2.2　直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1　直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同，仍然基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律這兩個(gè)基本定律。

圖2-1是最簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)的物理模型。在兩個(gè)空間固定的永久磁鐵之間，有一個(gè)鐵制的圓柱體（稱為電樞鐵芯）。電樞鐵芯與磁極之間的間隙稱為空氣隙。圖中兩根導(dǎo)體ab和cd連接成為一個(gè)線圈，并敷設(shè)在電樞鐵芯表面上。線圈的首、尾端分別連接到兩個(gè)圓弧形的銅片（稱為換向片）上。換向片固定于轉(zhuǎn)軸上，換向片之間及換向片與轉(zhuǎn)軸都互相絕緣。這種由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為電樞。為了把電樞和外電路接通，特別裝置了兩個(gè)電刷A和B。電刷在空間上是固定不動(dòng)的，其位置如圖2-1所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷A只能與轉(zhuǎn)到上面的一個(gè)換向片接觸，而電刷B則只能與轉(zhuǎn)到下面的一個(gè)換向片接觸。

如果將電刷A、B接直流電源，電樞線圈中就會(huì)有電流通過(guò)。假設(shè)由直流電源產(chǎn)生的直流電流從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體ab、cd后，從電刷B流出，如圖2-1（a）所示，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab、cd在磁場(chǎng)中就會(huì)受到電磁力的作用，其方向可用左手定則確定。在圖2-1（a）所示瞬間，位于N極下的導(dǎo)體ab受到的電磁力f的方向是從右向左；位于S極下的導(dǎo)體cd受到的電磁力f的方向是從左向右，因此電樞上受到逆時(shí)針?lè)较虻牧兀Q為電磁轉(zhuǎn)矩Te。在該電磁轉(zhuǎn)矩Te的作用下，電樞將按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電刷轉(zhuǎn)過(guò)180°，如圖2-1（b）所示時(shí)，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下。由于直流電源產(chǎn)生的直流電流方向不變，仍從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd、ab后，從電刷B流出。可見(jiàn)這時(shí)導(dǎo)體中的電流改變了方向，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Te的方向并未改變，電樞仍然為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)中，電樞上不是只有一個(gè)線圈，而是根據(jù)需要有許多線圈。但是，不管電樞上有多少個(gè)線圈，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩卻始終是單一的作用方向，并使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

在直流電動(dòng)機(jī)中，因?yàn)殡姌须娏?span id="kbaur7q" class="italic">ia是由電樞電源電壓U產(chǎn)生的，所以電樞電流ia與電源電壓U的方向相同。由于直流電動(dòng)機(jī)的電樞是在電磁轉(zhuǎn)矩Te的作用下旋轉(zhuǎn)的，所以，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的方向與電磁轉(zhuǎn)矩Te的方向相同，即在直流電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩Te是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞導(dǎo)體ab、cd將切割主極磁場(chǎng)的磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea（ea為電樞導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea的方向如圖2-1所示。從圖中可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea的方向與電樞電流ia的方向相反，因此，在直流電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea為反電動(dòng)勢(shì)。改變直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的方法是將電樞繞組（或勵(lì)磁繞組）反接。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通直流電動(dòng)機(jī)相同，當(dāng)電樞兩端接通直流電源時(shí)，電樞繞組中就有電樞電流Ia流過(guò)，電樞電流Ia與氣隙磁場(chǎng)（每極磁通Φ）相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te，電動(dòng)機(jī)就可以帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，改變電動(dòng)機(jī)的輸入?yún)?shù)（電樞電壓、每極磁通等），其輸出參數(shù)（如位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩等）就會(huì)隨之變化，這就是直流伺服電機(jī)的工作原理。

電磁轉(zhuǎn)矩Te與電樞電流Ia和每極磁通Φ的關(guān)系式為Te=CTΦIa，其中的CT是一個(gè)與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組將切割氣隙磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea（Ea為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即正、負(fù)電刷兩端的電動(dòng)勢(shì)）。電樞電動(dòng)勢(shì)Ea與電樞轉(zhuǎn)速n和每極磁通Φ的關(guān)系式為Ea=CeΦn，其中的Ce是一個(gè)與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

