电气执行元件：市场前景和发展趋势

伺服系统中采用的主流驱动装置是电气式电动机。伺服电动机是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，能够根据控制指令提供正确运动或较复杂动作。伺服电动机可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在伺服系统设计中得到了广泛的应用。

为了满足伺服系统设计的要求，实现执行元件的精确驱动与定位，保证系统的高效、精确和可靠的性能，伺服电动机有如下基本性能要求：

1）性能密度大，即功率密度大。

2）快速响应性好，即加速转矩大，频响特性好。

3）位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨力高，振动、噪声小。

4）适应起停频繁的工作要求。

5）可靠性高，寿命长。

此外，一般还要求伺服电动机具有良好的机械特性和调节特性，其中机械特性是指在一定的电枢电压条件下转速和转矩的关系，而调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。因此在进行伺服系统设计时，需要根据系统设计要求选择确定伺服电动机。

各种伺服电动机的特点及应用举例见表6-1。

表6-1 伺服电动机的特点及应用举例

伺服电动机性能及优缺点的比较见表6-2及表6-3。

表6-2 伺服电动机的性能比较

表6-3 伺服电动机优缺点比较

以下仅对目前常用的步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机的结构特点及应用范围等进行基本的介绍。

（1）步进电动机

步进伺服系统中的执行元件是步进电动机，又称脉冲电动机，是一种将输入脉冲信号转换成相应的旋转或直线位移的运动执行元件，可以实现高精度的位移控制。由于步进电动机可用数字信号直接进行控制，因此很容易与计算机相连，是位置控制中常用的执行装置。步进电动机发明至今已有半个多世纪，早期的步进电动机性能差、效率低，但具有低转子惯量、无漂移和无积累定位误差的优点。在计算机快速发展的今天，步进电动机全数字化的控制性能得到了充分展现，它已被广泛应用于众多领域。

1）步进电动机的种类与特点

根据步进电动机的构造和工作原理不同可分为可变磁阻式（VR型）步进电动机（又称反应式步进电动机）、永磁式（PM型）步进电动机和混合式（HB型）步进电动机（亦称永磁感应式步进电动机）（见图6-7）。按励磁线圈的相数不同，可将步进电动机分为二相、三相、四相、五相和六相步进电动机。

图6-7 步进电动机的结构与分类

a）VR型 b）PM型 c）HB型

①可变磁阻式（VR型）步进电动机

该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子进行步进驱动，故又称作反应式步进电动机，其定子由铁芯构成。定子上嵌有线圈，转子朝定子间磁阻最小方向转动，并由此又被称为可变磁阻型步进电动机。这类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型步进电动机的铁芯无极性，故不需改变电流极性，因此，多为单极性励磁。

由于该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。另外，需要将气隙做得尽可能小（如几微米）。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，可望成为多用途的机种。

②永磁式（PM型）步进电动机

PM型步进电动机的转子采用永久磁铁，定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定的转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。

PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要的量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比该类步进电动机输出转矩大，但转子惯量也较大。

③混合式（HB型）步进电动机

这种电动机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是PM型步进电动机，但从定子和转子的导磁体来看，又和VR型相似，所以是PM型和VR型相结合的一种形式，故称为混合型步进电动机。它不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点，它的定子与VR型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊性。例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相；HB型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。

这种类型的电动机由转子铁芯的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，因此可制造出步距角较小（0.9°～3.6°）的电动机。

HB型与PM型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，在无励磁时具有保持力，励磁时的静止转矩比VR型步进电动机的大。HB型和PM型步进电动机能够用作超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1.8°的电动机可作为72r/min的同步电动机使用。

2）步进电动机的运行特性及性能指标

①分辨力

在一个电脉冲作用下，步进电动机转子转过的角位移即步距角α。步距角α越小，说明分辨力越高。最常用的步距角有0.6°/1.2°、0.75°/1.5°、0.9°/1.8°、1°/2°、1.5°/3°等。

