1、第二章直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有特殊用途的直流電動(dòng)機(jī)，又稱執(zhí)行電機(jī)，它能夠把輸入的電壓信號變換成軸上的角位移和角速度等機(jī)械信號。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電磁關(guān)系與一般用途的直流電動(dòng)機(jī)相同。第一節(jié)直流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機(jī)相同。電動(dòng)機(jī)輸入電壓信號，輸出轉(zhuǎn)速信號。、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程1、電磁轉(zhuǎn)矩TempNIa Ct對于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī),它的電磁轉(zhuǎn)矩Tem正比于每極磁通和電樞電流2、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程Tem = T2ToTl稱為電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程。3、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)，由于電機(jī)及負(fù)載具有轉(zhuǎn)

2、動(dòng)慣量，將產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)矩J負(fù)載和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;此時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程為Tem TLTjJd- dt電動(dòng)勢平衡方程直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢平衡方程EaIaRa電樞電流的表達(dá)式EaRaU Ce nRa電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n-URaCeCeCT2 Temn。Tem四、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速1.起動(dòng)：起動(dòng)電流大：IstIaURa由于Ra不大，所以起動(dòng)電流可能達(dá)到額定電流的十幾倍。為了限制起動(dòng)電流，一般采用在電樞回路中串聯(lián)起動(dòng)電阻Rst的方法。一般把起動(dòng)電流限制在額定電流的1.52倍以內(nèi)，保證有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對于自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用的直流電動(dòng)機(jī)，功率只有幾百瓦，由于電樞電阻比較大，其起動(dòng)電流不

3、超過額定電流的56倍，加上其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小,所以可以直接起動(dòng)，而且起動(dòng)電流大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大，這正是控制系統(tǒng)所希望的。轉(zhuǎn)速上升快，起動(dòng)時(shí)間短,為了獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁磁通應(yīng)為最大，因此電機(jī)起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)電阻必須短接，并在勵(lì)磁繞組兩端加上額定勵(lì)磁電壓。2.調(diào)速:UIaRanCe調(diào)速的方法有三種：(1)改變電源電壓U調(diào)速；(2)在電樞回路串聯(lián)電阻RS調(diào)速；(3)調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路電阻Rcf(改變磁通)調(diào)速。下面分析轉(zhuǎn)矩、電流和轉(zhuǎn)速等物理量的穩(wěn)態(tài)值在調(diào)速前后的變化。1)電樞回路串聯(lián)電阻Rs調(diào)速電樞回路串聯(lián)的電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速：損耗較大，效率較低。當(dāng)輕載時(shí)，電樞電流較小，串聯(lián)電

4、阻后，轉(zhuǎn)速變化不大。但是，這種調(diào)速方法設(shè)備比較簡單。2)降低電源電壓調(diào)速電源電壓越低，轉(zhuǎn)速越低。這種調(diào)速方法，可以實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速，但需要附加調(diào)壓設(shè)備。3)改變勵(lì)磁回路電阻Ref調(diào)速勵(lì)磁回路串聯(lián)的電阻RCf越大，轉(zhuǎn)速越高。(1)容易控制：勵(lì)磁電流只有電樞額定電流的百分之幾，所以調(diào)節(jié)電阻的容量小，銅耗也小，而且容易控制；(2)調(diào)速的快速性較差：勵(lì)磁回路電感比電樞回路大，電氣時(shí)間常數(shù)較大。(3)轉(zhuǎn)速只能升高：勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻只能使勵(lì)磁電流減小。(4)改變磁通(弱磁)調(diào)速時(shí)，必須降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩：由于TemCTIa,若電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,重新穩(wěn)定后，因磁通減弱，所以電流Ia增大，將超過原來的額定值，這是

5、不允許的，因此，在要求調(diào)速范圍大的場合，幾種調(diào)速方法總是同時(shí)兼用。當(dāng)電源電壓可調(diào)時(shí)，利用降壓降低轉(zhuǎn)速，利用增加勵(lì)磁回路電阻增大轉(zhuǎn)速。當(dāng)電源電壓恒定時(shí)，則利用增加電樞回路電阻降低轉(zhuǎn)速，利用增加勵(lì)磁回路電阻增大轉(zhuǎn)速。需要注意的是，對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，若起動(dòng)前就斷開，則電動(dòng)機(jī)由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小而不能起動(dòng)。如果在運(yùn)行過程中斷開，則相當(dāng)于勵(lì)磁回路串聯(lián)的電阻RCf,電機(jī)轉(zhuǎn)速大大超過額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)發(fā)出尖銳的噪聲，出現(xiàn)“飛車”事故。第二節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法和運(yùn)行特性伺服電動(dòng)機(jī)分直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。伺服電機(jī)的最大特點(diǎn)是可控性。伺服系統(tǒng)一般有三種基本控制方式：位置控制、速度控制和力矩控制。直流

