一 、 微特电机概述

在各种类型的控制系统中 . 微特电机是广泛

应用于运动方位 、 角度 、 行程 、 速度传感检测及按

照系统指令执行 、 驱动的基础产品 ， 有五千多个

品种规格 。 随着装备系统自动化程度的提高 ， 微

特电机的种类还在不断增加 ， 特别是新原理 、 新

材料的发展和应用 ， 电机技术和控制技术 、 电子

技术的紧密结合 ， 不断有新型的微特电机问世 ，

微特电机目前已成为发展迅速 、 各种技术相互渗

透的独特的专业门类 。 目前除了少数新原理电

机 ， 大部分微特电机还是基于传统的电磁能量转

换原理运行 ， 其设计计算也是传统的磁路 、 磁场 、

等效电路的计算 ， 但由于使用要求的多样化 ， 造

成微特电机的结构类型大不相同 . 它的结构和电

磁计算也随之而多种多样 , 相当部分还要运用传

统的热学和电磁学理论 ， 加上靠经验来合理地选

择各种参数进行计算 。

( - ) 微特电机的分类

微特电机有多种分类方法 。 通常 ， 微特电机

按功能来进行分类 。 从电机应用角度看 ， 微特电

机可分为执行驱动电机 、 信号电机 、 组件三大类

型 。 驱动电机包含交流电动机 、 交流伺服电机 、 同

步电机 、 直流电机 、 直流伺服电机 、 直流力矩电动

机 、 无刷电动机 、 步进电动机和开关磁阻电机 、 直

线电动机等主要门类 ; 通常 ， 执行电动机是根据

电气或电子控制的要求 ， 按设定的指令来完成系

统的各种运动 。 信号电机包括自整角机 、 旋转变

压器 、 感应同步器 、 编码器 、 测速发电机等主要门

类 ， 在运动控制系统中 ， 信号电机根据系统部件

运动的方位 、 角度 、 速度等给出特定的电压 、 电流

信号 ， 用于系统的检测反馈 。 组件则包括了齿轮

减速电机 、 机组 、 交直流伺服驱动组件等 , 已从单

一的元件转变成多功能的执行驱动组件 ， 往往包

括了电动机 、 传感器 、 减速器 、 执行机构 、 驱动控制

器 . 成为独立的执行单元或系统 。 其中 ， 执行驱动

电动机是微特电机的主要类型 ， 不仅品种多 、 产量

大 ， 而且应用范围宽 , 通常以旋转运动形式为主 。

( 二 ） 微特电机的基本结构

微特电机按总体来说一般由固定部分的定

子组件和转动部分的转子组件加上机壳端盖组

件等三大部分组成 。 按照总体结构来区分 ， 可以

分为通孔式 、 组装式和分装式三种 。 不同的电机

由于性能和使用的不同可根据计算采用不同总

体结构形式 。

1 ) 通孔式结构 ( 也称一刀通结构 ） 这种结

构是由定子和转子两个部件一次装成 ， 适用于气

隙小 、 均匀 、 精度要求高的产品 ， 步进电机 、 自整

角机 、 旋转变压器等小机座号产品一般都采用

这种结构 。

通孔式结构的定子是由铁心 、 线圈 、 机壳 、

前后端盖组成 ， 通常定子 、 机壳和端盖组装后用

环氧树脂封装灌注后形成一体结构 ， 如图 6 - 1

所示 。 为了保证精度 ， 满足定 、 转子之间小气隙

的要求 ， 确保金 、 转子气隙的均匀性 ， 定子铁心内

径和端盖轴承室的内孔尺寸相同的 ， 采用一次装

夹和一次走刀加工来确保同心度 ， 达到设计要

求 ， 从而保证了电机气隙的均匀性 ， 有利于保证

电机良好的电气性能 。

