2.2　直流伺服电动机的工作原理与结构特点

2.2.1　直流伺服电动机的工作原理

直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，仍然基于电磁感应定律和电磁力定律这两个基本定律。

图2-1是最简单的直流电动机的物理模型。在两个空间固定的永久磁铁之间，有一个铁制的圆柱体（称为电枢铁芯）。电枢铁芯与磁极之间的间隙称为空气隙。图中两根导体ab和cd连接成为一个线圈，并敷设在电枢铁芯表面上。线圈的首、尾端分别连接到两个圆弧形的铜片（称为换向片）上。换向片固定于转轴上，换向片之间及换向片与转轴都互相绝缘。这种由换向片构成的整体称为换向器，整个转动部分称为电枢。为了把电枢和外电路接通，特别装置了两个电刷A和B。电刷在空间上是固定不动的，其位置如图2-1所示。当电枢转动时，电刷A只能与转到上面的一个换向片接触，而电刷B则只能与转到下面的一个换向片接触。

如果将电刷A、B接直流电源，电枢线圈中就会有电流通过。假设由直流电源产生的直流电流从电刷A流入，经导体ab、cd后，从电刷B流出，如图2-1（a）所示，根据电磁力定律，载流导体ab、cd在磁场中就会受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定。在图2-1（a）所示瞬间，位于N极下的导体ab受到的电磁力f的方向是从右向左；位于S极下的导体cd受到的电磁力f的方向是从左向右，因此电枢上受到逆时针方向的力矩，称为电磁转矩Te。在该电磁转矩Te的作用下，电枢将按逆时针方向转动。当电刷转过180°，如图2-1（b）所示时，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下。由于直流电源产生的直流电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。可见这时导体中的电流改变了方向，但产生的电磁转矩Te的方向并未改变，电枢仍然为逆时针方向旋转。

实际的直流电动机中，电枢上不是只有一个线圈，而是根据需要有许多线圈。但是，不管电枢上有多少个线圈，产生的电磁转矩却始终是单一的作用方向，并使电动机连续旋转。

在直流电动机中，因为电枢电流ia是由电枢电源电压U产生的，所以电枢电流ia与电源电压U的方向相同。由于直流电动机的电枢是在电磁转矩Te的作用下旋转的，所以，电动机转速n的方向与电磁转矩Te的方向相同，即在直流电动机中，电磁转矩Te是驱动性质的转矩。当电动机旋转时，电枢导体ab、cd将切割主极磁场的磁力线，产生感应电动势ea（ea为电枢导体中的感应电动势）。感应电动势ea的方向如图2-1所示。从图中可以看出，感应电动势ea的方向与电枢电流ia的方向相反，因此，在直流电动机中，感应电动势ea为反电动势。改变直流电动机旋转方向的方法是将电枢绕组（或励磁绕组）反接。

直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，当电枢两端接通直流电源时，电枢绕组中就有电枢电流Ia流过，电枢电流Ia与气隙磁场（每极磁通Φ）相互作用，产生电磁转矩Te，电动机就可以带动负载旋转，改变电动机的输入参数（电枢电压、每极磁通等），其输出参数（如位置、速度、加速度或转矩等）就会随之变化，这就是直流伺服电机的工作原理。

电磁转矩Te与电枢电流Ia和每极磁通Φ的关系式为Te=CTΦIa，其中的CT是一个与电动机结构有关的常数，称为转矩常数。当电动机的转子（电枢）以转速n旋转时，电枢绕组将切割气隙磁场而产生感应电动势Ea（Ea为电枢感应电动势，即正、负电刷两端的电动势）。电枢电动势Ea与电枢转速n和每极磁通Φ的关系式为Ea=CeΦn，其中的Ce是一个与电动机结构有关的常数，称为电动势常数。

2.2.2　传统式直流伺服电动机

传统式直流伺服电动机的结构形式和普通直流电动机基本相同，也由定子、转子两大部分组成，体积和容量都很小，无换向极，转子细长，便于控制。

传统式直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。

电磁式直流伺服电动机的定子铁芯通常由硅钢片冲制叠压而成，磁极和磁轭整体相连，如图2-2（a）所示，在磁极铁芯上套有励磁绕组；转子铁芯与小型直流电动机的转子铁芯相同，由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均布的齿槽，如图2-2（b）所示，在转子槽中放置电枢绕组，并经换向器、电刷引出。电枢绕组和励磁绕组分别由两个独立电源供电，属于他励式，其主磁场由励磁绕组中通入励磁电流产生。

常用永磁式直流伺服电动机的结构如图2-3所示。永磁式直流伺服电动机与电磁式直流伺服电动机的电枢基本相同，它们的不同之处在于，永磁式直流伺服电动机的主磁极由永磁体构成。取消了主磁极铁芯和励磁绕组不仅提高了电动机的效率，而且使电动机的体积明显减小。随着永磁材料的不断进步，永磁式直流伺服电动机的体积也在不断减小。

永磁式直流伺服电动机采用的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁等。不同永磁材料的磁特性差异很大，因此采用不同永磁材料时，永磁式直流伺服电动机的磁极结构也各不相同。

铝镍钴永磁材料的特点是剩磁较大而矫顽力很小，为了避免电动机磁极永久性去磁，铝镍钴永磁体的磁化方向长度较长。几种常用的铝镍钴永磁式直流伺服电动机的磁极结构如图2-4所示。显然，在图2-4中，前3种磁极结构（圆筒式、切向式凸极、切向式隐极）均能满足“永磁体的磁化方向长度较长”的要求，而采用图2-4（d）所示的径向式凸极结构时，电动机的径向尺寸将会较大。

