侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛

(成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052)

舞臺機(jī)械行業(yè)中，電機(jī)的使用是重要的一環(huán)，但實(shí)際設(shè)計制作中，常常會遇到各種問題?；谶@些問題的分析，提出不同的舞臺應(yīng)用中電機(jī)選型的依據(jù)，如針對流動演出使用的升降舞臺，是選用異步電機(jī)好還是選擇同步電機(jī)更適合，以及使用中應(yīng)該考慮的因素。

1 關(guān)于電機(jī)的初步認(rèn)識

在當(dāng)前的舞臺機(jī)械行業(yè)中，傳動的方式多種多樣，如液壓傳動、氣壓傳動、機(jī)械傳動等，其原動機(jī)都是電機(jī)驅(qū)動。隨著電控技術(shù)的進(jìn)步以及液壓和氣壓傳動中的一些應(yīng)用限制，目前更多的應(yīng)用場景采用電機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動的方式，本文中，筆者重點(diǎn)討論機(jī)械傳動下的電機(jī)選型。

電機(jī)劃分的種類多種多樣，根據(jù)供電方式可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，按照結(jié)構(gòu)和工作原理可分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。舞臺機(jī)械行業(yè)采用的電機(jī)主要有兩種：一種為交流三相異步電機(jī)中的籠型異步電機(jī)（即鼠籠式異步電機(jī)），采用變頻驅(qū)動方式；一種為永磁同步電機(jī)，多采用專用的伺服驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。對于其他類型的電機(jī)，由于在舞臺機(jī)械行業(yè)應(yīng)用相對較少，在此不做介紹。這里需要說明的是，文中所述異步電機(jī)特指三相交流籠型異步電機(jī)（見圖1），同步電機(jī)或者伺服電機(jī)特指永磁同步電機(jī)（見圖2）；對于文中所涉及的舞臺機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用場景，主要包括固定場館的秀場、流動演出，以及威亞中的應(yīng)用等。

（1）籠型異步電機(jī)

籠型三相交流異步電機(jī)是用三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子不是永磁的，也不是線繞電磁的，轉(zhuǎn)子繞組是籠型結(jié)構(gòu)，俗稱鼠籠，如圖3所示。

籠型是不可能與磁場同步旋轉(zhuǎn)的，只有籠型比磁場轉(zhuǎn)得慢時才有籠型與磁場的相對轉(zhuǎn)動，才能切割磁力線感生電流，感生電流在洛倫茲力作用下推動鼠籠轉(zhuǎn)子異步旋轉(zhuǎn)?；\型與磁場轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差大則感生電流大，電流大則力大，力大則增加籠型轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差與力會形成平衡，籠型轉(zhuǎn)速將穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)差值。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度比旋轉(zhuǎn)磁場慢，故稱之為異步電機(jī)。

交流異步電機(jī)沒有電刷與換向器，沒有直接磨損部件，故障率與維護(hù)大大減少；電機(jī)采用密封，避免粉塵、雜質(zhì)的污染，可靠性大大提高。

（2）永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)與籠型異步電機(jī)最大的區(qū)別是在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和原理上，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片和永磁體構(gòu)成。把永久磁鐵轉(zhuǎn)子放在能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子鐵芯中，它將會跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場一致，故稱之為同步電動機(jī)。

為提高電機(jī)效率，提高調(diào)速精度，對電機(jī)非傳動端軸安裝位置與速度檢測裝置，多采用編碼器進(jìn)行速度和位置反饋。

為防止鐵屑與磁性粉塵進(jìn)入電機(jī)，永磁電機(jī)均采用密封機(jī)殼，散熱問題尤為重要，主要采用風(fēng)冷或水冷方式。

圖1 籠型異步電機(jī)

圖2 永磁同步電機(jī)

圖3 籠型異步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 兩種電機(jī)的特點(diǎn)比較

針對舞臺機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，從基本參數(shù)、驅(qū)動方式、精度、制動幾個方面進(jìn)行比較。

（1）基本參數(shù)

異步電機(jī)體積相對較大，但工藝比較簡單，性能穩(wěn)定可靠，功率可做得比較大，幾百千瓦的異步電機(jī)也很常見。異步電機(jī)可改裝性比較強(qiáng)，一般可以在電機(jī)尾軸出軸的部位進(jìn)行額外的改裝和加工。

同步伺服電機(jī)體積相對較小，一般同等功率下體積要比異步電機(jī)小。

（2）驅(qū)動方式

異步電機(jī)可采用變頻器進(jìn)行驅(qū)動，也可直接采用交流電進(jìn)行直通控制，對于變頻器的選型無特定要求。一個電機(jī)可以通過不同廠家的變頻器進(jìn)行驅(qū)動。交流電機(jī)也可以通過軟啟動器驅(qū)動電機(jī)使其緩起緩?fù)?，但是對于舞臺機(jī)械提升類應(yīng)用并不適合。

同步伺服電機(jī)則通常采用電機(jī)廠家的伺服驅(qū)動來進(jìn)行電機(jī)控制。采用第三方的驅(qū)動單元則相對麻煩，需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配，操控人員的工作相對更繁瑣。

需要指出的是，由于異步電機(jī)可采用直通控制的方式，可在某些情況下采用三相交流電進(jìn)行應(yīng)急直接驅(qū)動，而同步伺服則無法做到，這主要是電機(jī)構(gòu)造原理所決定的。