2 ) 组装式结构大部分驱动电机的气隙计

算值较大 ， 且定 、 转子相对精度要求不高 ， 但结构

又较为复杂 ， 通孔式结构就不适用 ， 常常采用的

是组装式结构 ， 如图 6 - 2 所示 。 通常微特电机

结构的组成部分较多 ， 其轴承室内径与定子铁心

外径尺寸不同 ， 无法采用通孔式结构 ， 因此组装

式结构是微特电机最常用的结构形式 。 组装式

结构的定 、 转子不像通孔式那样简单 ， 定子 、 转

子 、 机壳 、 端盖 、 导电件等部件是预先精密加工到

设计要求 ， 端盖与定子采用止口配合 、 加上螺钉

可卸连接或其他卡口式连接 、 铆接等型式完成 ，

即定 、 转子通过机壳 、 端盖 、 轴承等装配成一体 。

还应该说明的是并非组装式电机精度做不高 ，

定 、 转子气隙做不小 ， 实际上 ， 当电机零部件加工

精度很高时 , 组装式电机的精度和气隙也可以达

到通孔式电机的要求 ， 只是在实现上比通孔结构

难度大一些 。

3 ) 分 装 式 总 体 结 构 微 特 电 机 除 了 通 孔

式和组装式两种结构型式之外 ， 还有一种分装

式结构 ， 如图 6 - 3 所示 。 这种结构是适应微特

电机的使用要求而产生的 ， 它是以电机部件方

式出现 ， 不是装配成一个整体 。 对非接触类电

机 ， 分装式电机只有定子和转子两大部件 ; 对接

触式电机 ， 包括定子 、 转子 、 换向器 （ 或集电

环 ） 、 电刷和刷架等部件 。 定子和转子分别装到

系统的固定部分和旋转部分 ， 典型的应用如交

直流力矩电机 、 多极旋转变压器等 。 采用分装

式结构使得电机和系统形成一体 ， 成为系统本

身的部件从而简化了系统组成 。 但是 ， 应注意

的是定 、 转子在系统中的安装上要求保证必需

的精度 。

( 三 ） 微特电机的结构特点

由于用途的不同 ， 微特电机品种规格多 ， 尺

寸和功率大小差别很大 ， 结构差异也很大 ， 主要

体现在以下几个特点 ：

1 ) 结构多样微特电机由于应用上的不同

造成外形和结构多样化 : 为了突出快速响应的特

点 ， 伺服电机的转子为绕组排列构成杯状 ， 无铁

心 ； 力矩电机为强调其低速大力矩的特点 ， 将电

机设计成盘状 ， 采用多极方案确保电机能在低速

甚至堵转状态下输出大力矩 ； 为配合装备的特

点 ， 有的电机设计成定 、 转子分开结构 ， 定子为装

备的固定件 ， 转子为装备的旋转件 ; 有些系统要

求电机提供反馈信号往往将电机和测速发电机

连成一体 ， 设计成共磁路结构 ; 从转动的电机发

展到间隙转动的电机 ， 从旋转运动的发展到直线

运动 、 平面运动的电机以及有特殊功能的电机 ，

其结构也是变化大 ， 制造工艺也截然不同 。

2 ) 体积小 、 形状特殊通常微电机的外形

尺寸在 130 mm 以下 ( 部分特种电机例外 ） ， 有的

外径几毫米 ， 质量仅几克 。 特别是当用于航天 、

航空 、 计算机外部设备 、 医疗器械 、 电子钟表等装

置中时 ， 对其体积质量提出了很高的要求 ; 有的

外径超过 1 m , 但对加工精度的要求并没有降

低 。 因此 ， 对小型结构而言 ， 在保证产品要求的

机械强度下 ， 零部件尺寸要尽可能小 ， 质量轻 ; 对

大型部件而言 ， 要确保加工件的精度 ， 同时避免

