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，有電能應(yīng)用的場合都會有旋轉(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、費用更廉價，此外電能還具有清潔無污、容易控制等特點，所以在實際生活中和工程實踐中，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)用場合，隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和對電機(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EAD公司研制的無槽無刷直流電動機(jī)，日本SERVO公司研制的小功率混合式步進(jìn)電機(jī)，我國自行研制適用于工業(yè)機(jī)床和電動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，所以和電動機(jī)相比，它的種類要少的多；而電動機(jī)是工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)器，所以和發(fā)電機(jī)相比，人們對電動機(jī)的研究要多的多，對其分類也要詳細(xì)的多。實際上，我們通常所說的旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是狹義的，也就是電動機(jī)——俗稱“馬達(dá)”。眾所周知，電動機(jī)是傳動以及控制系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動機(jī)在實際應(yīng)用中的重點已經(jīng)開始從過去簡單的傳動向復(fù)雜的控制轉(zhuǎn)移；尤其是對電動機(jī)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩的精確控制。
由此可見，對于一個電氣工程技術(shù)人員來說，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機(jī)開始，逐步介紹電機(jī)中最有代表性、最常用、最基本的電動機(jī)——控制電動機(jī)和功率電動機(jī)以及信號電機(jī)。
2 控制電動機(jī)
2.1 伺服電動機(jī)
伺服電動機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動被控制元件，從而達(dá)到控制目的。
伺服電動機(jī)有直流和交流之分；最早的伺服電動機(jī)是一般的直流電動機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電動機(jī)。目前的直流伺服電動機(jī)從結(jié)構(gòu)上講,就是小功率的直流電動機(jī),其勵磁多采用電樞控制和磁場控制,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)動器工作，不能應(yīng)用在有可燃?xì)怏w的場合；電刷和換向器存在摩擦，會產(chǎn)生較大的死區(qū)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)比較困難。
交流伺服電動機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動機(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，伺服電動機(jī)要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號的控制；轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號的變化而連續(xù)變化；電動機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電動機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動控制系統(tǒng)中，尤其是隨動系統(tǒng)。
2.2 步進(jìn)電動機(jī)
所謂步進(jìn)電動機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；更通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進(jìn)電動機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電動機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電動機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電動機(jī)等。
步進(jìn)電動機(jī)和普通電動機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進(jìn)電動機(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機(jī)；所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場合。由于步進(jìn)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點，所以步進(jìn)電動機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域；尤其是在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電動機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(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，比如作為自動送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。
此外，步進(jìn)電動機(jī)也存在許多缺陷；由于步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動頻率，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就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細(xì)分驅(qū)動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)動時有較大的振動和噪聲。
2.3 力矩電動機(jī)
所謂的力矩電動機(jī)是一種扁平型多極永磁直流電動機(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)矩脈動和轉(zhuǎn)速脈動。力矩電動機(jī)有直流力矩電動機(jī)和交流力矩電動機(jī)兩種。
其中，直流力矩電動機(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機(jī)，它具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點。一般地，在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動機(jī)，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動機(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 開關(guān)磁阻電動機(jī)
開關(guān)磁阻電動機(jī)是一種新型調(diào)速電動機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡單且堅固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電動機(jī)強(qiáng)有力競爭者，具有強(qiáng)大的市場潛力。
2.5 無刷直流電動機(jī)
無刷直流電機(jī)（BLDCM）是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷力矩電機(jī)。一般地，無刷電機(jī)的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機(jī)，后一種叫交流伺服電機(jī)，確切地講是交流伺服電動機(jī)的一種。
