各類電動機詳解

直流有刷電機 想像一下 1886年的工廠車間裡 火花從飛轉的銅環上蹦出來 工人們瞇著眼 透過那片煙霧看著 這就是開啟電氣革命的那臺電動機 而它的祕密武器 簡單得幾乎讓人有點不好意思 你把直流電通進一個線圈 這個線圈放在磁場裡面 它就會想跟那個磁場對齊 而就在它一對齊的那一刻 一對碳刷會把電流方向翻轉 這樣線圈就會一直追著對齊 永遠轉下去 這種不斷追著對齊跑的過程 就是旋轉 電刷這東西同時是天才設計 也是它的缺陷 只要把電流方向一切換 它們就能讓電機變得便宜 可控 而且很容易反轉 速度控制很簡單 把電壓調高 把速度提上去 一百多年來 這種設計驅動著一切 從玩具車到電梯系統 但電刷會磨損 它們會打糊 它們會產生電噪聲 把附近的電子設備燒壞 每隔幾千個小時 你就得把電機拆開 把電刷換掉 70年代的工業工廠 光是為了讓生產線繼續運轉 就得整整背著一倉庫地替換電刷 關鍵就在這 恰恰是那個讓直流有刷電機 變得可控的機制 也讓它們註定是有限的 工程師們知道這一點 可他們還是一直在用 因為沒有別的東西 開起來有這麼簡單 後來 固態電子技術出現了 一下子 電刷在輕鬆調速這件事上的 壟斷地位就沒了 無刷時代開始了 而直流有刷電機 也悄悄退到了那些成本 比壽命更重要的應用裡 便宜的電動工具 小家電 還有你車窗升降器的內部 2015年 你走進深圳的一家無人機倉庫 貨架上的每一臺電機 全都是無刷的 沒有電刷 沒有幻象環 而且旋轉部分和靜止部分之間 完全沒有任何機械接觸 那種缺失 恰恰就是關鍵所在 在無刷直流電機裡 線圈固定在外殼上 永磁體在它們裡面旋轉 一個叫ESC的小型電子控制器 會讀取轉子的位置信息 然後按順序給每個線圈通電 用看不見的精確控制 把那些磁鐵帶著轉起來 沒有摩擦 幻象系統也沒有磨損 在設計良好的設備裡 效率能超過90% 扭矩很平順 而且壽命能延伸到幾萬小時 這臺電機真正奇怪的地方在於 沒有控制器 它就根本沒法運行 這些電子元件 不是什麼可有可無的附加件 它們就是幻象器 只不過是用硅重新做出來的 控制器一沒了 電機就成了個擺設 這種依賴 催生出了一個完整的電機驅動芯片 和固件站產業 到2020年 無刷電機已經裝進了 每一架高性能無人機 每一輛電動自行車 每一個硬盤磁頭執行器 還有每一套Tesla牽引單元裡 敵人的壓力 來自高溫 只要給那些固定線圈 通入足夠大的電流 外殼本身就會變成散熱器 熱管裡 成了工程上的主戰場 一型繞組幾何結構 帶冷卻通道的空心軸 還有灌封了導熱樹枝的錠子 都逐漸成了解決方案 無刷直流電機並沒有垮掉 它發展成了21世紀 佔主導地位的電機架構 而且現在還在繼續加速 1888年 尼克勒·Tesla 站在美國電氣工程師學會面前 演示了一臺電動機 它沒有電刷 沒有永久磁鐵 而且和旋轉的部分之間 根本沒有任何直接的電連接 觀眾並沒有完全相信 他們眼前看到的東西 交流感應電動機的工作原理是 把一個旋轉磁場穿過空氣系 投射到一個 由鋁條構成的鼠龍式轉子裡 那個旋轉磁場 會在那些導條裡感應出電流 那些感應出來的電流 會產生它們自己的磁場 那個磁場會追著旋轉磁場跑 但始終差一點追不上 而它們之間的這個差距 叫做劃差 所有的扭矩都在這裡產生 轉子在電氣上 永遠不會接觸到錠子 從來沒有 正是這種隔離 讓它幾乎堅不可摧 除了軸承 沒有別的東西會磨損 一臺保養得當的感應電動機 可以幾十年都不用幹預 照樣運轉 