变形 。 所以在结构材料方面大量采用了传统电

机比较少用的轻合金件 、 塑料件 ， 在结构形状上

采用薄壁件 （ 如端盖 、 机壳 、 转子等 ) 。

3 ) 加工精度要求高由于电机结构设计上

要求紧凑 、 精巧 ， 相应地对零部件均要有较高的

尺寸精度和较严的形位公差要求 。 同时 ， 为保证

电机的电性能 ， 在结构上要求内部磁路和电路尽

可能平衡对称 ， 电机定 、 转子间的气隙也较小 ， 一

般在 0.5 5 mm 范围内 . 小机座号的信号电机 、

步进电机 、 伺服电动机定 、 转子单边气隙甚至小

于 0.3 mm 。 同时为保证产品的电气精度要求气

隙均匀 ， 对定 、 转子的圆柱度 、 同心度提出了很高

要求 。

4 ) 结构上要可靠稳定由于微电机产品相

对微小 、 结构紧凑 ， 使用条件复杂 ， 材料特殊 、 性

能指标要求又高 ， 所以结构上必须可靠稳定 ， 能

够承受温度变化的影响 ， 保证大冲击振动环境

条件下正常运行 。 特别是电机的电刷 、 换向器

( 或电刷一集电环 ） 转动接触 ， 组装中的黏结要

求 ， 轴承和机械联接结构 ， 绝缘结构 、 金属件和

塑料件 、 环氧结构件的结合等均要保证稳定 、 牢

固 、 可靠 。

( 四 ） 微特电机的计算

微特电机由于结构特殊 ， 严格说必须对电

机的电磁场进行分析计算 ， 才能得到相对比较

准确的计算结果 。 但作为工程设计 、 估算 ， 等效

磁路的计算方法便捷明确 ， 在试制过程中容易

直接调整方案 ， 因而各制造厂商在实际设计中

还是广泛使用传统的磁路计算方法 。 但是 ， 也

正是由于微特电机结构的特殊 、 材料的特殊 、 使

用的特殊和性能要求的特殊 ， 在实际计算中又

和中小型电机计算不同 ， 更多的是靠经验进行

修正 。 通常电机设计包括了电磁设计 、 结构设

计 、 热计算 、 机械计算等 ， 但对于微特电机而言

一般只进行电磁计算 。 本章选取微特电机的几

个不同产品进行介绍 ， 由于实际使用要求的不

同 ， 在设计上侧重点不同 ， 因而在材料选用 、 结

构设计和实际计算上也不相同 。

1 . 信号电机

本章选取了信号电机的三个典型产品 ： 自整

角机 、 旋转变压器 、 测速发电机 。 信号电机的特

点是注重其信号输出特性 ， 因此 ， 在软磁材料选

用上首先注意的是必须能确保电机工作在磁化

特性曲线的线性区域 ; 部分信号电机励磁频率为

400 Hz 、 l kHz , 2 kHz , 甚至 120 kHz , 在高频的

状态下就必须选用一般电机很少采用的软磁合

金 ， 材料厚度多选用 0 . 2 mm 、 0 . 35 mm ; 在结构

设计上要求内部磁路和电路尽可能平衡对称 ， 气

隙一般在 0 . 2 0.5 mm 范围内 ； 换向器 、 电刷滑

环要求径向跳动小 ， 确保接触稳定 ; 对旋转变压

器而言 ， 为确保输出信号与转角的函数关系 ， 其

绕组必须按照函数关系来设计 。

2 . 驱动电机

一般的驱动电机如单相交流电机 、 直流电

机 ， 设计上相对比较成熟 ， 本章选取了驱动电机

的三个特殊产品 ： 步进电机 、 永磁交流伺服电机 、

永磁无刷直流电机 。 驱动电机的特点是注重其

驱动性能 。 但步进电机和交流伺服电机的侧重

