认知数控机床常见的进给电动机，掌握其分类及其结构特点，能够掌握其工作原理。

数控机床对进给伺服电动机有一定的要求，其主要表现为：

（1）机械特性：要求伺服电动机的速降小、刚度大。

（2）快速响应的要求：这在轮廓加工，特别是对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格。

（3）调速范围：可以使数控机床适用于各种不同刀具、加工材质的加工工艺。

（4）一定的输出转矩，一定的过载转矩：机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的阻力，因此主要是“恒转矩”的性质。

数控机床进给电动机主要有步进电动机和交流伺服电动机。

一、步进电动机

步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电动机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电动机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。

1.步进电动机的种类

步进电动机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子的数量等。根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表1－1－1所示。

表1－1－1 步进电动机的分类

2.步进电动机的结构

目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种，如表1－1－1所示。

图1－1－1所示为一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理。它与普通电动机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成，其形状如图1－1－1所示。定子绕组是绕在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图1－1－1所示的步进电动机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁芯上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1／3齿距，如图1－1－2所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1／3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2／3齿距角。

图1－1－1 单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理

图1－1－2 步进电动机的齿距

图1－1－3所示为一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理。从图中可以看出，步进电动机的定子和转子在轴向分为五段，每段都形成独立的一相定子铁芯、定子绕组和转子，图1－1－4所示为其中的一段。各段定子铁芯形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1／5齿距，其转子齿彼此不错位。设置在定子铁芯环形槽内的定子绕组通电时，便形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。

图1－1－3 五定子、轴向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理

图1－1－4 一段定子、转子及磁回路

除上面介绍的两种形式的反应式步进电动机之外，常见的步进电动机还有永磁式步进电动机和永磁反应式步进电动机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。

3.步进电动机的工作原理

步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图1－1－5所示为一种最简单的反应式步进电动机，下面以它为例来说明步进电动机的工作原理。

图1－1－5（a）中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，则新磁场的电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电动机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度α称为步距角。因此，图1－1－5（a）所示步进电动机的步距角α等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电动机的转子将逆时针不停地转动。

图1－1－5 步进电动机的工作原理

上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A→AB→B→BC→C→CA→A…；逆时针为A→AC→C→CB→B→BA→A…。

若以三相六拍通电方式工作，则当A相通电转为A相和B相同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A相和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余以此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角α缩小一半。

图1－1－5（b）中的步进电动机，定子仍是A、B、C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角α等于30°；在三相六拍的通电方式中，步距角α则为15°。

综上所述，可以得到如下结论：

（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电动机的步距角α。

（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。

（3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。

（4）步进电动机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：

α＝360°／（mzk）

式中，m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，k＝2；以此类推。

对于图1－1－1所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为

α＝360°／（mzk）＝360°／（3×40×1）＝3°

若按三相六拍通电方式工作，则其步距角为

α＝360°／（mzk）＝360°／（3×40×2）＝1.5°

4.步进电动机的主要特性

（1）步距角。步进电动机的步距角是反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.3°～0.5°。步距角越小，数控机床的控制精度越高。

（2）矩角特性、最大静态转矩M jmax和启动转矩M q。矩角特性是步进电动机的一个重要特性，它是指步进电动机产生的静态转矩与失调角的变化规律。

（3）启动频率f q。空载时，步进电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。

（4）连续运行的最高工作频率f max。步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电动机的最高转速。

（5）加减速特性。步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电动机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数T a和减速时间常数T d来描述步进电动机的升速和降速特性，如图1－1－6所示。

图1－1－6 加减速特性曲线

二、交流伺服电动机

1.交流伺服电动机的类型：永磁式交流伺服电动机和感应式交流伺服电动机

共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。

不同点：永磁式伺服电动机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电动机的转速等于旋转磁场的同步转速；而由于感应式伺服电动机需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电动机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。

2.永磁交流伺服电动机结构与工作原理

电动机结构：由定子、转子和检测元件组成，如图1－1－7所示。

图1－1－7 永磁交流伺服电动机的结构

1—定子；2—转子；3—压板；4—定子三相绕组；5—脉冲编码器；6—接线盒。

工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转；定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转子以同步转速n0一起旋转；当转子轴上加有负载转矩后，造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，相差一个θ角，负载转矩发生变化时，θ角也发生变化。只要不超过一定限度，转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速n0旋转。

