大家好，這兩天來給大家介紹一下常用的8種電機。今天的內容屬于《電機與拖動》里面的一些基礎概念，如果想深入學習的話可以查閱這一本書。

當我們在機電系統中選擇電機的時候，我們主要需要關注什么？

驅動電源是什么 （單相、三相、直流、交流）

帶什么樣的負載 （恒轉矩負載、恒功率負載、風機負載）

電機具備的特性 （調速特性、機械特性、運行的區間等）

其他的性質 （價格、重量等）

接下來我們就以電機為分類，共8類電機，為大家介紹一下。

1、三相感應電機（三相異步電機）

三相異步電機是工業界應用最多的電機，沒有之一。關于它的工作原理，可以參考上一篇推文。

三相異步電機結構非常簡單（轉子可以不需要接線，不用電刷換向器），制造成本低，容易做大功率（小到幾百瓦，大到幾十上百千瓦）。不過由于“異步”的影響，三相異步電機的轉速會比同步轉速稍微慢一些，且會有一定的波動（一般波動大約在同步轉速的0.9~1倍）。

一般來說，三相異步電機用在能夠接上三相電的場合，用作動力電機。動力電機的意思是為機械系統提供動力的電機，這些電機一般不需要大的調速范圍，也不需要精準的控制，只需要提供動力就行。比如說各種農業機械、各種普通機床、吊車、砂輪機。

三相異步電機有一個比較大的局限性：轉速范圍相對比較單一。在220V50Hz的供電下，同步轉速只能是3000轉和3000轉除以整數的值。如果想要提速，只能把電源接變頻器提升頻率，或者加機械變速器。

對于電機來說，使用者非常關注的，是一個轉速-轉矩曲線圖，這個曲線也稱為 機械特性曲線 。它表示出了一定轉速下電機輸出轉矩的多少，以及電機此時運行的穩定性。我們來看看三相異步電機的機械特性曲線：

這個曲線是這么看的：橫軸是轉矩，縱軸是轉速。E點表示完全空載時的理想情況，這時候，電機不輸出力矩，轉速等于同步轉速（實際不存在）。當電機接上負載，負載產生阻力，導致電機轉速下降。轉速一旦下降，電機輸出力矩就會增大，并且當輸出力矩正好平衡負載力矩的時候，電機轉速保持穩定。所以一般工作的時候，電機會工作在N點附近，也就是E ~K點的這個范圍。

這個范圍，稱為異步電機的 穩定工作區間 。之所以稱為穩定工作區間，是因為其自身能夠維持工作點的穩定。比如說，電機在N點運行，這時候負載突然變大，負載變大導致轉速降低，轉速降低導致輸出力矩增大，從而讓轉速不再降低。因此負載變化后，電機會穩定在一個新的工作點：

但是下方的S ~ K段，稱為電機的不穩定工作區間。假設我們在這段區間內有一個工作點，當負載變大時，電機的轉速下降；電機轉速下降導致電機輸出的力矩更小，輸出力矩更小轉速就下降的更厲害——最后只能導致電機工作點滑到S點，電機停轉。如果負載變小，電機的轉速會上升，轉速的上升進一步導致輸出力矩增大，轉速又上升……最終會導致電機回到E~K段工作。

穩定和不穩定可以參考這張圖理解：

注意一下，我們上面所討論的情況基于一個假設：負載所需要的轉矩是一樣的。比如說我們要從一樓把一袋沙子拉到10樓，這個時候我們需要的拉力是確定的（克服重力），而拉的速度是可以變化的，拉的越快，需要的功率就越大，這就是所謂的 恒轉矩負載 。恒轉矩負載在機械特性上呈現一條豎直的直線。

另一類負載稱為恒功率負載。比如說我們開普通機床。普通機床加工一般有粗加工和精加工兩種工序，粗加工的時候切削力大，但是切削速度慢；精加工的時候切削力小，切削速度快。也就是說機床的電機輸出的是一個穩定的功率，所以機床是一個 恒功率負載 。當然，普通機床一般是通過變速箱實現轉矩變換的功能的。另一種典型的恒功率負載就是電動車。我們騎電動車的時候，起步需要大扭矩，巡航需要小扭矩，這也是恒功率特性。恒功率負載的曲線是一條反比例函數。