点又不相同 : 步进电机注重电机在步进过程中开

环状态的角度的精确定位和在驱动频率段的带

载能力 ， 因此在设计上要注意定转子齿宽的配合

以消除谐波分量 ， 保证每一步的步距精度 ; 永磁

交流伺服电机则注重闭环控制时的驱动能力和

快速响应性能 ， 因此 ， 在永磁材料的选择上往往

选择高性能的稀土类磁钢 （ 当然 ， 对于要求不高 、

价格低廉的驱动电机往往选用铁氧体磁钢 ） ， 根

据转速的高低选择磁钢是内嵌式还是表面黏接式 ；

驱动电机采用的软磁材料厚度多选用 0 . 35 mm 、

0 . 5 mm ; 气隙一 • 般在 0 . 5 ~ 2 mm 。

3 . 电磁计算

基于电磁能量转换原理电机的电磁计算特

点是多项方程式求解的结果为不定值解值 ， 即电

磁计算结果为多种解值 。 因此 ， 在计算过程中选

用各种计算系数 K 的取值很大程度上决定了设

计方案的取向 ， 电机的结构选择 、 极对数选择主

要取决于电性能的要求 ， 如对旋变而言 ， 单极一

般精度只能达到几十分 ， 面对于精度要达到秒的

程度 ， 只能采用多级结构 ； 对力矩型驱动电机而

言 ， 要降低力矩波动 ， 必须增加极对数 . 要提高转

速则一般减少极对数 ; 因此在实际设计中往往借

助于几何相似定律进行类比估算 ， 计算系数 K

的选择还取决于经验 。

二 、 自整角机计算

自整角机是一种用于无机械连接的转角传

递或传递与转角相应的电信号系统中具有三相

整步绕组的交流控制电机 ， 其输出电信号是转子

转角的函数或转子转角是输人电信号的函数 。

由多个自整角机可以构成自整角机系统 （ 同

步联结系统 ） ， 使得各个自整角机的转轴 （ 彼此间

无机械联结 ) 保持相同的转角变化 ， 从而实现角

度位置的远距离传输 、 变换和指示 。

按工作原理 ， 可分为力矩式自整角机和控制式

自整角机 ， 按其结构分为接触式和无接触式两种 .

按用途可分为发送机 、 接收机 、 差动机和变压器 。

自整角机广泛应用于远距离指示装置和角

伺服系统中 ， 可实现角度传输 、 变换和接收 。

( 一 ） 主要参数

自整角机在计算时所涉及的参数可以分为

性能参数和制造参数两部分 。 性能参数主要是

包括自整角机在运行时所表现出来的电和磁等

方面的性能指标 ; 制造参数主要包括自整角机制

造时所必需的结构参数 。

1 . 性能参数

① 励磁电压 ；

② 电源频率 ；

③ 最大输出电压 ；

④ 空载消耗功率 ；

⑤ 空载励磁电流 ；

⑥ 开路输入阻抗 ；

⑦ 相位移 ；

⑧ 铜损 ；

⑨ 总铁损 ；

⑩ 气隙磁密 ；

⑪ 定 、 转子齿部磁密 ；

⑫ 定 、 转子轭部磁密 ；

⑬ 比整步力矩 ；

⑭ 阻尼时间 。

2 . 制造参数

① 机壳厚度 ；

② 定子铁心内 、 外径 ；

③ 转子铁心内 、 外径 ；

④ 气隙 ；

⑤ 定 、 转子槽数 ；

⑥ 定 、 转子槽形尺寸 ；

⑦ 定 、 转子气隙长 ；

⑧ 绕组匝数 ；

⑨ 绕组跨距 ；

⑩ 绕组线规 ；

⑪ 槽满率 ；

⑫ 定 、 转子斜槽角度 。

( 二 ） 典型结构

自整角机的结构类型有两种 ：

( 1 ) 装配式结构 ，

即定子内径与轴承室尺寸

不同 ， 如图 6 - 4 所示 。

( 2 )

“ 一刀通 ”

