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[摘要]本文着重从解决电机的体积小、高性能、高寿命要求出发，对电机进行合理的电磁计算和结构设计，选用合适的电刷、换向器材质。来满足设计要求。
[关键词]电磁设计材料选取结构设计
中图分类号：TD924 文献标识码：TD 文章编号：1009―914X（2013）31―0337―02
一、概述
本课题研制的永磁直流伺服电动机组合是由铁氧体永磁直流伺服电动机、直流测速发电机、失电制动器组成的三位一体组合。本课题电机组合是用在某公司的医疗“CT”机上，主要作为该系统产品床板的驱动执行元件，要求该电机组合具有执行准确可靠。故要求电机组合有快速响应、大功率、高力矩；要求测速发电机有输出斜率高、纹波系数小、线性误差小；要求失电制动器灵敏等特点。因此设计的重点在于使电机组合具有较硬的机械特性、快速响应、带载能力强、高寿命和高可靠性等特点。
二、主要技术指标
1.电动机的主要技术指标
额定电压：UN=36 V DC
空载转速n0=6200+12%
空载电流I0≤0.8 A
额定力矩TN=0.22 N.m
额定转速nN=5200+12% r/min
额定电流IN≤4.6 A
电势常数：KE≥5.8 V/Krpm
力矩常数：KT≥0.055 N.m/A
电枢电感：2.3Mh
电气时间常数：2.1ms
机械时间常数：14ms
2.直流测速发电机的主要技术指标
输出斜率：14.2V/1000r/min
负载电阻：5000Ω
纹波系数：5% P-P
线性误差：不大于0.2%
接线端电阻：720Ω
3.失电制动器的主要技术指标
工作电压：17±1 V
消耗功率：7W
消耗电流：0.45A
静态保持力矩：0.56 N.m
制动延迟时间：25ms
释放延迟时间：20ms
4.工作环境及寿命
工作环境温度范围：0℃~+30℃
工作制为：正向运转30S、反向运转30S为一个循环次，连续工作不小于10万循环次。
三、设计的技术措施和途径
该电机组合为铁氧体永磁式直流伺服电动机组合，其工作原理为：当组合中的电动机施加电压时，产生旋转转矩，从而使电机以一定转速带动负载旋转。当改变电枢绕组的电压极性时，电机旋转方向改变。组合中的直流测速发电机输出电压信号，通过与给定电压的比较后加入放大器，经放大后供给电动机，以达到控制电动机的运转速度；当需要停止时，断开电动机电源，而失电制动器开始动作，将电动机轴抱住使其立即停转。
由电机组合的技术参数可知，该电机体积小（有效外形尺寸为φ57×180）、输出功率大；给电机组合的结构设计及工艺带来不少困难。因此在其电磁设计中着重考虑在保证电机技术性能指标的前提下，利用电机的有效体积，优选性能体积比最佳的方案。对本电机而言，由于其体积小，工作时间短，我们在选择电磁参数时适当打破常规的取值范围，取得较饱和；在材料方面选用优质、稳定性好的材料。结构设计时不但要采取紧凑的结构，而且要有足够的强度，保证其机械强度，并利用厂内成熟的技术。
1.组合的结构设计
该铁氧体永磁直流伺服电动机组合的结构示意图如图1所示，直流测速发电机、失电制动器与伺服电动机同轴连接。直流测速发电机转子采用空心轴，绕好线圈后与伺服电动机轴间采用过渡配合并涂少许胶压入，直流测速发电机定子、端盖与伺服电动机定子、端盖间利用一转接端环采用螺钉紧固。失电制动器的支撑固定在直流测速发电机的端盖上，失电制动器的摩檫片通过一固定块固定在轴伸上。
2.铁氧体永磁直流伺服电动机的设计
医疗“CT”机的床板运行要求铁氧体永磁直流伺服电动机具有高的输出功率、高转矩、高寿命等特点。电动机的主要尺寸包括电枢外径、电枢铁芯长度。确定它们是计算的重要步骤之一，因为正确选择电枢的尺寸能保证最合理的利用电机的材料及整体构造更为完善。因此在电磁计算时应充分考虑。下面介绍铁氧体永磁直流伺服电动机的设计技术途径。