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参照以下步骤为CK6130选择步进电动机

1.步进电动机转矩的选择

步进电动机的保持转矩，近似于传统电动机所称的“功率”。当然，它们有着本质的区别。步进电动机的物理结构完全不同于交流、直流电动机，电动机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小（即所要带动物体的扭力大小）来选择哪种型号的电动机。大致来说，扭力在0.8 N·m以下，选择20、28、35、39、42（电动机的机身直径或方度，单位：mm）规格的电动机；扭力在1 N·m左右的，选择57电动机较为合适；扭力在几牛米或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电动机。

2.步进电动机转速的选择

对于电动机的转速也要特别考虑，因为电动机的输出转矩与转速成反比。也就是说，步进电动机在低速（每分钟几百转或更低转速）状态下的输出转矩较大，在高速（1 000～9 000 r／min）状态下的转矩很小。当然，有些工况环境需要高速电动机，这就需要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量了。选择电感稍小一些的电动机，作为高速电动机，能够获得较大的输出转矩。反之，在要求低速大力矩的情况下，就要选择十几mH或几十mH的电感，电阻也要大一些为好。

3.步进电动机空载启动频率的选择

步进电动机空载启动频率，通常称为“空起频率”，这是选购电动机比较重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且转速在1 000 r／min左右（或更高），通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁式电动机，因为这些电动机的“空起频率”都比较高。

4.步进电动机的相数选择

在步进电动机的相数选择上，很多客户不重视，大多是随便购买。其实，不同相数的电动机，工作效果是不同的。相数越多，步距角就能够做得比较小，工作时的振动就相对小一些。在大多数场合，使用两相电动机比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电动机是比较实用的。

5.步进电动机使用环境的选择

特种步进电动机能够防水、防油，用于某些特殊场合。例如水下机器人，就需要防水电动机。对于特种用途的电动机，就要有针对性地进行选择了。

6.特殊规格步进电动机的选择

根据实际情况选择特殊规格的步进电动机，如输出轴的直径、长短、伸出方向等。

7.步进电动机的确认

如有必要，最好与厂家的技术工程师进一步沟通与确认型号。

根据任务完成过程中的表现，填写表1－1－2。

表1－1－2 任务评价

一、直线电动机

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以被看成一台旋转电动机按径向剖开，并展成平面而成。

直线电动机也称线性电动机、线性马达、直线马达或推杆马达。最常用的直线电动机类型是平板式、U形槽式和管式。线圈的典型组成是三相，由霍尔元件实现无刷换相。

直线电动机明确显示转子（rotor）的内部绕组、磁铁和磁轨。直线电动机结构如图1－1－8所示。

图1－1－8 直线电动机结构

（a）沿径向剖开；（b）把圆周展成直线

直线电动机经常被简单描述为旋转电动机被展平，其工作原理相同。转子是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的；磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固定在钢上。电动机的转子包括线圈绕组、霍尔元件电路板、电热调节器（温度传感器监控温度）和电子接口。在旋转电动机中，转子和定子需要旋转轴承支承转子以保证相对运动部分的气隙（air gap）。同样的，直线电动机需要直线导轨来保持转子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电动机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电动机需要反馈直线位置的反馈装置——直线编码器，它可以直接测量负载的位置，从而提高负载的位置精度。

直线电动机的控制和旋转电动机一样。像无刷旋转电动机，转子和定子无机械连接（无刷），与旋转电动机不同的是：转子旋转和定子位置保持固定，直线电动机系统可以是磁轨动或推力线圈动（大部分定位系统应用的是磁轨固定，推力线圈动）。用推力线圈运动的电动机，推力线圈的重力和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电动机，不仅要承受负载，还要承受磁轨重力，但无须线缆管理系统。

由于相似的机电原理用在直线和旋转电动机上，直线电动机使用和旋转电动机相同的控制和可编程配置。直线电动机的形状可以是平板式、U形槽式及管式。哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

二、电动机运用领域

电动机应用遍及信息处理、音响设备、汽车电气设备、国防、航空航天、工农业生产以及日常生活的各个领域。目前电动机有以下七大应用领域。

1.电气伺服传动领域

在要求速度控制和位置控制（伺服）的场合，特种电动机的应用越来越广泛。开关磁阻电动机、永磁无刷直流电动机、步进电动机、永磁交流伺服电动机、永磁直流电动机等都已在数控机床、工业电气自动化、自动生产线、工业机器人以及各种军民用装备等领域获得了广泛应用。如交流伺服电动机驱动系统应用在凹版印刷机中，以其高控制精度实现了极高的同步协调性，使这种印刷设备具有自动化程度高、套准精度高、承印范围大、生产成本低、节约能源、维修方便等优势。在工业缝纫机中，随着永磁交流伺服电动机控制系统、无刷直流电动机控制系统、混合式步进电动机控制系统的大量使用，工业缝纫机向自动化、智能化、复合化、集成化、高效化、无油化、高速化、直接驱动化方向快速发展。