（3）精度

對于舞臺機(jī)械行業(yè)，異步電機(jī)和伺服電機(jī)的精度都足夠，最終控制效果都能輕松達(dá)到毫米級。電機(jī)的響應(yīng)速度和運(yùn)行精度（如升降臺、吊桿等舞臺設(shè)備的運(yùn)行精度最終體現(xiàn)在實(shí)際的定位精度和同步精度，特別是異步電機(jī)運(yùn)行的高精度得益于變頻器矢量控制理論的快速發(fā)展）都不存在實(shí)質(zhì)的區(qū)別。

（4）制動

異步電機(jī)制動可直接在電機(jī)尾軸根據(jù)需要選擇配置無制動、單制動、雙制動，均為電機(jī)的常見配置。同步伺服電機(jī)則基本上只能配置單制動或者無制動，并且由于體積限制，制動單元制動力矩一般只用于保持靜態(tài)力矩，并不適合在運(yùn)行情況下失電制動停車。

伺服電機(jī)一般無法帶雙制動，并且自帶的制動單元力矩不夠，在舞臺機(jī)械提升應(yīng)用一般都需要配置單獨(dú)的外置制動單元，某種程度上使得演出設(shè)備的體積、重量以及復(fù)雜度都會增加。而配置了雙制動的異步電機(jī)的制動力矩往往是同類型伺服電機(jī)力矩的3～8倍，該特性使得異步電機(jī)一般不需要額外外置制動模塊。

異步電機(jī)的制動單元可選擇加裝制動檢測微動開關(guān)，這種對于需要滿足SIL3安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備非常有幫助，同等情況假如采用同步伺服電機(jī)，則無法加裝反饋檢測，則需采用其他措施，如加裝外部雙制動，再在雙制動上增加制動反饋檢測開關(guān)。

3 安裝和使用

在舞臺機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用中，可根據(jù)項(xiàng)目周期、實(shí)際需求關(guān)注點(diǎn)（安全、精度以及工作制等）、工程技術(shù)人員、實(shí)用操作人員的知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)閱歷、工程及運(yùn)維成本等因素，選擇使用的電機(jī)類型，具體的考量內(nèi)容見表1。

異步電機(jī)常用于劇場、秀場等固定場所。該類場所一般所需電機(jī)功率較大，臺上吊掛類設(shè)備和臺下升降平移類設(shè)備功率通常都在5.5 kW以上。

同步伺服電機(jī)目前則主要應(yīng)用于威亞裝置上，同時應(yīng)用于一些流動演出，此類應(yīng)用的特點(diǎn)是設(shè)備功率相對較小，機(jī)械類裝置需要經(jīng)常換場。在此類應(yīng)用中，伺服電機(jī)通常采用5 kW功率大小的電機(jī)，實(shí)際使用過程中所掛載荷一般遠(yuǎn)小于理論載荷，同時采用蝸輪蝸桿減速機(jī)，可在一定程度上保證安全，使得設(shè)備在常規(guī)使用過程中能正常工作。但是該類設(shè)備一般也存在缺陷，比如在懸掛重載并持續(xù)下降過程中，會不同程度地出現(xiàn)各種問題。

表1 應(yīng)用比較

圖4 武漢軍運(yùn)會演出現(xiàn)場

圖5 威亞使用的異步電機(jī)

關(guān)于電機(jī)產(chǎn)品的選型，同步伺服電機(jī)歐美系相比其他日韓和國內(nèi)品牌的伺服而言，編碼器可選擇不需要加裝電池的機(jī)械式多圈絕對值編碼器，而國內(nèi)的伺服品牌和日韓系品牌伺服電機(jī)絕對值編碼器幾乎都采用需要加裝電池的磁性編碼器。機(jī)械多圈編碼器在一些特殊應(yīng)用場合優(yōu)勢比較明顯，比如一些安裝完成后無法經(jīng)常校準(zhǔn)位置的場合，或者校準(zhǔn)比較麻煩的場合，如三維威亞，一般校準(zhǔn)位置需要廠家人員去現(xiàn)場校準(zhǔn)，此類情況一般建議優(yōu)先選擇機(jī)械式多圈絕對值編碼器。

2019年，筆者在武漢軍運(yùn)會活動中（見圖4），在前期威亞設(shè)備研制的過程中，由于威亞行業(yè)普遍采用伺服電機(jī)，因此，對同等功率的同步伺服和異步電機(jī)進(jìn)行了實(shí)地測試和比較，伺服制動過程異常（國內(nèi)不少伺服電機(jī)的共性）、報警異常、剎車力矩不夠等狀況不斷。最終，196臺電機(jī)均采用異步電機(jī)（見圖5），運(yùn)行平穩(wěn)。異步電機(jī)由于獲取渠道簡單，同一品牌的變頻器對于異步電機(jī)無特殊要求，可在電機(jī)損壞的情況下更換不同廠家的電機(jī)；剎車力矩夠，一般不需要額外配置單獨(dú)的制動單元；表現(xiàn)精度沒有本質(zhì)區(qū)別，均使得采用異步電機(jī)更為適合。圖3為軍運(yùn)會設(shè)備圖，圖中采用的為國內(nèi)某品牌的籠式異步電機(jī)。

4 結(jié)語

舞臺機(jī)械的應(yīng)用中還會用到直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等其他種類的電機(jī)，但最常用的主要還是籠型異步電機(jī)和伺服電機(jī)。在針對應(yīng)用場景進(jìn)行電機(jī)的選型時，伺服電機(jī)在設(shè)備體積重量方面占據(jù)優(yōu)勢；同時，基于安全以及機(jī)械設(shè)備本身復(fù)雜程度考慮，籠型異步電機(jī)更有利于舞臺安全。