有限轉(zhuǎn)角電動機介紹及主要公式推導
曹春，楊素香，黃宇峰，程遠
(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：簡單介紹有限轉(zhuǎn)角電動機種類，著重介紹帶有槽鐵心嵌線式擺動磁場型有限轉(zhuǎn)角電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)指標、主要計算公式和主要技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：有限轉(zhuǎn)角電動機；反電勢；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0016—02
0概述
在有限轉(zhuǎn)角機構(gòu)中，驅(qū)動負載只能在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)擺動，而驅(qū)動電機可以360。正反旋轉(zhuǎn)，然后通過限位換向開關(guān)，或通過齒輪和限位換向開關(guān)，將驅(qū)動負載限制在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)擺動。這種驅(qū)動電機也可以采用有限轉(zhuǎn)角電動機。有限轉(zhuǎn)角電動機只能在有限角度范圍內(nèi)擺動。
有限轉(zhuǎn)角電動機分擺動磁場型和擺動電樞型兩類。因為電機轉(zhuǎn)子本身只能在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)擺動，即使是擺動電樞型有限轉(zhuǎn)角電動機也不需要通過電刷滑環(huán)，將電流直接引入電樞，所以有限轉(zhuǎn)角電動機也是一種無刷直流電動機，比一般電子換向的無刷電動機簡單，而且又不會像有刷電動機受電刷困擾。
檢流計具有擺動空心線圈，它是典型的擺動電樞型有限轉(zhuǎn)角電動機。此外還有帶鐵心式的電樞型電動機。
本文主要介紹擺動磁場型有限轉(zhuǎn)角電動機。
1擺動磁場型有限轉(zhuǎn)角電動機分類
1．1環(huán)形鐵心繞線式
環(huán)形鐵心繞線式是指將線圈緊密地繞在環(huán)形導磁環(huán)上，繞制的層數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)要求確定。其優(yōu)點是：能充分利用軸向長度，繞組的端部尺寸等于線徑乘以繞制層數(shù)，在軸向長度很有限的情況下，能****可能地利用軸向尺寸輸出力矩；定轉(zhuǎn)子之間磁場氣隙很大，可以改善電機的靜摩擦力矩，理論上這種形式是無力矩脈動的；電機繞組的電感比較小，對控制線路的要求比較低。其缺點是：電機的磁場氣隙很大，它的氣隙磁密不高，這樣直接導致了電機的堵轉(zhuǎn)力矩不高；由于環(huán)形繞線的線圈只有通過氣隙的一段導線產(chǎn)生力矩，所以導線的利用率不高；環(huán)形鐵心的繞線要用專用設備，并且對設備的要求很高，繞線必須繞得均勻、緊密，而且每一層都要達到要求，否則它會影響氣隙的大小，影響力矩波動，電機的反電勢波形也不好等。
1.2有槽鐵心嵌線式
有槽鐵心嵌線式是由有槽沖片疊裝而成的鐵心嵌線式(或?qū)⒕�圈粘在無槽鐵心內(nèi)表面上)，這種形式是指將繞組線圈有序地嵌在有槽定子鐵心的槽里。其優(yōu)點是：電機的氣隙可以設計得很小，這樣可以大大提高電機的氣隙磁密，從而提高電機的輸出力矩；定子繞組的利用率高，線圈的兩條邊都產(chǎn)生了力矩；定子齒槽分布較均勻，相應的定子嵌線也較均勻，這樣電機的反電勢藍線(梯形波)較好，不同的電機曲線一致性很好；電機可以像直流電機一樣嵌線，不要專用設備，工藝比較方便。其缺點是：定子的繞組形式是集中式繞組，在繞組集中的地方端部尺寸比較高，減少了鐵心長度，在軸向長度緊張的情況下，不利于電機輸出力矩；電機繞組的電感比較大，對控制線路的要求比較高；由于電機定子有齒、槽，就存在定、轉(zhuǎn)子之間的齒槽效應，由此造成了電機的靜摩擦力矩的增大和力矩波動增加。
總之，這兩種定子繞組的形式各有優(yōu)、缺點，在各種不同的項目中，可以選擇更合理的定子繞組形式來設計電機，滿足各種工程的需要。
2結(jié)構(gòu)和工作原理
有槽鐵心嵌線式擺動磁場型有限轉(zhuǎn)角電動機極
有限轉(zhuǎn)角電動機工作原理與其它電機一樣，電樞電流基于法拉第電磁感應定律。根據(jù)電動機左手定則，圖3a為電樞電流正向通電情況下，電機應逆時針方向旋轉(zhuǎn)；而圖3b因電流反向，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。磁極擺動超出圖示點劃線范圍，進入力矩、反電勢系數(shù)下降區(qū)域，而呈現(xiàn)有限轉(zhuǎn)角特性。顯然，磁極寬度6。取得窄些，有限轉(zhuǎn)角范圍就大些；6。太小，電機力能指標下降。所以，這里應當有一個權(quán)衡兼顧兩者要求的數(shù)據(jù)。如果6。對應圓周角“。，對于二對極電機，其****的轉(zhuǎn)角范圍大約為  這種電機有一條“零線”，****左右偏角以“零線”為對稱。 3公式推導
這里主要推導擺動磁場型有限轉(zhuǎn)角電動機反電勢公式和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩公式。對數(shù)p=2,齒數(shù)Z=152,結(jié)構(gòu)與繞組接線圖如圖1所示.圖形控制是定子沖片和轉(zhuǎn)子磁場剖面圖。圖3是有限轉(zhuǎn)角電動機的工作原理，將定子簡化成具有光滑的內(nèi)圓表面，槽中線圈均勻分布在這個內(nèi)圓表面。
令氣隙磁密Bδ、磁極轉(zhuǎn)速n、電樞鐵心軸向長度la、電樞內(nèi)徑Da，導體相對磁極的線速度：
根據(jù)法拉第電磁感應定律，磁極被拖動旋轉(zhuǎn)時，電樞每根導體切割Bδ磁場產(chǎn)生的反電勢：
電機極弧系數(shù)  t為極距。如果定子每極串聯(lián)導體數(shù)為N1，則每極所切割的導體數(shù)為N0=BN1。每極線圈切割產(chǎn)生的電勢： 電機總的串聯(lián)導體數(shù)N=2pN1，則N1=N/2P，將式（2）和N1代入式(1)，則每極切割電勢：
電機總的并聯(lián)支路對數(shù)為a(當然無并聯(lián)支路，a=1/2)，電機輸出反電勢：
圖3中，當電機堵轉(zhuǎn)時，每要導體流過電流I導，導體上產(chǎn)生的力矩：
|