②矩-角特性

在空载状态下，步进电动机的某相通以直流电时，转子齿的中心线与定子齿中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子初始稳定平衡位置。如果在电动机转子轴上加一负载转矩T_L，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度θ_e才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩T_j与负载转矩T_L相等，该T_j称为静态转矩，θ_e为失调角。当θ_e=±90°时，其静态转矩T_jmax为最大静转矩。T_j与θ_e之间的关系大致为一条正弦曲线，如图6-8所示，该曲线被称作矩-角特性曲线。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。一般产品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流和通电方式下的T_jmax。当失调角θ_e为-π～π时，若去掉负载T_L，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此-π≤θ_e≤π的区域称为步进电动机的静态稳定区域。

③起动频率

步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频率称为起动频率。所谓失步是指转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。步进电动机起动时，其外加负载转矩包括为零或不为零两种情况，前者的起动频率称为空载起动频率，后者的起动频率称为负载起动频率。负载起动频率与负载惯量的大小有关。当驱动电源性能提高时，起动频率随之提高。

④最高工作频率

步进电动机起动后，将脉冲频率逐步升高，在额定负载下，电动机能不失步正常运行的极限频率称为最高工作频率。其值随负载而异，它远大于起动频率，两者可相差十几倍以上。当驱动电源性能越好时，步进电动机的最高工作频率越高。

图6-8 步进电动机矩-角特性曲线

⑤转矩-工作频率特性

步进电动机转动后，其输出转矩随工作频率的增高而下降，当输出转矩下降到一定程度时，步进电动机就不能正常工作。步进电动机的输出转矩M与工作频率f的关系曲线（也称矩-频特性曲线）如图6-9所示，其中实线为电动机的起动矩-频特性曲线。可以看出，电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩M_q就越小；虚线为电动机的运行矩-频特性，严格说来，转动惯量对运行矩-频特性也有影响，但不像对起动矩频特性的影响那样显著。此外，步进电动机的矩-频特性与驱动电源性能好坏有很大的关系。

在不同负载下，电动机允许的最高连续运行频率是不同的。一般步进电动机的技术说明书上都有指明空载最高连续运行频率和空载起动频率。为了缩短起动时间，可在一定的起动时间内将电脉冲频率按一定的规律逐渐增加到所允许的运行频率。

3）步进电动机的工作原理

步进电动机是一种利用数字脉冲信号旋转的电动机，每当送入一个脉冲，电动机就转过一个步距角，电动机的转速与脉冲信号的频率成比例。

如图6-10所示为VR型步进电动机工作原理图。其定子上有6个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A′、B-B′、C-C′，三相磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当A、B、C三个磁极的绕组依次通电时，则A-A′、B-B′、C-C′三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。

图6-9 步进电动机的转矩-工作频率特性曲线

M_y—运行转矩M_q—起动转矩

图6-10 三相VR型步进电动机工作原理

如图6-10a所示，如果先将电脉冲加到A相励磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通。由图6-10b可以看出，这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿逆时针方向转过30°，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。旋转的这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按A→C→B→A→...的顺序通电，步进电动机将沿顺时针方向一步一步地转动。

上述步进电动机的三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。

如果使两相励磁绕组同时通电，即按AB→BC→CA→AB→...顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为30°。

如果按照A→AB→B→BC→C→CA→A→...顺序通电，即换接6次完成一个通电循环，则此种方式称为三相六拍通电方式工作，这种通电方式的步距角为15°。如果按B→BC→C→CA→A的顺序通电，步进电动机就沿着逆时针方向转动。

步进电动机的步距角越小，意味着能达到的位置精度越高。通常的步距角是1.5°或0.75°，为此需要将转子做成多极式的，并将定子磁极制成小齿状，其结构如图6-11所示。定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小一样，齿宽和齿距也相等。当一相定子磁极的小齿与转子的小齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度，按着相序，后一相比前一相错开的角度要大。例如，转子上有40个齿，则相邻两个齿的齿距角是360°/40=9°。若定子每个磁极上有5个小齿，当转子齿和A相磁极小齿对齐时，B相磁极小齿沿逆时针超前转子齿1/3齿距角，即超前3°，而C相磁极小齿则超前转子2/3齿距角，即超前6°。则当励磁绕组绕组按A→B→C→A→...顺序以三相单三拍通电时，转子按逆时针方向，以3°为步距角转动；如果按照A→AB→B→BC→C→CA→A→...顺序以三相六拍通电时，步距角减小为1.5°。

