物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的電機家族成員解密（一）_電機總述篇

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電機

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電機可以提高設(shè)備的智能化水平，實現(xiàn)遠程控制、自動化控制、故障診斷、預(yù)測維護等功能，從而提高生產(chǎn)效率、降低維護成本、提高生活質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電機應(yīng)用方案通常涉及到電機控制、監(jiān)測和維護等方面。以下是一些常見的物聯(lián)網(wǎng)電機應(yīng)用方案：

1、智能家居：在智能家居中，物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制窗簾、窗戶、門鎖等設(shè)備的開關(guān)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)遠程控制、定時控制、場景控制等功能，提高家居的智能化水平。

2、工業(yè)自動化：在工業(yè)自動化中，物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制生產(chǎn)線、物流輸送線等設(shè)備的運行。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、故障診斷、預(yù)測維護等功能，提高生產(chǎn)效率和降低維護成本。

3、智能交通：在智能交通中，物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制信號燈、路燈、廣告牌等設(shè)備的開關(guān)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制、自適應(yīng)控制等功能，提高交通的安全性和效率。

4、智能農(nóng)業(yè)：在智能農(nóng)業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等設(shè)備的運行。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、自動化控制等功能，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率和降低勞動成本。

電機的定義

電機是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。

電機的分類

1.按工作電源種類劃分：

可分為直流電機和交流電機。兩者之間的區(qū)別如下：

結(jié)構(gòu)

直流電機的基本結(jié)構(gòu)包括電樞、永磁體、換向器、電刷等部件。其中，電樞和永磁體是直流電機的核心部件，電樞由導(dǎo)電材料繞成的線圈組成，永磁體則產(chǎn)生一個恒定的磁場。換向器和電刷則用于改變電樞的電流方向，使電機能夠正常工作。

交流電機的基本結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子、定子、電容器等部件。轉(zhuǎn)子是電機的旋轉(zhuǎn)部分，由鐵芯和線圈組成；定子則是電機的靜止部分，由鐵芯和線圈組成；電容器則用于改善電機的功率因數(shù)和啟動性能。

工作原理

直流電機的工作原理是基于洛倫茲力的作用，當(dāng)電樞通電時，電流會在電樞和永磁體之間產(chǎn)生一個力矩，使電機開始旋轉(zhuǎn)。換向器和電刷則用于改變電樞的電流方向，使電機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。

交流電機的工作原理是基于電磁感應(yīng)的作用，當(dāng)定子上的線圈受到交流電源的供電時，會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。電容器則用于改善電機的功率因數(shù)和啟動性能。

應(yīng)用場景

直流電機適用于需要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的場合，如電動車、機床、風(fēng)扇等。由于直流電機的輸出功率較大，因此在一些需要大功率輸出的場合也會使用直流電機。

交流電機適用于需要大扭矩啟動和運行的場合，如電動工具、空調(diào)、洗衣機等。由于交流電機的輸出功率較小，因此在一些需要小功率輸出的場合也會使用交流電機。

優(yōu)缺點

無刷電機：優(yōu)點是高效、壽命長、噪音小、電磁干擾小、響應(yīng)速度快；缺點是成本高、需要復(fù)雜的控制電路。

有刷電機：優(yōu)點是制造成本低、控制電路簡單、產(chǎn)生大的電磁力；缺點是壽命短、噪音大、無法高效、平穩(wěn)地運行。

2.按結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分：

可分為異步電動機、同步電動機。二者差別如下：

工作原理

同步電動機是一種在電網(wǎng)頻率下同步運轉(zhuǎn)的電機，其特點是轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率成正比例關(guān)系，且轉(zhuǎn)速恒定不變，與電源頻率和極數(shù)有關(guān)，同步電動機通過勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生磁場與電源頻率同步旋轉(zhuǎn)的；異步電動機是一種在電網(wǎng)頻率下異步運轉(zhuǎn)的電機，其轉(zhuǎn)速不恒定，隨負載的變化而變化，受負載影響，一般略低于同步轉(zhuǎn)速。工作原理是通過定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)出轉(zhuǎn)子中的渦流。