铁氧体永磁材料的特点与铝镍钴永磁材料的特点正好相反，其剩磁较小而矫顽力较大。为了电动机的磁负荷，需要尽可能增大永磁体的有效截面。几种常用铁氧体永磁式直流伺服电动机的磁极结构如图2-5所示。

钕铁硼永磁材料具有优良的磁性能，因此，钕铁硼永磁式直流伺服电动机最适合采用图2-5（a）所示的瓦片式磁极结构。与其他两种永磁材料的电动机相比，钕铁硼永磁式直流伺服电动机的体积更小，性能也更为优良。

以上两种是具有传统结构的直流伺服电动机。现代伺服控制系统对快速响应性的要求越来越高，尽可能减小伺服电机的转动惯量，以便减小电动机的机电时间常数，提高伺服控制系统的快速响应能力，已经成为对伺服电动机的一个重要技术要求。为此多种类型的低惯量直流伺服电动机应运而生。常见的低惯量直流伺服电动机有盘形电枢直流伺服电动机、空心杯形电枢直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机等。

2.2.3　盘形电枢直流伺服电动机

盘形电枢直流伺服电动机如图2-6所示。它的定子由磁钢（永久磁铁）和前后磁轭（磁轭由软磁材料构成）组成，磁钢可在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置，磁钢产生轴向磁场，它的极数比较多，一般制成6极、8极或10极。电动机的气隙就位于圆盘的两边，圆盘上有电枢绕组，可分为印制绕组和绕线式绕组两种形式。

绕线式绕组是先绕制成单个线圈，然后将绕好的全部线圈沿径向圆周排列起来，再用环氧树脂浇注成圆盘形。

印制绕组是由印制电路工艺制成的电枢导体，两面的端部连接起来即成为电枢绕组，它可以是单片双面的，也可以是多片重叠的，以增加总导体数。

在盘形电枢直流伺服电动机中，磁极有效磁通是轴向取向的，径向载流导体在磁场作用下产生电磁转矩。因此，盘形电枢上电枢绕组的径向段为有效部分，弯曲段为端接部分。另外，在这种电动机中也常用电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器，它和电刷直接接触。

印制绕组直流伺服电动机的性能特点如下：

①电动机结构简单，制造成本低。

②启动转矩大。由于电枢绕组全部在气隙中，散热良好，其绕组电流密度比普通直流伺服电动机高，因此允许的启动电流大，启动转矩也大。

③力矩波动很小，低速运行稳定，调速范围广而平滑，能在1︰20的速比范围内可靠平稳运行。这主要是由于这种电动机没有齿槽效应以及电枢元件数、换向片数较多。

④换向性能好。电枢由非磁性材料组成，换向元件电感小，所以换向火花小。

⑤电枢转动惯量小，反应快，属于中等低惯量伺服电动机。

⑥印制绕组直流伺服电动机由于气隙大、主磁极漏磁大、磁动势利用率不高，因而效率不高。

⑦因为电枢直径大，限制了机电时间常数进一步降低的可能性。

2.2.4　空心杯型电枢直流伺服电动机

空心杯型电枢永磁式直流伺服电动机如图2-7所示。它有一个外定子和一个内定子，通常外定子由两个半圆形（瓦片形）的永久磁铁所组成，也可以是通常的电磁式结构；而内定子则由圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路的磁阻。

也可采用与此相反的形式，内定子为永磁体，而外定子采用软磁材料，这时外定子为磁路的一部分。这种结构形式称为内磁场式，与上面介绍的外磁场式在原理上相同。

空心杯型电枢上的电枢绕组可采用印制绕组，也可以先绕成单个成形线圈，然后将它们沿圆周的轴向方向排列成空心杯形，再用环氧树脂热固化成型。空心杯型电枢直接装在转轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引出。

空心杯型电枢直流伺服电动机的性能特点如下。

①低惯量。由于转子无铁芯，且薄壁细长，转动惯量极低。

②灵敏度高。因转子绕组散热条件好，并且永久磁钢体积大，可提高气隙的磁通密度，所以力矩大。因而转矩与转动惯量之比很大，时间常数很小，灵敏度高，快速性好。

③力矩波动小，低速转动平稳，噪声很小。由于绕组在气隙中分布均匀，不存在齿槽效应。因此力矩传递均匀，波动小，故运行时噪声小，低速运转平稳。

④换向性能好，寿命长。由于杯型转子无铁芯，换向元件电感很小，几乎不产生火花，换向性能好，因此大大提高了电动机的寿命。由于换向火花很小，可大大减少对无线电的干扰。

⑤损耗小，效率高。因转子中无磁滞和涡流造成的铁芯损耗，所以效率较高。

2.2.5　无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢直流伺服电动机如图2-8所示。它的电枢铁芯上并不开槽，即电枢铁芯是光滑、无槽的圆柱体。电枢的制造是将电枢绕组直接排列在光滑的电枢铁芯表面，再用环氧树脂固化成形，并把它与电枢铁芯粘成一个整体，其气隙尺寸比较大，比普通的直流伺服电动机大10倍以上。其定子磁极可以用永久磁铁做成，也可采用电磁式结构。

由于无槽电枢直流伺服电动机在磁路上不存在齿部磁通密度饱和的问题，因此可以大大提高电动机的气隙磁通密度并减小电枢的外径。所以无槽电枢直流伺服电动机具有启动转矩较大、反应较快、启动灵敏度较高、转速平稳、低速运行均匀、换向性能良好等优点，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，例如数控机床和雷达天线驱动等方面。

无槽电枢直流伺服电动机的转动惯量和电枢绕组电感比较大，因而其动态性能不如盘形电枢直流伺服电动机和空心杯形电枢永磁式直流伺服电动机。