這里我們主要討論旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的種類很多，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用極其廣泛，可以說(shuō)，有電能應(yīng)用的場(chǎng)合都會(huì)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)的身影。與內(nèi)燃機(jī)和蒸汽機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行效率要高的多；并且電能比其它能源傳輸更方便、費(fèi)用更廉價(jià)，此外電能還具有清潔無(wú)污、容易控制等特點(diǎn)，所以在實(shí)際生活中和工程實(shí)踐中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛。
不同的電機(jī)有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)電機(jī)工作原理研究的不斷深入，目前還出現(xiàn)了許多新型的電機(jī)，例如，美國(guó)EAD公司研制的無(wú)槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，日本SERVO公司研制的小功率混合式步進(jìn)電機(jī)，我國(guó)自行研制適用于工業(yè)機(jī)床和電動(dòng)自行車上的大力矩低轉(zhuǎn)速電機(jī)等。
1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)分類
在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，由于發(fā)電機(jī)是電能的生產(chǎn)機(jī)器，所以和電動(dòng)機(jī)相比，它的種類要少的多；而電動(dòng)機(jī)是工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)器，所以和發(fā)電機(jī)相比，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的研究要多的多，對(duì)其分類也要詳細(xì)的多。實(shí)際上，我們通常所說(shuō)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是狹義的，也就是電動(dòng)機(jī)——俗稱“馬達(dá)”。眾所周知，電動(dòng)機(jī)是傳動(dòng)以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的重點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始從過(guò)去簡(jiǎn)單的傳動(dòng)向復(fù)雜的控制轉(zhuǎn)移；尤其是對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩的精確控制。
由此可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)電氣工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，熟悉各種電機(jī)的類型及其性能是很重要的一件事情。通常人們根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的用途進(jìn)行基本分類。下面我們就從控制電動(dòng)機(jī)開(kāi)始，逐步介紹電機(jī)中最有代表性、最常用、最基本的電動(dòng)機(jī)——控制電動(dòng)機(jī)和功率電動(dòng)機(jī)以及信號(hào)電機(jī)。
2 控制電動(dòng)機(jī)
2.1 伺服電動(dòng)機(jī)
伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。
伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分；最早的伺服電動(dòng)機(jī)是一般的直流電動(dòng)機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電動(dòng)機(jī)。目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講,就是小功率的直流電動(dòng)機(jī),其勵(lì)磁多采用電樞控制和磁場(chǎng)控制,但通常采用電樞控制。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類，直流伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)械特性上能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的要求，但是由于換向器的存在，存在許多的不足：換向器與電刷之間易產(chǎn)生火花，干擾驅(qū)動(dòng)器工作，不能應(yīng)用在有可燃?xì)怏w的場(chǎng)合；電刷和換向器存在摩擦，會(huì)產(chǎn)生較大的死區(qū)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)比較困難。
交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)，其控制方法主要有三種：幅值控制、相位控制和幅相控制。
一般地，伺服電動(dòng)機(jī)要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號(hào)的控制；轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號(hào)的變化而連續(xù)變化；電動(dòng)機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)。
2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
所謂步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)；所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場(chǎng)合。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域；尤其是在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以一直被認(rèn)為是最理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。
除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。
此外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也存在許多缺陷；由于步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大，細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制；并且，步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲。
