力矩电机技术水平分析及关键技术

力矩电机技术水平分析及关键技术

沈阳机床集团

技术中心

立式加工中心项目组

2006年10月

–Firstly—力矩电机简介及技术分析

力矩电动机(torque motor)，也有人翻译为扭矩电机，力矩电动机与直线电动机相似,为基于同步传动技术的直接驱动电动机.与直线电动机的高速度不同的是,力矩电动机经常工作在较低的速度,并且在这种较低的额定转速下输出很高的扭矩. 它本质是低速大扭矩的伺服电动机，与我们熟悉的伺服电机分类相同，分为直流，无刷直流，正弦交流几种。

a.永磁直流力矩电动机技术

永磁式直流力矩电机属于低速直流伺服电动机，通常使用在堵转或低速情况下。

其特点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强。长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。广泛应用于各种雷达天线的驱动、光电跟踪等高精度传动系统、以及一般仪器仪表驱动装置上。

2专利技术：

目前国内外关于直流永磁力矩电动机的专利文献主要针对电动机的结构，以及槽极数的设计，其发展趋势是使该类力矩发动机的结构更紧凑、力矩更大。其中美国专利US5990584（公开日：1999-11-23）涉及一种永磁直流力矩电动机，其定子安装在基座上悬臂中，并嵌套在一个杯形转子中。其永磁体贴在转子的内部，定子铁心外部由线圈直接包成网状，可加工成片状或薄板状。磁极片具有缩短的电极靴表面与转子磁体形成放射形的间隙。磁极片向轴向和横向扩展，轴向磁极片的扩展部分可提供给定电动机所有的磁通量，无需再增加电流的安培。

国内实用新型95218685.3（公开日：1996.12.18）也涉及一种大力矩直流电动机，转子采用双数正槽，单层绕组，换向片至少6片，使转子产生的磁场与定子磁场的磁轴交角小于直角（30－45°）。具有起动力矩大，机械加工容易，省工省料，制造维修方便，工作可靠，过负荷能力强，使用寿命长等特点。

2产品介绍：

国外永磁直流力矩电动机的主要生产厂商有美国Kollmorgen公司、Poly-Scientific公司、英国Muirhead Aerospace等公司，设计生产了各种型号的永磁直流力矩电动机，其中美国Kollmorgen公司的直流力矩电机由永磁场和绕线式电

枢共同作用将电力转化为转矩，用于定位和速度控制系统。英国Muirhead Aerospace 公司生产的直流力矩电动机具有大力矩输出、直接响应和低速精确运转等特点，电动机采用的永磁材料有稀土磁体、铝镍钴合金等。同时该公司还可为用户定制特殊型号的电动机，各种型号的直流力矩电动机峰值堵转力矩范围可从0.075N?m到203N?m。国内北京敬业电工集团、成都精密电机厂等单位也生产了系列直流力矩电动机，其中成都精密电机厂生产的永磁式直流力矩电机具有堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强等特点。长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。中国电子科技集团公司第二十一研究所对永磁直流力矩电动机已进行了多年的开发研制，取得了多项研制成果，该单位开发的J65LYX01型永磁式直流力矩电动机主要用于HQ－9工程主动导引头位标器随动系统中做执行元件，带动系统中天线作伺服运动。由于力矩电动机具备能堵转工作的优点，故被经常采用，同时还可广泛用于多种工业自动控制中的直流闭环PWM调速系统中，控制方便。该电机采用稀土永磁材料，是具有隐极式磁路结构的直流力矩电动机。该电机具有体积小，出力大，特别是力矩脉动小的特点。并在1997年经电子工业部鉴定为国内领先。哈尔滨工业大学、西安微电机研究所等研究单位也在该领域进行了长期的研究。

b.交流力矩电机的技术介绍:

交流力矩电动机的结构、工作原理:

交流力矩电动机与一般鼠笼式异步电动机的运转原理是完全相同的，但结构上有所不同，它是采用电阻率较高的材料（例如黄铜、康铜等）作转子的导条及端环。因此，力矩电动机的转子电阻比普通鼠笼式电动机的转子电阻大得多。力矩电动机的机械特性与普通鼠笼式电动机是不同的。

由于采用不同的设计参数，力矩电动机的机械特性和用途分为两类：卷绕特性的力矩电动机和恒转矩特性的力矩电动机。卷绕特性力矩电动机，实现恒张力传动，适用于生产过程中需要使产品维持恒定的张力和用恒定的线速度把产品卷绕在辊筒上的场合，例如，印染机械上，卷绕织物的辊筒，随着织物不断卷绕到辊筒上，辊筒直径逐渐增大，负载也相应增加。由力矩电动机的机械特性可见，负载增加，转速自动下降，从而维持一定的线速度和张力，实现了工艺要求。这类力矩电机常用于纺织、印染、造纸、橡胶、电线电缆等方面。

恒转矩特性力矩电动机，能在一般较宽的转速范围内，使转矩基本恒定，适用二

转速变化时，要求恒定转矩的传动场合。例如，印染机械中，用若干辊轴传送织物时，由于织物并不卷绕在辊轴上，而只是贴在辊轴表面上靠它来传动，辊轴直径是不改变的，这种场合宜使用恒转矩特性电动机，以保证在任何速度下，转矩恒定，织物的张力恒定。

