揭开伺服电机的奥秘：了解电机内部结构 (揭开伺服电机的原理)

引言

伺服电机在工业自动化、机器人和医疗设备等领域广泛应用。了解其内部结构和工作原理至关重要。本文深入探讨伺服电机的各个组成部分，揭开其复杂运作的神秘面纱。

伺服电机的工作原理

伺服电机是一种由反馈回路控制的旋转电动机。其工作原理如下：1. 输入信号：伺服驱动器接收来自控制器的指令，这些指令指定了所需的转速、方向和位置。2. 放大器：放大器将输入信号放大为足够驱动电机所需的电流量。3. 电机：电机将电能转化为机械能，使其转子旋转。4. 编码器：编码器安装在电机转子上，实时监测转子的位置。5. 反馈回路：编码器的数据与输入指令进行比较，任何偏差都会发送回控制器。6. 纠正措施：控制器基于反馈数据调整电机电流，以纠正任何误差，确保电机准确地跟随指令。

伺服电机的内部结构

伺服电机由以下主要组件组成：

1. 外壳

外壳由金属或复合材料制成，用以保护电机内部元件。

2. 定子

定子是电机的固定部分，由硅钢片叠层制成。它具有均匀分布的线圈，当电流流过这些线圈时会产生磁场。

3. 转子

转子是电机的旋转部分，由永久磁铁或电磁体制成。当定子线圈中的电流产生磁场时，转子的磁场会与定子场相互作用，产生扭矩并使转子旋转。

4. 编码器

编码器安装在转子上，用于实时监测转子的位置。它可以是增量式编码器（生成脉冲）或绝对式编码器（提供绝对位置信息）。

5. 轴承

轴承安装在电机两端，用以支撑转子和降低摩擦力。

6. 连接器

连接器提供与伺服驱动器和控制器的连接，传输输入信号和反馈数据。

伺服电机类型

伺服电机有多种类型，每种类型都有其独特的特性：

1. 直流伺服电机

直流伺服电机使用直流电源，具有高启动扭矩和快速响应。

2. 交流伺服电机

交流伺服电机使用交流电源，具有更高的效率和更高的功率密度。

3. 步进伺服电机

步进伺服电机使用脉冲序列来控制电机位置，具有精确的定位控制。

伺服电机应用

伺服电机广泛应用于以下领域：

• 工业自动化
• 机器人
• 医疗设备
• 运动控制
• 定位系统

维护和故障排除

伺服电机需要定期维护和故障排除，以确保其正常运行：

• 定期检查连接器和接线。
• 监测电机温度和噪音水平。
• 根据制造商的建议更换轴承。
• 如果检测到异常，则参考制造商的手册进行故障排除。

结论

伺服电机是复杂而精密的装置，在各种应用中发挥着至关重要的作用。了解其内部结构和工作原理对于维护和优化其性能至关重要。通过深入了解伺服电机的复杂性，我们可以最大限度地发挥其潜力，实现精确和高效的运动控制。

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交流伺服电机的基本结构与工作原理 交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构形式。 与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。 定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。 固定和保护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。 笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。 杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯形转子3和内定子5三部分组成。 它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转轴7上。 空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量很小。 内定子由硅钢片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。 电机工作时，内﹑外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转动。 对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。 但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。 而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。 可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。 这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。 一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。 在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。 一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。 这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。 它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。 如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。 若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。 为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。 在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。 图3-13画出正向及反向旋转磁场切割转子导体后产生的力矩一转速特性曲线1、2，以及它们的合成特性曲线3。 图3-13b中，假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点，此时负载力矩是 。 一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线3运行。 由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。 在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。 必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。 而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。 这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。