從用電器在20世紀20年代 製造的感應電動機 到了20世紀90年代 還在美國的工廠裡運轉 代價就是控制 傳統的感應電動機 受制於電網頻率 在60赫茲下 4級電動機的轉速 大約是每分鐘1800轉 而這基本上就是全部了 變速 就需要機械調速 轉折點出現在20世紀80年代 隨著變頻驅動器的出現 突然之間 你想給電機輸入什麼頻率都行 電機都會跟著走 工業泵送系統 和暖通空調系統的節能幅度 幾乎立刻就達到了30%到50% 公用事業公司注意到了 政府強制規定了能效標準 感應電動機本來就佔主導地位 後來變得更佔主導地位了 如今 它傳輸的能量 比地球上任何其他類型的電動機 都更多 安靜地嗡嗡運轉 在這顆星球上 每一臺工業用泵 大多數電動機都會打滑 這個不會打滑 在同步交流電動機裡 轉子會鎖定在定子的旋轉磁場上 並且轉速跟它完全一樣 沒有打滑 沒有妥協 這種機構要求轉子自帶磁場 這個磁場要麼來自永磁體 要麼來自繞線粒磁線圈 並通過滑環供電 一旦鎖定 電動機就像鐘錶一樣精準 這個速度 完全是由供電頻率決定的 而且它在負載變化時 也能以感應電動機 根本比不上的穩定性 保持那個轉速 發電廠會用同步機器來當發電機 也就是反過來運行 像造紙廠 合成纖維生產線這種 需要精確恆定轉速的大型工業流程 都得靠它們 這種奇怪的代價開始顯現了 同步電動機在靜止起步時 沒法直接對著電網自行啟動 旋轉磁場從一開始 就以全速旋轉 而靜止的轉子 沒法鎖定一個已經在那麼快運動的東西 早期的設計 用的是一個單獨的啟動電機 或者用一種阻尼繞阻 它在啟動時的表現 就像感應電動機一樣 然後一旦轉子的轉速 足夠接近同步轉速 就讓它一下子鎖定到同步狀態 那一下是真實發生的 而且很猛烈 你隔著地板都能感覺到 現代的變頻驅動器 把頻率從零開始慢慢升上去 這樣就解決了這個問題 讓轉子能輕柔地進入同步狀態 同步電動機面臨的敵人是成本 帶滑環的繞線轉子需要維護 永磁轉子很貴 對大多數應用來說 感應電機更便宜 而且也足夠接近了 同步電機還能在一些細分領域存活下來 在那些對精度完全不能妥協 而且多花這筆錢也有道理的地方 不進電機 把一臺3D打印機 在打印到一半時打開 看看打印頭怎麼移動 它劃行的並不平穩 它會咔嗒咔嗒地走 每一次滴答都正好是一步 是一個固定的角度增量 而且這個電機完全不用任何位置傳感器 就始終準確知道自己在什麼位置 這就是不進電機最關鍵的絕活 電子在轉子周圍排著很多磁極 驅動電路會按順序給它們通電 把轉子一次一個精確的卡位往前拉動 不進角的範圍 從簡單設計裡的90度 到微步配置裡不到1度 這個位置是開環的 也就是說 控制器會默認每一個下達的不進指令都已經執行了 不需要編碼器 沒有反饋迴路 對數控機牀 打印機 還有相機對焦系統來說 這種簡單性就是一切 代價就是高速時的扭矩 不進電機在低轉速時扭矩很強 而隨著不進頻率升高 扭矩會迅速下降 你把它們推得太快 它們就會跳步 不進電機一旦丟步 控制器是不會知道的 機器以為自己在一個位置上 可實際上它在別的地方 在3D打印機裡 這就意味著打印報廢了 可放在醫療設備裡 情況就嚴重得多了 關鍵在於微步進 也就是把電流同時分配到多個線圈上 從而在整步之間產生中間位置 微步細分能讓運動更平順 也能減弱調整時的共振 但沒法把損失掉的扭矩完全補回來 這種壓力來自閉環伺服系統 它們用編碼器和反饋 來精確捕捉不進電機漏掉的那些誤差 高端的CNC製造商 