除了這兩類負載之外，還有一種特殊的負載稱為 風機負載 。風機負載一般指的就是帶動流體動力設備（比如說風扇、水泵等）的負載，最簡單可以理解成一個電扇。風機負載的力矩隨著轉速的提升而提升，阻力大致與轉速呈平方關系，所以體現在圖上是一個開口向右的拋物線。電風扇是從來不會堵轉的，因為啟動的時候基本不需要力矩。

對于異步電機來說，有一個重要的參數，就是能輸出的最大轉矩（臨界轉矩），也就是圖上K點的轉矩。異步電機帶的負載不能超過這個轉矩，否則就會堵轉，這個轉矩的具體大小可以查閱書本計算。

另外還有兩條特性曲線：

調壓機械特性：

注意一下異步電機調節輸入電壓（頻率不變）的時候，最大轉矩所在的轉速是一樣的，但是總體轉矩會變化。

調轉子電阻機械特性：

調節轉子電阻的時候，最大轉矩不會變，但最大轉矩的工作點會變，轉子電阻小時，電機在運行的時候，轉速受負載影響小（稱為機械特性硬）；轉子電阻大時，電機轉速受負載影響大（稱為機械特性軟），但是啟動轉矩會變大。作為拖動電機的時候我們希望電機特性硬一些，這樣輸出更穩定；而作為控制電機，我們希望電機特性軟一些，這樣比較能夠控制。

2、單相感應電機（單相異步電機）

三相電對于家庭來說獲取困難，所以對于加工的設備，我們希望用單相電就能夠帶動，比如風扇。大家可能會想到單相電整流之后送直流電機，這樣可以，但是整流設備要錢，直流電機有電刷，結構復雜維護困難。有沒有可能用單相電驅動三相異步電機呢？

答案是有的，但是需要一點改進。三相電可以直接生成旋轉磁場，但是單相電只能形成一個方向在一個直線上的交變磁場。如果要想形成旋轉磁場，電流就一定要有相位差。怎么辦呢？純電感電路的電流是滯后電壓90度的，如果我們給這個電路加上一個足夠大的電容，讓容性抵消感性，這時候回路變成近乎阻性的，那么電壓和電流同相位。如果我們制造兩個回路，一個回路串電容，一個回路不串電容，那就可以形成兩個有90度相位差的回路。繞兩組線圈，就能把單相分成兩相，形成旋轉磁場驅動電機。

實際使用的時候單相電機往往直接用一個三相電機接兩個電容分出兩相來使用，所以看到掛著電容的異步電機就是單相電機了。

家里空調壞了也經常是因為壓縮機（就是單相異步電機）的電容壞了，導致沒法啟動，所以總是要換電容。

用單相電驅動電機的代價是會損失一點力矩，并且沒法直接啟動，因此要接電容分相才能啟動。

3、直流有刷電機

直流有刷電機就是大家初中高中學的，需要用電刷換向的電機。如果說在交流電供電下三相異步電機用的最多，那直流電供電下有刷電機是普及率最高的了。

大家見的比較多的直流電機一般就是這種

這種是結構最簡單的直流電機。其中電流通進轉子的線圈（稱為電樞），依靠電機內部的永久磁鐵的磁性實現勵磁，讓電機轉起來。

對于一些更專業的直流電機，大家希望直流電機中定子的磁場也能受控制，所以用線圈+硅鋼片代替永磁體。然后定子的線圈（稱為勵磁繞組）和轉子線圈（稱為電樞繞組）之間還可以有各種連接方式的組合：

上圖中的四種：他勵，并勵，串勵，復勵。

接下來我們來講講直流電機的回路。直流電機的回路在初高中只是當成一個“非純電阻電路”來看待，這里我們把這個定義明確：電動機是一個“電阻負載+反電勢負載”。

當電機不轉的時候，電樞回路只相當于是一個電阻，而線圈的電阻是很小的，所以如果給電機加大電壓，但不讓電機轉動，這時候是一個純電阻電路，電流是非常大的，電機很容易燒壞。

當加上電壓，電機開始轉動。電機一旦開始轉動，就會在電磁感應的作用下產生一個感應電動勢E（emf）。這個感應電動勢對外加電壓起到抵消的作用，從而使電流減小。所以電機空載的時候，電流是很小的。

當電機加上負載，就會導致電機的轉速變慢。電機的轉速變慢，使得感應電動勢變小，電機上的電流就會增大。增大的電流產生更大的力矩，抵消轉速變慢的效應，從而使電機的轉速保持穩定。