图6-11 步进电动机结构

1—定子 2—转子 3—定子绕组

步进电动机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数，以减小步距角并改善步进电动机的性能。为了减小电动机制造的难度，多相步进电动机常做成轴向多段式。例如，五相步进电动机的定子沿轴向分为A、B、C、D、E五段。每一段是一相，在此段内只有一对定子磁极。在磁极的表面上开有一定数量的小齿，各相磁极的小齿在圆周方向互相错开1/5齿距。转子也分为五段，每段转子具有与磁极同等数量的小齿，但它们在圆周方向并不错开。

一个m相步进电动机，如其转子上有z个齿，则步距角α可通过下式计算：

式中 k——通电方式系数。

当采用单相或双相通电方式时，k=1；当采用单双相轮流通电方式时，k=2。

4）步进电动机的特点

根据上述工作原理，可以看出步进电动机具有以下几个基本特点：

①步进电动机受数字脉冲信号控制，输出角位移与输入脉冲数成正比，即：

θ=Nα

式中 θ——电动机转过的角度，（°）；

N——控制脉冲数；

α——步距角，（°）。

②步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，即：

式中 n——电动机转速，r/min；

f——为控制脉冲频率，Hz。

③步进电动机的转向可以通过改变通电顺序来改变。

④步进电动机具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可以保持在当前位置。

⑤步进电动机工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）影响，只要干扰未引起步进电动机产生“丢步”，就不会影响其正常工作。

⑥步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子每转过一转以后，其累积误差为“零”，不会长期积累。

⑦易于直接与微机的I/O接口相连，构成开环位置伺服系统。

因此，步进电动机被广泛应用于开环控制结构的伺服系统，使系统简化，并可获得较高的位置精度。

5）步进电动机的选用

选用步进电动机时，需要综合考虑伺服系统的精度、转矩和转动惯量的设计要求与条件。第一步按系统位置精度要求选择步进电动机的步距角；第二步按起动速度、最大工作速度选择步进电动机的起动频率和最高工作频率；第三步根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，然后分别计算各种工况下所需的等效力矩，按起动负载和工作负载确定起动转矩和工作转矩；第四步根据步进电动机最大静转矩和起动、运行矩-频特性选择合适的步进电动机；第五步校验电动机的转矩。

①步距角的选择是由脉冲当量等因素来决定的。步进电动机的步距角精度将会影响开环系统的精度。

②转矩和惯量匹配条件

为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐保证负载的转动惯量与电动机转子的转动惯量的匹配，即：

式中，T_max为步进电动机的最大静转矩（N·m）；T_L为换算到电动机轴上的负载转矩（N·m）；J_m为步进电动机转子的最大转动惯量（kg·m²）；J_L为折算步进电动机转子上的等效转动惯量（kg·m²）。

根据上述条件，初步选择步进电动机的型号。然后，根据动力学公式检查其起动能力和运动参数。

由于步进电动机的起动矩-频特性曲线是在空载下做出的，检查其起动能力时应考虑惯性负载对起动转矩的影响，即从起动惯-频特性曲线上找出带惯性负载的起动颇率，然后再查其起动转矩并计算起动时间。当在起动惯-矩特性曲线上查不到带惯性负载的最大起动频率时，可用下式近似计算：

式中 f_L——带惯性负载的最大起动频率，Hz；

f_m——电动机本身的最大空载起动频率，Hz；

J_m——电动机转子转动惯量，kg·m²；

J_L——换算到电动机轴上的转动惯量，kg·m²。

当J_L/J_m=3时，f_L=0.5J_m。

不同J_L/J_m下的矩-频特性如图6-12所示。由此可见，随着J_L/J_m比值增大，自起动最大频率减小，其加减速时间将会延长，甚至难以起动，这就失去了快速响应性。