轉向了伺服系統 不進電機在對成本很敏感的消費市場裡 還是守住了陣地 因為在那裡 簡單比完美更佔上風 伺服電機 在20世紀40年代 導彈制導系統需要把一個控制翼面調整到精確的角度 還得頂著空氣動力誤差 把它穩穩保持在那裡 立刻一遍又一遍 毫無差錯 正是這個要求造就了伺服電機 嚴格來說 伺服並不算是一種電機類型 它是電機加上編碼器 再加上一個運行反饋迴路的控制器 電機可以是有刷直流 無刷直流或者交流 編碼器會持續讀取實際位置 控制器會把指令位置和實際位置做比較 然後驅動電機把這個差距補上 結果就是 這套系統會對擾動進行反抗 推動輸出軸 控制器就會檢測到誤差 並在幾毫秒內把它糾正過來 工業機器人會用伺服系統 因為一條搬著40公斤重量的機械臂 得在接縫旁邊精確到離風線2毫米的位置完成焊接 而且每一個循環都得做到這樣 一做就是好多年 這個迴路的增益 比例 積分和微分 都必須仔細調校 太激進了 系統就會震盪 太軟了 就會有滯後 調伺服驅動這件事 一半是科學 一半是手藝 關鍵就在於 每一個 還有那個謎 都可能把情況搞亂 伺服機構還能把它再往外拉一些 但這還是沒法作為解決辦法 唯一能真正回答這個問題的系統是 那個運動 真的發生了嗎 通用電機 插上吹風機 吸塵器 或者園具 裡面的電機 幾乎肯定會以每分鐘 一萬到三萬轉的速度 尖聲嘶叫著運轉 那就是通用電機 它是日常生活裡 噪音最大 攻擊性最強 而且熱效應最猛烈的電機 這種設計 本質上就是一種直流串立電動機 立磁線圈和電梳是串連接線的 不過它不光能用直流 也能用交流 原因很巧妙 當交流電反向時 磁場和電梳電流會同時反向 所以轉矩的方向會保持不變 電機不在乎電流方向 它就是一個勁的拉 串立繞組 讓它有非常大的啟動扭矩 而且它的轉速特性是 負載一減小 轉速就會危險的升高 沒有負載就意味著會飛車 串立電動機一旦脫離負載 就會不斷加速 直到把自己毀掉 正因為這個原因 Z的每個設計裡 都帶有負載或者調速器 它的功率密度高得驚人 一個只有汽水罐那麼大的通用電機 產生的功率 比一個體積是它三倍的感應電機還要大 這就是為什麼手持工具更偏愛它 代價就是壽命 電刷、換箱器的磨損 還有發熱和震動 這些都意味著 消費設備裡的通用電機 設計壽命是幾百小時 不是幾千小時 製造商知道這一點 更換週期 本來就是這個商業模式裡 設計好的一部分 轉折點就是噪音 通用電機會產生強烈的電幹擾 每一次換箱電壺 都會輻射出射頻噪聲 便宜的電器會省掉濾波 那種幹擾 以前會讓整個街區的調幅廣播接收 都受到影響 歐洲和北美的監管機構 最終強制要求加裝抑制電容器 通用電機挺過了監管要求 但在高端工具領域 它還是逐漸輸給了無刷設計 因為到了那時 震動和噪音 終於成了有競爭劣勢的硬傷 開關磁阻電機 把磁鐵去掉 把轉子上的銅繞阻剝掉之後 剩下的就是一大塊鐵 上面還凸著幾個磁極 那就是開關磁阻電機的轉子 而且它簡單的都快有點侮辱人了 釘子有繞阻磁極 當釘子磁極通電時 它會通過磁阻 把最近的轉子磁極拉向對齊位置 鐵會盡量讓穿過空氣的磁路長度 變到最短 當對準之後 那個線圈就會關閉 下一個線圈接著通電 再一次把轉子往前拉 沒有轉子繞阻 也沒有滑環 這個轉子很便宜 很結實 而且能耐受極端高溫 這種溫度足以讓任何永磁體都退磁 航空航天和高溫工業應用領域 都覺得這非常有意思 代價就是聲學噪音和轉矩脈動 每一次切換 都會產生一個尖銳的鏡像力脈衝 