一、力矩伺服電動機
在某些自動控制系統中，被控對象的運動速度相對較低。若用齒輪減速器，則齒輪之間的間隙常常引起系統一定范圍內的振蕩和系統剛度的降低。因此希望有低轉速、大轉矩的伺服電動機。力矩電動機就是為這種低轉速、大轉矩的需要而設計制造的電機，它能在低速運行甚至長期堵轉情況下產生足夠大的電磁轉矩，而且不需要經過齒輪減速器而直接驅動負載，具有響應迅速、運行穩定的優點。
力矩伺服電動機可分為直流力矩電動機和交流力矩電動機。交流力矩電動機通過增大異步電動機的轉子電阻來擴大恒轉矩負載下的調速范圍，并使電動機能在較低轉速下運行而不致過熱，其基本原理與異步飼服電動機增大轉子電阻的機理相同。下面主要介紹直流力矩電動機的基本結構和工作原理。
1_直流力矩電動機的基本結構
直流力矩電動機的結構和普通直流伺服電動機基本相同．只是外形尺寸在比例上有所不同。為了減小轉動慣量，一般的直流伺服電動機都做成細長形，而直流力矩電動機為了能在相同的體積和控制電壓下產生較大的轉矩和較低的轉速，一般做成扁平形，電樞長度與直徑之比一般為o．2左右。定子采用永磁式結構，并且極數較多。為了減小轉矩脈動，還選用較多的轉子槽數、換向片數和串聯導體數。圖4 12所示為直流力矩電動機的結構示意圖。定子是一個用軟磁材料做成的帶槽的環，槽中放置永磁體。轉子鐵心由導磁沖片疊壓而成，槽中放置電樞繞組。
2．直流力矩電動機的基本原理
直流力矩電動機為了能在相同的體積和控制電壓下產生較大的轉矩和較低的轉速，一般做成扁平形。下面以兩極電機為例分析其基本原理。
圖4—13所示為兩臺直流電機示意圖，設它們的電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密均相等，電機b的電樞直徑Db是電機a電樞直徑Da的兩倍，即
Db=2Da (4-46)
(1)電磁轉矩的分析。因為電樞體積相等，所以電樞鐵心軸線長度La、lb之間的關系是
槽面積sa、sb與電樞總導體數Na、Nb的關系式分別為
式中：ke為電樞截面利用系數，即總的槽面積占電樞截面積的比例系數；kf為槽填充系數．即導體截面積占槽面積的比例系數;SaN、SbN為導體截面積．因為兩臺電機的電樞電流和電密相等，所以SaN=sbN。
根據式(4-48)，可知電樞總導體數NA、Nb之間的關系是
兩臺電機電磁轉矩的表達式分別為
式中：Bav為氣隙磁密的平均值；ia為電摳導體電流。
利用式(4—46)、式(4 47)和式(4 49)的關系，由式(4 50)可以得到電磁轉矩之間的關系，即
式(4—51)說明，在電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密相等的條件下，如果電樞直徑增大一倍．則電磁轉矩也增大一倍，即電磁轉矩與電樞直徑成正比。
(2)空載轉速的分析。若電樞直徑為D，則一個極下一根導體的平均電動勢為
一對電刷所串聯的導體數為N／2，則刷間電動勢為
理想空載時，電機轉速為瑜，并且控制電壓(電樞電壓)uc=Ea，所以
根據上述分析。當電樞體積、電樞電流和電流密度相等時，M乘積保持不變。這樣，在控制電壓和氣隙磁密相同的情況下，理想空載轉速與電樞直徑成反比。
綜合以上分析，在其他條件相同的情況下，增大直流電動機的直徑，減小軸向長度，可以增大電動機的電磁轉矩，并降低空載轉速。這就是直流力矩電動機做成扁平形的根本原因。
3．直流力矩電動機的性能特點