2.2.2　傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)

傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，也由定子、轉(zhuǎn)子兩大部分組成，體積和容量都很小，無(wú)換向極，轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)，便于控制。

傳統(tǒng)式直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。

電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯通常由硅鋼片沖制疊壓而成，磁極和磁軛整體相連，如圖2-2（a）所示，在磁極鐵芯上套有勵(lì)磁繞組；轉(zhuǎn)子鐵芯與小型直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯相同，由硅鋼片沖制疊壓而成，在轉(zhuǎn)子沖片的外圓周上開(kāi)有均布的齒槽，如圖2-2（b）所示，在轉(zhuǎn)子槽中放置電樞繞組，并經(jīng)換向器、電刷引出。電樞繞組和勵(lì)磁繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電，屬于他勵(lì)式，其主磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組中通入勵(lì)磁電流產(chǎn)生。

常用永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)與電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞基本相同，它們的不同之處在于，永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的主磁極由永磁體構(gòu)成。取消了主磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組不僅提高了電動(dòng)機(jī)的效率，而且使電動(dòng)機(jī)的體積明顯減小。隨著永磁材料的不斷進(jìn)步，永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的體積也在不斷減小。

永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)采用的永磁材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁等。不同永磁材料的磁特性差異很大，因此采用不同永磁材料時(shí)，永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)也各不相同。

鋁鎳鈷永磁材料的特點(diǎn)是剩磁較大而矯頑力很小，為了避免電動(dòng)機(jī)磁極永久性去磁，鋁鎳鈷永磁體的磁化方向長(zhǎng)度較長(zhǎng)。幾種常用的鋁鎳鈷永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。顯然，在圖2-4中，前3種磁極結(jié)構(gòu)（圓筒式、切向式凸極、切向式隱極）均能滿足“永磁體的磁化方向長(zhǎng)度較長(zhǎng)”的要求，而采用圖2-4（d）所示的徑向式凸極結(jié)構(gòu)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的徑向尺寸將會(huì)較大。

鐵氧體永磁材料的特點(diǎn)與鋁鎳鈷永磁材料的特點(diǎn)正好相反，其剩磁較小而矯頑力較大。為了電動(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷，需要盡可能增大永磁體的有效截面。幾種常用鐵氧體永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。

釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)良的磁性能，因此，釹鐵硼永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)最適合采用圖2-5（a）所示的瓦片式磁極結(jié)構(gòu)。與其他兩種永磁材料的電動(dòng)機(jī)相比，釹鐵硼永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的體積更小，性能也更為優(yōu)良。

以上兩種是具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流伺服電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)性的要求越來(lái)越高，盡可能減小伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便減小電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，提高伺服控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，已經(jīng)成為對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)要求。為此多種類型的低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。常見(jiàn)的低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)和無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)等。

2.2.3　盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)如圖2-6所示。它的定子由磁鋼（永久磁鐵）和前后磁軛（磁軛由軟磁材料構(gòu)成）組成，磁鋼可在圓盤(pán)的一側(cè)放置，也可以在兩側(cè)同時(shí)放置，磁鋼產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，它的極數(shù)比較多，一般制成6極、8極或10極。電動(dòng)機(jī)的氣隙就位于圓盤(pán)的兩邊，圓盤(pán)上有電樞繞組，可分為印制繞組和繞線式繞組兩種形式。

繞線式繞組是先繞制成單個(gè)線圈，然后將繞好的全部線圈沿徑向圓周排列起來(lái)，再用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成圓盤(pán)形。

印制繞組是由印制電路工藝制成的電樞導(dǎo)體，兩面的端部連接起來(lái)即成為電樞繞組，它可以是單片雙面的，也可以是多片重疊的，以增加總導(dǎo)體數(shù)。

在盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)中，磁極有效磁通是軸向取向的，徑向載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因此，盤(pán)形電樞上電樞繞組的徑向段為有效部分，彎曲段為端接部分。另外，在這種電動(dòng)機(jī)中也常用電樞繞組有效部分的裸導(dǎo)體表面兼作換向器，它和電刷直接接觸。

