原创 物联网行业中的电机家族成员解密（一）_电机总述篇

物联网系统中为什么要使用电机

物联网系统中使用电机可以提高设备的智能化水平，实现远程控制、自动化控制、故障诊断、预测维护等功能，从而提高生产效率、降低维护成本、提高生活质量。

物联网系统中的电机应用方案通常涉及到电机控制、监测和维护等方面。以下是一些常见的物联网电机应用方案：

1、智能家居：在智能家居中，物联网电机可以用于控制窗帘、窗户、门锁等设备的开关。通过物联网技术，可以实现远程控制、定时控制、场景控制等功能，提高家居的智能化水平。

2、工业自动化：在工业自动化中，物联网电机可以用于控制生产线、物流输送线等设备的运行。通过物联网技术，可以实现设备的远程监控、故障诊断、预测维护等功能，提高生产效率和降低维护成本。

3、智能交通：在智能交通中，物联网电机可以用于控制信号灯、路灯、广告牌等设备的开关。通过物联网技术，可以实现设备的远程控制、自适应控制等功能，提高交通的安全性和效率。

4、智能农业：在智能农业中，物联网电机可以用于控制灌溉系统、通风系统、遮阳系统等设备的运行。通过物联网技术，可以实现设备的远程监控、自动化控制等功能，提高农业的生产效率和降低劳动成本。

电机的定义

电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

电机的分类

1.按工作电源种类划分：

可分为直流电机和交流电机。两者之间的区别如下：

结构

• 直流电机的基本结构包括电枢、永磁体、换向器、电刷等部件。其中，电枢和永磁体是直流电机的核心部件，电枢由导电材料绕成的线圈组成，永磁体则产生一个恒定的磁场。换向器和电刷则用于改变电枢的电流方向，使电机能够正常工作。
• 交流电机的基本结构包括转子、定子、电容器等部件。转子是电机的旋转部分，由铁芯和线圈组成；定子则是电机的静止部分，由铁芯和线圈组成；电容器则用于改善电机的功率因数和启动性能。

工作原理

• 直流电机的工作原理是基于洛伦兹力的作用，当电枢通电时，电流会在电枢和永磁体之间产生一个力矩，使电机开始旋转。换向器和电刷则用于改变电枢的电流方向，使电机能够连续地旋转。
• 交流电机的工作原理是基于电磁感应的作用，当定子上的线圈受到交流电源的供电时，会产生一个旋转磁场，使转子开始旋转。电容器则用于改善电机的功率因数和启动性能。

应用场景

• 直流电机适用于需要控制转速和转向的场合，如电动车、机床、风扇等。由于直流电机的输出功率较大，因此在一些需要大功率输出的场合也会使用直流电机。
• 交流电机适用于需要大扭矩启动和运行的场合，如电动工具、空调、洗衣机等。由于交流电机的输出功率较小，因此在一些需要小功率输出的场合也会使用交流电机。

优缺点

无刷电机：优点是高效、寿命长、噪音小、电磁干扰小、响应速度快；缺点是成本高、需要复杂的控制电路。

有刷电机：优点是制造成本低、控制电路简单、产生大的电磁力；缺点是寿命短、噪音大、无法高效、平稳地运行。

2.按结构和工作原理可划分：

可分为异步电动机、同步电动机。二者差别如下：

工作原理

同步电动机是一种在电网频率下同步运转的电机，其特点是转速与电网频率成正比例关系，且转速恒定不变，与电源频率和极数有关，同步电动机通过励磁系统产生磁场与电源频率同步旋转的；异步电动机是一种在电网频率下异步运转的电机，其转速不恒定，随负载的变化而变化，受负载影响，一般略低于同步转速。工作原理是通过定子产生旋转磁场感应出转子中的涡流。

功率因数

同步电动机的功率因数一般为1，而异步电动机的功率因数一般小于1，需要通过添加电容器等方式来提高功率因数。

应用场景

同步电动机适用于高精度、高稳定性、高效率的场合，如发电、输电、水泵、风机等；而异步电动机适用于大功率、低速、大扭矩的场合，如压缩机、起重机、机床等。

3.按起动与运行方式可划分：

电容起动单相异步电动机、电容运转单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

在这里重点介绍一下单相电容启动异步电机和电容运转异步电机。

单相电容启动异步电机也称为单相感应电动机，是一种简单、常用的电机类型。相比于三相电机，单相电机的启动和运转过程更为复杂，并且输出功率较小。因此，单相电机应用场景相对有限，一般用于家用电器、小型机械和小型空调等。单相电机启动时，需要借助电容器来帮助产生相位差，从而使电机产生旋转和运动。这时，电容启动器起到了关键作用。电容启动器的原理是采用两个电容器，一个串联于电源，另一个则是与电机并联，来使电机产生相位差，从而达到启动的目的。但是，单相电机的启动过程比较不稳定，容易引起噪声和振动。