（2）直流伺服电动机(www.xing528.com)

机电一体化设备中，直流伺服系统是发展最早、最成熟的伺服系统，直流伺服电动机使用直流供电的电动机作为驱动元件，其功能是将输入的受控电压/电流量，转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。

1）直流伺服电动机概述

①直流伺服电动机的工作原理

图6-12 不同J_L/J_m下的矩-频特性

首先介绍直流伺服电动机的工作原理。要想使电动机旋转起来，电动机中必须有磁场相互作用，如图6-13所示。图6-13a表示磁场具有两种极性，一种是N极，另一种是S极。同极性磁极之间相互作用的是推斥力，N极和S极之间相互作用的则是吸引力。图6-13b表示电动机利用了磁场的这一性质，在电动机的外侧采用了固定不动的永磁体磁极（定子），电动机内侧是一个旋转的铁芯线圈（转子）、N极和S极总是按一定规律不断切换的电励磁磁极（称为电枢或转子），定子和转子磁极相互作用产生一定方向的力（转矩）。转子N极和S极的切换是按照定子磁极的位置，通过改变电枢绕组中的电流方向来实现的，如图6-13c所示。

图6-13 直流伺服电动机的工作原理

a）磁极的相互作用 b）电动机结构 c）电动机的旋转

电刷的任务是从电源吸收电流并通过换向器提供给电枢绕组。当励磁绕组和电刷端提供的电流都是直流电流时，电动机转子就会因产生电磁力（电磁转矩）而旋转起来。图6-14为直流伺服电动机的结构。

图6-14 直流伺服电动机的结构

②直流伺服电动机的分类及特点

直流伺服电动机的品种很多，随着科技的发展，至今还在不断出现各种新产品和新结构。按照定子励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式两大类。其中，电磁式按定子绕组的连接方式又有他励式、串励式、并励式和复励式等多种。近年来，永磁式直流伺服电动机因具有尺寸小、线性好、起动转矩大、过载能力强等优点，故应用较多。该类电动机用铁氧体、铝镍钴、稀土钴等永磁材料产生激磁磁场。永磁式直流伺服电动机按照转子结构不同又分为几种形式：普通电枢型、盘式印刷绕组型、盘式线绕型和线绕空心杯型。其中后三种电动机的共同特点是转子无铁芯，转动惯量小，具有很高的加速能力，如空心杯型电动机的机械时间常数小于1ms。

20世纪70年代研制成功了大惯量宽调速直流伺服电动机，其结构特点包括励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构如图6-15所示，有不带制动器图6-15a和带制动器图6-15b两种结构，电动机定子（磁钢）1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料（如铁氧体永久磁铁），转子（电枢）2直径大并且有槽，因而热容量大。结构上采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机的气隙磁通密度。同时，在电动机尾部装有高精度低纹波的测速发电机并可加装光电编码器和旋转变压器及制动器，能获得优良的低速刚度和动态性能。因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一体化闭环伺服系统中应用较广泛的一种控制用电动机。其主要特点是调速范围宽、低速运行平稳、负载特性硬、过载能力强、在一定的速度范围内可以做到恒转矩输出、反应速度快且具有很好的动态响应特性。当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。一般的直流伺服电动机均配有专门的驱动器。

图6-15 永磁体宽调速直流伺服电动机

a）不带制动器的宽调速直流伺服电动机 b）带制动器的宽调速直流伺服电动机

1—定子 2—转子 3—电刷 4—测速电动机 5—编码器 6—航空插座 7—制动组件

综上所述，直流伺服电动机的特点如下：

①稳定性好。直流伺服电动机具有下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。

②可控性好。直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速的大小正比于控制电压值；转向取决于控制电压的极性（或相位）；控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止。