6、伺服電動(dòng)機(jī)通常應(yīng)用于功率較大的自控系統(tǒng)中，輸出功率一般為1600W,也有的達(dá)數(shù)kW,其電壓分為：6、9、12、24、27、48、110、220V。一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制電源為直流電壓，分普通直流伺服電動(dòng)機(jī)、盤形電樞直流伺服電機(jī)、空心杯直流伺服電機(jī)和無槽直流伺服電機(jī)等。普通直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種基本結(jié)構(gòu)類型。電磁式又分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種，永磁式可看作是他勵(lì)式。二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理與一般的直流電動(dòng)機(jī)相同。控制方式有改變電樞電壓的電樞控制和改變磁通的磁場控制兩種。電樞控制具有機(jī)械特性和控制特性線性度好，而且特性曲線為一組平行線

7、，空載損耗較小，控制回路電感小，響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)中多采用電樞控制。磁場控制只用于小功率電機(jī)。下面只敘述電樞控制。把電樞電壓U作為控制信號，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，這就是電樞控制方法。電樞控制的物理過程：當(dāng)T2To和不變時(shí)，增大U,由于電機(jī)有慣性，轉(zhuǎn)速不變化，Ea暫時(shí)不變化，Ia增大，使Tem增加,由于阻轉(zhuǎn)矩T2To不變，則Tem>T2To,n升高，Ea隨著增大，Ia和Tem減小，直到Tem=T2丁0時(shí)為止，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)閚2。電壓U降低時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降的過程相同。當(dāng)電壓U極性改變時(shí)，電樞電流1a及電磁轉(zhuǎn)矩Tem的方向改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向改變。三、直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1、機(jī)

8、械特性nf (Tem),稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性:UCeRaTCeJ 2noemn0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩TemTd稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩TdU，-，、 Ct，n。、Td大小與電源電壓成正比。Ra機(jī)械特性的線性度越好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差就越小。 于控制，這正是自動(dòng)控制所需的。硬特性轉(zhuǎn)矩的變化對轉(zhuǎn)速的影響比軟特性為好，易在不同電壓下，機(jī)械特性為一組平行線。 no和Td都與U成正比,特性曲線的斜率與U無關(guān)。電樞回路電阻Ra越小，機(jī)械特性越硬，Ra越大，機(jī)械特性越軟。2、調(diào)節(jié)特性(控制特性)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系nf(U)稱為電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性或控制特性。1)負(fù)載為常數(shù)時(shí)的調(diào)節(jié)特性在勵(lì)磁不變、負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，由機(jī)械特性表達(dá)式

9、可知n-UCeCeCT2 TemTemT2To圖2-9不同控制電壓時(shí)直流伺服當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2一定(且認(rèn)為To恒定)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性f (U )的關(guān)系曲線是一直線，斜率為k 。當(dāng)n o時(shí)， UCeUoTemRaCT在電樞電壓U不變的情況下，直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系TceRcUUo,TemTl,n0。UUoqA,Tem，電動(dòng)機(jī)處于從靜止到轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界狀態(tài),CtUTRUU。，n0。電壓Uo稱為電動(dòng)機(jī)的死區(qū)，或稱為始動(dòng)電壓，TemCt一0，所以UoRaCt始動(dòng)電壓與電動(dòng)機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)。始動(dòng)電壓不同，但調(diào)節(jié)特性的斜率不變，對應(yīng)不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可得到一組nTL1T與始動(dòng)電壓相對應(yīng)的電樞