2.1 电机电磁负荷的确定
电机的主要尺寸和电机的计算功率、转速、电磁负荷间的关系可由公式一表示：电机的主要尺寸包括电枢外径、电枢铁芯长度。确定它们是计算的重要步骤之一，因为正确选择电枢的尺寸能保证最合理的利用电机的材料及整体构造更为完善。
电机的主要尺寸和电机的计算功率、转速、电磁负荷间的关系可由式1表示：
式中：Da----电枢外径 （cm）
lef ---电枢铁芯长度 （cm）
P’----电机计算功率 （W）
n----转速（r/min）
’p----极弧系数
A----线负荷 （A/cm）
B----气隙磁密 （Gs）
由式1可知，电机的主要尺寸由其计算功率和转速之比所决定。
当电机功率和转速一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷Ａ、Ｂ。电磁负荷越高，电机的尺寸越小，但它们的选取与许多因数有关，不但影响电机有效材料的应用，而且对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有重要影响。由此可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适当电磁负荷A和B。选取较高的线负荷Ａ，电机尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料；Ｂ一定时，由于铁芯质量的减小，铁耗随之减小；增加A将使电枢单位表面的铜耗增大，使绕组温升增高；Ａ的增加还会导致电枢反应的增大，使换向进一步恶化。选取较高的气隙磁密Ｂ，虽然可以减小电机体积，但也使电机铁耗增加，气隙磁位降和磁路的饱和程度也将增加。由此可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的Ａ和Ｂ，以便使制造费用最小，而且性能良好。因此，选取剩磁相对较大、磁感应温度系数相对较小，居里温度较高的磁钢。根据永磁材料手册和公司多年采用铁氧体材料的经验，选取了Y33铁氧体磁钢，该磁钢的矫顽力较大，抗去磁能力较强，并且铁氧体磁钢价格便宜有利于降低电动机组合的成本。根据确定的铁氧体磁钢性能特点，选取Bδ为0.30T，适当提高线负荷A。
2.2为了提高电机的力能指标和利用率，应适当的选取较大的极弧系数，但同时应兼顾换向。现选取极弧系数为0.8，为削弱电枢反应和改善电机的换向，磁钢采取了削角的办法。通过理论计算和样机的验证该系数是合理的。
2.3 电枢长径比的选取
在选定电磁负荷Ａ和Ｂ后，由公式（1）即可初步确定电机的Da2lef。为了反映电机的这种几何关系，通常采用主要尺寸比＝lef／Da这一概念。
若Da2lef不变而较大，电机将较细长，绕组端部较短，端部用铜量减少，当仍在正常范围内时，可提高绕组铜的利用率；机械损耗因电枢直径减小而减小，再考虑到电流密度一定时，端部铜耗将减小，因此电机总损耗下降，效率提高；由于电机细长，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致电机轴向温度分布不均匀度增大；由于电机细长，转子的转动惯量与圆周速度较小，这对于转速较高或要求机电时间常数减小的电机有利。但较大时，换向片间电压和换向元件的电抗电势均增大，使换向条件变差。
实际设计时，值的选取需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的选择。
综合考虑以上因素，通过电磁理论计算，选取=1.1，电机的主要尺寸：Da＝3.5cm lef＝3.9 cm。
2.4 电枢冲片的设计
由于该电机的电枢冲片的齿磁密和轭磁密较高，电枢冲片采用DW540薄板冲制而成，槽形为等齿宽的半梨形槽，电枢冲片的设计主要考虑以下几个方面：
