交流伺服電動機

第5章

交流伺服電動機華北電力大學5.1交流伺服電動機的概述5.2交流伺服電動機的結構和工作原理第5章交流伺服電動機5.3兩項交流繞組產生的旋轉磁場5.4交流伺服電動機的運行5.5交流伺服電動機在橢圓形磁場下的運行5.6幅值控制的特性5.7交流伺服電動機的主要性能指標本章主要內容及要求：主要內容：兩相交流伺服電動機的基本結構、工作原理和工作特性。脈振磁場和旋轉磁場的基本概念及產生原理交流伺服電動機的運行原理轉差于電磁轉矩的關系及產生自轉的原因和消除自傳的條件交流伺服電動機的調速原理※※※要求：掌握單向繞組的脈振磁場的性質和兩相交流繞組產生的旋轉磁場的性質。掌握交流伺服電動機在圓形和橢圓形旋轉磁場下運行情況的機械特性和控制特性。5.1概述交流伺服電動機通常是指兩相異步電動機，交流伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號變換成轉軸的角速度輸出。輸入的電壓信號又稱為控制信號或者控制電壓，當控制電壓的相位改變180°時，交流伺服機的轉子就會反轉，當改變控制電壓的大小時，伺服電動機隨著改變轉速。自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機的要求主要有以下幾點：1、轉速和轉向應方便地受控制信號的控制，調速范圍要大；2、整個運行范圍內的特性應接近線性關系，保證運行的穩(wěn)定性；3、當控制信號消除時，伺服電動機應立即停轉，即電動機無“自轉”現象；4、控制功率要小，啟動力矩應大；5、機電時間常數要小，啟動電壓要低。當控制信號變化時，反應應快速靈敏。交流伺服發(fā)電機的應用：1、物料計量,一般為粉狀物料的計量2、橫封裝置在制袋式自動包裝機械中，橫封裝置是一個重要的機構，它不僅要求定位準確，還要求橫向封臺時橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等，而且在橫封輪對滾后，橫封輪的轉速應增大，即以較快的速度相分離。3供送物料位置指令

閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)器速度檢測+—實際位置反饋實際速度反饋功率驅動位置檢測—+伺服電機5.2交流伺服電動機的結構和工作原理

交流伺服電動機的結構主要分為定子和轉子兩大部分。定子鐵心上裝有兩個繞組，一個作勵磁用，稱為勵磁繞組j1~j2；另一個稱為控制繞組k1~k2；兩個繞組的軸線互相垂直，在空間上相隔90°。因此，交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。Uk~Uj~j1j2k1k2一、結構兩相集中繞組分布示意圖

交流伺服電動機定子鐵心和下好線的定子

轉子結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性杯形轉子。鼠籠形轉子交流伺服電動機的轉子由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組等組成。轉子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內。鐵心的每一槽中放有一根導條，所有導條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構成轉子繞組。如果去掉鐵心，整個轉子繞組形成一鼠籠狀，“鼠籠轉子”即由此得名。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的，為了制造方便，一般采用鑄鋁轉子，即把鐵心疊壓后放在模子內用鋁澆鑄，把鼠籠導條與短路環(huán)鑄成一體。鼠籠形轉子交流伺服電動機非磁性杯形轉子交流伺服電動機的結構如下圖所示。圖中外定子與鼠籠形轉子伺服電動機的定子完全一樣，內定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內定子不放繞組，只是代替鼠籠轉子的鐵心，作為電機磁路的一部分。在內、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。杯形轉子套在內定子鐵心外，并通過轉軸可以在內、外定子之間的氣隙中自由轉動，而內、外定子是不動的。杯形轉子圖

1—杯形轉子；2—外定子；

3—內定子；4—機殼；5—端蓋杯形轉子伺服電動機杯形轉子與鼠籠轉子從外表形狀來看是不一樣的但實際上，杯形轉子可以看作是鼠籠條數目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉子，杯形轉子的兩端也可看作由短路環(huán)相連接，這樣，杯形轉子只是鼠籠轉子的一種特殊形式。從實質上看，二者沒有什么差別，在電機中所起的作用也完全相同。與鼠籠形轉子相比較，非磁性杯形轉子慣量小軸承摩擦阻轉矩小。由于它的轉子沒有齒和槽，所以定、轉子間沒有齒槽粘合現象，轉矩不會隨轉子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉時，轉子一般不會有抖動現象，運轉平穩(wěn)。

但是由于它內、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內，杯形轉子伺服電動機比鼠籠轉子伺服電動機所產生的啟動轉矩和輸出功率都??；另外，杯形轉子伺服電動機結構和制造工藝又比較復雜。因此，目前廣泛應用的是鼠籠形轉子伺服電動機，只有在要求運轉非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如積分電路等)，才采用非磁性杯形轉子伺服電動機。各種交流伺服電動機圖片

