認(rèn)識(shí)空心杯電機(jī)（1）

李業(yè)新

如今工業(yè)技術(shù)日新月異，這意味著電機(jī)的伺服特性須隨之進(jìn)步。近十幾年來，空心杯電機(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展迅速。在軍事、醫(yī)療等高科技領(lǐng)域，經(jīng)常能見到使用空心杯電機(jī)的產(chǎn)品，如導(dǎo)彈飛行方向的快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)、高倍率光驅(qū)的隨動(dòng)控制器、各類便攜式儀器儀表等。在各類飛行器上，空心杯電機(jī)的普及率也越來越高，如使用空心杯電機(jī)作為動(dòng)力的小型四軸飛行器。

與有鐵芯電機(jī)相比，空心杯電機(jī)不僅較為輕便、體積小，而且耗能更少，可大幅減少飛行器需要搭載的重量。下面筆者根據(jù)自己的使用經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)資料，從結(jié)構(gòu)、型號(hào)、性能等方面介紹空心杯電機(jī)。

一、定義及應(yīng)用范圍

1.空心杯電機(jī)

中文全稱是直流永磁伺服空心杯電機(jī)，英文稱作coreless motor，屬于直流、永磁、伺服微型特種電機(jī)。剖開這類電機(jī)，可以看到其中無傳統(tǒng)電機(jī)的鐵芯轉(zhuǎn)子，線圈則像個(gè)水杯，故被稱作空心杯電機(jī)。

2.電機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)

空心杯電機(jī)突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用了無鐵芯轉(zhuǎn)子，也稱空心杯型轉(zhuǎn)子。與傳統(tǒng)電機(jī)一樣，空心杯電機(jī)也分為有刷和無刷兩種，其中有刷型的轉(zhuǎn)子無鐵芯，無刷型的定子無鐵芯。

因?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)中沒有鐵芯，所以空心杯電機(jī)在磁場(chǎng)中不會(huì)因渦流效應(yīng)導(dǎo)致電能損耗，效率高。鐵芯的消失，使得電機(jī)通常用線圈作為轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、好控制，減少了轉(zhuǎn)子本身帶來的機(jī)械能損耗。但為了減少磁通損失，用作轉(zhuǎn)子的線圈只能做得很薄，這一點(diǎn)造成空心杯電機(jī)的功率都不大，最大功率僅有幾百瓦。

綜上所述，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的變化使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了極大改善，不僅具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，還具備了有鐵芯電機(jī)無法達(dá)到的良好控制和穩(wěn)定運(yùn)行特性。缺點(diǎn)是電機(jī)的功率有限。

3.主要性能特點(diǎn)

概括起來，空心杯電機(jī)的性能特點(diǎn)有幾點(diǎn)：節(jié)能、優(yōu)控、穩(wěn)定、輕質(zhì)。

（1）節(jié)能特性

空心杯電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率非常高，一般最大能量轉(zhuǎn)換效率超過70%，部分產(chǎn)品甚至可達(dá)90%以上。而采用鐵芯的電機(jī)，其最大能量轉(zhuǎn)換效率只有20%-50%。

（2）控制特性

空心杯電機(jī)具有良好的控制特性，具體表現(xiàn)在起動(dòng)、制動(dòng)都很迅速、響應(yīng)快，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以短至10毫秒以內(nèi)。在這一點(diǎn)上，有鐵芯電機(jī)差得不是一星半點(diǎn)，機(jī)械時(shí)間常數(shù)一般在100毫秒以上。機(jī)械時(shí)間常數(shù)小，意味著只要電機(jī)在推薦區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，即使處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，也能進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)。

（3）拖動(dòng)特性

作為微型特種電機(jī)，空心杯電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小，能夠很容易地控制在2%以內(nèi)。

（4）能量密度

與同等輸出功率的有鐵芯電機(jī)相比，空心杯電機(jī)的重量、體積約減小了1/3-1/2，能量密度大幅度提高。也就是說，同等功率的電機(jī)，空心杯的重量只有鐵芯的1/2-2/3。

4.電機(jī)應(yīng)用范圍

與有鐵芯電機(jī)相比，由于空心杯電機(jī)最突出的特性多為衡量電機(jī)好壞的重要指標(biāo)，因此應(yīng)用范圍非常廣闊。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的伺服特性提出了更高的期望和要求，空心杯電機(jī)在很多工業(yè)元器件上占有不可替代的地位。

空心杯電機(jī)出現(xiàn)之初，多用于軍事等高科技領(lǐng)域。其進(jìn)入民用領(lǐng)域不過十幾年，已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。在發(fā)達(dá)國(guó)家，空心杯電機(jī)被大量用在工業(yè)產(chǎn)品上。

（1）需要快速響應(yīng)的隨動(dòng)系統(tǒng)

由于空心杯電機(jī)具有節(jié)能、優(yōu)控的特點(diǎn)，因此能滿足需要快速響應(yīng)的隨動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求。在軍事上，快速調(diào)節(jié)導(dǎo)彈飛行方向的隨動(dòng)系統(tǒng)里，就用到了空心杯電機(jī)；在高科技工業(yè)產(chǎn)品上，如工業(yè)機(jī)器人、仿生義肢、高靈敏度的記錄和檢測(cè)設(shè)備等，都有空心杯電機(jī)的身影；就連人們常用的單反相機(jī)，其快速自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，也使用了空心杯電機(jī)。

