第7章 交流伺服电动机,7.1 概述 7.2 交流伺服电动机结构特点和工作原理 7.3 两相绕组的圆形旋转磁场 7.4 圆形旋转磁场作用下的运行分析 7.5 三相异步电动机磁场及转矩 7.6 椭圆形旋转磁场及其分析方法,7.7 幅值控制时的特性 7.8 移相方法和控制方式 7.9 电容伺服电动机的特性 7.10 交流伺服电动机的使用 7.11 主要性能指标和技术数据 思考题与习题,7.1 概 述,功率从几瓦到几十瓦的交流伺服电动机在小功率随动系统中得到非常广泛的应用。 与直流伺服电动机一样， 交流伺服电动机在自动控制系统中也常被用来作为执行元件。 如图7 - 1所示， 伺服电动机的轴上带有被控制的机械负载(由于电动机转速较高， 一般均通过减速齿轮再与负载相连接)，在电机绕组的两端施加控制电信号Uk。,当要求负载转动的电信号Uk一旦加到电动机的绕组上时， 伺服电动机就要立刻带动负载以一定的转速转动； 而当Uk为0时， 电动机应立刻停止不动。 Uk大， 电动机要转得快； Uk小， 电动机转得慢； 当Uk反相时， 电动机要随之反转。 所以， 伺服电动机是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。,1交流伺服电动机； 2减速齿轮； 3机械负载轴 图 7 - 1 交流伺服电动机的功用,交流伺服电动机在自动控制系统中的典型用途如图5 - 3所示， 这是一个自整角伺服系统示意图。 这里， 交流伺服电动机一方面起动力作用， 驱动自整角变压器转子和负载转动， 但主要的是起一个执行元件的作用。 它带动负载和自整角变压器转子转动是受到控制的， 当雷达转轴位置(称为主令位置)改变时， 由于负载位置， 自整角变压器就有电压输出， 通过放大器伺服电动机接收到控制电信号Uk， 就带动负载和自整角变压器转动， 直至=。 所以， 伺服电动机直接地受电信号Uk的控制， 间接地受主令位置的控制。 伺服电动机的转动总是使接近， 直至=， 使负载和主令位置处于协调。,图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图,由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件， 自动控制系统对它提出的要求主要有下列几点： (1) 转速和转向应方便地受控制信号的控制， 调速范围要大； (2) 整个运行范围内的特性应具有线性关系， 保证运行的稳定性； (3) 当控制信号消除时， 伺服电动机应立即停转， 也就是要求伺服电动机无“自转”现象；(4) 控制功率要小， 启动转矩应大； (5) 机电时间常数要小， 始动电压要低。 当控制信号变化时， 反应应快速灵敏。,小结,1.伺服电动机是应用于小功率随动系统中将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。,7.2 交流伺服电动机结构特点和工作原理,7.2.1 结构特点交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分， 即定子部分和转子部分。 其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同， 在定子铁心中也安放着空间互成90电角度的两相绕组， 如图7 - 2所示。 其中l1-l2称为励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。,图 7 - 2 两相绕组分布图,转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图7 - 3所示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状， 如图7 - 4所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成转子绕组。 如果去掉铁心， 整个转子绕组形成一鼠笼状， 如图7 - 5所示， “鼠笼转子”即由此得名。 鼠笼的材料有用铜的， 也有用铝的， 为了制造方便， 一般采用铸铝转子， 即把铁心叠压后放在模子内用铝浇铸， 把鼠笼导条与短路环铸成一体。,图 7 - 3 鼠笼形转子交流伺服电动机,图 7 - 4 转子冲片,图 7 - 5 鼠笼式转子绕组,非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图7 - 6所示。 图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样， 内定子由环形钢片叠成， 通常内定子不放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心， 作为电机磁路的一部分。 在内、 外定子之间有细长的空心转子装在转轴上， 空心转子作成杯子形状， 所以又称为空心杯形转子。 空心杯由非磁性材料铝或铜制成， 它的杯壁极薄， 一般在0.3 mm左右。 杯形转子套在内定子铁心外， 并通过转轴可以在内、 外定子之间的气隙中自由转动， 而内、 外定子是不动的。,1杯形转子； 2外定子；3内定子； 4机壳； 5端盖图 7 - 6 杯形转子伺服电动机,杯形转子与鼠笼转子从外表形状来看是不一样的。 但实际上， 杯形转子可以看作是鼠笼条数目非常多的、 条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子， 杯形转子的两端也可看作由短路环相连接， 如图7 - 7所示。 这样， 杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。 从实质上看， 二者没有什么差别， 在电机中所起的作用也完全相同。 因此在以后分析时， 只以鼠笼转子为例， 分析结果对杯形转子电动机也完全适用。,图 7 - 7 杯形转子与鼠笼转子相似,与鼠笼形转子相比较， 非磁性杯形转子惯量小， 轴承摩擦阻转矩小。 由于它的转子没有齿和槽， 所以定、 转子间没有齿槽粘合现象， 转矩不会随转子不同的位置而发生变化， 恒速旋转时， 转子一般不会有抖动现象， 运转平稳。 但是由于它内、 外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)， 所以励磁电流就大， 降低了电机的利用率， 因而在相同的体积和重量下， 在一定的功率范围内， 杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；,另外， 杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。 