2.3 力矩電動(dòng)機(jī)
所謂的力矩電動(dòng)機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電動(dòng)機(jī)。其電樞有較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。力矩電動(dòng)機(jī)有直流力矩電動(dòng)機(jī)和交流力矩電動(dòng)機(jī)兩種。
其中，直流力矩電動(dòng)機(jī)的自感電抗很小，所以響應(yīng)性很好；其輸出力矩與輸入電流成正比，與轉(zhuǎn)子的速度和位置無(wú)關(guān)；它可以在接近堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接和負(fù)載連接低速運(yùn)行而不用齒輪減速，所以在負(fù)載的軸上能產(chǎn)生很高的力矩對(duì)慣性比，并能消除由于使用減速齒輪而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。
交流力矩電動(dòng)機(jī)又可以分為同步和異步兩種，目前常用的是鼠籠型異步力矩電動(dòng)機(jī)，它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點(diǎn)。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動(dòng)機(jī)，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動(dòng)機(jī)的相同，但是由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的電阻較大，所以其機(jī)械特性較軟。
2.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。
2.5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流；無(wú)刷直流電機(jī)又可以分為無(wú)刷速率電機(jī)和無(wú)刷力矩電機(jī)。一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。有時(shí)候把前一種叫直流無(wú)刷電機(jī)，后一種叫交流伺服電機(jī)，確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。
無(wú)刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常采用“細(xì)長(zhǎng)”的結(jié)構(gòu)。無(wú)刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少4成—5成左右。由于永磁材料的加工問(wèn)題，致使無(wú)刷直流電機(jī)一般的容量都在100kW以下。
這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。
3 功率電動(dòng)機(jī)
3.1 直流電動(dòng)機(jī)
直流電動(dòng)機(jī)是出現(xiàn)最早的電動(dòng)機(jī)，大約在19世紀(jì)末，其大致可分為有換向器和無(wú)換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)有較好的控制特性直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、價(jià)格、維護(hù)方面都不如交流電動(dòng)機(jī)，但是由于交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制問(wèn)題一直未得到很好的解決方案，而直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、起動(dòng)容易、能夠載重起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍然很廣泛，尤其在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。
3.2 異步電動(dòng)機(jī)
異步電動(dòng)機(jī)是基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種交流電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)一般為系列產(chǎn)品，品種規(guī)格繁多，其在所有的電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，需量最大；目前，在電力傳動(dòng)中大約有9成的機(jī)械使用交流異步電動(dòng)機(jī)，所以，其用電量約占總電力負(fù)荷的一半以上。
異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。并且，異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。異步電動(dòng)機(jī)主要廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、起重卷?yè)P(yáng)設(shè)備、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等大多數(shù)工農(nóng)生產(chǎn)機(jī)械以及家用電器和醫(yī)療器械等。
在異步電動(dòng)機(jī)中較為常見(jiàn)的是單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)，其中三相異步電動(dòng)機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)的主體。而單相異步電動(dòng)機(jī)一般用于三相電源不方便的地方，大部分是微型和小容量的電機(jī)，在家用電器中應(yīng)用比較多，例如電扇、電冰箱、空調(diào)、吸塵器等。
3.3 同步電動(dòng)機(jī)
所謂同步電動(dòng)機(jī)就是在交流電的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的定子和異步電動(dòng)機(jī)的完全一樣；但其轉(zhuǎn)子有“凸極式”和“隱極式”兩種。凸極式轉(zhuǎn)子的同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，但是機(jī)械強(qiáng)度較低，適用于低速運(yùn)行場(chǎng)合；隱極式同步電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，但機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合。
同步電動(dòng)機(jī)的工作特性與所有的電動(dòng)機(jī)一樣， 同步電動(dòng)機(jī)也具有“可逆行”，即它能按發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，也可以按電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行。