10、電流I a0CtTliTl3相互平行的調(diào)節(jié)特性曲線。7/LI a0總是不U01 U02 U 03圖2-11直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線組圖2-12空氣阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的圖2-13可變負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特電樞電壓小于始動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)不能起動(dòng)；當(dāng)電源電壓超過始動(dòng)電壓時(shí),電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為恒值時(shí)，無論電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有多大,變，此時(shí)電動(dòng)勢方程UEaIa0RaEaU0Ce0nUaa0aa0e當(dāng)UU0時(shí)，轉(zhuǎn)速隨電壓線性變化。控制特性的線性度越好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差越小。2)可變負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)特性在自控系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載多數(shù)情況下是不隨轉(zhuǎn)速改變的，但是也有可變負(fù)載。例如，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由空氣摩擦造成的阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，則轉(zhuǎn)矩

11、隨轉(zhuǎn)速增加而增大，并且轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩增加得越快，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的大致情況如圖2-12所示。在變負(fù)載的情況下，調(diào)節(jié)特性不再是一條直線。這是因?yàn)樵诓煌D(zhuǎn)速時(shí)，由于阻轉(zhuǎn)矩Tl不同，相應(yīng)的Ia也不同。當(dāng)U改變時(shí)，IaRa不再保持為常數(shù)，因此Ea的變化不再與U的變化成正比。隨著轉(zhuǎn)速增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增量越來越大，IaRa增量也越來越n/TlIn/大，Ea增量卻越來越小，Ean,所以隨著控制/信號的增加，轉(zhuǎn)速增量越來越小，這樣U和n的關(guān)/系如圖2-13所示，不再是一條直線。當(dāng)然曲線/nf(U)的具體形狀還與負(fù)載特性nf(Tl)的形狀有關(guān)，但是總的趨勢是一致的。實(shí)際工作中，常常用實(shí)驗(yàn)的方法直接測出電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特

12、性，此時(shí)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載配合，并由放大器提供信號電壓。在實(shí)驗(yàn)中測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨放大器輸入電壓U變化的曲線，就是帶有放大器的直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線。3)直流伺服電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的不穩(wěn)定性從直流伺服電動(dòng)機(jī)的理想調(diào)節(jié)特性來看，只要控制電壓足夠大(大于始動(dòng)電壓)時(shí)，電機(jī)就可以在很低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，但實(shí)際上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在幾轉(zhuǎn)每分鐘到幾十轉(zhuǎn)每分鐘的范圍內(nèi)時(shí)，其轉(zhuǎn)速就不均勻，出現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢、甚至?xí)和Ｒ幌碌默F(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生的原因:(1)低速時(shí)，反電動(dòng)勢平均值不大，因而齒槽效應(yīng)等原因造成的電動(dòng)勢脈動(dòng)的影響將增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較明顯。(2)低速時(shí)，控制電壓值很

13、小，電刷和換向器之間的接觸電壓的不穩(wěn)定性的影響增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定性增大。（3）低速時(shí)，電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定性，造成電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性將在控制系統(tǒng)中造成誤差，必須在控制線路中采取措施使其轉(zhuǎn)速均勻；或選用低速穩(wěn)定性好的直流力矩電動(dòng)機(jī)或低慣量直流電動(dòng)機(jī)。3、直流伺服電動(dòng)機(jī)在過渡過程中的工作狀態(tài)設(shè)一臺電動(dòng)機(jī)以ni旋轉(zhuǎn)，Ui、Eai、lai及ni的方向如圖所示，數(shù)值為正，反之為負(fù)。這時(shí)，UiEaiIaiRa,UiEai。1）、發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)如果要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到n2,則控制系統(tǒng)加到電動(dòng)機(jī)的控制電壓要立即下降到U2o由于電機(jī)

14、本身和負(fù)載具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)速不能馬上下降，反電動(dòng)勢仍為Eai,由于電壓已發(fā)生變化，電樞電流也隨之變化。如果忽略電樞繞組的電感，則電壓方程為圖2-i4直流電機(jī)各量的正方向圖2-i5直流電機(jī)的發(fā)電機(jī)狀態(tài)U2 Eai Ia2Ra如果此時(shí)U2Eai,則Ia2為負(fù)值，電磁轉(zhuǎn)矩方向改變，與轉(zhuǎn)速方向相反，為制動(dòng)性質(zhì)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。由于電磁轉(zhuǎn)矩作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，電動(dòng)勢Eai下降，當(dāng)小于U2時(shí),到轉(zhuǎn)速下降到1時(shí)，電機(jī)重新穩(wěn)定。2）、反接制動(dòng)工作狀態(tài)如果需要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則控制系統(tǒng)給電機(jī)施加一個(gè)反向的信號電壓U3。由于電機(jī)本身和負(fù)載具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)速不能馬上反向，電動(dòng)勢仍為Eai,a電壓U3與Eai同方