a.使磁钢工作点合适。电枢作为磁路的一部分，对工作点的选择有一定的影响。为了使磁钢工作点靠近剩余磁感应强度点，以得到较高的气隙磁密，高电机性能：
a.电枢铁心采用斜槽结构，可极大地消除气隙磁场中的高次谐波及齿谐波，以降低电机的力矩波动。
b.选取合适的电刷材料及尺寸；调整电刷压力，提高弹簧的加工质量，保证其圈数、螺距、尺寸、压力等符合图纸要求，且一致性好。
c.采取合适的换向片材料，加工换向器外圆时必须选用合适的刀具和加工方法来降低换向器表面的粗糙度，对改善换向条件有利。
d.磁钢粘接前认真清洗干净，采用专用工装定位。
3.直流测速发电机的设计
直流测速发电机向控制系统提供电气信号，属于信号元件，它将输入的机械速度变换为电压信号输出。伺服系统要求直流测速发电机的输出电压与转速保持严格的正比关系，且不随内在和外界条件的改变而发生变化，线性度要高；要求灵敏度要高，纹波系数要低等。本课题在设计过程中主要采取了以下几项措施，获得了比较满意的结果。
a.采用矫顽力较高的铁氧体磁钢，并适当增大气隙δ，以削弱电枢反应对输出特性线性度的影响，仰制了齿槽效应，改善了纹波系数。
b.为了缩小不灵敏区，选用了接触压降较小的银石墨电刷。
c.为了减小直流测速发电机由于温度变化而引起输出电压的变化，在电枢回路内串联了一个负温度系数电阻进行温度补偿，即用它来弥补修正电枢回路电阻随温度变化后而引起的输出电压误差。
4.失电制动器
失电制动器又称安全制动器，它是医疗“CT”机上床板执行机构中的安全制动元件。要保证断电情况下，能迅速安全地制动，制动力矩一般要大于电机的额定转矩；同时还要求制动器的体积小、重量轻，可靠性高。失电制动器的关键技术主要是摩擦片材料和弹簧机构。
本课题选用了制动力矩为0.56 N.m 的失电制动器。为了减少内部环节和批量生产的需要，采取外购的方式，向专业厂家订购。
5.结束语
本课题经过研制生产，完成了四台样机，其性能指标达到了客户提出的要求和美国样机的水平，其中两台样机通过了客户的整机配试试验和10万循环次的寿命试验。
[关键词]电磁设计材料选取结构设计
中图分类号：TD924 文献标识码：TD 文章编号：1009―914X（2013）31―0337―02
一、概述
本课题研制的永磁直流伺服电动机组合是由铁氧体永磁直流伺服电动机、直流测速发电机、失电制动器组成的三位一体组合。本课题电机组合是用在某公司的医疗“CT”机上，主要作为该系统产品床板的驱动执行元件，要求该电机组合具有执行准确可靠。故要求电机组合有快速响应、大功率、高力矩；要求测速发电机有输出斜率高、纹波系数小、线性误差小；要求失电制动器灵敏等特点。因此设计的重点在于使电机组合具有较硬的机械特性、快速响应、带载能力强、高寿命和高可靠性等特点。
二、主要技术指标
1.电动机的主要技术指标
额定电压：UN=36 V DC
空载转速n0=6200+12%
空载电流I0≤0.8 A
额定力矩TN=0.22 N.m
额定转速nN=5200+12% r/min
额定电流IN≤4.6 A
电势常数：KE≥5.8 V/Krpm
力矩常数：KT≥0.055 N.m/A
电枢电感：2.3Mh
电气时间常数：2.1ms
机械时间常数：14ms
2.直流测速发电机的主要技术指标
输出斜率：14.2V/1000r/min
负载电阻：5000Ω
纹波系数：5% P-P
线性误差：不大于0.2%
接线端电阻：720Ω
3.失电制动器的主要技术指标
工作电压：17±1 V
消耗功率：7W
消耗电流：0.45A
静态保持力矩：0.56 N.m
制动延迟时间：25ms
释放延迟时间：20ms
4.工作环境及寿命
工作环境温度范围：0℃~+30℃
工作制为：正向运转30S、反向运转30S为一个循环次，连续工作不小于10万循环次。
三、设计的技术措施和途径