③响应迅速。直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速起动、快速加速、快速减速和快速停止。

④控制功率低，损耗小。

⑤转矩大。直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系绕中，其输出功率一般为1～600W，也有的可达数千瓦。电源电压有6V、9V、12V、24V、27V、48V、110V、220V等。转速可达1500～1600r/min，时间常数低于0.03s。

2）直流伺服电动机的特性

①稳态方程和机械特性

直流伺服电动机既可采用电枢控制，也可采用磁场控制，多采用前者。这里以电枢控制直流伺服电动机为例对电动机的机械特性加以说明。

a.稳态方程

a）电压平衡方程

如图6-16所示为电枢控制直流电动机的等效电路（电枢绕组电感忽略），励磁绕组接于恒定电压U_f，控制电压为U_a，接到电枢两端，按电压定律可列出电枢回路的电压平衡方程为：

E_a=U_a-I_aR_a （6-1）

式中 E_a——反电动势；

U_a——电枢电压；

I_a——电枢电流；

R_a——为电枢绕组。

b）电枢反电动势方程

转子切割定子磁场时产生的反电动势E_a与转速n之间的关系为：

E_a=K_eΦn （6-2）

式中，K_e为反电动势常数；Φ为定子磁通。

图6-16 电枢控制直流电动机等效电路

c）转矩方程

转子切割定子磁场所产生的电磁转矩可由下面关系式求得：

M=K_mΦI_a （6-3）

式中，K_m——转矩常数。

d）转速方程

将式（6-1）～式（6-3）联立，消去中间量，可得

式（6-4）也称作直流伺服电动机的稳态方程。

b.机械特性

电动机的机械特性是指转速与转矩之间的关系，即n=f（M）曲线。若电枢电压恒定，则稳态方程可写为：

式（6-5）称为直流伺服电动机的机械特性方程。式中是直流电动机的理想空载转速。当n=0时，，称为堵转转矩或起动转矩。

图6-17所示为不同电枢电压的机械特性曲线，由机械特性方程可知：因负载的作用，转速要降低Δn，，即R_a越小或Φ越大，则电动机的机械特性越硬。在实际的控制中需对伺服电动机外接功放电路，这就引入了功放电路内阻，使电动机的机械特性变软，在设计时应加以注意。

②调节特性

电动机的调节特性是指转速与电枢电压之间的关系，即n=f（U_a）曲线。在稳态方程中，若把转矩看作常数，则有：

如图6-18所示为调节特性曲线。对不同的转矩，调节特性是斜率为正的直线簇，表明电动机转速随电枢电压的升高而增加。

图6-17 不同电枢电压的机械特性曲线

图6-18 直流伺服电动机调节特性曲线

在调节特性中，过原点的直线M₁=0，而实际中由于包括摩擦在内的各种阻力的存在，空载起动时负载转矩不可能为0。因此对于电枢电压来讲，它有一个最小的限制，称作起动电压，电枢电压小于它则不能起动，该区域称作死区。

另外，图中的直线簇是在假设负载转矩不变的条件下绘制的，在实际应用中这一条件可能并不成立，这就会导致调节特性曲线的非线性，在变负载控制时应予以注意。

（3）交流伺服电动机

从20世纪70年代后期到80年代以来，随着集成电路、电力电子技术、交流变速驱动技术、微处理器技术和电动机永磁材料制造工艺的发展，永磁交流伺服驱动技术有了巨大的突破，交流伺服驱动技术的发展成为工业领域自动化的基础技术之一，交流伺服电动机和交流伺服控制系统逐渐成为机电一体化系统中伺服装置的主导产品，广泛应用于机电一体化的众多领域。

如图6-19所示为三相交流绕组产生旋转磁场的原理图，交流电动机的三组线圈按相互间隔120°配置，当绕组中流过三相交流电流时，各相绕组将按右螺旋定则产生磁场。每一相绕组产生一对N极和S极，三相绕组的磁场合成起来，形成一对合成磁场的N极和S极。这个合成磁场是一个旋转磁场，每当绕组中的电流变化一个周期，交流电动机就会旋转一周。旋转磁场的转速n（r/min）称为交流电动机的同步转速。当绕组电流的频率为f，电动机的磁极数为p，则同步转速n=60f/p。

