直流力矩电机

• • 总体结构型式有分装式和内装式两种， 分装式结构包括定子、 转子和刷架三大 部件， 机壳和转轴由用户根据安装方式 自行选配； 内装式则与一般电机相同， 机壳和轴已由制造厂装配好。 •
图 1 - 28 直流力矩电动机的结构示意图
1.3.3 为什么直流力矩电动机转矩大、 转 速低 • 如上所述， 力矩电动机之所以做 成圆盘状， 是为了能在相同的体积和控 制电压下产生较大的转矩和较低的转速。 下面以图 1 - 29 所示的简单模型， 粗略 地说明外形尺寸变化对转矩和转速的影 响。
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1.3.2 结构特点 直流力矩电动机的工作原理和普 通的直流伺服电动机相同， 只是在结构 和外形尺寸的比例上有所不同。 一般直 流伺服电动机为了减少其转动惯量， 大 部分做成细长圆柱形。 而直流力矩电动 机为了能在相同的体积和电枢电压下产 生比较大的转矩和低的转速， 一般做成 圆盘状，电枢长度和直径之比一般为 0.2 左右； 从结构合理性来考虑， 一般做成 永磁多极的。 为了减少转矩和转速的波 动， 选取较多的槽数、 换向片数和串联 导体数。
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但是齿轮之间的间隙对提高自动控制 系统的性能指标很有害， 它会引起系统 在小范围内的振荡和降低系统的刚度。 因此， 我们希望有一种低转速、 大转矩 的电动机来直接带动被控对象。
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直流力矩电动机就是为满足类似 上述这种低转速、 大转矩负载的需要而 设计制造的电动机。 它能够在长期堵转 或低速运行时产生足够大的转矩， 而且 不需经过齿轮减速而直接带动负载。 它 具有反应速度快、 转矩和转速波动小、 能在很低转速下稳定运行、 机械特性和 调节特性线性度好等优点。 特别适用于 位置伺服系统和低速伺服系统中作执行 元件，来自百度文库也适用于需要转矩调节、 转矩反 馈和一定张力的场合(例如在纸带的传动 中)。
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假定两种情况下电枢导体的电流 一样， 那末两种情况下导体的直径也一 样， 但图(b)中电枢铁心截面积增大到图 (a)的 4 倍， 所以槽面积及电枢总导体数 Nb也近似增加到图(a)的 4 倍， 即 Nb=4Na。 这样一来， 乘积 Nblb=4Na·la/4=Nala。 也就是说， 在电枢 铁心体积相同， 导体直径不变的条件下， 即使改变其铁心直径， 导体数N和导体 有效长度l的乘积仍不变。 据此， 我们可 以得到图 (b)时的电磁转矩为 Db Da Tb = B pia ( N a lb ) = B pia N a la ⋅ 2 = 2Ta 2 2
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结构上采用扁平式电枢， 可增多电枢 槽数、 元件数和换向器片数； 适当加大 电机的气隙， 采用磁性槽楔、 斜槽等措 施， 都可使力矩波动减小。
2. 机械特性和调节特性的线性度 在前面所述的直流电动机机械特性和 调节特性是在励磁磁通不变的条件下得 出的。 事实上， 与直流发电机一样， 电动机中同样也存在着电枢反应的去磁 作用， 而且它的去磁程度与电枢电流或 负载转矩有关， 它导致机械特性和调节 特性的非线性。 为了提高特性的线性度， 在设计直流力矩电动机时， 把磁路设计 成高度饱和， 并采取增大空气隙等方法， 使电枢反应的影响显著减小。
在理想空载时， 电动机转速为n0， 电枢电压Ua和 反电势Ea相等。 因此, 由式(1 - 39)可得
120 U a 1 n0 = π B p lN D
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已知当电枢体积和导体直径不变的条 件下， Nl的乘积近似不变。 所以， 当电 枢电压和气隙平均磁通密度相同时， 理 想空载转速n0 和电枢铁心直径近似成反 比。 即电枢直径越大， 电动机理想空载 转速就越低。 • 从以上分析可知， 在其他条件相 同时， 如增大电动机直径， 减少其轴向 长度， 就有利于增加电动机的转矩和降 低空载转速。 这就是力矩电动机做成圆 盘状的原因。