功率因數(shù)

同步電動機的功率因數(shù)一般為1，而異步電動機的功率因數(shù)一般小于1，需要通過添加電容器等方式來提高功率因數(shù)。

應(yīng)用場景

同步電動機適用于高精度、高穩(wěn)定性、高效率的場合，如發(fā)電、輸電、水泵、風(fēng)機等；而異步電動機適用于大功率、低速、大扭矩的場合，如壓縮機、起重機、機床等。

3.按起動與運行方式可劃分：

電容起動單相異步電動機、電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。

在這里重點介紹一下單相電容啟動異步電機和電容運轉(zhuǎn)異步電機。

單相電容啟動異步電機也稱為單相感應(yīng)電動機，是一種簡單、常用的電機類型。相比于三相電機，單相電機的啟動和運轉(zhuǎn)過程更為復(fù)雜，并且輸出功率較小。因此，單相電機應(yīng)用場景相對有限，一般用于家用電器、小型機械和小型空調(diào)等。單相電機啟動時，需要借助電容器來幫助產(chǎn)生相位差，從而使電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和運動。這時，電容啟動器起到了關(guān)鍵作用。電容啟動器的原理是采用兩個電容器，一個串聯(lián)于電源，另一個則是與電機并聯(lián)，來使電機產(chǎn)生相位差，從而達到啟動的目的。但是，單相電機的啟動過程比較不穩(wěn)定，容易引起噪聲和振動。

電容運轉(zhuǎn)異步電機，也叫電容運轉(zhuǎn)電動機，是一種采用電容器來改變電動機起始電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的電機。和單相電機相比，電容運轉(zhuǎn)異步電機在輸出功率上有所提升，可應(yīng)用于較大功率的機械、水泵和風(fēng)扇、通風(fēng)設(shè)備等領(lǐng)域。電容運轉(zhuǎn)異步電機與單相電機相比，其啟動和運行都相對穩(wěn)定。同時，由于電容運轉(zhuǎn)異步電機的啟動過程比較簡單，只需要反轉(zhuǎn)電容器的極性即可實現(xiàn)啟動，所以啟動器相對簡單，成本相對低廉。

單相電容啟動異步電機和電容運轉(zhuǎn)異步電機的區(qū)別：

3.1、工作原理不同：單相電容啟動異步電機需要電容啟動器來幫助啟動，而電容運轉(zhuǎn)異步電機不需要啟動器，只需要反轉(zhuǎn)電容器的極性即可。

3.2、應(yīng)用場景不同：單相電機應(yīng)用場景相對有限，一般用于家用電器、小型機械和小型空調(diào)等領(lǐng)域；而電容運轉(zhuǎn)異步電機能夠輸出較大功率，可應(yīng)用于較大功率的機械、水泵、通風(fēng)設(shè)備等領(lǐng)域。

3.3、啟動和運行穩(wěn)定性不同：電容運轉(zhuǎn)異步電機的啟動和運行都相對穩(wěn)定，而單相電機的啟動過程比較不穩(wěn)定，容易引起噪聲和振動。

3.4、啟動器不同：單相電機需要電容啟動器幫助啟動，而電容運轉(zhuǎn)異步電機則不需要啟動器或者只需要簡單的反轉(zhuǎn)電容器極性的啟動器即可實現(xiàn)啟動。

4.按用途可劃分：

驅(qū)動用電動機和控制用電動機。

1）驅(qū)動用電動機可劃分：電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風(fēng)、電動剃須刀等）用電動機及其他通用小型機械設(shè)備（包括各種小型機床、小型機械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機。