讓釘子環像鐘一樣鳴響 早期的開關磁阻電機 出了民地潮 像一種機械式的咔嗒作響 工程師還很客氣地把這叫做 很有挑戰性 控制算法已經複雜到 足以預先把電流波形做畸變補償 抵消掉很大一部分波紋 但這個問題始終沒有徹底消失 關鍵在於原材料獨立 永磁電機依賴稀土元素 而這些元素大多來自中國 開關磁阻電機根本不需要那些 2011年 稀土價格大幅飆升的時候 汽車和工業工程師 都非常認真地研究了開關磁阻設計 有好幾個已經啟動的電動車項目 都轉而啟動了開關磁阻的研發項目 Dyson把開關磁阻電機 裝進了他的吸塵器裡 後來又裝進了他的吹風機裡 那個看起來簡單的不值一提的電機 突然顯得像是一種地緣政治上的對沖 永磁同步電機 你過去十年裡見過的每一輛電動車 幾乎肯定都用了這種東西 永磁同步電機 把同步交流電機精確鎖定轉速的特性 和嵌在轉子內部 或者裝在轉子表面的強力稀土磁體 結合在一起 完全不再需要轉子繞阻 釘子會產生一個旋轉磁場 轉子的永磁體會鎖定在它上面 在優化的很好的設計裡 效率峯值能超過95% 特斯拉的Model 3後電機 豐田Prius的牽引電機 還有大多數高效率工業驅動設備裡的電機 都是永磁同步電機 它的扭矩密度非常出色 它每公斤能輸出的扭矩 比幾乎任何其他電機架構都更大 成本就在磁鐵上 鎳鐵鵬磁鐵是行業標準 而且它們很貴很脆 也對高溫很敏感 一旦超過一個叫距離點的溫度 它們就會永久失去磁性 電機設計師會花費巨大的精力 關鍵就在於 這些電機同時也是發電機 而且不需要額外費勁 電動車裡的再生制動 說白了就是 驅動電機被車輪帶著轉 然後把電流發回電池裡 同一臺機器 兩樣活都能幹 敵對壓力來自稀土供應鏈焦慮 那是在中國於2010年限制出口之後出現的 汽車製造商開始資助減少稀土用量的研究 包括採用更薄磁鐵層的電機 還有把磁阻轉矩和磁體轉矩混合起來的混合設計 永磁同步電機是當前電機工程的巔峯 但它對單一國家裡少數幾處採礦作業的依賴 仍然是個脆弱點 還是會讓工程師們夜不能寐 線性感應電機 大多數電動機都會旋轉 這個不會 把旋轉感應電機 展開成一條平直的軌道 你得到的就是線性感應電機 這是一種沿直線產生力 而且完全沒有任何旋轉部件的機器 釘子就變成了一條平直的軌道 轉子就變成了一塊導電板 或者說是一條在它旁邊運行的反應軌 軌道裡傳播的磁波 會在板上感應出電流 而這些電流會產生一股力 把板向前推 沒有齒輪 沒有輪子 驅動力和運動物體之間沒有機械耦合 多倫多地鐵系統 在20世紀80年代安裝了線性感應電機 如今機場裡有好幾套自動旅客捷運系統 都在用它 日本鐵路的磁懸浮系統 在時速超過500公里時 會用一種變體來提供推進力 它的效率比旋轉電機低 因為氣息更大 而且磁路是開放的 不是閉合的 不過對那些看重無接觸推進的應用來說 這種權衡是可以接受的 成本在於基礎設施 每一米軌道都必須承載主繞組 跟把電機裝在車上比起來 那可貴的離譜 有些設計會把它反過來 把有源線圈裝在車上 把無源軌道放在軌道上 但那樣的話 沉重的電子設備 就得由這個移動平臺來承載了 關鍵就在這 線性電機消除了傳統列車 受車輪和鋼軌黏著極限約束的問題 鋼輪在鋼軌上能傳遞的力是有限的 超過了就會打滑 線性電機通過空氣間隙來推動 完全不受那個限制 這就是為什麼磁懸浮列車的加速 能比傳統軌道上的任何列車都更猛 剎車也更快 磁製電動機 這臺電機沒有齒 沒有突擊 沒有磁體 而且鑽子上完全沒有繞組 