一、空心杯电机定义

空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。因为没有铁损，所以它的效率要比普通的微型直流电机要高，它的线圈就是转子，转动惯量小，易于控制，但是没有铁芯，转子的线圈只能做的非常薄，不然就会损失磁通，所以空心杯电机的功率不大，大型的空心杯电机也只能做到几百瓦。

二、空心杯电机结构

空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。具体见下图。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。没有软磁性牙齿。所产生的转矩是均匀的，即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。有绕组和换向器的转子。绕组通过所谓的换向板连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙中运动。换向系统使用一对贵金属刷减少了电刷火花。减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

三、空心杯电机分类

空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。

空心杯直流有刷微电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换向器和电刷来完成的。在转动的过程中会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷。碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

无刷空心杯直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯直流电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。因为是自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步，消除了空心杯直流有刷微电机的缺点。

四、空心杯电机主要特性

1、节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）。

2、控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。

3、拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内。

五、空心杯电机优点

1、启动转矩低

无磁滞损耗，无齿槽效应，启动转矩很低。在启动时，通常轴承负荷是唯一的阻碍。这种方式可以使风力发电机的启动风速很低。

2、转子与定子间无径向作用力

由于没有静止的硅钢片，所以不存在转子与定子间的径向磁力。在关键应用场合中，这一点尤其重要。因为转子与定子间的径向力会造成转子不稳定。减少径向力将改善转子的稳定性。

3、速度曲线平滑，噪音小

没有有槽的硅钢片，减小了转矩和电压的谐波。同时，由于马达内不存在 AC 场，所以也没有 AC 产生的噪音。仅有轴承和气流产生的噪音和非正弦波电流造成的振动。

4、高速无刷线圈

高速运转时，电感值小是必要的。电感值小使启动电压低。通过增加极数和减少机壳的厚度，电感值变小有助于降低马达的重量。同时，又提高了功率密度。

5、快速响应有刷线圈

铜板线圈方式的有刷马达，由于感应值低，电流对电压的波动响应快。转子的转动惯量小，转矩与电流的响应速度相当。因此，转子加速度是传统的马达的 2 倍。

6、峰值转矩高

峰值转矩与连续转矩的比值很大，是因为当电流上升到峰值的过程中，转矩常数是不变的。电流与转矩的线性关系使马达能产生较大的峰值转矩。传统的马达，当马达达到饱和后，不管再加多大的电流，马达的转矩不会再增加。

7、正弦波诱起电压

由于线圈的精确位置，马达的电压谐波较低；并且由于铜板线圈在气隙中的这种结构使产生的诱起电压波形平滑。正弦波驱动和控制器可以使马达产生平滑的转矩。这种特性在慢速运转的物件（例如，显微镜、光学扫描仪和机器人）和精确位置控制上特别有用，平稳运转控制是其关键。

8、散热效果好

铜板线圈内外表面都有空气流动，这比有槽转子线圈的散热好。传统的漆包线嵌在硅钢片的槽里，线圈表面气流很少，散热情况不良，温升较大。同等的输出功率，铜板线圈方式的马达温升较小。

六、空心杯电机缺点

当直流电机处于静止状态时，如果绕组一相切断或电源切断一相接通电源，绕组会产生两个大小相等，方向相反的旋转磁场，这两个旋转磁场和转子作用产生的扭矩大小相等，方向相反，正好互相抵消，启动转矩为零，电机无法启动，这就是空心杯电机的缺点。

空心杯电机的这个缺点是一种危险很大的故障，在使用时，我们需要检查直流电机是否有故障，检查电源电路是否有断路开关，是否有熔保险丝，然后检查三相绕组各相有无断流