15、向，電樞電流Ia3和電磁轉(zhuǎn)矩Tem也隨著電壓U3反向，這時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入電樞電壓反接制動(dòng)狀態(tài)：特點(diǎn)是（D電樞電流大；（2）電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)，而且很大；（3）電機(jī)既吸收電能，又吸收機(jī)械能，并全部變成電機(jī)的損耗，其中主要是電樞銅損耗。3）能耗制動(dòng)狀態(tài)如果需要電機(jī)停轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)施給電機(jī)的信號電壓就馬上降為零，并將電機(jī)又回到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，直圖2-i6直流電機(jī)的反接制動(dòng)狀態(tài)圖2-i7直流電機(jī)的能耗制動(dòng)狀態(tài)電樞兩端短接，這時(shí)電機(jī)也是處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，只是U0,電壓方程為0EaIaRa,。此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，直到n0。這種運(yùn)行方式是利用電動(dòng)機(jī)原來積蓄的動(dòng)能來發(fā)電，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動(dòng)，所以

16、稱為能耗制動(dòng)。四、直流伺服電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)參數(shù)i、空載始動(dòng)電壓UoU。空載始動(dòng)電壓Uo一般為額定電壓的在空載和勵(lì)磁一定的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小控制電壓稱為空載始動(dòng)電壓2%12%,小機(jī)座號、低電壓的電機(jī)空載始動(dòng)電壓較大，空載始動(dòng)電壓Uo小的伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度高。0開始到空載轉(zhuǎn)速的2、時(shí)間常數(shù)j電機(jī)在空載和額定的勵(lì)磁電壓下，加上階躍的額定控制電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從63.2%所需的時(shí)間（推導(dǎo)過程見其它參考書）J L和電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J o ；J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，負(fù)載通過傳動(dòng)比折合到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2n0空載旋轉(zhuǎn)角速度，0-oj一般小于0.03秒，電機(jī)的時(shí)間常數(shù)小，可提高系統(tǒng)的快速性

17、。60機(jī)電時(shí)間常數(shù)表示了電機(jī)過渡過程時(shí)間的長短，反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速追隨信號變化的快慢程度，是伺服電動(dòng)機(jī)一項(xiàng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。第三節(jié)直流力矩電動(dòng)機(jī)在某些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對象的運(yùn)動(dòng)速度相對來說是比較低的。希望有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)就是為這種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)機(jī)，它能在長期堵轉(zhuǎn)或低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，而且不需要經(jīng)過齒輪減速而直接作用于負(fù)載。它具有反應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、能在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性好的優(yōu)點(diǎn)。目前直流力矩電動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)幾千牛米，空載轉(zhuǎn)速可低到10r/min左右。一、直流力矩電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流力矩電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通直流

18、伺服電動(dòng)機(jī)相同，結(jié)構(gòu)和外形尺寸的比例不同。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大部分做成細(xì)長圓柱形，而直流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩和低的轉(zhuǎn)速，一般做成圓盤形，電樞長度和直徑之比一般為0.2左右；從結(jié)構(gòu)合理性考慮，采用永磁多極。為了減少轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，選取較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。總體結(jié)構(gòu)有分裝式和內(nèi)裝式兩種。分裝式結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子和刷架三大部件，機(jī)殼和轉(zhuǎn)軸由用戶根據(jù)安裝方式自行選配。內(nèi)裝式與一般電機(jī)相同，機(jī)殼和軸由制造廠裝配好。定子1是一個(gè)用軟磁材料做成的帶槽的環(huán)，在槽中嵌放永久磁鋼作為主磁場源，主磁場源在氣隙中形成了分布較好的磁場。轉(zhuǎn)子鐵心2由導(dǎo)磁

19、沖片疊壓而成，槽中放有電樞繞組3；槽楔4由銅板做成，兼作換向片，槽楔兩端伸出槽外，一端作為電樞繞組接線用，另一端作為換向片，將轉(zhuǎn)子上的所有部件用高溫環(huán)氧樹脂灌封成整體；電刷5裝在電刷架6上。二、直流力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低的原理力矩式電動(dòng)機(jī)之所以做成圓盤形狀，是為了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。下面以兩極電機(jī)為例進(jìn)行分析。1.電樞形狀對轉(zhuǎn)矩的影響由電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式得到對應(yīng)圖2-19(a)所示的電樞形狀時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式T emaDaNaBavlaia2Na圖2-19(a)所示電樞的繞組的總導(dǎo)體數(shù)；Bav圖2-19(a)所示一個(gè)磁極下平均磁密；la圖2-19(a)所示導(dǎo)

