一、力矩伺服電動(dòng)機(jī)
在某些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對象的運(yùn)動(dòng)速度相對較低。若用齒輪減速器，則齒輪之間的間隙常常引起系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的振蕩和系統(tǒng)剛度的降低。因此希望有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)。力矩電動(dòng)機(jī)就是為這種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的需要而設(shè)計(jì)制造的電機(jī)，它能在低速運(yùn)行甚至長期堵轉(zhuǎn)情況下產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，而且不需要經(jīng)過齒輪減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，具有響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
力矩伺服電動(dòng)機(jī)可分為直流力矩電動(dòng)機(jī)和交流力矩電動(dòng)機(jī)。交流力矩電動(dòng)機(jī)通過增大異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻來擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，并使電動(dòng)機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，其基本原理與異步飼服電動(dòng)機(jī)增大轉(zhuǎn)子電阻的機(jī)理相同。下面主要介紹直流力矩電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
1_直流力矩電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直流伺服電動(dòng)機(jī)基本相同．只是外形尺寸在比例上有所不同。為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)都做成細(xì)長形，而直流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速，一般做成扁平形，電樞長度與直徑之比一般為o．2左右。定子采用永磁式結(jié)構(gòu)，并且極數(shù)較多。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還選用較多的轉(zhuǎn)子槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。圖4 12所示為直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。定子是一個(gè)用軟磁材料做成的帶槽的環(huán)，槽中放置永磁體。轉(zhuǎn)子鐵心由導(dǎo)磁沖片疊壓而成，槽中放置電樞繞組。
2．直流力矩電動(dòng)機(jī)的基本原理
直流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速，一般做成扁平形。下面以兩極電機(jī)為例分析其基本原理。
圖4—13所示為兩臺直流電機(jī)示意圖，設(shè)它們的電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密均相等，電機(jī)b的電樞直徑Db是電機(jī)a電樞直徑Da的兩倍，即
Db=2Da (4-46)
(1)電磁轉(zhuǎn)矩的分析。因?yàn)殡姌畜w積相等，所以電樞鐵心軸線長度La、lb之間的關(guān)系是
槽面積sa、sb與電樞總導(dǎo)體數(shù)Na、Nb的關(guān)系式分別為
式中：ke為電樞截面利用系數(shù)，即總的槽面積占電樞截面積的比例系數(shù)；kf為槽填充系數(shù)．即導(dǎo)體截面積占槽面積的比例系數(shù);SaN、SbN為導(dǎo)體截面積．因?yàn)閮膳_電機(jī)的電樞電流和電密相等，所以SaN=sbN。
根據(jù)式(4-48)，可知電樞總導(dǎo)體數(shù)NA、Nb之間的關(guān)系是
兩臺電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式分別為
式中：Bav為氣隙磁密的平均值；ia為電摳導(dǎo)體電流。
利用式(4—46)、式(4 47)和式(4 49)的關(guān)系，由式(4 50)可以得到電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即
式(4—51)說明，在電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密相等的條件下，如果電樞直徑增大一倍．則電磁轉(zhuǎn)矩也增大一倍，即電磁轉(zhuǎn)矩與電樞直徑成正比。
(2)空載轉(zhuǎn)速的分析。若電樞直徑為D，則一個(gè)極下一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢為
一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為N／2，則刷間電動(dòng)勢為
理想空載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為瑜，并且控制電壓(電樞電壓)uc=Ea，所以
根據(jù)上述分析。當(dāng)電樞體積、電樞電流和電流密度相等時(shí)，M乘積保持不變。這樣，在控制電壓和氣隙磁密相同的情況下，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞直徑成反比。
綜合以上分析，在其他條件相同的情況下，增大直流電動(dòng)機(jī)的直徑，減小軸向長度，可以增大電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，并降低空載轉(zhuǎn)速。這就是直流力矩電動(dòng)機(jī)做成扁平形的根本原因。
3．直流力矩電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)