图6-19 三相交流绕组产生旋转磁场原理图

交流伺服电动机具有以下特点：

1）调速范围宽，交流伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在较宽的范围内连续调速。

2）转子惯性小，即能够实现迅速起动、停止。

3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。

交流伺服电动机主要分为同步交流伺服电动机（SM）和异步交流伺服电动机（IM）两大类。

日本法纳克（FANUC）公司为了满足CNC机床和工业机器人的需要于1982年开发出永磁同步伺服电动机，其特点是定子为三相绕组，转子为永久磁铁，其转矩产生机理与直流伺服电动机相同。永磁同步电动机的交流伺服控制技术已趋于成熟，具备十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁同步伺服电动机在工业生产自动化领域中的应用越来越广泛，目前已成为交流伺服系统中应用的主流。

异步交流伺服电动机即感应式伺服电动机。感应式电动机由定子和转子组成，定子铁芯中绕有按一定规律缠绕的导线绕组，其转子一般分为笼型转子和空心杯形转子两种结构形式，其特点和应用范围见表6-4。定子绕组通入三相交流电后，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子中金属导体产生电流，有电流流过的铜条在磁场中受力的作用，使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同。

表6-4 异步交流伺服电动机的特点和应用范围

目前同步交流伺服电动机的伺服系统多用于机床进给传动控制、工业机器人关节传动和其他需要运动和位置控制的场合；异步交流伺服电动机伺服系统多用于机床主轴转速和其他调速系统。

（4）直线电动机

做旋转运动的电动机称为旋转电动机，而做直线运动的电动机则称为直线电动机。如图6-20所示，将左边的三相交流感应电动机沿着轴向剖开并把转子与定子拉平，则得到了右边的三相交流直线感应电动机。在直线电动机中，对应旋转电动机的定子和转子分别称作直线电动机的初级和次级。

图6-20 旋转电动机与直线电动机

如果将如图6-20所示的直线电动机的初级绕组通入三相对称正弦交流电，则同样会产生气隙磁场，由图可见，该气隙磁场沿着展开的直线方向呈正弦分布，并按通电的A、B、C相序以v₀的速度沿直线移动，称为行波磁场。次级可看成像笼型转子那样由无数导条组成，则在行波磁场的切割下产生感应电流，该电流与行波磁场相互作用即产生轴向推力。若初级固定，则次级将以速度v直线运动。

直线电动机可分为直线直流电动机、直线同步电动机、直线感应电动机、直线脉冲电动机以及直线伺服电动机等。如按工作原理分类，除了上述的交流感应式外，还有交流同步式、直流式、步进式、振荡式、压电式等；如按结构形式可分为扁平形、圆筒形（见图6-21）、圆盘形和圆弧形等。

图6-21 扁平形和圆筒形直线电动机

由旋转交流电动机的同步转速推导，得直线交流电动机的同步速度为：

v₀=2fτ

式中 f——频率；

τ——极距。

与普通三相交流感应电动机一样，直线交流异步电动机同样具有转差率：

易知S的变化范围为0～1。

直线电动机具有以下特点：

1）结构简单，不需要中间转换传动机构，可实现直接驱动，使系统得到了简化，提高了可靠性，易于维护。

2）由于没有离心力的影响，其直线速度不受限制，因此具有高的直线移动速度。

3）具有较高的精度，如直线步进电动机的步距精度可以达到1μm。

4）推力大，反应速度快，加速性能好。

5）适应性强，初级铁芯密封后可工作于恶劣环境。

6）由于直线电动机初级不闭合，故存在端部效应，使磁场波形产生畸变，会导致损耗增加，另外直线电动机的气隙比旋转电动机大，这些都使直线电动机在低速时效率和功率因数下降较明显。