2）控制用電動機又劃分：步進電動機和伺服電動機等。二者差別如下：

工作原理

步進電機是一種定角度運轉(zhuǎn)的電動機，它的轉(zhuǎn)動是根據(jù)外部提供的脈沖信號來實現(xiàn)的。通過在定子中依次激勵各相繞組來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的位置、速度和加速度等進行精確控制來實現(xiàn)高精度運動；伺服電機是一種基于反饋控制的電動機，通過傳感器對轉(zhuǎn)子位置、速度、力矩等參數(shù)進行實時監(jiān)測和反饋，根據(jù)控制器的指令進行電機轉(zhuǎn)動的控制。

控制方式

步進電機的控制方式相對簡單只需要控制定子繞組的激勵信號，可以通過單片機、PLC等控制器實現(xiàn)。而伺服電機需要通過更復(fù)雜的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)高精度位置、速度和加速度控制，通常需要使用專門的伺服控制器和編碼器等配套設(shè)備。

應(yīng)用場景

步進電機具有精度高、控制簡單、適合低速運動等特點，適用于需要高精度定位控制的場合，如印刷機、繪圖儀、數(shù)碼相機等；伺服電機適用于需要高速、高精度運動控制的場合，如機床、自動化生產(chǎn)線、機器人等。

5.按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可劃分：

籠型感應(yīng)電動機（舊標準稱為鼠籠型異步電動機）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。

籠型電動機是指轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電部分（除矽鋼片和軸以外）就象一個逮老鼠的籠子，可以是鑄鋁的，也可以是用銅條焊接的，轉(zhuǎn)子部分和電源沒有連接，靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而形成轉(zhuǎn)矩；

繞線型電動機，轉(zhuǎn)子繞組是用絕緣導(dǎo)線繞制而成，用電刷和電源連接，一般通直流電（叫勵磁電壓），改變勵磁電壓的大小，即可改變電機的力矩。直流電機都為繞線型電動機，改變勵磁電壓的大小，可以改變電機的轉(zhuǎn)數(shù)和力矩。

它們的區(qū)別如下：

結(jié)構(gòu)：籠型電動機是指轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電部分（除矽鋼片和軸以外）就象一個逮老鼠的籠子，可以是鑄鋁的，也可以是用銅條焊接的，轉(zhuǎn)子部分和電源沒有連接，靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而形成轉(zhuǎn)矩；而繞線型電動機，轉(zhuǎn)子繞組是用絕緣導(dǎo)線繞制而成，用電刷和電源連接，一般通直流電（叫勵磁電壓），改變勵磁電壓的大小，即可改變電機的力矩。 直流電機都為繞線型電動機，改變勵磁電壓的大小，可以改變電機的轉(zhuǎn)數(shù)和力矩。

性能：籠型電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、維護方便等優(yōu)點，但其啟動轉(zhuǎn)矩較小，適用于輕載啟動和恒速運行的場合；繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護困難，適用于重載啟動和需要調(diào)速的場合。

應(yīng)用：籠型電動機廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域；繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機主要應(yīng)用于起重機械、冶金機械、礦山機械等領(lǐng)域。

6.按運轉(zhuǎn)速度劃分

高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調(diào)速電動機。

低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

調(diào)速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調(diào)速電動機、直流調(diào)速電動機、PWM變頻調(diào)速電動機和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機。異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。同步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用：

高速電動機：由于是一種運轉(zhuǎn)速度較高的電動機，通常用于需要高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，如高速機床、高速印刷機等。

低速電動機：由于是一種運轉(zhuǎn)速度較低的電動機，通常用于需要低速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，如起重機、升降機等。

恒速電動機：由于是一種運轉(zhuǎn)速度恒定的電動機，通常用于需要穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的設(shè)備，如風(fēng)扇、水泵等。

調(diào)速電動機：由于是一種可以調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)速度的電動機，通常用于需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的設(shè)備，如機床、空調(diào)等。

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審核編輯 黃宇