该电机组合为铁氧体永磁式直流伺服电动机组合，其工作原理为：当组合中的电动机施加电压时，产生旋转转矩，从而使电机以一定转速带动负载旋转。当改变电枢绕组的电压极性时，电机旋转方向改变。组合中的直流测速发电机输出电压信号，通过与给定电压的比较后加入放大器，经放大后供给电动机，以达到控制电动机的运转速度；当需要停止时，断开电动机电源，而失电制动器开始动作，将电动机轴抱住使其立即停转。
由电机组合的技术参数可知，该电机体积小（有效外形尺寸为φ57×180）、输出功率大；给电机组合的结构设计及工艺带来不少困难。因此在其电磁设计中着重考虑在保证电机技术性能指标的前提下，利用电机的有效体积，优选性能体积比最佳的方案。对本电机而言，由于其体积小，工作时间短，我们在选择电磁参数时适当打破常规的取值范围，取得较饱和；在材料方面选用优质、稳定性好的材料。结构设计时不但要采取紧凑的结构，而且要有足够的强度，保证其机械强度，并利用厂内成熟的技术。
1.组合的结构设计
该铁氧体永磁直流伺服电动机组合的结构示意图如图1所示，直流测速发电机、失电制动器与伺服电动机同轴连接。直流测速发电机转子采用空心轴，绕好线圈后与伺服电动机轴间采用过渡配合并涂少许胶压入，直流测速发电机定子、端盖与伺服电动机定子、端盖间利用一转接端环采用螺钉紧固。失电制动器的支撑固定在直流测速发电机的端盖上，失电制动器的摩檫片通过一固定块固定在轴伸上。
2.铁氧体永磁直流伺服电动机的设计
医疗“CT”机的床板运行要求铁氧体永磁直流伺服电动机具有高的输出功率、高转矩、高寿命等特点。电动机的主要尺寸包括电枢外径、电枢铁芯长度。确定它们是计算的重要步骤之一，因为正确选择电枢的尺寸能保证最合理的利用电机的材料及整体构造更为完善。因此在电磁计算时应充分考虑。下面介绍铁氧体永磁直流伺服电动机的设计技术途径。
2.1 电机电磁负荷的确定
电机的主要尺寸和电机的计算功率、转速、电磁负荷间的关系可由公式一表示：电机的主要尺寸包括电枢外径、电枢铁芯长度。确定它们是计算的重要步骤之一，因为正确选择电枢的尺寸能保证最合理的利用电机的材料及整体构造更为完善。
电机的主要尺寸和电机的计算功率、转速、电磁负荷间的关系可由式1表示：
式中：Da----电枢外径 （cm）
lef ---电枢铁芯长度 （cm）
P’----电机计算功率 （W）
n----转速（r/min）
’p----极弧系数
A----线负荷 （A/cm）
B----气隙磁密 （Gs）
由式1可知，电机的主要尺寸由其计算功率和转速之比所决定。
当电机功率和转速一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷Ａ、Ｂ。电磁负荷越高，电机的尺寸越小，但它们的选取与许多因数有关，不但影响电机有效材料的应用，而且对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有重要影响。由此可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适当电磁负荷A和B。选取较高的线负荷Ａ，电机尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料；Ｂ一定时，由于铁芯质量的减小，铁耗随之减小；增加A将使电枢单位表面的铜耗增大，使绕组温升增高；Ａ的增加还会导致电枢反应的增大，使换向进一步恶化。选取较高的气隙磁密Ｂ，虽然可以减小电机体积，但也使电机铁耗增加，气隙磁位降和磁路的饱和程度也将增加。由此可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的Ａ和Ｂ，以便使制造费用最小，而且性能良好。因此，选取剩磁相对较大、磁感应温度系数相对较小，居里温度较高的磁钢。根据永磁材料手册和公司多年采用铁氧体材料的经验，选取了Y33铁氧体磁钢，该磁钢的矫顽力较大，抗去磁能力较强，并且铁氧体磁钢价格便宜有利于降低电动机组合的成本。根据确定的铁氧体磁钢性能特点，选取Bδ为0.30T，适当提高线负荷A。