(1)轉矩脈動小，低速運行穩定。轉矩脈動的大小是評價直流電動機性能的重要指標。直流力矩電動機采用扁平形電樞．可以增加電樞槽數、導體元件數和換向片數．還可以適當增大氣隙，采用斜槽或斜磁極結構，這些措施均可以有效削弱直流電機的轉矩脈動。
(2)機械特性和調節特性線性度好。直流電動機在勵磁磁通保持不變的情況下，可以得到線性的機械特性和調節特性。但是由于電樞反應的去磁作用。造成勵磁磁場的畸變。在設計直流力矩電動機時，可以把磁路設計成高度飽和，并采取增大氣隙等方法，削弱電樞反應的影響。
(3)響應迅速，動態特性好。對于電機而言，決定過渡過程快慢的兩個時間常數分別是機電時間常數τm和電氣時間常數τm．時間常數越�。憫窖杆佟ｋm然直流力矩電動機電樞直
軸直接套在短而粗的負載軸上，從而大大提高系統的耦合剛度，改善動態性能。
二、小慣量伺服電動機
為了提高伺服電動機的快速響應性，總是希望轉子的轉動慣量越小越好。除了前面介紹的空心杯轉子結構外，還有盤式結構和無槽結構的伺服電動機，下面分別予以簡要介紹。
1．盤式伺服電動機
盤式電機由于外形扁平、軸向尺寸短而特別適用于安裝空間有嚴格限制的場合，如航空航天領域。盤式電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，所以又稱為軸向磁場電機。實際上，世界上第一臺電機就是法拉第發明的軸向磁場盤式永磁直流電機。限于當時的材料和工藝水平，盤式電機未能得到進一步的發展。隨著科技水平的進步，特別是微機控制的鐵心自動沖卷機的問世，解決了盤式電機制造的關鍵工藝問題，使其批量生產及多種結構設計成為可能，因而促進了盤式電機的推廣和應用。
盤式電機大都是永磁式，其工作原理與柱式電機相同，所以它與柱式電機一樣，既可以制成電動機，也可以制成發電機。一般來說，每種柱式電機都有相對應的盤式電機。下面簡要介紹盤式永磁直流伺服電動機的基本結構和主要特點。
盤式永磁直流伺服電動機的基本結構如圖4-14所示。電樞繞組為印制繞組結構，其制造精度較高，但轉動慣量很小。為了克服單邊磁拉力，減小漏磁通，應采用雙邊永磁體的結構。與單邊永磁體結構相比。在永磁體總體積不變的條件下，雙邊永磁體結構的氣隙磁密可提高10％左右，并且可改善氣隙磁密的均勻性。所以，雙邊永磁體結構可以充分利用永磁材料，有利于提高電機性能，縮小體積，降低成本。
盤式永磁直流伺服電動機的主要特點有以下幾個方面：
(1)轉動部分只有電樞繞組，轉動慣量小．具有快速的響應能力，可以用于頻繁起、制動和正、反轉的場合。
(2)軸向尺寸短．可適用于安裝空間較小的場合。
(3)采用無鐵心電樞結構，不存在普通柱式電機由于齒槽效應而產生的轉矩脈動，運行平穩。
(4)不存在磁滯和渦流損耗，電機效率較高。
(5)電樞采用非磁性材料制成，電樞繞組電感小，換向火花小。
(6)電樞繞組兩端面直接與氣隙接觸，有利于電樞繞組的散熱，并有利于取較大的電負荷，減小電機的體積。
因此，盤式永磁直流伺服電動機已廣泛應用于工業機器人、數控機床、計算機外圍設備、辦公自動化用品和家用電器等領域。
2．無槽伺服電動機
無槽電機的特點是電樞表面光滑．不開槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面．用環氧樹脂澆注成型，與鐵心固化成一個整體，圖4—15所示為無槽直流伺服電動機的結構示意圖。定子磁極可以采用永磁式，也可以采用電磁式。這種無槽電機轉動慣量和電樞繞組的電感比盤式電機和空心杯電機要稍大些，因而動態性能稍顯遜色.
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