伺服電動機工作原理二、工作原理鼠籠轉子的轉向鼠籠轉子(或者是非磁性杯形轉子)之所以會轉動起來，是由于在空間中有一個旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子導條，在轉子導條中產生感應電勢和電流，轉子導條中的電流再與旋轉磁場相互作用就產生力和轉矩，轉矩的方向和旋轉磁場的轉向相同，于是轉子就跟著旋轉磁場沿同一方向轉動。這就是交流伺服電動機的簡單工作原理。5.3兩相交流繞組產生的旋轉磁場一、單相繞組的脈振磁場所謂單相繞組的脈振磁場，就是指當電動機的一個繞組通入交流電流i時，在電動機氣隙中產生的交變磁場。余弦電流通過線圈時的定子磁通勢在氣隙中，空間按余弦分布曲線。幅值在線圈的軸線上，其大小隨時間按余弦規(guī)律脈振，其軸線在空間保持固定位置。這種磁通勢稱為脈振磁通勢（物理學上稱為駐波）。脈振磁通勢的頻率與交流電流的頻率相同。它所建立的磁場，稱為脈振磁場。故脈振磁場的表達式為F1=Fmcosαcosωt兩相對稱電流

二、兩相繞組的旋轉磁場為了分析方便，先假定勵磁繞組有效匝數Wf與控制繞組有效匝數Wk相等。這種在空間上互差90°電角度，有效匝數又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。同時，又假定通入勵磁繞組的電流與通入控制繞組的電流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等，這樣的兩個電流稱為兩相對稱電流，用數學式表示為ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

兩相繞組產生的圓形旋轉磁場

(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270圖解法求兩相繞組合成的旋轉磁場

ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

兩相繞組產生的圓形旋轉磁場(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270對控制繞組：Fk=Fkmcos(wt

)*cos(a)對勵磁繞組：Ff=Ffmcos(wt-90)*cos(a-90)可得：F=Fk+Ff

當Fkm=Ffm=Fm時F=Fmcos(a-wt)

綜上所述，可以這樣認為：在兩相系統(tǒng)里，如果有兩個脈振磁通密度，它們的軸線在空間相夾90°電角度，脈振的時間相位差為90°，其脈振的幅值又相等，那么這樣兩個脈振磁場的合成必然是一個圓形旋轉磁場。三、旋轉磁場的轉速旋轉磁場的轉速決定于定子繞組極對數和電源的頻率。下圖所表示的是一臺兩極的電機，即極對數p=1(見下圖)。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉一圈(見下圖)，因而當電源頻率f=400Hz，即每秒變化400個周時，磁場每秒應當轉400圈，故對兩極電機，即p=1而言，旋轉磁場轉速為ns=60f=400*60=24000r/min當電源頻率f=50Hz時，旋轉磁場轉速為ns=60f=50*60=3000r/min

四極電機的旋轉磁場(a)t=t1;(b)t=t2;(c)t=t3;(d)t=t4P=2即2P=4時首端尾端圖解法求合成磁場（四極電機旋轉磁場）控制繞組勵磁繞組首端尾端繞組軸線（右手）從以上分析可知，當控制電流從正的最大值經過一個周期又回到正的最大值，即電流變化一個周期時，磁場只轉過半圈4*45°=180°。因此，如果電源頻率f=50Hz，即電流每秒變化50周時，磁場每秒只轉過25圈，也就是說，對四極電機，即極對數p=2而言，旋轉磁場轉速為ns=60f/2=1500(r/min)當知道兩極電機p=1，ns=60f；四極電機p=2,ns=60f/2以后，就可推論出對于極對數為p的電機，旋轉磁場轉速的一般表達式為

交流伺服電動機使用的電源頻率通常是標準頻率f=400Hz或50Hz.當頻率固定不變時，旋轉磁場的轉速ns反比于極對數p，極數越多，轉速越低，

p與ns之間的數值關系如下表所示。下面把這一節(jié)中關于旋轉磁場的主要內容作簡單小結：(1)單相繞組通入單相交流電后，所產生的是一個脈振磁場。(2)圓形旋轉磁場的特點是：它的磁通密度在空間按正弦規(guī)律分布，其幅值不變并以恒定的速度在空間旋轉。

p與ns的數值關系(3)兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產生圓形旋轉磁場；或者說，空間上相夾90°電角度，時間上彼此有90°相位差，幅值又相等的兩個脈振磁場必然形成圓形旋轉磁場。(4)旋轉磁場的轉向是從超前相的繞組軸線(此繞組中流有相位上超前的電流)轉到落后相的繞組軸線。把兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相(即