等。由于牽引力或推動(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)轉子發(fā)熱，不受離心力影響等問(wèn)題。因此，其應用將越來(lái)越廣。直線(xiàn)同步電動(dòng)機由于性能優(yōu)越，應用場(chǎng)合與直線(xiàn)異步電動(dòng)機相同，有取代趨勢。直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機應用于數控繪圖儀、記錄儀、數控制圖機、數控裁剪機、磁盤(pán)存儲器、精密定位機構等設備中。

 

同步式(次級為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現在也已成為機床用直線(xiàn)電機的主流。

 

步進(jìn)電機和交流伺服電機性能比較

 

步進(jìn)電機是一種離散運動(dòng)的裝置，它和現代數字控制技術(shù)有著(zhù)本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內的數字控制系統中，步進(jìn)電機的應用十分廣泛。隨著(zhù)全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來(lái)越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢，運動(dòng)控制系統中大多采用步進(jìn)電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動(dòng)機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場(chǎng)合上存在著(zhù)較大的差異。現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)電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置為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)電機的步距角。

 

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線(xiàn)編碼器的電機而言，由于驅動(dòng)器內部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當量的1/655。

 

二、低頻特性不同

 

步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象。振動(dòng)頻率與負載情況和驅動(dòng)器性能有關(guān)，一般認為振動(dòng)頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進(jìn)電機工作在低速時(shí)，一般應采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動(dòng)器上采用細分技術(shù)等。

 

交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時(shí)也不會(huì )出現振動(dòng)現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點(diǎn)，便于系統調整。

 

三、矩頻特性不同

 

步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)會(huì )急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以?xún)龋寄茌敵鲱~定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

 

四、過(guò)載能力不同

 

步進(jìn)電機一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過(guò)載和轉矩過(guò)載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒(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矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

 

五、運行性能不同

 

步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象，停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制，驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象，控制性能更為可靠。

 

六、速度響應性能不同

 

步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速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，交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來(lái)做執行電動(dòng)機。所以，在控制系統的設計過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。