《直流力矩电机》

永磁式直流力矩电动机

1.概述

永磁式直流力矩电动机是一种特殊的控制电机，是作为高精度伺服系统的执行元件，适应大扭矩、直接驱动系统，安装空间又很紧凑的场合而特殊设计的控制电机。

实际上，许多自动控制系统控制对象的运动速度相对是比较低的，比如：地面搜索雷达天线的控制系统；陀螺平台的稳定系统；单晶炉的旋转系统；精密拉丝系统等等，在这些控制系统中如果采用齿轮减速驱动，将会大大降低系统的精度，增加系统的惯量和反应时间，加大传动噪声。如果采用力矩电机组成的直接驱动系统，就能够在很宽的范围内达到低速平稳运行，大大提高系统的精度，降低系统的噪声。还有一些负载运行在很低的速度，接近堵转状态，或是负载轴端要加一定的制动反力矩，这些场合，都适合采用力矩电机。

2.性能特点

永磁式直流力矩电动机的性能有以下特点：

2.1高的转矩惯量比

一方面力矩电机设计成在一定体积下输出尽可能大的转矩，另一方面，实现无齿轮传动，从负载轴端看，折算到负载轴上转矩与惯量之比比齿轮传动大一个齿轮传动比的倍数，使系统加速能力大大增加。

2.2高的藕合刚度

力矩电机直接装置于负载轴或轮毂上，没有齿隙，没有弹性变形，传动链短，使系统伺服刚度得以提高。

2.3快的响应速度

力矩电机具有高转矩惯量比，使电机机械时间常数比较小，同时，电气时间常数也很小，保证了在宽广运行速度下都能快速响应，大大提高系统的硬度和品质。

2.4高的速度和位置分辩率

与齿轮或液压传动系统相比，没有齿隙引起的零点死区，减少了传动链

中传动部件的非线性因素，使系统的分辩率仅取决于误差检测元件的精度。

2.5高线性度

转矩的增长正比于输入电流，不随速度和角位置而变化，转矩～电流

特性基本通过零点，非线性死区很小。

2.6结构紧凑

典型的力矩电机设计成分装式的薄环形状（由定子、转子、电刷架三大

件组成），安装时占用较小的空间，尤其在对轴向尺寸、体积、重量要求严格的场合，具有较大的结构适应性和灵活性。

3. 性能指标说明

3.1峰值堵转转矩

电机受磁钢祛磁条件限制及设计中考虑最佳性能时，施加峰值电流电机处于瞬间堵转状态，此时输出的转矩为峰值堵转转矩。

3.2峰值堵转电流

对应峰值堵转转矩时输入的最大电流。

3.3峰值堵转电压

对应于产生峰值堵转电流时的电枢电压。

3.4连续堵转转矩

电机受发热、散热条件及电机绝缘等级条件限制，允许的长期堵转输出的转矩。

3.5连续堵转电流

对应连续堵转转矩时施加的电流。

3.6连续堵转电压

对应于产生连续堵转电流时的电枢电压。

3.7最大空载转速

力矩电机在空载时加以峰值堵转电压所达到的稳定速度。

4.电动机的工作特性

永磁式直流力矩电动机的工作特性见下图：

n n l

图1 永磁式直流力矩电动机的转速—转矩特性和连续工作区

图中：

M f —峰值堵转转矩 n 0max —最大空载转速 M l —连续堵转转矩 U f —峰值堵转电压 n 0—对应连续堵转电压时的空载转速 图中阴影线包围的部分即为连续工作区。 5. 四象限运行特性

图2 永磁式直流力矩电动机的运行特性

图2表示力矩电机的运行特性。是由一系列速度-转矩特性所组成。水平轴代表转矩，垂直轴代表转速，每一斜线代表某一电压下的速度-

转矩曲线。这组曲线可以提供力矩电机在任何速度、转矩或外加电压（正负均可）情况下工作点的情况（4象限运行）。标有4个双曲线以外的区域为换向不良区。

图中：Ⅰ象限——正向转矩、正向转速，为电动运行状态。

Ⅲ象限——负向转矩、负向转速，电压为负，亦为电动运行

状态。

Ⅱ象限——负向转矩、正向转速，为发电运行状态或制动运

行状态。相当于电机被外机械拖动超过给定控

制电压方向的转速；或大于电机负向转矩而拖

动电机正向旋转。

Ⅳ象限——正向转矩、负向转速，为制动运行状态或发电运

行状态。相当于负载大于电机堵转转矩而拖动

电机反向旋转；或在负向电压下拖动电机超过

给定控制电压方向的转速。

根据以上力矩电机的四象限运行特性就可以灵活地选用电机以适应各种系统运行状态。

6.开环与闭环控制

应用永磁式直流力矩电机只是在某些要求不高的场合采用开环运行，即简单地加以一定控制电压使电机运转，或采用功率驱动器和脉宽调制调速，但没有闭环反馈量，由于电机本身的转矩波动和负载的外来干扰转矩的影响，如负载自身的传动摩擦和振动，因而不可能达到高精度、低转速平稳运行的目的。直流力矩电机主要用于直接驱动闭环控制伺服系统中（位置系统和速度系统）。

开环控制:

图3 开环控制示意图

闭环控制:

图4 闭环控制示意图

7.如何选用力矩电机

控制系统一般分为位置系统和速度系统。位置系统除选用力矩电机外还要选用位置误差测量传感器，如光电编码器、旋转变压器等，要同轴连接，组成系统。速度系统除选用力矩电机外还要选用测速发电机，同轴连接，组成系统。或选用力矩—测速机组。

试选力矩电机时首先应选用电机的峰值堵转转矩大于负载的最大静摩擦转矩及负载所需的加速转矩之和，并留有足够大的余量；而且，电机连续工作区能满足长期运行的要求，电机的尺寸和重量又能在限定范围之内。

要注意：

1）.不能按功率瓦数来选用力矩电机

实际力矩电机输出力矩大，而功率并不大（因转速低），而样本上

给出的峰值控制功率和连续控制功率是提供设计功率放大器用的输入控制功率。