2.2为了提高电机的力能指标和利用率，应适当的选取较大的极弧系数，但同时应兼顾换向。现选取极弧系数为0.8，为削弱电枢反应和改善电机的换向，磁钢采取了削角的办法。通过理论计算和样机的验证该系数是合理的。
2.3 电枢长径比的选取
在选定电磁负荷Ａ和Ｂ后，由公式（1）即可初步确定电机的Da2lef。为了反映电机的这种几何关系，通常采用主要尺寸比＝lef／Da这一概念。
若Da2lef不变而较大，电机将较细长，绕组端部较短，端部用铜量减少，当仍在正常范围内时，可提高绕组铜的利用率；机械损耗因电枢直径减小而减小，再考虑到电流密度一定时，端部铜耗将减小，因此电机总损耗下降，效率提高；由于电机细长，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致电机轴向温度分布不均匀度增大；由于电机细长，转子的转动惯量与圆周速度较小，这对于转速较高或要求机电时间常数减小的电机有利。但较大时，换向片间电压和换向元件的电抗电势均增大，使换向条件变差。
实际设计时，值的选取需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的选择。
综合考虑以上因素，通过电磁理论计算，选取=1.1，电机的主要尺寸：Da＝3.5cm lef＝3.9 cm。
2.4 电枢冲片的设计
由于该电机的电枢冲片的齿磁密和轭磁密较高，电枢冲片采用DW540薄板冲制而成，槽形为等齿宽的半梨形槽，电枢冲片的设计主要考虑以下几个方面：
a.使磁钢工作点合适。电枢作为磁路的一部分，对工作点的选择有一定的影响。为了使磁钢工作点靠近剩余磁感应强度点，以得到较高的气隙磁密，高电机性能：
a.电枢铁心采用斜槽结构，可极大地消除气隙磁场中的高次谐波及齿谐波，以降低电机的力矩波动。
b.选取合适的电刷材料及尺寸；调整电刷压力，提高弹簧的加工质量，保证其圈数、螺距、尺寸、压力等符合图纸要求，且一致性好。
c.采取合适的换向片材料，加工换向器外圆时必须选用合适的刀具和加工方法来降低换向器表面的粗糙度，对改善换向条件有利。
d.磁钢粘接前认真清洗干净，采用专用工装定位。
3.直流测速发电机的设计
直流测速发电机向控制系统提供电气信号，属于信号元件，它将输入的机械速度变换为电压信号输出。伺服系统要求直流测速发电机的输出电压与转速保持严格的正比关系，且不随内在和外界条件的改变而发生变化，线性度要高；要求灵敏度要高，纹波系数要低等。本课题在设计过程中主要采取了以下几项措施，获得了比较满意的结果。
a.采用矫顽力较高的铁氧体磁钢，并适当增大气隙δ，以削弱电枢反应对输出特性线性度的影响，仰制了齿槽效应，改善了纹波系数。
b.为了缩小不灵敏区，选用了接触压降较小的银石墨电刷。
c.为了减小直流测速发电机由于温度变化而引起输出电压的变化，在电枢回路内串联了一个负温度系数电阻进行温度补偿，即用它来弥补修正电枢回路电阻随温度变化后而引起的输出电压误差。
4.失电制动器
失电制动器又称安全制动器，它是医疗“CT”机上床板执行机构中的安全制动元件。要保证断电情况下，能迅速安全地制动，制动力矩一般要大于电机的额定转矩；同时还要求制动器的体积小、重量轻，可靠性高。失电制动器的关键技术主要是摩擦片材料和弹簧机构。
本课题选用了制动力矩为0.56 N.m 的失电制动器。为了减少内部环节和批量生产的需要，采取外购的方式，向专业厂家订购。
5.结束语
本课题经过研制生产，完成了四台样机，其性能指标达到了客户提出的要求和美国样机的水平，其中两台样机通过了客户的整机配试试验和10万循环次的寿命试验。