就是一個光滑的 由半硬磁性材料做成的環 可它居然會轉 磁製電動機 利用了某些鐵合金的一種特性 當你把它們磁化了 然後再試著去消磁 它們會抗拒 釘子會產生一個旋轉磁場 鑽子環會被那個磁場磁化 但因為磁製 環裡的磁極會落後於這個旋轉磁場 這種滯後會產生一個扭矩 把這個環往前拉 這個電機一開始是以感應方式啟動的 電動機就會平穩地過渡到同步運行狀態 不需要任何切換 也不需要外部幫助 從靜止到同步轉速 扭矩都是恆定的 這在電機設計裡幾乎是獨一無二的 這個鑽子完全失衡了 沒有槽 沒有齒 也沒有磁組變化 這就意味著沒有齒槽效應 也沒有噪音 幾十年來 精密儀器 陀螺儀 還有音頻轉盤 之所以一直用磁製電動機 就是因為它的轉速 穩定性 還有聲音上的安靜程度 都是無可匹敵的 代價就是功率因素和效率 磁製電動機的效率並不高 產生扭矩的那種磁損耗 也會產生熱量 而且功率因素很差 對於那種只需要幾瓦功率 而且對絕對平順性的看重 超過對電機 或者任何需要規模化的東西的 需求的應用 它是合適的 但對任何需要規模化的場景 它就不合適了 關鍵就在於 整個冷戰時期 磁製電動機 一直都是機載陀螺儀的主流選擇 因為它們不管處在什麼姿態下 都能可靠地加速到同步轉速 而且即使有震動那種 會讓其他類型的電動機 發生齒槽卡制 或者停轉的震動 它們也照樣能做到 在那種情況下 可靠性值得為每一瓦白白耗掉 變成熱量的功率買單 超聲波 壓電馬達 別再提銅線繞組和磁場了 電機動了 差不多就是它了 它根本沒法移動 頻率在20千赫以上 由壓電陶瓷驅動 這種材料一加上電壓 就會改變形狀 一圈連接在金屬錠子上的壓電元件 會產生一種沿著錠子表面 環繞移動的行波 這種行波來自微觀尺度的形變 一個壓在錠子上的轉子 會靠著和那道波之間的摩擦 被帶著往前走 就像衝浪的人乘著浪前進 並不是被水直接推著走的一樣 這種運動很平穩 人耳聽不到聲音 而且精度高得驚人 佳能在1987年 把壓電環形馬達 引入了相機自動對焦鏡頭 並將它命名為USM 也就是超聲波馬達 結果就是 自動對焦快到足以追蹤移動的拍攝對象 安靜到適合視頻錄製 尼康 索尼 還有其他廠商 也都推出了各自的變體 醫療機器人和半導體製造設備 會用壓電馬達 因為在這些場合 電磁馬達會干擾敏感儀器或成像系統 壓電馬達產生的扭矩非常小 它們很精確 速度也快 但動力不強 把它們放大 並不是件簡單的事 錠子和鑽子之間的摩擦介面 時間一長就會磨損 而這種磨損會改變電機的性能 關鍵就在於 壓電電機能在磁場裡工作 而那樣的磁場會毀掉傳統電機 核磁共振引導的手術機器人 必須在超導磁體的孔道內部運行 那裡會產生1到3特斯拉的磁場 在那樣的磁場裡 同繞組會受到一種力 強到足以把電機直接撕碎 壓電馬達 什麼都感覺不到 就是那一個特性 打開了醫療機器人學的整整一片新領域 而磁力電機是永遠進不去的 你剛剛穿過的不是一份清單 這是一張地圖 描繪的是整整一個半世紀裡 人類在壓力之下迸發出的智慧 每一種電機架構 都是對同一個殘酷問題的不同回答 你怎麼才能把電能盡可能高效 可靠又便宜地轉化成有用的運動呢 每一種設計都解決了某個問題 也會弄壞別的東西 刷子給了你控制力 也給了你磨損 磁鐵給了你效率 也給了你供應鏈風險 壓電技術給了你安靜 也給了你脆弱性 你擁有的每一臺機器裡面的電機 都是工程師之間一場被凍住的爭論 他們當初意見不合 爭的就是哪一種取捨最重要 而那場爭論到現在還在繼續