电容运转异步电机，也叫电容运转电动机，是一种采用电容器来改变电动机起始电流和转子转速的电机。和单相电机相比，电容运转异步电机在输出功率上有所提升，可应用于较大功率的机械、水泵和风扇、通风设备等领域。电容运转异步电机与单相电机相比，其启动和运行都相对稳定。同时，由于电容运转异步电机的启动过程比较简单，只需要反转电容器的极性即可实现启动，所以启动器相对简单，成本相对低廉。

单相电容启动异步电机和电容运转异步电机的区别：

3.1、工作原理不同：单相电容启动异步电机需要电容启动器来帮助启动，而电容运转异步电机不需要启动器，只需要反转电容器的极性即可。

3.2、应用场景不同：单相电机应用场景相对有限，一般用于家用电器、小型机械和小型空调等领域；而电容运转异步电机能够输出较大功率，可应用于较大功率的机械、水泵、通风设备等领域。

3.3、启动和运行稳定性不同：电容运转异步电机的启动和运行都相对稳定，而单相电机的启动过程比较不稳定，容易引起噪声和振动。

3.4、启动器不同：单相电机需要电容启动器帮助启动，而电容运转异步电机则不需要启动器或者只需要简单的反转电容器极性的启动器即可实现启动。

4.按用途可划分：

驱动用电动机和控制用电动机。

1）驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

2）控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。二者差别如下：

工作原理

步进电机是一种定角度运转的电动机，它的转动是根据外部提供的脉冲信号来实现的。通过在定子中依次激励各相绕组来实现转子的位置、速度和加速度等进行精确控制来实现高精度运动；伺服电机是一种基于反馈控制的电动机，通过传感器对转子位置、速度、力矩等参数进行实时监测和反馈，根据控制器的指令进行电机转动的控制。

控制方式

步进电机的控制方式相对简单只需要控制定子绕组的激励信号，可以通过单片机、PLC等控制器实现。而伺服电机需要通过更复杂的控制系统来实现高精度位置、速度和加速度控制，通常需要使用专门的伺服控制器和编码器等配套设备。

应用场景

步进电机具有精度高、控制简单、适合低速运动等特点，适用于需要高精度定位控制的场合，如印刷机、绘图仪、数码相机等；伺服电机适用于需要高速、高精度运动控制的场合，如机床、自动化生产线、机器人等。

5.按转子的结构可划分：

笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

笼型电动机是指转子的导电部分（除矽钢片和轴以外）就象一个逮老鼠的笼子，可以是铸铝的，也可以是用铜条焊接的，转子部分和电源没有连接，靠电磁感应产生感应电流，从而形成转矩；

绕线型电动机，转子绕组是用绝缘导线绕制而成，用电刷和电源连接，一般通直流电（叫励磁电压），改变励磁电压的大小，即可改变电机的力矩。直流电机都为绕线型电动机，改变励磁电压的大小，可以改变电机的转数和力矩。

它们的区别如下：

• 结构：笼型电动机是指转子的导电部分（除矽钢片和轴以外）就象一个逮老鼠的笼子，可以是铸铝的，也可以是用铜条焊接的，转子部分和电源没有连接，靠电磁感应产生感应电流，从而形成转矩；而绕线型电动机，转子绕组是用绝缘导线绕制而成，用电刷和电源连接，一般通直流电（叫励磁电压），改变励磁电压的大小，即可改变电机的力矩。 直流电机都为绕线型电动机，改变励磁电压的大小，可以改变电机的转数和力矩。
• 性能：笼型电动机具有结构简单、成本低、可靠性高、维护方便等优点，但其启动转矩较小，适用于轻载启动和恒速运行的场合；绕线转子感应电动机具有启动转矩大、过载能力强、转速调节范围广等优点，但其结构复杂、成本高、维护困难，适用于重载启动和需要调速的场合。
• 应用：笼型电动机广泛应用于家用电器、工业生产、农业机械等领域；绕线转子感应电动机主要应用于起重机械、冶金机械、矿山机械等领域。

6.按运转速度划分

高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。

应用：

高速电动机：由于是一种运转速度较高的电动机，通常用于需要高速旋转的设备，如高速机床、高速印刷机等。

低速电动机：由于是一种运转速度较低的电动机，通常用于需要低速旋转的设备，如起重机、升降机等。

恒速电动机：由于是一种运转速度恒定的电动机，通常用于需要稳定转速的设备，如风扇、水泵等。

调速电动机：由于是一种可以调节运转速度的电动机，通常用于需要调节转速的设备，如机床、空调等。

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