认识空心杯电机（1）

李业新

如今工业技术日新月异，这意味着电机的伺服特性须随之进步。近十几年来，空心杯电机的应用范围扩展迅速。在军事、医疗等高科技领域，经常能见到使用空心杯电机的产品，如导弹飞行方向的快速调节系统、高倍率光驱的随动控制器、各类便携式仪器仪表等。在各类飞行器上，空心杯电机的普及率也越来越高，如使用空心杯电机作为动力的小型四轴飞行器。

与有铁芯电机相比，空心杯电机不仅较为轻便、体积小，而且耗能更少，可大幅减少飞行器需要搭载的重量。下面笔者根据自己的使用经验和网络资料，从结构、型号、性能等方面介绍空心杯电机。

一、定义及应用范围

1.空心杯电机

中文全称是直流永磁伺服空心杯电机，英文称作coreless motor，属于直流、永磁、伺服微型特种电机。剖开这类电机，可以看到其中无传统电机的铁芯转子，线圈则像个水杯，故被称作空心杯电机。

2.电机创新点

空心杯电机突破了传统电机的转子结构形式，采用了无铁芯转子，也称空心杯型转子。与传统电机一样，空心杯电机也分为有刷和无刷两种，其中有刷型的转子无铁芯，无刷型的定子无铁芯。

因为电机结构中没有铁芯，所以空心杯电机在磁场中不会因涡流效应导致电能损耗，效率高。铁芯的消失，使得电机通常用线圈作为转子，其转动惯量小、好控制，减少了转子本身带来的机械能损耗。但为了减少磁通损失，用作转子的线圈只能做得很薄，这一点造成空心杯电机的功率都不大，最大功率仅有几百瓦。

综上所述，转子结构的变化使电机的运转特性得到了极大改善，不仅具有突出的节能特点，还具备了有铁芯电机无法达到的良好控制和稳定运行特性。缺点是电机的功率有限。

3.主要性能特点

概括起来，空心杯电机的性能特点有几点：节能、优控、稳定、轻质。

（1）节能特性

空心杯电机将电能转化为机械能的效率非常高，一般最大能量转换效率超过70%，部分产品甚至可达90%以上。而采用铁芯的电机，其最大能量转换效率只有20%-50%。

（2）控制特性

空心杯电机具有良好的控制特性，具体表现在起动、制动都很迅速、响应快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以短至10毫秒以内。在这一点上，有铁芯电机差得不是一星半点，机械时间常数一般在100毫秒以上。机械时间常数小，意味着只要电机在推荐区域内运行时，即使处于高速运转状态，也能进行灵敏的调节。

（3）拖动特性

作为微型特种电机，空心杯电机的运行稳定可靠，其转速波动很小，能够很容易地控制在2%以内。

（4）能量密度

与同等输出功率的有铁芯电机相比，空心杯电机的重量、体积约减小了1/3-1/2，能量密度大幅度提高。也就是说，同等功率的电机，空心杯的重量只有铁芯的1/2-2/3。

4.电机应用范围

与有铁芯电机相比，由于空心杯电机最突出的特性多为衡量电机好坏的重要指标，因此应用范围非常广阔。随着技术的飞速发展，工业领域对电机的伺服特性提出了更高的期望和要求，空心杯电机在很多工业元器件上占有不可替代的地位。

空心杯电机出现之初，多用于军事等高科技领域。其进入民用领域不过十几年，已经得到了迅速发展。在发达国家，空心杯电机被大量用在工业产品上。

（1）需要快速响应的随动系统

由于空心杯电机具有节能、优控的特点，因此能满足需要快速响应的随动系统的技术要求。在军事上，快速调节导弹飞行方向的随动系统里，就用到了空心杯电机；在高科技工業产品上，如工业机器人、仿生义肢、高灵敏度的记录和检测设备等，都有空心杯电机的身影；就连人们常用的单反相机，其快速自动调焦系统，也使用了空心杯电机。

（2）要求驱动元件平稳持久拖动的产品

前文曾提到，空心杯电机的运行稳定可靠，是一款能将转速波动控制在2%以内的微型特种电机。良好的拖动特性，使得要求驱动元件平稳持久拖动的产品格外青睐空心杯电机。各类便携式仪器仪表，如户外作业用的仪器设备、个人随身用的仪表装备，都会用到空心杯电机。采用空心杯电机作为动力源的电动车，与使用同组电源的普通电动车相比，续航时间大概能延长一倍以上。

（3）各类飞行器

空心杯电机重量轻、体积小、能耗低，可有效减轻飞行器的起飞重量，简直是“为减轻每一克重量而奋斗”的飞机设计师的“福音”。

（4）各式民用电器

如果采用空心杯电机作为执行元件，可以提高电器的产品档次和使用性能。

（5）发电机或电动机

利用其能量转换效率高的优势，空心杯电机常用作发电机；利用其线性运行特性，可用作测速发电机；配上减速器，也可用作力矩电动机。

目前在工业领域，各种机电设备的技术条件越来越严格，对其伺服电机提出了越来越高的技术要求，空心杯电机应时而生。随着应用范围的扩大，它已不再专属于高端产品，而是把应用范围扩展至一般民用低端产品，且在一定程度上提升了这些产品的品质。据有关资料统计，在发达国家的很多民用产品上，能见到空心杯电机的成熟、成功应用，如医疗器械、纺织机械等。

二、电机内部结构

空心杯电机的结构分有刷和无刷两种，其中有刷型的转子无铁芯，无刷型的定子无铁芯。

有刷与无刷空心杯电机的差别在于，二者结构相反：有刷电机的定子是永磁磁钢，转子是绕组线圈，并与动力输出轴相连；无刷电机的定子是绕组线圈，转子是永磁磁钢，连同外壳一起与动力输出轴相连。由于定子部分去掉了用于交替变换磁场方向的换向电刷，因此后者被称为无刷电机。

有刷空心杯电机内部包含用于交替变换磁场方向的换向电刷，利用绝缘座固定在电机后盖上。同时，换相器与转子绕组线圈、电源正负极相连，使得线圈形成的电磁极性不断交替变化，与外壳上固定的永磁磁钢产生相互作用力，驱使动力输出轴转动起来。因为有刷电机的换向电刷和换相器之间有物理接触，所以存在发热量高、摩擦力大、效率低下等不足。然而从现在的市面销售来看，有刷空心杯电机仍占有很大份额，想来是得益于其制造简单、成本低廉的长处。

有刷空心杯电机利用换向电刷和换相器的结构设计，获得了固定方向的磁场力，驱使动力轴转动。但是无刷电机没有类似的结构，又是怎么输出动力的呢？简言之，无刷空心杯电机通过改变输入定子绕组线圈中的电流交变频率和波形，从而在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的电磁场。利用这个磁场，驱动转子上的永磁磁钢转动起来，与它相连的动力输出轴也随之转动。而输入定子绕组线圈中的电流交变频率和波形，则由与无刷电机配套的电调控制。减少了换向电刷和换相器的无刷空心杯电机优点明显，使用寿命长、输出动力足、工作效率高。尺寸偏大的四轴飞行器，基本都使用无刷空心杯电机。

有刷和无刷空心杯电机的外观有差别，最明显的不同是无刷电机上连有3根线，且须配合电调使用。现在，还出现了一些把无刷电机和电调做成一体的新产品。（未完待续）endprint