结构 ， 即定子内径与轴承室为

同一个尺寸 ， 可一次装夹加工 ， 保证同心度 ， 如图

6 - 5 所示 ， 因此 ， 该结构的定子内径必须与所选

用的轴承外径一致 。 这种结构主要在机座号

45 * 及其以下的小机座号中采用 。

定子包括定子铁心和定子绕组等 ， 转子包括

转子铁心 、 转子绕组 、 集电环和转轴等 ， 其中带有

电气阻尼的凸极转子 ， 其阻尼绕组有单回路和双

回路之分 ， 凸极转子冲片如图 6 - 6 所示 。 定 、 转

子铁心分别由定 、 转子冲片叠压而成 ， 冲片一般

用 0 . 2 mm 或 0 . 35 mm 厚的冷轧或热轧硅钢片

冲制 。

自整角机常用的定子冲片槽形如图 6 - 7 所

示 ， 凸极转子冲片的槽形与阻尼端板的形状类似 ,

如图 6 - 6 所示 ， 隐极转子冲片槽形如图 6 - 8 所示 。

( 三 ） 常用数据

一般在进行电磁计算时 ， 首先应根据产品标

准 、 运行环境以及用户的技术要求等 ， 确定电机

应达到的主要额定性能指标 ， 然后初步提出达到

上述指标电机所必需的主要尺寸参数 ， 如电机定

转子内外径 、 铁心长度 、 绕组匝数及线规等 ， 并开

始进行计算 。

对于多品种小批量的电机产品 ， 在满足电机

主要性能的前提下 ， 应充分考虑产品标准化 、 通

用化和系列化的要求 ， 尽量选用企业已有的工装

模具 ， 以缩短产品的生产周期和制造成本 ， 快速

而经济合理地满足市场及用户的需求 。

在电机的计算过程中 ， 经常会用到一些常用

的数据 ， 通常是一些经验数据或固定形式 ， 现列

出如下 ：

1 . 定 、 转子槽数及槽形

常用的定子槽数有 9 、 12 、 15 、 18 、 21 和

24 , 一般取 Z 1 = 15 , 大机座号可考虑取 21 。

转子槽数 ：

对于凸极式转子来说 ， 单阻尼条时为 4 , 双

阻尼条时为 6 。

对于隐极式转子来说 ， 转子槽数一般为 12 。

2 , 绕组型式

自整角机的定子绕组一般为三相分布绕组 ，

绕组通常采用两种型式 ：

① 60 度相带的短距绕组 ；

② 同心式不等匝分布绕组 。

转子绕组在转子上则根据电机类型的不同

而有所区别 ：

发送机和接收机转子有凸极和隐极两种型

式 ； 凸极式转子为单相集中绕组 ， 极上可置有一

个或两个阻尼回路 ； 隐极转子绕组分为两大类

型 : 正交两相 、 三相接成正交两相 。 正交两相绕

组又可分成三种型式 ：

① 短距分布绕组 ( 90 度相带 ） ；

② 同心式等匝分布绕组 ；

③ 正弦绕组 。

两相正交绕组 ， 其中一相作励磁用 ， 另一相

短接作阻尼回路 。

差动式自整角机的转子绕组一般也为三相

分布绕组 ， 绕组采用短距绕组或同心式不等匝

绕组 。

自整角变压器的转子为单相分布绕组或正

弦绕组 。

3 . 气隙及铁心各部磁密

一 般 取 气 隙 磁 密

= = 0 . 4 0 . 6 T ， 小机座

号的取偏下限 ， 大机座号取偏上限 ； 频率高的取

偏下限 ， 频率低的取上限 。

铁心各部磁密的合理范围 : 铁心各部磁密的

大小 ， 应根据所选用的铁心材料而定 。

定子齿部及转子铁心各部 ：

50 Hz 1.35 — 1 . 6 T

400 Hz 1 . 2 — 1 . 35 T

定子轭部 ：

50 Hz 1.1 1.4 T

400 Hz 1.1 — 1 . 25 T

( 四 ） 主要物理量的符号及单位

由于自整角机在计算时涉及的物理量较多 ，

为了便于计算 . 约定一些主要物理量的符号及单

位 ， 如表 6 - 1 所示 。

( 五 ） 磁路计算

1 . 气 隙 系 数