因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。,7.2.2 工作原理交流伺服电动机使用时， 励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf， 控制绕组两端施加控制电压Uk， 如图7 - 8所示。 当定子绕组加上电压后， 伺服电动机就会很快转动起来， 将电信号转换成转轴的机械转动。 为了说明电动机转动的原理， 首先观察下面的实验。,图 7 - 8 电气原理图,图7 - 9是一个简单的实验装置。 一个能够自由转动的鼠笼转子放在可用手柄转动的两极永久磁铁中间， 当转动手柄使永久磁铁旋转时， 就会发现磁铁中间的鼠笼转子也会跟着磁铁转动起来。 转子的转速比磁铁慢， 当磁铁的旋转方向改变时， 转子的旋转方向也跟着改变。 现在来分析一下鼠笼转子跟着磁铁转动的原理。,图 7 - 9 伺服电动机工作原理,图 7 - 10 鼠笼转子的转向,当磁铁旋转时， 在空间形成一个旋转磁场。 假设图7 - 9中的永久磁铁是顺时针方向以ns的转速旋转， 那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条。 相对于磁场， 转子导条以反时针方向切割磁力线， 在转子导条中就产生感应电势。 根据右手定则， N极下导条的感应电势方向都是垂直地从纸面出来， 用表示， 而S极下导条的感应电势方向都是垂直地进入纸面， 用表示， 如图7 - 10所示。,由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的， 因此在感应电势的作用下， 在转子导条中就会有电流流过， 电流有功分量的方向和感应电势方向相同。 再根据通电导体在磁场中受力原理， 转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力， 这个电磁力F作用在转子上， 并对转轴形成电磁转矩。 根据左手定则， 转矩方向与磁铁转动的方向是一致的， 也是顺时针方向。 因此， 鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。,但是转子的转速总是比磁铁转速低， 这是因为电动机轴上总带有机械负载， 即使在空载下， 电机本身也会存在阻转矩， 如摩擦、 风阻等。 为了克服机械负载的阻力矩， 转子绕组中必须要有一定大小的电流以产生足够的电磁转矩， 而转子绕组中的电流是由旋转磁场切割转子导条产生的， 那末要产生一定数量的电流， 转子转速必须要低于旋转磁场的转速。 显然， 如果转子转速等于磁铁的转速， 则转子与旋转磁铁之间就没有相对运动， 转子导条将不切割磁力线， 这时转子导条中不产生感应电势、 电流以及电磁转矩。,那末， 转子转速究竟比旋转磁场转速低多少呢? 这主要由机械负载的大小来决定。 如果机械负载的阻转矩较大， 就需要较大的转子电流， 转子导体相对旋转磁场必须有较大的相对切割速度， 以产生较大的电势， 也就是说， 转子转速必须更多地低于旋转磁场转速， 于是转子就转得越慢。,从上面的简单实验清楚地说明， 鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。 这就是交流伺服电动机的简单工作原理。 但应该注意的是， 在实际的电机中没有一个像图7 - 9中那样的旋转磁铁， 电机中的旋转磁场由定子两相绕组通入两相交流电流所产生。 下节就来分析两相绕组是怎样产生旋转磁场的。,小结,1.结构定子绕组：励磁绕组和控制绕组转子分为：鼠笼形转子和非磁性杯形转子（内外定子）非磁性杯形转子优点：转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小，运转平稳。缺点：气隙较大，励磁电流大，降低了电机的利用率；相同情况下启动转矩和输出功率都小，工艺复杂。,2.交流伺服电动机的工作原理：转子会转动是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。,7.3 两相绕组的圆形旋转磁场,7.3.1 圆形旋转磁场的产生为了分析方便， 先假定励磁绕组有效匝数Wf与控制绕组有效匝数Wk相等。 这种在空间上互差90电角度， 有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。 同时， 又假定通入励磁绕组的电流 与通入控制绕组的电流 相位上彼此相差90， 幅值彼此相等， 这样的两个电流称为两相对称电流，,用数学式表示为ik=Ikmsin tif=Ifmsin(t-90)Ifm=Ikm=Im,波形图表示如图7 - 11。 下面分析一下将这样的电流通入两相对称绕组后， 不同时间电机内部所形成的磁场。,图 7 - 11 两相对称电流,图7 - 12就是表示不同瞬间电机磁场分布的情况。 先看图7 - 12(a)， 这个图是对应t1的瞬间。 由图7 - 11可以看出， 此时控制电流具有正的最大值， 励磁电流为零。 假定正值电流是从绕组始端流入， 从末端流出， 负值电流从绕组末端流入， 从始端流出， 并用表示电流流入纸面， 表示电流流出纸面， 那末此时控制电流是从控制绕组始端k1流入， 从末端k2流出。,另外根据第 5 章分析， 控制绕组通入电流以后所产生的是一个脉振磁场， 这个磁场可用一个磁通密度空间向量Bk表示， Bk的长度正比于控制电流的值。 由于此时控制电流具有正的最大值， 因此Bk的长度也为最大值， 即Bk=Bm， 方向是沿着控制绕组轴线， 并由右螺旋定则根据电流方向确定磁场方向是朝下的。 由于此时励磁电流为0， 励磁绕组不产生磁场， 即Bf=0， 所以控制绕组产生的磁场就是电机的总磁场。若电机的总磁场用磁密向量B表示，则此刻B=Bk，电机总磁场的轴线与控制绕组轴线重合，总磁场的幅值为B=Bk=Bm 式中， Bm为一相磁密向量的最大值。,图 7 - 12 两相绕组产生的圆形旋转磁场(a) t=t1; (b) t=t2; (c) t=t3; (d) t=t4,图7 - 12(b)是对应t2的瞬间。 此时励磁电流具有正的最大值， 而控制电流为0， 控制绕组不产生磁场， 即Bk=0， 励磁绕组产生的磁场就是电机的总磁场， 它的磁场图形如图中虚线所示。 因为Bk= 0 ， 所以B=Bf， 此时电机磁场轴线与励磁绕组轴线相重合， 与上一瞬间相比， 磁场的方向在空间按顺时针方向转过90， 磁场的幅值也为B=Bf=Bm,