一、电机的定义

电机（英文 Electric machinery，俗称“马达”）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，在电路中用字母 M（旧标准用 D）表示。电动机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；发电机在电路中用字母 G 表示，其主要作用是利用机械能转化为电能。

图 1　电机

二、电机的划分

1. 按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。

（1）直流电动机按结构及工作原理可划分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；有刷直流电动机可划分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。其中电磁直流电动机又分为串励、并励、他励和复励直流电动机；永磁直流电动机又分为稀土永磁、铁氧体永磁和铝镍钴永磁直流电动机。

（2）交流电机还可划分为单相电机和三相电机。

2. 按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。同步电机可划分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机；异步电机可划分为感应电动机和交流换向器电动机——感应电动机可划分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等，交流换向器电动机可划分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

3. 按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、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。

4. 按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机可划分为电动工具（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；控制用电动机又可划分为步进电动机和伺服电动机等。

5. 按转子的结构划分：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）。

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。

此外，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。

图 2　电机的种类

三、四类电机的基本介绍与对比

1. 直流电机

直流电机（电动机）以直流电作为电源，使线圈通过电流，线圈旁有永久磁铁，以电磁感应感应出转矩使其旋转；基本上有永磁式、串激式和并激式三种。其优点是一般而言同样体积的直流电机可以输出较大功率，转速不受电源频率限制、可以制作出高速电机，速度控制只要控制电压、比较简单容易；缺点是电机上的碳刷使用一段时间会磨损消耗、须予更换，电枢会磨损。用途为造纸机械、车床、起重机、升降机、电气铁道车等需要调整转速的地方。

图 3　直流电机

2. 交流电机

交流电机是用途最广的电动机，优点是价格低廉、构造简单、维修容易、速率变动小；它的转速与频率成正比，频率愈高转速愈快，常见输送带上的交流电机旁边有变频器，用来控制传动转速。交流电机的优点是结构简单、生产容易，无接触零件、较不用保养、使用期限长；缺点是转速受电源频率固定，使用一般交流频率无法使电机高速运转（最高仅达 3600 r/min），高速电机必须用变频器来产生需要的工作频率，速度控制须改变频率或加装其他回授器、较为麻烦。用途为冷气机、吹风机、电风扇、抽水泵等。

直流和交流电机如何区别？最大的区别在于有没有碳刷、转动轴有没有线圈：直流电机一定要有碳刷来将电流导入转轴线圈并切换产生磁场相位。

图 4　交流电机

3. 步进电机

（1）具有保持力。由于步进电机在激磁状态停止时具有很大的保持力，因此即使不使用机械式刹车也可以保持停止位置（激磁状态停止时的保持力与电机电流成比例）；在停电时步进电机不具有保持力，因此停电时若需有保持力，请使用附电磁刹车的机种。由电机的高精度加工，可实现步进电机的高精度定位功能：分辨率取决于电机的构造，一般的混合式（HYBRID）5 相步进电机为 1 步级 0.72°，精度取决于电机的加工精度，无负载时的停止精度误差为 ±3 分（±0.05°）。

（2）角度控制、速度控制简单。步进电机的转角与输入的脉冲成正比，一次以一步级角运转（0.72°）。

（3）高转矩、高响应性。步进电机虽然体积小，但在低速运转时即可获得高转矩输出，因此在加速性、响应性、频繁的起动及停止方面皆可发挥很大的优势。

（4）高分解能、高精度定位。5 相步进电机在全步级时为 0.72°（1 回转 500 分割），半步级时为 0.36°（1 回转 1000 分割）；停止定位精度为 ±3 分（±0.05°），所以并不会有角度累积误差。

（5）步进电机与 AC 感应电机或伺服电机等有相当大的差异，具有下列特征：与输入脉冲同期，以步级方式运转；以开环方式即可完成高精度定位；起动、停止的响应性优越；停止时不会有累积角度误差；因为电机构造简单，所以保养容易。要驱动步进电机必须要有控制器，只需向驱动器输入脉冲即可简单地以开环方式进行高精度定位控制。用途为打印机、复印机、磁盘驱动器等精密设备。

图 5　步进电机

4. 伺服电机

（1）高信赖性（闭环）。AC 伺服电机由电机、编码器与驱动器三部分构成，驱动器的作用是将输入脉冲与编码器的位置、速度信息进行比较后对驱动电流进行控制。由于 AC 伺服电机可以通过编码器的位置、速度信息随时检出电机的运转状态，因此即使是在电机停止时也会向控制器输出警示信号，所以能随时检出电机的异常情况。此外，尽管 AC 伺服电机是闭环控制、使用时需依据机构刚性及负载条件来调整控制系统的参数，但参数调整并不复杂。

（2）AC 伺服电机的长处：能获得定位结束信号；发生过负载等异常情况时会输出警示信号，因此能在设备发生异常时报警；能依据负载状态来控制电流，所以效率高、电机发热程度低。例如在“X 轴运转完毕后再进行 Y 轴运转”的驱动模式下，因能输出 X 轴运转完毕的信号（END），所以非常方便；假如 X 轴发生异常停止，可能会影响其他机构，但因为会输出通知异常情况的警示信号，所以便于及时处理。

（3）高速高转矩。步进电机的特性为在低速领域能输出大转矩、在高速领域转矩会逐渐下降；AC 伺服电机与步进电机相比，即使在高速领域也能获得稳定的高转矩，所以按照长行程进行高速移动时适合使用 AC 伺服电机。

（4）减速机型。从与一般 AC 电机相同的分离型简易减速机到高强度、高精度的一体型减速机，伺服电机有种类丰富的减速机型标准产品，在大惯性驱动场合可大幅度缩小体积。

图 6　伺服电机