舞台机械技术与设备系列谈（一）——电机

侯鹏强，唐 伟，向 飞

(成都炎兴自动化工程有限公司，四川 成都 610052)

舞台机械行业中，电机的使用是重要的一环，但实际设计制作中，常常会遇到各种问题。基于这些问题的分析，提出不同的舞台应用中电机选型的依据，如针对流动演出使用的升降舞台，是选用异步电机好还是选择同步电机更适合，以及使用中应该考虑的因素。

1 关于电机的初步认识

在当前的舞台机械行业中，传动的方式多种多样，如液压传动、气压传动、机械传动等，其原动机都是电机驱动。随着电控技术的进步以及液压和气压传动中的一些应用限制，目前更多的应用场景采用电机驱动机械传动的方式，本文中，笔者重点讨论机械传动下的电机选型。

电机划分的种类多种多样，根据供电方式可分为直流电机和交流电机，按照结构和工作原理可分为异步电动机和同步电动机。舞台机械行业采用的电机主要有两种：一种为交流三相异步电机中的笼型异步电机（即鼠笼式异步电机），采用变频驱动方式；一种为永磁同步电机，多采用专用的伺服驱动器进行驱动。对于其他类型的电机，由于在舞台机械行业应用相对较少，在此不做介绍。这里需要说明的是，文中所述异步电机特指三相交流笼型异步电机（见图1），同步电机或者伺服电机特指永磁同步电机（见图2）；对于文中所涉及的舞台机械行业中的应用场景，主要包括固定场馆的秀场、流动演出，以及威亚中的应用等。

（1）笼型异步电机

笼型三相交流异步电机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的，转子不是永磁的，也不是线绕电磁的，转子绕组是笼型结构，俗称鼠笼，如图3所示。

笼型是不可能与磁场同步旋转的，只有笼型比磁场转得慢时才有笼型与磁场的相对转动，才能切割磁力线感生电流，感生电流在洛伦兹力作用下推动鼠笼转子异步旋转。笼型与磁场转速之差称为转差，转差大则感生电流大，电流大则力大，力大则增加笼型转速。转差与力会形成平衡，笼型转速将稳定在某一转差值。由于转子旋转速度比旋转磁场慢，故称之为异步电机。

交流异步电机没有电刷与换向器，没有直接磨损部件，故障率与维护大大减少；电机采用密封，避免粉尘、杂质的污染，可靠性大大提高。

（2）永磁同步电机

永磁同步电机与笼型异步电机最大的区别是在转子的结构和原理上，同步电机转子铁芯由导磁良好的硅钢片和永磁体构成。把永久磁铁转子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中，它将会跟随旋转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致，故称之为同步电动机。

为提高电机效率，提高调速精度，对电机非传动端轴安装位置与速度检测装置，多采用编码器进行速度和位置反馈。

为防止铁屑与磁性粉尘进入电机，永磁电机均采用密封机壳，散热问题尤为重要，主要采用风冷或水冷方式。

图1 笼型异步电机

图2 永磁同步电机

图3 笼型异步电机内部结构图

2 两种电机的特点比较

针对舞台机械应用领域的特点，从基本参数、驱动方式、精度、制动几个方面进行比较。

（1）基本参数

异步电机体积相对较大，但工艺比较简单，性能稳定可靠，功率可做得比较大，几百千瓦的异步电机也很常见。异步电机可改装性比较强，一般可以在电机尾轴出轴的部位进行额外的改装和加工。

同步伺服电机体积相对较小，一般同等功率下体积要比异步电机小。

（2）驱动方式

异步电机可采用变频器进行驱动，也可直接采用交流电进行直通控制，对于变频器的选型无特定要求。一个电机可以通过不同厂家的变频器进行驱动。交流电机也可以通过软启动器驱动电机使其缓起缓停，但是对于舞台机械提升类应用并不适合。