2.信息处理领域

信息技术和信息产业以微电子技术为核心，以通信和网络为先导，以计算机和软件为基础。信息产品和支撑信息时代的半导体制造设备、电子装置（包括信息输入、存储、处理、输出、传递等环节）以及通信设备（如硬盘驱动器、光盘驱动器、软盘驱动器、打印机、传真机、复印机、手机等）使用着大量各种各样的特种电动机。信息产业在国内外都受到高度重视，并获得高速发展，信息领域配套的特种电动机全世界年需求量约为15亿台（套），这类电动机绝大部分是永磁直流电动机、无刷直流电动机、步进电动机、单相感应电动机、同步电动机、直线电动机等。

3.交通运输领域

目前，在高级汽车中，为了控制燃料和改善乘车舒适感以及显示装置状态的需要，要使用40～50台电动机，而豪华轿车上的电动机可达80多台，汽车电气设备配套电动机主要为永磁直流电动机、永磁步进电动机、无刷直流电动机等。作为21世纪的绿色交通工具，电动汽车在各国受到普遍重视，电动车辆驱动用电动机主要是大功率永磁无刷直流电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等，这类电动机的发展趋势是高效率、高出力、智能化。国内电动自行车近年来发展迅猛，电动自行车主要使用线绕盘式永磁直流电动机和永磁无刷直流电动机驱动；此外，特种电动机在机车驱动、舰船推进中也得到广泛应用，如直线电动机用于磁浮列车、地铁列车的驱动。

4.家用电器领域

目前，工业化国家一般家庭中使用50～100台特种电动机，电动机主要品种为：永磁直流电动机、单相感应电动机、串励电动机、步进电动机、无刷直流电动机、交流伺服电动机等。为了满足用户越来越高的要求和适应信息时代发展的需要，实现家用电器产品节能化、舒适化、网络化、智能化，家用电器的更新换代周期很快，对配套的电动机提出了高效率、低噪声、低振动、低价格、可调速和智能化的要求。家用电器行业用电动机正进行着更新，以高效永磁无刷直流电动机为驱动的家用电器正代表着家用电器业发展的方向。如目前流行的高效节能变频空调和冰箱就采用永磁无刷直流电动机驱动其压缩机及风扇。洗衣机采用低噪声多极扁平永磁无刷直流电动机，可省去原有的机械减速器而直接驱动滚筒，实现无级调速，是目前洗衣机中的高档产品。吸尘器中采用永磁无刷直流电动机替代原用的单相串励电动机，具有体积小、效率高、噪声低、寿命长等优点。

5.消费电子领域

电唱机、录音机、VCD视盘和DVD视盘等影音设备以及高级智能玩具和娱乐健身设备配套电动机主要为永磁直流电动机、印制绕组电动机、线绕盘式电动机、无刷直流电动机等。录像机、摄像机、数码照相机等电子消费品需要量大，产品更新换代快，这类产品所配电动机属精密型，制造加工难度大，尤其是进入数字化后，对电动机提出了更新、更高的要求。

6.国防领域

军用特种电动机及组件产品门类繁多，规格各异，有近万个品种，其基本功能有：机械位置传感与指示，信号变换与计算，运动速度检测与反馈，运动装置驱动与定位，速度、加速度、位置精确伺服控制，计时标准及小功率电源等。基于其特殊性能、特殊功能和特殊工作环境的要求，大量吸收相关学科的最新技术成就，特别是新技术、新材料和新工艺的应用，催生了许多新结构、新原理电动机，具有鲜明的微型化、数字化、多功能化、智能化、系统化和网络化特征。如传统鱼雷舵机均采用液压机械式驱动系统驱动舵面，为鱼雷提供三轴动力以控制航向、深度与横滚，实现所设计的鱼雷弹道；目前国内外新型鱼雷已经采用电舵机，早期电舵机多使用有刷直流伺服电动机，但有刷伺服电动机固有的缺点给电舵机系统的可靠运行带来了诸多问题。而应用体积小、质量轻、功率密度大、力能指标高并具有良好伺服性能和动态特性的稀土永磁无刷直流电动机则很好地满足了鱼雷电舵机系统的特殊使用要求。

