力矩電機(jī)

01直流力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　直流力矩電機(jī)的工作原理與普通直流電動機(jī)相同，不同之處在于其結(jié)構(gòu)。為了在一定體積和電樞電壓下產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩和低的轉(zhuǎn)速，直流力矩電機(jī)一般做成扁平式結(jié)構(gòu)，電樞長度與直徑之比一般為0.2左右，極對數(shù)較多。為了減小轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動，選用較多的槽數(shù)和換向片數(shù)，通常采用永磁體產(chǎn)生磁場。

　　如下圖1所示為永磁式直流力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)。定子是有軟磁材料制成的帶槽的圓環(huán)，在槽中嵌入永磁體。轉(zhuǎn)子鐵心通常用硅鋼片疊成，槽中嵌入電樞繞組，電樞繞組為單波繞組。槽楔由銅板制成，兼作換向片，槽楔兩端伸出槽外，一端作為電樞繞組接線用，另一端排列成環(huán)形換向器。轉(zhuǎn)子的所有部件用高溫環(huán)氧樹脂澆鑄成整體。

圖1：永磁式直流力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　直流電機(jī)中，若兩臺電機(jī)的電樞體積相同，它們的電樞直徑分別為D1和D2，電樞長度分別為L1和L2，假設(shè)它們的極對數(shù)P、極弧系數(shù)ap、槽數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)a、電樞電流Ia和氣隙磁通密度Bδ均相同，槽面積與電樞直徑的二次方成正比，每槽導(dǎo)體數(shù)也與電樞直徑的二次方成正比，則它們產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之比為：

　　可以看出，在上述前提下，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞直徑成正比，這就是直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩大的原因。

02交流力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖2：交流電機(jī)的力矩特性

　　交流力矩電機(jī)分為單相和三相兩種，分別是從單相感應(yīng)電動機(jī)和三相感應(yīng)電動機(jī)的基本系列派生的，結(jié)構(gòu)和安裝尺寸與基本系列一致。不同之處在于，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條通常采用較高電阻率的材料，如黃銅、純銅、銅錳合金等，轉(zhuǎn)子電阻較普通感應(yīng)電動機(jī)大得多，因而其機(jī)械特性與普通感應(yīng)電動機(jī)明顯不同。交流力矩電機(jī)的機(jī)械等性能如圖2所示，圖中曲線1為普通感應(yīng)電動機(jī)的機(jī)械特性。交流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻較大，使最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為1，即最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在堵轉(zhuǎn)點(diǎn)，其機(jī)械特性如圖中曲線2所示。

圖3：交流力矩電機(jī)的提速特性

　　由于感應(yīng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于電源電壓的二次方，通過改變電壓可以得到交流力矩電機(jī)的一組調(diào)速特性，如圖3所示。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩(或轉(zhuǎn)速)不變時，可以通過調(diào)節(jié)電壓來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩)。

　　機(jī)械特性非線性度是交流力矩電機(jī)的一個重要指標(biāo)，其定義于：實(shí)際機(jī)械特性與理想機(jī)械特性之間的轉(zhuǎn)速差最大值與空載轉(zhuǎn)速之比，如圖4所示。非線性度主要與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，轉(zhuǎn)子電阻越大，非線性度越小，一般控制在30%之內(nèi)。

圖4：機(jī)械特性的非線性度

　　力矩電機(jī)的特點(diǎn)是具有軟的機(jī)械特性，可以堵轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時能自動降低轉(zhuǎn)速，同時加大輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為一定值時改變電機(jī)端電壓便可調(diào)速，但轉(zhuǎn)速的調(diào)整率不好。因而在電機(jī)軸上加一測速裝置，配上控制器，利用測速裝置輸出的電壓和控制器給定的電壓相比，來自動調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，使電機(jī)穩(wěn)定。

　　力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點(diǎn)，可直接驅(qū)動負(fù)載省去減速傳動齒輪，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行精度。

