直流伺服电动机的结构与工作原理详解

直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机，其结构、原理与一般直流电动机基本相同。但直流伺服电动机也有其本身的特点：与普通直流电动机相比，直流伺服电动机气隙比较小，磁路不饱和，磁通和励磁电流与励磁电压成正比；电枢电阻较大，机械特性为软特性；电枢比较细长，转动惯量小；换向性能好，不需换向极。

直流伺服电动机有他励式和永磁式两种，其转速由信号电压控制。信号电压若加在电枢绕组两端，称为电枢控制；若加在励磁绕组两端则称为磁极控制。电枢控制的直流伺服电动机的机械特性线性度较好、不需换向极，且由于电枢回路电感较小，因而电磁惯性较小，故其响应速度比磁极控制式快，所以在工程上多采用电枢控制。

直流伺服电动机的机械特性方程与他励直流电动机一样，可用下式表示：

图4-4为电枢控制式直流伺服电动机的接线原理图，其中Uf保持恒值。当电枢电压改变时，就得到一组平行的机械特性，如图4-4（b）所示。

直流伺服电动机的优点是具有线性的机械特性，启动转矩大，调速范围宽广而平滑，无自转现象，且与同容量的交流伺服电动机比较，体积小，质量轻。其缺点是转动惯量大，灵敏度差；转速波动大，低速运转不平稳；换向火花大，寿命短，对无线电干扰大。

图4-4　电枢控制式直流伺服电动机的接线原理及机械特性

（a）接线原理；（b）机械特性

为了适应自动控制系统对伺服电动机快速响应性越来越高的要求，近年来，国内外已在传统直流伺服电动机的基础上，发展了低惯量的无槽电枢、空心杯型电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机。(www.xing528.com)

无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上没有开槽，铁芯为一个光滑的圆柱体，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它们与电枢铁芯固化成一个整体，如图4-5所示。空心杯型电枢直流伺服电动机的结构如图4-6所示。它有一个外定子和一个内定子，外定子通常是由两个半圆形的永久磁钢组成的。而内定子则由圆柱形的软磁材料做成，其仅作为磁路的一部分，以减小磁路磁阻。空心杯型电枢上的绕组可以先绕成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯型，再用环氧树脂固化成型。空心杯型电枢装在电机轴上，在内外定子间的气隙中旋转，电枢绕组则接到换向器上，由电刷引出。印制绕组直流伺服电动机的结构如图4-7所示，其转子成薄片圆盘状，厚度一般为1.5～2 mm。转子基片由环氧玻璃布胶板制成，基片两侧的铜箔用印刷电路的方法制成双面电枢绕组。这种伺服电机的定子磁极为永久磁铁，由于转子没有铁芯，故转动惯量很小，对控制电压反应快，可用于启动频繁的系统中。

图4-5　无槽电枢直流伺服电动机的结构

图4-6　空心杯型电枢直流伺服电动机的结构

1—换向器；2—电刷；3—空心杯型电枢；4—外定子；5—内定子。

图4-7　印制绕组直流伺服电动机

低惯量直流伺服电动机多用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中，如电视摄像机、录音机、X-Y函数记录仪及机床控制系统等方面。这类电机是直流伺服电动机的发展方向，应用也日趋广泛，因此在国内外已引起许多使用和制造单位的重视。

直流伺服电动机一般用在功率稍大的系统中，其输出的功率约为1～600 W。目前国内生产的直流伺服电动机主要有SY和SZ两个系列，SY系列为永磁式结构，SZ为点磁式结构。