這就是為什么對直流電機不能以I2R計算電功率的問題，因為這樣只是計算出了電機的電阻發熱，而沒有考慮電機輸出的有用功。

直流電機有一個令其他電機都羨慕的特性：機械特性是一條直線，調速方便。

下圖，通過調節電樞電阻，可以調節機械特性的軟硬：

下圖，通過調節電樞電壓的大小，可以調節轉速：

如果在額定轉速下還覺得電機速度不夠快，可以把磁通減弱，這樣電機能夠高于額定轉速運行，這個原理稱為 弱磁調速 。當然，一般來說不會通過增加勵磁電流來降低轉速，因為鐵磁性材料有個磁飽和的問題。一旦勵磁電流過大，磁路飽和，磁通無法再增強，磁鐵上還會大量發熱。

除了他勵/并勵這種電機磁通量恒定的情況，還有一種特殊情況： 串勵電機。 串勵電機在直流電機中擁有很神奇的特性：

當電機的負載增大，反電動勢減小，回路電流增大。回路的電流增大同時導致勵磁回路電流增大，磁通增強，因而導致輸出力矩增大（而且增大得比他勵電機多）。電機負載減小，反電動勢增大，回路電流減小。回路電流減小同時導致勵磁回路電流減小，磁通減弱，電機轉速更快（相當于自動進行了“弱磁”）。串勵電機的機械特性是恒功率的：

這個特性有時候很好用。比如說用在電動車上，起步的時候速度為0，轉矩可以相當大，而巡航的時候可以速度很快，轉矩很小，等于是一個“無級變速”電機。另外 串勵電機還可以在交流電下運行 ，因為電樞回路和勵磁回路同時改變方向，磁場作用力還是一樣的。

還可以把串勵電機用來做雕刻機的主軸。雕刻機就是CNC，吃刀量大，轉速自然慢，吃刀量小，轉速自然快。國外就很多用木工修邊機做雕刻機主軸的。

相比交流電機，直流電機的體積可以做的比較小，并且轉速高、功率大、調速方便。所以許多需要高速的設備，比如說需要上萬轉的電鋸，需要靈活調速的手電鉆等，都會采用交流電整流+可控硅調速這樣的方法來帶直流電機。

4、交流同步電機

看到這個詞大家應該會想到“異步電機”。沒錯，同步電機的轉速和電源是“同步”的。如果磁場旋轉速度是3000轉，那么電機的旋轉速度也會是穩定的3000轉（只要不過載）。

同步電機是什么原理呢？同步電機的定子和異步電機是一樣的，三相繞組通入三相電，產生旋轉磁場。不過轉子不太一樣，同步電機的轉子是一塊有極性的磁鐵（可以是永磁體或者是硅鋼通電勵磁）。對于異步電機來說，轉子產生磁場是由于旋轉磁場切割磁感線從而導致轉子產生感應電流繼而產生磁場，這樣就一定會有一個滯后。但同步電機的轉子是本身自帶磁場，所以不存在這個滯后現象，轉子的磁體會跟隨定子的旋轉磁場同步轉動。

“同步”這個功能有時候很重要，因為我們總有一些要維持轉速恒定的場合。舉個最簡單的例子，以前對于音頻的記錄，都是靠磁帶的。用磁帶放音，如果電機的轉速高低不定，聽到的聲音就會非常奇怪。有時候磁帶機的電池沒電了，就會出現音調降低的情況。

另外，同步電機還有一個非常非常重要的特性：

同步電機的功率因數是可以調的。

前面的學習我們知道，異步電機需要勵磁，勵磁的電流是無功感性電流，這會對功率因數產生一定的影響。并且如果電網上異步電機很多，功率因數就會很差，也就代表能量得不到利用。

但是同步電機有一個特殊的本領：當轉子的勵磁電流比較小的時候（稱為欠勵），同步電機是感性的。當轉子的勵磁電流增大到一定程度，感性就消失了，這個時候整個同步電機是阻性的。阻性電路就代表所有電流都用來做功，這個時候功率因數就是最大的，能量利用率也是最高的。如果我們再增加一點勵磁電流，這時候同步電機會變成容性的！因為通常情況下使用異步電機遠多于同步電機，所以使用同步電機，并且讓同步電機工作在過勵磁狀態，就能補償整個電網的功率因數。