　　為取得不同性能指標(biāo)，力矩電機(jī)有小氣隙、中氣隙、大氣隙三種不同結(jié)構(gòu)形式，小氣隙結(jié)構(gòu)，可以滿足一般使用精度要求，優(yōu)點(diǎn)是成本較低；大氣隙結(jié)構(gòu)，由于氣隙增大，消除了齒槽效應(yīng)，減小了力矩波動，基本消除了磁阻的非線性變化，電機(jī)線性度更好，電磁氣隙加大，電樞電感小，電氣時間常數(shù)小，但是制造成本偏高;中氣隙結(jié)構(gòu)，其性能指標(biāo)略低于大氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)，但遠(yuǎn)高于小氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)，而體積小于大氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)，制造成本低于大氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)。

01卷繞

　　在電線電纜、紡織、金屬加工、造紙等加工時，卷繞是一個十分重要的工序。產(chǎn)品卷繞時卷筒的直徑逐漸增大，在整個過程中保持被卷產(chǎn)品的張力不變十分重要，因?yàn)閺埩^大會將線材的線徑拉細(xì)甚至拉斷，或造成產(chǎn)品的厚薄不均勻，而張力過小則可造成卷繞松馳。為使在卷繞過程中張力保持不變，必須在產(chǎn)品卷繞到卷盤上的盤徑增大時驅(qū)動卷筒的電機(jī)的輸出力矩也增大，同時為保持卷繞產(chǎn)品線速度不變，須使卷盤的轉(zhuǎn)速隨之降低，力矩電動機(jī)的機(jī)械特性恰好能滿足這一要求。

02開卷

　　開卷亦稱松卷、放卷、放線等，在工業(yè)生產(chǎn)中，有時需要把卷繞在滾筒上的產(chǎn)品輸送到下一個工序。在輸送過程中，要求施于產(chǎn)品一個與傳動方向相反的張力，同時要求隨著筒徑的變化，而保持產(chǎn)品傳動的線速度和反向張力恒定，這就要求電機(jī)具有制動恒功率特性。

03無級調(diào)速

　　力矩電機(jī)的機(jī)械特性很軟，當(dāng)負(fù)載增加時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，輸出力矩增加，而輸出力矩是正比于電壓的平方。如果負(fù)載固定，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨電壓變化而變化，因此在負(fù)載恒定的裝置上，只要通過調(diào)壓裝置改變電機(jī)的輸入電壓，就能獲得任一的轉(zhuǎn)速。但是力矩電機(jī)低速運(yùn)行時，其效率極低，不利于長期低速運(yùn)行。

04堵轉(zhuǎn)

　　在某些特殊場合中，有時要求電機(jī)在一段時間內(nèi)保持一靜止的力矩，如電纜收卷起始階段須保持張緊;大型鍛壓機(jī)的鍛件夾持裝置等。由于力矩電機(jī)的阻抗較大；其堵轉(zhuǎn)電流較小，同時采用了強(qiáng)迫通風(fēng)，所以能滿足一定時間內(nèi)的堵轉(zhuǎn)要求。允許堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)按銘牌上標(biāo)定值，如需較長的堵轉(zhuǎn)時間，可選用較大的力矩電機(jī)，通過降低力矩電機(jī)的端電壓來獲得。

05其它

　　力矩電機(jī)還可根據(jù)其多種特點(diǎn)靈活應(yīng)用，如本身具有直流串勵電機(jī)特性，可部分代替直流電機(jī)使用;又如根據(jù)其轉(zhuǎn)子具有高電阻特性，起動(堵轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)矩大，故可應(yīng)用在啟閉閘(閥)門以及阻力矩大的拖動系統(tǒng)中；也可利用其起動(堵轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)矩大，起動(堵轉(zhuǎn))電流小，實(shí)心轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而使用于頻繁正、反轉(zhuǎn)的裝置或其他類似動作的各種機(jī)械上。