20、體在磁場中的長度，即電樞鐵心軸向長度；Da圖2-19(a)所示電樞的直徑。把直徑擴(kuò)大一倍，而保持體積不變,電樞體積的大小，在一定程度上反映整個(gè)電機(jī)的體積。在電樞體積不變和電樞電流不變的情況下比較不同直徑時(shí)的轉(zhuǎn)矩。如圖2-19(b)所示，則Db2Da,lbla/4。鐵心截面積增大到4倍，槽面積及電樞總導(dǎo)體數(shù)近似增加到4倍，即Nb4Na,此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩Db2DaTembNbBavUa4NaBav(la/4八一a2Tema即在體積、氣隙平均磁密和導(dǎo)體中電流相同的22情況下，如果把電樞直徑增大1倍，電磁轉(zhuǎn)矩也增大1倍。電磁轉(zhuǎn)矩大致與直徑成正比。2.電樞形狀對空載轉(zhuǎn)速的影響若電樞直徑為 D ,則一個(gè)極下

21、一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢eavBavlV一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為N / 2,則刷間電動(dòng)勢:EaBavlNBavln60 Dn120理想空載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n0, UEa ，則 n°120 U 1BavlN D已知當(dāng)電樞體積和導(dǎo)體直徑不變條件下，Nl乘積近似不變。當(dāng)U和氣隙平均磁密Bav相同時(shí)，n0與電樞鐵心直徑近似成反比，即電樞直徑越大，n0越低。在電壓U和Bav相同時(shí)，增大電動(dòng)機(jī)的直徑、減少軸向長度，就有利于增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tem和降低空載轉(zhuǎn)速n0。三、直流力矩電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)1 .力矩波動(dòng)小、低速下能穩(wěn)定運(yùn)行。力矩波動(dòng)是力矩電動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)通常處在低速狀態(tài)或長

22、期堵轉(zhuǎn)，力矩波動(dòng)將導(dǎo)致運(yùn)行不平穩(wěn)或不穩(wěn)定。力矩波動(dòng)的程度用力矩波動(dòng)系數(shù)來表示，是指轉(zhuǎn)子處于不同位置時(shí)，堵轉(zhuǎn)力矩的峰值與平均值之差相對平均值的百分?jǐn)?shù)。力矩波動(dòng)的主要原因是1)繞組元件數(shù)、換向器片數(shù)有限使反電動(dòng)勢波動(dòng)；2)電樞鐵心存在齒槽引起磁場脈動(dòng)；3)換向器表面不平使電刷與換向器之間的滑動(dòng)摩擦力矩有所變化等。抵制力矩波動(dòng)的措施主要有：結(jié)構(gòu)上采用扁平式電樞，增多電樞槽數(shù)、元件數(shù)和換向片數(shù)；適當(dāng)加大電機(jī)的氣隙，采用磁性槽楔、斜槽等。2 .機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性是在勵(lì)磁磁通不變的條件下得出的。實(shí)際上，由于電樞反應(yīng)的去磁作用，勵(lì)磁磁通是變化的，而且去磁程度與電樞電流或負(fù)載

23、轉(zhuǎn)矩有關(guān)，電樞反應(yīng)導(dǎo)致機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性。為了提高特性的線性度，在設(shè)計(jì)直流力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，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)特性好雖然直流力矩電動(dòng)機(jī)電樞直徑大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，但由于它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大，空載轉(zhuǎn)速很低，由JQ0jTd一0可知，機(jī)電時(shí)間常數(shù)很小，動(dòng)態(tài)性能好。4 .峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和峰值堵轉(zhuǎn)電流電樞磁場對主磁場的去磁作用隨電樞電流的增加而增加，故峰值堵轉(zhuǎn)電流是受磁鋼去磁限制的最大電樞電流，與其相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它是力矩電動(dòng)機(jī)最大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。需要注意的是，由于電機(jī)定子上裝有永久磁鋼，所以在拆裝電機(jī)時(shí)，務(wù)必使定子處于短路狀態(tài)。即