同步電動(dòng)機(jī)主要用于大型機(jī)械，如鼓風(fēng)機(jī)、水泵、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)以及小型、微型儀器設(shè)備或者充當(dāng)控制元件；其中三相同步電動(dòng)機(jī)是其主體。此外，還可以當(dāng)調(diào)相機(jī)使用，向電網(wǎng)輸送電感性或者電容性無(wú)功功率。
4 信號(hào)電機(jī)
4.1 位置信號(hào)電機(jī)
目前，最有代表性的位置信號(hào)電機(jī)：旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和自整角機(jī)。
旋轉(zhuǎn)變壓器本質(zhì)上是可以隨意改變一次繞組和二次繞組耦合程度的變壓器。其結(jié)構(gòu)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)相同，定子和轉(zhuǎn)子各有兩組相互垂直的分布繞組，轉(zhuǎn)子繞組利用滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)接。當(dāng)一次繞組勵(lì)磁以后，二次繞組的輸出電壓和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成正弦、余弦、線性或者其他函數(shù)關(guān)系，可以用于計(jì)算裝置中的坐標(biāo)變換和三角運(yùn)算，還可以在控制系統(tǒng)中作為角度數(shù)據(jù)傳輸和移相器使用。
感應(yīng)同步器是一種高精度的位置或角度檢測(cè)元件，有圓盤式和直線式兩種。圓盤式感應(yīng)同步器用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)角位置；而直線式感應(yīng)同步器用來(lái)測(cè)量線位移。
自整角機(jī)是一種感應(yīng)式機(jī)電元件，被廣泛地應(yīng)用于隨動(dòng)系統(tǒng)中，作為角度傳輸、變換和指示的裝置。在控制系統(tǒng)中經(jīng)常兩臺(tái)或者多臺(tái)聯(lián)合使用，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根軸能夠自動(dòng)地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或者同步旋轉(zhuǎn)。
4.2 速度信號(hào)電機(jī)
最有代表性的速度信號(hào)電機(jī)是測(cè)速發(fā)電機(jī)，其實(shí)質(zhì)上是一種將轉(zhuǎn)速變換為電信號(hào)的機(jī)電磁元件，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。從工作原理上講，它屬于“發(fā)電機(jī)”的范疇。測(cè)速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測(cè)速元件來(lái)使用。
測(cè)速發(fā)電機(jī)有直流和交流之分；而直流測(cè)速發(fā)電機(jī)又有他勵(lì)和永磁之分，其結(jié)構(gòu)和工作原理與小功率直流發(fā)電機(jī)相同，通常輸出功率較小，作為計(jì)算元件時(shí)要求其輸出電壓的線性誤差和溫度誤差低于一個(gè)上限。而交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又有同步和異步之分；同步測(cè)速發(fā)電機(jī)包括：永磁式、感應(yīng)式和脈沖式；異步測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用最廣泛的是杯型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。
為了提高測(cè)速發(fā)電機(jī)的精確度和可靠性，目前，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了無(wú)刷結(jié)構(gòu)的霍爾效應(yīng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。因?yàn)檫@種霍爾效應(yīng)無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種無(wú)齒槽、無(wú)繞組的電機(jī)，所以它不會(huì)產(chǎn)生由于齒槽而存在的“齒槽諧波電勢(shì)”，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于小型化。
5 結(jié)論
一般地，在一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，信號(hào)電機(jī)、功率電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)都會(huì)有自己的用武之地。通?？刂齐妱?dòng)機(jī)是很“精確”的電動(dòng)機(jī)，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“核心執(zhí)行裝置”；而功率電動(dòng)機(jī)是比較“強(qiáng)壯”的大功率電動(dòng)機(jī)，常用來(lái)拖動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器設(shè)備；信號(hào)電機(jī)則在控制系統(tǒng)中擔(dān)任“通訊員”的角色，本質(zhì)上就是“電機(jī)傳感器”。
當(dāng)然，并不是所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)中都具備這三種電機(jī)，在一般的自動(dòng)化領(lǐng)域，例如運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制中，控制電動(dòng)機(jī)是必不可少的“核心器件”，所以控制電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)化領(lǐng)域中的地位是舉足輕重的，這也是人們對(duì)控制電動(dòng)機(jī)研究最多的原因之一。
實(shí)際上，隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和相互融合，各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的性能都逐漸“交叉化”和“特殊化”。對(duì)各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行極其詳細(xì)地分類是不可能的，因?yàn)樵S多新型旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是許多電機(jī)工作原理和許多電機(jī)制造技術(shù)高度統(tǒng)一的有機(jī)體。因此，對(duì)于非電機(jī)專業(yè)的一般電氣工程技術(shù)人員來(lái)講，能夠從整體結(jié)構(gòu)上把握各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特性和用途就可以了。