同步伺服电机则通常采用电机厂家的伺服驱动来进行电机控制。采用第三方的驱动单元则相对麻烦，需要对电机参数进行匹配，操控人员的工作相对更繁琐。

需要指出的是，由于异步电机可采用直通控制的方式，可在某些情况下采用三相交流电进行应急直接驱动，而同步伺服则无法做到，这主要是电机构造原理所决定的。

（3）精度

对于舞台机械行业，异步电机和伺服电机的精度都足够，最终控制效果都能轻松达到毫米级。电机的响应速度和运行精度（如升降台、吊杆等舞台设备的运行精度最终体现在实际的定位精度和同步精度，特别是异步电机运行的高精度得益于变频器矢量控制理论的快速发展）都不存在实质的区别。

（4）制动

异步电机制动可直接在电机尾轴根据需要选择配置无制动、单制动、双制动，均为电机的常见配置。同步伺服电机则基本上只能配置单制动或者无制动，并且由于体积限制，制动单元制动力矩一般只用于保持静态力矩，并不适合在运行情况下失电制动停车。

伺服电机一般无法带双制动，并且自带的制动单元力矩不够，在舞台机械提升应用一般都需要配置单独的外置制动单元，某种程度上使得演出设备的体积、重量以及复杂度都会增加。而配置了双制动的异步电机的制动力矩往往是同类型伺服电机力矩的3～8倍，该特性使得异步电机一般不需要额外外置制动模块。

异步电机的制动单元可选择加装制动检测微动开关，这种对于需要满足SIL3安全标准的设备非常有帮助，同等情况假如采用同步伺服电机，则无法加装反馈检测，则需采用其他措施，如加装外部双制动，再在双制动上增加制动反馈检测开关。

3 安装和使用

在舞台机械行业的应用中，可根据项目周期、实际需求关注点（安全、精度以及工作制等）、工程技术人员、实用操作人员的知识结构和经验阅历、工程及运维成本等因素，选择使用的电机类型，具体的考量内容见表1。

异步电机常用于剧场、秀场等固定场所。该类场所一般所需电机功率较大，台上吊挂类设备和台下升降平移类设备功率通常都在5.5 kW以上。

同步伺服电机目前则主要应用于威亚装置上，同时应用于一些流动演出，此类应用的特点是设备功率相对较小，机械类装置需要经常换场。在此类应用中，伺服电机通常采用5 kW功率大小的电机，实际使用过程中所挂载荷一般远小于理论载荷，同时采用蜗轮蜗杆减速机，可在一定程度上保证安全，使得设备在常规使用过程中能正常工作。但是该类设备一般也存在缺陷，比如在悬挂重载并持续下降过程中，会不同程度地出现各种问题。

表1 应用比较

图4 武汉军运会演出现场

图5 威亚使用的异步电机

关于电机产品的选型，同步伺服电机欧美系相比其他日韩和国内品牌的伺服而言，编码器可选择不需要加装电池的机械式多圈绝对值编码器，而国内的伺服品牌和日韩系品牌伺服电机绝对值编码器几乎都采用需要加装电池的磁性编码器。机械多圈编码器在一些特殊应用场合优势比较明显，比如一些安装完成后无法经常校准位置的场合，或者校准比较麻烦的场合，如三维威亚，一般校准位置需要厂家人员去现场校准，此类情况一般建议优先选择机械式多圈绝对值编码器。

2019年，笔者在武汉军运会活动中（见图4），在前期威亚设备研制的过程中，由于威亚行业普遍采用伺服电机，因此，对同等功率的同步伺服和异步电机进行了实地测试和比较，伺服制动过程异常（国内不少伺服电机的共性）、报警异常、刹车力矩不够等状况不断。最终，196台电机均采用异步电机（见图5），运行平稳。异步电机由于获取渠道简单，同一品牌的变频器对于异步电机无特殊要求，可在电机损坏的情况下更换不同厂家的电机；刹车力矩够，一般不需要额外配置单独的制动单元；表现精度没有本质区别，均使得采用异步电机更为适合。图3为军运会设备图，图中采用的为国内某品牌的笼式异步电机。

4 结语

舞台机械的应用中还会用到直流电机、步进电机等其他种类的电机，但最常用的主要还是笼型异步电机和伺服电机。在针对应用场景进行电机的选型时，伺服电机在设备体积重量方面占据优势；同时，基于安全以及机械设备本身复杂程度考虑，笼型异步电机更有利于舞台安全。