24、取出轉(zhuǎn)子之前，先用短路環(huán)封住定子，再取出轉(zhuǎn)子，否則，永久磁鋼將失磁。如果使用中發(fā)生電樞電流超過峰值堵轉(zhuǎn)電流，使電機(jī)失磁，并導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，則必須重新充磁。第四節(jié)低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)圖2-20空心杯永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，控制方便，因此應(yīng)用廣泛。但是，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶鐵心，鐵心有齒有槽，因此電動(dòng)機(jī)性能上有缺陷，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)大，靈敏度差；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不平穩(wěn)；換向火花帶來無線電干擾，并影響電機(jī)的壽命，使電動(dòng)機(jī)使用上受到一定的限制。目前，國內(nèi)外已在普通直流伺服電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展了低慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。主

25、要形式有空心杯直流伺服電動(dòng)機(jī)、盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)和無槽直流伺服電動(dòng)機(jī)一、杯形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)杯形直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-20所示，定子有內(nèi)定子和外定子，外定子裝有永久磁鋼，內(nèi)定子起磁軻作用，由軟磁材料做成。空心杯轉(zhuǎn)子由成型的單個(gè)線圈沿轉(zhuǎn)子圓柱面排列成杯形，或直接用繞線機(jī)繞成導(dǎo)線杯，再用環(huán)氧樹脂固化定型，也可采用印制繞組。空心杯電樞直接安裝在電機(jī)軸上，在內(nèi)、外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)需有足夠的氣隙，所以磁路的磁阻大，磁動(dòng)勢利用率低。通常需采用高性能永磁材料作磁極。杯形直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)是：1）低慣量。這是由于轉(zhuǎn)子無鐵心，薄壁細(xì)長，慣量極低，因此有超低慣量電動(dòng)機(jī)之稱。2

26、）靈敏度高。由于轉(zhuǎn)子繞組散熱條件好，繞組的電流密度可達(dá)30A/mm2,并且永久磁鋼體積大,能夠提高氣隙的磁通密度，增大轉(zhuǎn)矩，加之轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，所以轉(zhuǎn)矩/慣量比很大，電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)很小（可達(dá)小于1ms）,靈敏度高，快速性好。其始動(dòng)電壓在100mV以下，可完成每秒250個(gè)起一一停循環(huán)。3）損耗小，效率高。這是由于轉(zhuǎn)子中無磁滯和渦流造成的鐵損耗，效率可達(dá)80%。4）力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)。這是由于繞組在氣隙中均勻分布，不存在齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)矩傳遞均勻。5）換向性能好，壽命長。由于杯形轉(zhuǎn)子無鐵心，換向元件電感小，在換向時(shí)幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，大大提高電機(jī)的壽命，并且減少對無線電的干擾。但是杯形直

27、流伺服電動(dòng)機(jī)的制造成本較高，大多用于高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)及測量裝置等設(shè)備中，如電視攝像機(jī)、XY函數(shù)記錄儀、機(jī)床控制系統(tǒng)等。二、盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)盤形電樞的特點(diǎn)是電樞直徑遠(yuǎn)大于長度。定子由永久磁鐵和前后鐵軻共同組成，磁鐵可以在圓盤的一側(cè)，也可在兩側(cè)。盤形伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞由線圈沿轉(zhuǎn)軸徑向排列，再用環(huán)氧樹脂固化成圓盤型。定、轉(zhuǎn)子間的氣隙為軸向平面氣隙，磁通沿軸向通過氣隙。圓盤中電樞繞組是印制繞組或是繞線式繞組，后者功率比前者大。圖2-21所示是印制繞組盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。它不需要換向器，是利用靠近轉(zhuǎn)軸的電樞端部兼作換向器，但是表面需鍍一層耐磨材料，延長使用壽命。圓盤繞組中通過的電

28、流是徑向電流，而磁通是軸向的，二者相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：1)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。這是由于電樞繞組全部在氣隙中，散熱良好，繞組電流密度比一般普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)高10倍以上，容許的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。3)力矩波動(dòng)小，低速時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速范圍廣而平滑，能在1:20速比范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。這主要是由于電機(jī)沒有齒槽效應(yīng)以及電樞元件數(shù)、換向片數(shù)多的緣故。4)換向性能好。電樞由非磁性材料制成，換向元件電感小，換向火花小。5)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)快，機(jī)電常數(shù)一般在1015ms,屬于中等低慣量伺服電動(dòng)機(jī)。盤形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)適用于低速和起動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻

29、繁，要求薄形安裝尺寸的系統(tǒng)中。輸出功率幾瓦到幾千瓦，功率較大的主要用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)和其它伺服系統(tǒng)。三、無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞繞組元件直接圖2-22無槽直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流伺服電動(dòng)機(jī)的區(qū)別是電樞表面光滑，不開槽，放置在鐵心的外表面，用環(huán)氧樹脂澆注成型與鐵心粘在一起，其氣隙尺寸較大，比普通的直流電動(dòng)機(jī)大10倍以上，定子勵(lì)磁采用高性能的永久磁鋼。由于無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題，因此可以提高氣隙磁通密度，減小電樞的外徑。這種電機(jī)的氣隙磁密可達(dá)1T以上，比普通直流伺服電動(dòng)機(jī)大1.5倍左右，電樞的長度與外徑之比在5倍以

30、上。所以無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、反應(yīng)快、起動(dòng)靈敏度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、低速運(yùn)行均勻、換向性能良好等優(yōu)點(diǎn)。目前電機(jī)的輸出功率在幾十瓦到10kW以內(nèi)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為510ms。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。第五節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)及選擇使用一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)目前我國生產(chǎn)的直流伺服電動(dòng)機(jī)的型號主分有SY和SZ系列。SY是永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)系列，SZ是電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)系列。例：36SZ01型直流伺服電動(dòng)機(jī)，其中：36表示機(jī)座外徑尺寸為36mm;SZ產(chǎn)品代號，S表示伺服電動(dòng)機(jī)，Z表示直流電磁式；01電氣性能數(shù)據(jù)。直流伺服電動(dòng)

31、機(jī)的額定值與一般直流電動(dòng)機(jī)的額定相似，有以下額定值1.額定功率Pn(W)、2.額定電壓Un(V)、3.額定電流IN(A)、4.額定轉(zhuǎn)矩、5。額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)、PnPn6.額定效率n等。PnUnInn和Tn9.55)NnN額定值表明了電動(dòng)機(jī)的主要性能和使用條件，是選用和使用電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇和使用直流伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，即在輸入控制電壓后，電動(dòng)機(jī)能按照控制電壓信號的要求驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械，伺服電動(dòng)機(jī)通常作為隨動(dòng)系統(tǒng)，遙控和遙測系統(tǒng)主傳動(dòng)元件。由伺服電動(dòng)機(jī)組成的伺服系統(tǒng)，通常采用兩種控制方式，一是速度控制方式，二是位置控制方式。速度控制原理框圖如圖2-2

32、3所示。速度駕T轅大幅宜藁何“電動(dòng)機(jī)標(biāo)員熨克海網(wǎng)彳發(fā)電仁r-在此系統(tǒng)中，速度的給定量和反饋量都是以電壓信號形式出現(xiàn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于所要求的轉(zhuǎn)速時(shí)，由測速發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓信號與速度給定量的比較，使放大器電壓升高向伺服電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)立即加速，反之若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于所要求的轉(zhuǎn)速時(shí)，測速發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓與速度給定量比較，放大器電壓降低向電動(dòng)機(jī)供電，使電動(dòng)機(jī)減速。只有在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于所需的轉(zhuǎn)速時(shí)，測速發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電壓信號與速度給定量相平衡，反映出了電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓，使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格運(yùn)行在給定的轉(zhuǎn)速上。直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用實(shí)例很多，例如發(fā)電廠閥門的控制，變壓器有載調(diào)壓定位等等。選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，不僅僅是指對電動(dòng)機(jī)本身性能的選擇，還根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中是否選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，以及系統(tǒng)所采用的電源、功率和系統(tǒng)對電機(jī)的要求來選擇。如控制系統(tǒng)要求線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，控制功率又大，則可選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。對隨動(dòng)系統(tǒng)要求伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小；短時(shí)工作的伺服系統(tǒng)則要求伺服電動(dòng)機(jī)以較小的體積和重量能給出較大的堵轉(zhuǎn)力矩和功率，對長期工作的伺服系統(tǒng)要求伺服電動(dòng)機(jī)的壽命要長。直流伺服電動(dòng)機(jī)的品