1.3 直流力矩电动机
• • 1.3.1 概述 在某些自动控制系统中， 被控对象 的运动速度相对来说是比较低的。 例如某 一种防空雷达天线的最高旋转速度为 90°/s， 这相当于转速15 r/min。 一般直 流伺服电动机的额定转速为 1500 r/min或 3000 r/min， 甚至 6000 r/min， 这时就需 要用齿轮减速后再去拖动天线旋转。
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所以， 为减小电磁时间常数， 提高力 矩电机的快速反应能力， 采用了多极结 构， 如图 1 - 28 所示。 此外， 力矩电 动机的饼式结构有利于将电动机的轴直 接套在短而粗的负载轴上， 从而大大提 高了系统的耦合刚度。
4. 峰值堵转转矩和峰值堵转电流 因为电枢磁场对主磁场的去磁作用 随电枢电流的增加而增加， 故而峰值堵 转电流是受磁钢去磁限制的最大电枢电 流。 与其相对应的堵转转矩称为峰值堵 转转矩， 它是力矩电机最大的堵转转矩。 • 需要指出， 由于电机定子上装有 永久磁钢， 所以在拆装电机时， 务必使 定子磁路处于短路状态。 即取出转子之 前， 应先用短路环封住定子， 再取出转 子， 否则, 永久磁钢将失磁。 如果使用 中发生电枢电流超过峰值堵转电流， 使 电机去磁， 并导致堵转转矩不足时， 则 必须重新充磁。
3. 响应迅速， 动态特性好 由 1.8 节可知， 决定过渡过程快慢 的两个时间常数是机电时间常数τj和电磁 时间常数τd。 虽然直流力矩电动机电枢 直径大， 转动惯量大， 但由于它的堵转 力矩很大，空载转速很低， 力矩电动机 的机电时间常数还是比较小的， 这样， 其电磁时间常数τd相对变大。 已知 τd=La/Ra， 其中电枢绕组电感La主要取 决于电枢绕组的电枢反应磁链。 可以证 明， 增加极对数可以减少电枢反应磁链。
1. 电枢形状对转矩的影响 由1.2 节给出的电磁转矩公式(1 - 2), 得到 图 1 - 29(a)时的电磁转矩为 Da Ta = N a B p laia (1 - 38) 2
式中， Na为图 3 - 29(a)中电枢绕组的总导体数； Bp为一个 磁极下气隙磁通密度的平均值； la为图 1 - 29(a)中导体在磁 场中的长度， 即电枢铁心轴向长度； ia为电枢导体中的电 流； Da为图 1 - 29(a)中电枢的直径。
图 1 - 29 电枢体积不变的条件下， 不同直径时的电枢形状
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因为电枢体积的大小， 在一定程 度上反映了整个电动机的体积， 因此可 以在电枢体积不变的条件下， 比较不同 直径时所产生的转矩。 • 如果把图中电枢的直径增大 1 倍， 而保持体积不变， 此时电动机的形状则 如图 1 - 29(b)所示， 即该图中电枢直径 Db=2Da, 电枢长度lb=la/4。
1.3.4 直流力矩电动机性能特点 1. 力矩波动小， 低速下能稳定运行 力矩电动机重要性能指标之一是力矩 波动， 这是因为它通常运行在低速状态 或长期堵转， 力矩波动将导致运行不平 稳或不稳定。 力矩波动系数是指转子处 于不同位置时， 堵转力矩的峰值与平均 值之差相对平均值的百分数。 力矩波动 的主要原因是由于绕组元件数、 换向器 片数有限使反电势产生波动， 电枢铁心 存在齿槽引起磁场脉动， 以及换向器表 面不平使电刷与换向器之间的滑动摩擦 力矩有所变化等。
2.电枢形状对空栽转速的影响 • 已知一个极下一根导体的平 均电势 πDn e p = B p lυ = B p l 60
式中， Bp为一个极下气隙的平均磁通密度； l为导体在 磁场中的长度； v为导体运动的线速度， 或电枢圆周速 度； n为电机转速； D为电枢铁心直径。
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如果电枢总导体数为N， 若一对 电刷之间的并联支路数为 2， 则一对电 刷所串联的导体数为N/2， 这样， 刷间 电势为 πDn (3 - 39) Ea = B p lN 120