力矩电动机允许长期低速运转（甚至堵住不动），它的发热很严重，通常采用外加鼓风机强迫风冷。使用力矩电动机时应注意检查鼓风机的运行情况是否良好，其周围应有良好的通风环境，不允许有干燥易燃物。易燃粉尘或挥发性可燃油类等靠近。

由于使用情况不同，由力矩电动机带动的机械所卷绕或传递的材料种类和规格不同，需要的张力不同，要求调节力矩电动机的转矩，或要求在一定范围内变速，通常采用调节施加在力矩电动机上的电压以实现这些要求。改变力矩电动机的输入电压通常使用调压器，在要求提高机械特性硬度和调节精度的场合，也可以采用可控硅速度负反馈控制电路进行无级调速，但系统较复杂。

使用调压器调节的形式常见的有以下几种；

（1）三相平衡调节。采用三相调节器，接成星形联接，同轴控制，同时调节三相电压使之平衡，力矩电动机能在平衡状态下运行，调节范围较广，效果好，但需要使用三相调压器，不甚经济。

（2）两相电压调节。用两只单相调压器作U形连接，同轴调节，例如，调节A、C两相时，调压器的滑动电刷a 和c同时对称滑动，也能实现平衡调节。但采用这种方法时必须注意，U形接法的单相调压器的端电压为电源线电压，所使用的单相调压器的额定电压应适应于电源线电压的要求。目前生产的单相调压器的额定电压大多为220V，所以不能用于普通的三相380V电源系统，而只能用于电源电压为三相220V的系统。

（3）单相调节。单相调节只使用一个单相调压器调节一相电压。力矩电动机在不平衡状态下运行，调节性能较差，但由于设备简单，这种调节形式应用较多，常用的单相调压方法有以下两种：

1、调压器接在两相之间，

2、调压器接在一相和零线之间，

采用单相调节时应注意，在调压器调至电压低于某一数值后，会在某一速度下出现负转矩。当电压调至0V时，整个速度范围内都将出现负转矩。如果力矩电动机所

带动的是纺织品或塑料品、纸张等东西时，由于电动机此时存在一个制动力矩，会造成张力不正常。造成负转矩的原因是由于力矩电动机的特性较软。

为提高扭矩，力矩电机的极数较多，所以转速一般只有一百到几百转，下面以德国西泰克（CYTEC）力矩电动机和普通司服电动机参数的比较：

由以上参数可以看出，力矩电机额定电流很小，用很小的伺服模块就可以驱动扭矩很大的力矩电动机，力矩电机的结构形式，由外转子，内转子两种；内转子的结构有明显优势因为相同扭矩电动机体积可以更小，在机床行业，相同的性能，体积小就有很大的优势。

力矩电机作为一种很早就有的技术，首先作为导弹上的陀螺电动机，但是扭矩相对很小在机床上的应用是近10多年才出现的，随着高速加工技术的发展，市场需要一种高精度，高加速度的旋转机构，而齿轮或蜗轮蜗杆传动，事实证明是达不到要求的。随着交流伺服技术的进步，力矩电机的扭矩很快达到了实用的程度，力矩电机直接驱动在机床上很快得到了应用。

–Secondly—力矩电机的应用：

力矩电机直接驱动是实现高速高精度旋转运动的最佳选择

机床上的旋转运动，例如摆头和转台，传统的解决方法是采用伺服电机+蜗轮蜗杆或齿轮实现、这种方式的缺点很明显，首先是磨损，机械部件长期连续运行的磨损

是不可避免的，尤其是涡轮蜗杆转台的耐用性是很大的问题，精度保持性很差；其次是速度与加速度低，在加工高速曲面时，如果旋转轴的速度低于曲面的加速度，就会出现过切现象。

力矩电动机的转子直接驱动旋转部件的运动，它是没有中间的传动环节，是一种不接触的传动，

没有反向间隙，没有磨损，配合高精度编码器，可以实现编码器级别的精度，力矩电机一般可以实现60r/min的转速，这对摆动机构来说，已经是很高的速度了。

若都采用±2.5//的编码器反馈情况下，力矩电机与齿轮，蜗轮蜗杆传动的比较如下：

在机床上采用力矩电机的机床部件，主要有摆头和转台，如下图：

图1：双摆头结构

力矩电机直接驱动的摆头采用力矩电机的双轴转台

图2：扭矩电机在转台上的应用

采用力矩电机摆头的五轴龙门铣采用双轴力矩电机转台的叶片磨床

卧式加工中心落地镗床

图3

–Thirdly—力矩电机的发展趋势：

根据有关专家预测，“十五”期间中小电机年产量将达到4000万－5000万kW中小型电机今后的发展趋势是产品向高性能、轻薄短小化、永磁化、无铁心化、无刷化、机电一体化、智能化和组合化方向发展。从国际市场上看，力矩电动机在国外已是成熟产品，但在国内尚处于萌芽状态。采用力矩电机的产品目前在国内应用还不是很多，价格是最大的制约因素，其次受制于某些系统参数不开放。降低价格最好的办法是提高产量；目内已有几家公司在致力于力矩电机的生产前国，会迫使国外产品降价，从而推动消费市场。