目前国防领域重点应用和发展的特种电动机是永磁交流伺服系统，永磁无刷直流电动机，高频高精度双通道旋转变压器，微、轻、薄永磁直流力矩电动机，高精度角位感应电动机，步进电动机及驱动器，低惯量直流伺服电动机，永磁直流力矩测速机组，驱动电动机加减速器组件，超声波电动机，直线和直接驱动电动机等。

7.特殊用途领域

一些特殊领域应用的各种飞行器、探测器、自动化装备、医疗设备等使用的电动机多为特种电动机或新型电动机，包括从原理上、结构上和运行方式上都不同于一般电磁原理的电动机，主要为低速同步电动机、谐波电动机、有限转角电动机、超声波电动机、微波电动机、电容式电动机、静电电动机等，如将一种厚度为0.4 mm的超薄型超声波电动机应用于微型直升机、将微型超声波电动机应用于手机的照相系统中等。

三、大容量电机

1.大容量、超高速电机现状

三峡工程开工时，国内尚无制造单机容量700 MW水轮发电机组的实践经验，三峡工程水轮发电机组采购实行国际公开招标。1997年9月14台左岸水轮发电机组（7.4亿美元），法国阿尔斯通和瑞士ABB公司联合制造供应8台（套）机组，美国通用电气、德国伏伊特、西门子组成的VGS集团供应另外6台（套）机组。合同的另一关键内容是：我国两家知名的水轮发电机组制造厂——东方电机股份有限公司（东电）和哈尔滨电机厂有限责任公司（哈电）总计分包2.3亿美元约31%的制造任务，并通过与外商约定的技术转让条款，使这两个厂进一步掌握三峡机组的关键技术，为三峡工程右岸电站12台机组的“以我为主”制造打下基础。

三峡左岸机组与外商的合作制造，使我国发电设备制造业的水平有了阶段性的提高，哈电、东电等已具备独立承担大型水电机组制造的能力。

1）超高速电机研制

超高速电机转速高，几何尺寸小，可以有效节约材料；响应快，可以与原动机或负载直接连接，省去变速装置，减小噪声，提高传动的效率。——国际电工领域的研究热点。

超高速电机转速高，美国Calntix公司开发2 MW高速永磁发电机，转速为19 000～22 500 r／min；永磁无刷直流电动机转速最高可达452 000 r／min。

我国已研制出50 000 r／min小功率高速电机，对高速电机的需求比较迫切。

2）高速电机应用领域

（超）高速电机可广泛用于高速磨头，高速的车床、钻床、铣床；医疗器械和手术器械中用的高速电机；高速电动工具以及航空航天等领域。

2.大功率、超低速电机

此类电机主要应用于船舶和舰艇推进系统的直接电力驱动和大型风力发电。国外已能生产4.5 MW的直驱式风力发电机，转速为8～13 r／min。

3.超声波电动机

新型功能材料——智能材料包括压电陶瓷、超磁致伸缩、电致伸缩、温控与磁控形状记忆合金等。由智能材料构思出各种新型能量转换器件与系统，如传感器、执行器和机器人等，智能材料成为电工科学新的研究领域。超声波电动机是近年来发展迅速的一种压电执行器。

超声波电动机是近年来发展的一门新技术，其完全不同于传统的电机。超声波电动机是一种借助摩擦传递动力的驱动机构。它与传统的电机相比有体积小、机构简单、易于控制和无磁污染等特点。其超静运行特别适用于医院、宾馆、办公室等要求低噪声的场合；它的大能量密度适用于机器人的驱动，驱动过程中不需要齿轮装置，适用于精密定位装置中；在汽车工业和航天工业中它也有着广泛的应用前景，特别是在航天领域，它有着电磁电动机所不可替代的地位。

超声波电动机是在1961年由Bulova钟表公司首次用来作为动力的。

4.压电效应／逆压电效应电动机

当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生。压电效应／逆压电效应电动机是利用压电材料的逆压电效应，把电信号加到压电陶瓷—金属构成的定子上，使定子产生一定轨迹的机械振动，带动弹性体产生弯曲弹性波，靠外力加压产生摩擦力，使转子旋转。也就是说，它是显示压电性的晶体，通过压电效应，把力学量与电学量（电场E和电位移D或极化强度P）互相联系起来——电机耦合，驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数工作在超声频范围，因此也被称为超声波电动机或超声马达，也可统称为压电致动器。