印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)如下：

①電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。

②啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。由于電樞繞組全部在氣隙中，散熱良好，其繞組電流密度比普通直流伺服電動(dòng)機(jī)高，因此允許的啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大。

③力矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速范圍廣而平滑，能在1︰20的速比范圍內(nèi)可靠平穩(wěn)運(yùn)行。這主要是由于這種電動(dòng)機(jī)沒(méi)有齒槽效應(yīng)以及電樞元件數(shù)、換向片數(shù)較多。

④換向性能好。電樞由非磁性材料組成，換向元件電感小，所以換向火花小。

⑤電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)快，屬于中等低慣量伺服電動(dòng)機(jī)。

⑥印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)由于氣隙大、主磁極漏磁大、磁動(dòng)勢(shì)利用率不高，因而效率不高。

⑦因?yàn)殡姌兄睆酱螅拗屏藱C(jī)電時(shí)間常數(shù)進(jìn)一步降低的可能性。

2.2.4　空心杯型電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

空心杯型電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)如圖2-7所示。它有一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子，通常外定子由兩個(gè)半圓形（瓦片形）的永久磁鐵所組成，也可以是通常的電磁式結(jié)構(gòu)；而內(nèi)定子則由圓柱形的軟磁材料做成，僅作為磁路的一部分，以減小磁路的磁阻。

也可采用與此相反的形式，內(nèi)定子為永磁體，而外定子采用軟磁材料，這時(shí)外定子為磁路的一部分。這種結(jié)構(gòu)形式稱為內(nèi)磁場(chǎng)式，與上面介紹的外磁場(chǎng)式在原理上相同。

空心杯型電樞上的電樞繞組可采用印制繞組，也可以先繞成單個(gè)成形線圈，然后將它們沿圓周的軸向方向排列成空心杯形，再用環(huán)氧樹(shù)脂熱固化成型。空心杯型電樞直接裝在轉(zhuǎn)軸上，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。電樞繞組接到換向器上，由電刷引出。

空心杯型電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)如下。

①低慣量。由于轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，且薄壁細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極低。

②靈敏度高。因轉(zhuǎn)子繞組散熱條件好，并且永久磁鋼體積大，可提高氣隙的磁通密度，所以力矩大。因而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比很大，時(shí)間常數(shù)很小，靈敏度高，快速性好。

③力矩波動(dòng)小，低速轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲很小。由于繞組在氣隙中分布均勻，不存在齒槽效應(yīng)。因此力矩傳遞均勻，波動(dòng)小，故運(yùn)行時(shí)噪聲小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

④換向性能好，壽命長(zhǎng)。由于杯型轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，換向元件電感很小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，因此大大提高了電動(dòng)機(jī)的壽命。由于換向火花很小，可大大減少對(duì)無(wú)線電的干擾。

⑤損耗小，效率高。因轉(zhuǎn)子中無(wú)磁滯和渦流造成的鐵芯損耗，所以效率較高。

2.2.5　無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)

無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)如圖2-8所示。它的電樞鐵芯上并不開(kāi)槽，即電樞鐵芯是光滑、無(wú)槽的圓柱體。電樞的制造是將電樞繞組直接排列在光滑的電樞鐵芯表面，再用環(huán)氧樹(shù)脂固化成形，并把它與電樞鐵芯粘成一個(gè)整體，其氣隙尺寸比較大，比普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)大10倍以上。其定子磁極可以用永久磁鐵做成，也可采用電磁式結(jié)構(gòu)。

由于無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)在磁路上不存在齒部磁通密度飽和的問(wèn)題，因此可以大大提高電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通密度并減小電樞的外徑。所以無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、反應(yīng)較快、啟動(dòng)靈敏度較高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、低速運(yùn)行均勻、換向性能良好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于要求快速動(dòng)作、功率較大的系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床和雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)等方面。

無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞繞組電感比較大，因而其動(dòng)態(tài)性能不如盤(pán)形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)和空心杯形電樞永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。