（2）要求驅(qū)動(dòng)元件平穩(wěn)持久拖動(dòng)的產(chǎn)品

前文曾提到，空心杯電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是一款能將轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制在2%以內(nèi)的微型特種電機(jī)。良好的拖動(dòng)特性，使得要求驅(qū)動(dòng)元件平穩(wěn)持久拖動(dòng)的產(chǎn)品格外青睞空心杯電機(jī)。各類便攜式儀器儀表，如戶外作業(yè)用的儀器設(shè)備、個(gè)人隨身用的儀表裝備，都會(huì)用到空心杯電機(jī)。采用空心杯電機(jī)作為動(dòng)力源的電動(dòng)車，與使用同組電源的普通電動(dòng)車相比，續(xù)航時(shí)間大概能延長(zhǎng)一倍以上。

（3）各類飛行器

空心杯電機(jī)重量輕、體積小、能耗低，可有效減輕飛行器的起飛重量，簡(jiǎn)直是“為減輕每一克重量而奮斗”的飛機(jī)設(shè)計(jì)師的“福音”。

（4）各式民用電器

如果采用空心杯電機(jī)作為執(zhí)行元件，可以提高電器的產(chǎn)品檔次和使用性能。

（5）發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)

利用其能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢(shì)，空心杯電機(jī)常用作發(fā)電機(jī)；利用其線性運(yùn)行特性，可用作測(cè)速發(fā)電機(jī)；配上減速器，也可用作力矩電動(dòng)機(jī)。

目前在工業(yè)領(lǐng)域，各種機(jī)電設(shè)備的技術(shù)條件越來越嚴(yán)格，對(duì)其伺服電機(jī)提出了越來越高的技術(shù)要求，空心杯電機(jī)應(yīng)時(shí)而生。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，它已不再專屬于高端產(chǎn)品，而是把應(yīng)用范圍擴(kuò)展至一般民用低端產(chǎn)品，且在一定程度上提升了這些產(chǎn)品的品質(zhì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家的很多民用產(chǎn)品上，能見到空心杯電機(jī)的成熟、成功應(yīng)用，如醫(yī)療器械、紡織機(jī)械等。

二、電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)分有刷和無刷兩種，其中有刷型的轉(zhuǎn)子無鐵芯，無刷型的定子無鐵芯。

有刷與無刷空心杯電機(jī)的差別在于，二者結(jié)構(gòu)相反：有刷電機(jī)的定子是永磁磁鋼，轉(zhuǎn)子是繞組線圈，并與動(dòng)力輸出軸相連；無刷電機(jī)的定子是繞組線圈，轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起與動(dòng)力輸出軸相連。由于定子部分去掉了用于交替變換磁場(chǎng)方向的換向電刷，因此后者被稱為無刷電機(jī)。

有刷空心杯電機(jī)內(nèi)部包含用于交替變換磁場(chǎng)方向的換向電刷，利用絕緣座固定在電機(jī)后蓋上。同時(shí)，換相器與轉(zhuǎn)子繞組線圈、電源正負(fù)極相連，使得線圈形成的電磁極性不斷交替變化，與外殼上固定的永磁磁鋼產(chǎn)生相互作用力，驅(qū)使動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來。因?yàn)橛兴㈦姍C(jī)的換向電刷和換相器之間有物理接觸，所以存在發(fā)熱量高、摩擦力大、效率低下等不足。然而從現(xiàn)在的市面銷售來看，有刷空心杯電機(jī)仍占有很大份額，想來是得益于其制造簡(jiǎn)單、成本低廉的長(zhǎng)處。

有刷空心杯電機(jī)利用換向電刷和換相器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得了固定方向的磁場(chǎng)力，驅(qū)使動(dòng)力軸轉(zhuǎn)動(dòng)。但是無刷電機(jī)沒有類似的結(jié)構(gòu)，又是怎么輸出動(dòng)力的呢？簡(jiǎn)言之，無刷空心杯電機(jī)通過改變輸入定子繞組線圈中的電流交變頻率和波形，從而在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)。利用這個(gè)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)起來，與它相連的動(dòng)力輸出軸也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。而輸入定子繞組線圈中的電流交變頻率和波形，則由與無刷電機(jī)配套的電調(diào)控制。減少了換向電刷和換相器的無刷空心杯電機(jī)優(yōu)點(diǎn)明顯，使用壽命長(zhǎng)、輸出動(dòng)力足、工作效率高。尺寸偏大的四軸飛行器，基本都使用無刷空心杯電機(jī)。

有刷和無刷空心杯電機(jī)的外觀有差別，最明顯的不同是無刷電機(jī)上連有3根線，且須配合電調(diào)使用?，F(xiàn)在，還出現(xiàn)了一些把無刷電機(jī)和電調(diào)做成一體的新產(chǎn)品。（未完待續(xù)）endprint