無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動慣量，通常采用“細(xì)長”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(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)動慣量可以減少4成—5成左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機(jī)一般的容量都在100kW以下。
這種電動機(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，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。
3 功率電動機(jī)
3.1 直流電動機(jī)
直流電動機(jī)是出現(xiàn)最早的電動機(jī)，大約在19世紀(jì)末，其大致可分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機(jī)有較好的控制特性直流電動機(jī)在結(jié)構(gòu)、價格、維護(hù)方面都不如交流電動機(jī)，但是由于交流電動機(jī)的調(diào)速控制問題一直未得到很好的解決方案，而直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好、起動容易、能夠載重起動等優(yōu)點，所以目前直流電動機(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 異步電動機(jī)
異步電動機(jī)是基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種交流電機(jī)。異步電動機(jī)一般為系列產(chǎn)品，品種規(guī)格繁多，其在所有的電動機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，需量最大；目前，在電力傳動中大約有9成的機(jī)械使用交流異步電動機(jī)，所以，其用電量約占總電力負(fù)荷的一半以上。
異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，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。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)械的傳動要求。異步電動機(jī)主要廣泛應(yīng)用于驅(qū)動機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、起重卷揚(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。
在異步電動機(jī)中較為常見的是單相異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)，其中三相異步電動機(jī)是異步電動機(jī)的主體。而單相異步電動機(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 同步電動機(jī)
所謂同步電動機(jī)就是在交流電的驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步運(yùn)行的電動機(jī)。同步電動機(jī)的定子和異步電動機(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)子的同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但是機(jī)械強(qiáng)度較低，適用于低速運(yùn)行場合；隱極式同步電動機(jī)制造工藝復(fù)雜，但機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高速運(yùn)行場合。
同步電動機(jī)的工作特性與所有的電動機(jī)一樣， 同步電動機(jī)也具有“可逆行”，即它能按發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，也可以按電動機(jī)方式運(yùn)行。
同步電動機(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功功率。
4 信號電機(jī)
4.1 位置信號電機(jī)
目前，最有代表性的位置信號電機(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元件，有圓盤式和直線式兩種。圓盤式感應(yīng)同步器用來測量轉(zhuǎn)角位置；而直線式感應(yīng)同步器用來測量線位移。
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)常兩臺或者多臺聯(lián)合使用，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根軸能夠自動地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或者同步旋轉(zhuǎn)。
4.2 速度信號電機(jī)
最有代表性的速度信號電機(jī)是測速發(fā)電機(jī)，其實質(zhì)上是一種將轉(zhuǎn)速變換為電信號的機(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、積分元件和測速元件來使用。
測速發(fā)電機(jī)有直流和交流之分；而直流測速發(fā)電機(jī)又有他勵和永磁之分，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，作為計算元件時要求其輸出電壓的線性誤差和溫度誤差低于一個上限。而交流測速發(fā)電機(jī)又有同步和異步之分；同步測速發(fā)電機(jī)包括：永磁式、感應(yīng)式和脈沖式；異步測速發(fā)電機(jī)應(yīng)用最廣泛的是杯型轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)。
為了提高測速發(fā)電機(jī)的精確度和可靠性，目前，直流測速發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)的霍爾效應(yīng)直流測速發(fā)電機(jī)。因為這種霍爾效應(yīng)無刷直流測速發(fā)電機(jī)是一種無齒槽、無繞組的電機(jī)，所以它不會產(chǎn)生由于齒槽而存在的“齒槽諧波電勢”，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化。
5 結(jié)論
一般地，在一個完整的自動控制系統(tǒng)中，信號電機(jī)、功率電動機(jī)和控制電動機(jī)都會有自己的用武之地。通常控制電動機(jī)是很“精確”的電動機(jī)，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“核心執(zhí)行裝置”；而功率電動機(jī)是比較“強(qiáng)壯”的大功率電動機(jī)，常用來拖動現(xiàn)場的機(jī)器設(shè)備；信號電機(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，并不是所有的自動控制系統(tǒng)中都具備這三種電機(jī)，在一般的自動化領(lǐng)域，例如運(yùn)動控制和過程控制，尤其是在運(yùn)動控制中，控制電動機(jī)是必不可少的“核心器件”，所以控制電動機(jī)在自動化領(lǐng)域中的地位是舉足輕重的，這也是人們對控制電動機(jī)研究最多的原因之一。
實際上，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，因為許多新型旋轉(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，對于非電機(jī)專業(yè)的一般電氣工程技術(shù)人員來講，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。
