認識空心杯電機（1）

李業(yè)新

如今工業(yè)技術(shù)日新月異，這意味著電機的伺服特性須隨之進步。近十幾年來，空心杯電機的應(yīng)用范圍擴展迅速。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，空心杯電機的普及率也越來越高，如使用空心杯電機作為動力的小型四軸飛行器。

與有鐵芯電機相比，空心杯電機不僅較為輕便、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)驗和網(wǎng)絡(luò)資料，從結(jié)構(gòu)、型號、性能等方面介紹空心杯電機。

一、定義及應(yīng)用范圍

1.空心杯電機

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

2.電機創(chuàng)新點

空心杯電機突破了傳統(tǒng)電機的轉(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)電機一樣，空心杯電機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。

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

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

3.主要性能特點

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

（1）節(jié)能特性

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

（2）控制特性

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

（3）拖動特性

作為微型特種電機，空心杯電機的運行穩(wěn)定可靠，其轉(zhuǎn)速波動很小，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相比，空心杯電機的重量、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，空心杯的重量只有鐵芯的1/2-2/3。

4.電機應(yīng)用范圍

與有鐵芯電機相比，由于空心杯電機最突出的特性多為衡量電機好壞的重要指標(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的伺服特性提出了更高的期望和要求，空心杯電機在很多工業(yè)元器件上占有不可替代的地位。

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

（1）需要快速響應(yīng)的隨動系統(tǒng)

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

（2）要求驅(qū)動元件平穩(wěn)持久拖動的產(chǎn)品

前文曾提到，空心杯電機的運行穩(wěn)定可靠，是一款能將轉(zhuǎn)速波動控制在2%以內(nèi)的微型特種電機。良好的拖動特性，使得要求驅(qū)動元件平穩(wěn)持久拖動的產(chǎn)品格外青睞空心杯電機。各類便攜式儀器儀表，如戶外作業(yè)用的儀器設(shè)備、個人隨身用的儀表裝備，都會用到空心杯電機。采用空心杯電機作為動力源的電動車，與使用同組電源的普通電動車相比，續(xù)航時間大概能延長一倍以上。

（3）各類飛行器

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

（4）各式民用電器

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

（5）發(fā)電機或電動機

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

目前在工業(yè)領(lǐng)域，各種機電設(shè)備的技術(shù)條件越來越嚴格，對其伺服電機提出了越來越高的技術(shù)要求，空心杯電機應(yīng)時而生。隨著應(yīng)用范圍的擴大，它已不再專屬于高端產(chǎn)品，而是把應(yīng)用范圍擴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，在發(fā)達國家的很多民用產(chǎn)品上，能見到空心杯電機的成熟、成功應(yīng)用，如醫(yī)療器械、紡織機械等。

二、電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

有刷空心杯電機內(nèi)部包含用于交替變換磁場方向的換向電刷，利用絕緣座固定在電機后蓋上。同時，換相器與轉(zhuǎn)子繞組線圈、電源正負極相連，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)使動力輸出軸轉(zhuǎn)動起來。因為有刷電機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，有刷空心杯電機仍占有很大份額，想來是得益于其制造簡單、成本低廉的長處。

有刷空心杯電機利用換向電刷和換相器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，獲得了固定方向的磁場力，驅(qū)使動力軸轉(zhuǎn)動。但是無刷電機沒有類似的結(jié)構(gòu)，又是怎么輸出動力的呢？簡言之，無刷空心杯電機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繞電機幾何軸心旋轉(zhuǎn)的電磁場。利用這個磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動起來，與它相連的動力輸出軸也隨之轉(zhuǎn)動。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優(yōu)點明顯，使用壽命長、輸出動力足、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。

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