空心杯电机是一种微型伺服直流电机，得名于其转子部分的设计。空心杯电机的转子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，是一个空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。这种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，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。德国的 Dr. F.Faulhaber 在 1958 年研制出斜绕组线圈绕制技术, 并经过不断开发和完善，在 1965 年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技术，正式标志着空心杯电机的诞生。
传统直流电机铁芯结构质量较大，降低整体动态性能。传统的直流电机主要由定子、转子、电刷和换向器组成，定子通常由永磁体或电磁绕组制成，位于电机外圈，外壳用于引导磁通量和安装法兰。转子由带有线圈绕组的铁芯制成，位于电机内圈。换向器和电刷控制转子绕组的通电顺序，以产生连续旋转并连接直流电源进行电机驱动。由于直流电机的铁芯绕组质量较大，整体惯性也会增加，从而导致电机的加速度和响应速度降低，特别是在需要频繁启停或快速变速的应用中，较大的铁芯质量会影响电机的动态性能。
空心杯电机的定子是位于电机内圈的永磁体，转子是位于外侧的杯状自支撑的线圈。相比于传统有刷直流电机，空心杯电机有以下几大特点：1. 电机铁损减少：传统的有刷直流电机运转过程中会在铁芯中产生涡流，造成较大电机铁损。而空心杯电机由于没有铁芯，铁损可以被大大减少甚至忽略。2、换向片数量增加：传统的有刷直流电机通常只有3 到 5 片换向片，而空心杯电机一般有 9 、11 或 13 片换向片。3. 转子惯量减少：传统的有刷直流电机由于铁芯的存在，惯量一般比较大，而空心杯电机由于转子是杯状的自支撑的线圈，因此在相同尺寸下，转子的惯量会明显减小。4. 线圈电感减少：由于没有铁芯的存在，空心杯电机的线圈电感相对于相同尺寸的传统有刷直流电机要小很多。
（二）拆解空心杯电机结构，技术迭代推进性能提升
定子：钕铁硼为空心杯电机永磁体材料首选，所需体积最小。常用于空心杯电机的稀土材料主要有铁镍钴基永磁体、马氏体永磁体、钕铁硼永磁体和稀土钴永磁体等。不同永磁体特点不同，性能也多种多样，直接决定了空心杯电机的性能和经济成本。现有的稀土材料中，钕铁硼的性能最好，为电机提供相同磁能量需要的体积最小，仅为铁氧体的1/5，铝镍钴的 1/3，同时钕铁硼永磁体性能优越，矫顽力大，剩磁密度高，适用于体积要求较小，工作温度不高的场景，是空心杯电机永磁体材料的最佳方案。
转子：绕组电枢决定空心杯电机性能，斜绕组仍为主流。空心杯电机常用的线绕组电枢有直绕组、斜绕组、同心式绕组三种。直绕组端部不产生力矩，而且增加了电枢重量和电枢电阻。斜绕组电枢与直绕组电枢相比，没有端部绕组，减轻电枢重量，具有转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，目前国外两大知名空心杯电机生产公司德国 Faulhaber 和瑞士 Maxon Motor 均采用斜绕组电枢，并采用自动化设备一次性绕制成型，合格率高达 100%。同心式绕组电枢端部重叠层数少，气隙小，永磁体利用率高，提高了电机的功率密度，Maxon Motor 正在研发使用中。
换向器：换向片数量是影响空心杯电机性能的重要因素。空心杯电机换向片的数量通常较传统有刷直流电机更多，往往由 9、11 或 13 片（奇数片）换向片组成，安装在转子上并与定子上的电刷接触。通过改变电流的路径，换向片控制转子线圈的电流流向和转子磁场方向，实现高效的转矩输出和精确的速度控制。转矩脉动对空心杯电机的性能和运行质量造成较大影响，导致机械振动和噪音增加，降低系统的精度和稳定性，通过增加换向片的数量可以改善空心杯电机的换向精度和平稳性，从而降低转矩脉动的产生。
（三）空心杯电机性能表现卓越，引领高端应用领域创新
空心杯电机效率高、转速快。由于空心杯电机消除了铁芯产生的磁阻力矩和涡流效应造成的损耗，因而可以得到很高的能量转化效率，进一步提高能源利用效率、减少能源损耗。空心杯电机的最高效率都在 65%~85%之间，最高的可达 90%，而有刷直流电机的最高效率一般都在 50%左右。高转速的电机能够提供更大的功率输出并减少机械振动和噪音，空心杯电机最高转速在 10000rpm 左右，而有刷直流电机的连续力矩会随着转速的上升快速下降，最高转速都在 5000rpm 以下。
空心杯电机响应快、寿命长。相比于有刷直流电机 100 毫秒以上的机械时间常数，空心杯电机的转子惯量很小，响应时间极快，其机械时间常数一般在 28 毫秒以内，部分产品甚至小于 10 毫秒，具有理想的控制性能，能够实现对转速的高精度控制操作。空心杯电机的换向片数量多，使得换向时的电流波动和电机电感量更小，大幅减少换向过程中对换向系统的电腐蚀，从而拥有更长的寿命。根据《空心杯电机定制化管理的应用研究》中的数据，有刷直流电机的寿命一般仅有几百个小时，而空心杯电机的预期寿命通常在1000 至 3000 小时之间，能够提供更长久的可靠运行。
空心杯电机体积小、运行稳。空心杯电机具有较大的功率体积比，一般达 30mW/cm3，与同等功率的铁芯电机相比，重量和体积减少了 1/3~1/2；空心杯电机没有齿槽效应，过载能力比有刷直流电机更高，同时更小的转矩脉动让其运行稳定、可靠，转速波动小且容易控制，一般可控制在 2%以内，可应用于高动态性能伺服系统中。
得益于空心杯电机优异性能，下游应用领域广泛。空心杯电机小巧的体积和轻盈的重量使其具有良好的集成性，可以广泛应用于空间有限的设备和系统，如微型机器人、智能穿戴设备和医疗器械等。同时，空心杯电机具有高效能、快速响应和精度高的特点，使其成为无人机、机器人臂、自动化设备、精密定位系统和光学仪器等需要高功率密度和高速运动领域的最佳方案。随着空心杯电机在众多下游应用领域中的不断突破，逐渐成为众多高端设备和系统的理想选择。
/3 