(1)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速運(yùn)行穩(wěn)定。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小是評價(jià)直流電動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。直流力矩電動(dòng)機(jī)采用扁平形電樞．可以增加電樞槽數(shù)、導(dǎo)體元件數(shù)和換向片數(shù)．還可以適當(dāng)增大氣隙，采用斜槽或斜磁極結(jié)構(gòu)，這些措施均可以有效削弱直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
(2)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好。直流電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁磁通保持不變的情況下，可以得到線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。但是由于電樞反應(yīng)的去磁作用。造成勵(lì)磁磁場的畸變。在設(shè)計(jì)直流力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以把磁路設(shè)計(jì)成高度飽和，并采取增大氣隙等方法，削弱電樞反應(yīng)的影響。
(3)響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好。對于電機(jī)而言，決定過渡過程快慢的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別是機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm和電氣時(shí)間常數(shù)τm．時(shí)間常數(shù)越�。憫�(yīng)越迅速。雖然直流力矩電動(dòng)機(jī)電樞直
軸直接套在短而粗的負(fù)載軸上，從而大大提高系統(tǒng)的耦合剛度，改善動(dòng)態(tài)性能。
二、小慣量伺服電動(dòng)機(jī)
為了提高伺服電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性，總是希望轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小越好。除了前面介紹的空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，還有盤式結(jié)構(gòu)和無槽結(jié)構(gòu)的伺服電動(dòng)機(jī)，下面分別予以簡要介紹。
1．盤式伺服電動(dòng)機(jī)
盤式電機(jī)由于外形扁平、軸向尺寸短而特別適用于安裝空間有嚴(yán)格限制的場合，如航空航天領(lǐng)域。盤式電機(jī)的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，所以又稱為軸向磁場電機(jī)。實(shí)際上，世界上第一臺電機(jī)就是法拉第發(fā)明的軸向磁場盤式永磁直流電機(jī)。限于當(dāng)時(shí)的材料和工藝水平，盤式電機(jī)未能得到進(jìn)一步的發(fā)展。隨著科技水平的進(jìn)步，特別是微機(jī)控制的鐵心自動(dòng)沖卷機(jī)的問世，解決了盤式電機(jī)制造的關(guān)鍵工藝問題，使其批量生產(chǎn)及多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能，因而促進(jìn)了盤式電機(jī)的推廣和應(yīng)用。
盤式電機(jī)大都是永磁式，其工作原理與柱式電機(jī)相同，所以它與柱式電機(jī)一樣，既可以制成電動(dòng)機(jī)，也可以制成發(fā)電機(jī)。一般來說，每種柱式電機(jī)都有相對應(yīng)的盤式電機(jī)。下面簡要介紹盤式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。
盤式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。電樞繞組為印制繞組結(jié)構(gòu)，其制造精度較高，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小。為了克服單邊磁拉力，減小漏磁通，應(yīng)采用雙邊永磁體的結(jié)構(gòu)。與單邊永磁體結(jié)構(gòu)相比。在永磁體總體積不變的條件下，雙邊永磁體結(jié)構(gòu)的氣隙磁密可提高10％左右，并且可改善氣隙磁密的均勻性。所以，雙邊永磁體結(jié)構(gòu)可以充分利用永磁材料，有利于提高電機(jī)性能，縮小體積，降低成本。
盤式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
(1)轉(zhuǎn)動(dòng)部分只有電樞繞組，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量�。哂锌焖俚捻憫�(yīng)能力，可以用于頻繁起、制動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)的場合。
(2)軸向尺寸短．可適用于安裝空間較小的場合。
(3)采用無鐵心電樞結(jié)構(gòu)，不存在普通柱式電機(jī)由于齒槽效應(yīng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。
(4)不存在磁滯和渦流損耗，電機(jī)效率較高。
(5)電樞采用非磁性材料制成，電樞繞組電感小，換向火花小。
(6)電樞繞組兩端面直接與氣隙接觸，有利于電樞繞組的散熱，并有利于取較大的電負(fù)荷，減小電機(jī)的體積。
因此，盤式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公自動(dòng)化用品和家用電器等領(lǐng)域。
2．無槽伺服電動(dòng)機(jī)
無槽電機(jī)的特點(diǎn)是電樞表面光滑．不開槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面．用環(huán)氧樹脂澆注成型，與鐵心固化成一個(gè)整體，圖4—15所示為無槽直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。定子磁極可以采用永磁式，也可以采用電磁式。這種無槽電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞繞組的電感比盤式電機(jī)和空心杯電機(jī)要稍大些，因而動(dòng)態(tài)性能稍顯遜色.
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