第7章 异步型交流伺服电动机

1、第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.1 概述概述 7.2 异步型交流伺服电动机结构特点和工作原理异步型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三相异步电动机磁场及转矩 7.6 移相方法和控制方式移相方法和控制方式 7.7 椭圆形旋转磁场及其分析方法椭圆形旋转磁场及其分析方法 7.8 幅值控制下的运行分析幅值控制下的运行分析 7.9 电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性 7.10 主要性能指标主要性能指标 思考题与习题思考题与习题 第

2、第7章章 异步型交流伺服电动机异步型交流伺服电动机 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.1 概概 述述 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

3、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 1 交流伺服电动机的功用 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

4、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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 器伺服电动机接受到控制电信号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

5、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。 第第7 7章章 交

6、流伺服电动机交流伺服电动机 7.2 交流伺服电动机结构特点和工作原理交流伺服电动机结构特点和工作原理 7.2.1 结构特点结构特点 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

7、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 2 两相绕组分布图 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 3 鼠笼形转子交流伺服电动

8、机 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 4 转子冲片 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 5 鼠笼式转子绕组 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

9、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 6 杯形转子伺服电动

10、机 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 7 杯形转子与鼠笼转子相似 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

11、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.2.2 工作原理工作原理 异步型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。 . . 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 8 电气

12、原理图 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 9 伺服电动机工作原理 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 10 鼠笼转子的转向 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当磁铁旋转时， 在空间形成一个

13、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

14、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

15、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

16、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3 两相绕组的圆形旋转磁场两相绕组的圆形旋转磁场 7.3.1 圆形旋转磁场的产生圆

17、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， k I f I 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 用数学式表示为 ik=Ikmsin t if=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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电

18、动机 图 7 - 11 两相对称电流 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

19、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。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 12 两相绕组产生的圆形旋转磁场 (a) t=t1; (b) t=

20、t2; (c) t=t3; (d) t=t4 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7 - 12(c)是对应t3瞬间， 这时控制电流具有负的 最大值， 励磁电流为0。这个情况与t1

21、瞬间情况的差别 仅是控制电流方向相反， 因此两者所形成的电机磁场 的幅值和位置都相同， 只是磁场方向改变， 电机磁场 的轴线比上一瞬间在空间按顺时针方向又转过90， 与控制绕组轴线相重合， 磁场的幅值仍为 B=Bk=Bm 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 用同样方法可分析图7 - 12(d)的情况， 此时对应t4 的瞬间， 电机磁场的轴线按顺时针方向再转过90， 与励磁绕组轴线相重合， 也有如下关系： B=Bf=Bm 对应图7 - 11的瞬间t5， 控制电流又达到正的最大 值， 励磁电流为0， 电机的磁通密度向量B又转到图7 - 12(a)所表示的位置。 第第7 7章章 交流伺服电

22、动机交流伺服电动机 图 7 - 13 旋转磁场示意图 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 从以上分析可见， 当两相对称电流通入两相对称 绕组时， 在电机内就会产生一个旋转磁场， 这个旋转 磁场的磁通密度B在空间也可看成是按正弦规律分布 的， 其幅值是恒定不变的(等于Bm)， 而磁通密度幅值 在空间的位置却以转速ns在旋转， 如图7 - 13所示。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当控制电流从正的最大值经过一个周期又回到正 的最大值， 即电流变化一个周期时， 旋转磁场在空间 转了一圈。 由于电机磁通密度幅值是恒定不变的， 在磁场旋 转过程中， 磁通密度向量B的长度在任何瞬

23、间都保持 为恒值， 等于一相磁通密度向量的最大值Bm， 它的方 位随时间的变化在空间进行旋转， 磁通密度向量B的 矢端在空间描出一个以Bm为半径的圆， 这样的磁场称 为圆形旋转磁场。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 所以， 当两相对称交流电流通入两相对称绕组时， 在电机内会产生圆形旋转磁场。 电机的总磁场由两个脉 振磁场所合成。 当电机磁场是圆形旋转磁场时， 这两个 脉振磁场又是怎样的关系呢? 从上面的分析可知， 表征 这两个脉振磁场的磁通密度向量Bf和Bk分别位于励磁绕 组及控制绕组的轴线上。 由于这两个绕组在空间彼此相 隔90电角度， 因此磁通密度向量Bf与Bk在空间彼此相

24、隔90电角度。 同时， 由于励磁电流与控制电流都是随 时间按正弦规律变化的， 相位上彼此相差90。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 所以磁通密度向量Bf和Bk的长度也随时间作正弦变化， 相位彼此相差90。 再由于两相对称电流其幅值相等， 所以当匝数相等时， 两相绕组所产生的磁通密度向量 的幅值也必然相等。 这样， 两绕组磁通密度向量的长 度随时间变化关系可分别表示为 Bk=Bkmsin t Bf=Bfmsin(t-90) Bkm=Bfm=Bm (7 - 1) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 相应的变化图形如图7 - 14所示。 任何瞬间电机合 成磁场的磁通密度向量的

25、长度为 2 2 22 kfkmfmm sinsin(90 )BBBBtBtB 综上所述， 可以这样认为： 在两相系统里， 如果 有两个脉振磁通密度， 它们的轴线在空间相夹90电 角度， 脉振的时间相位差为90， 其脉振的幅值又相 等， 那末这样两个脉振磁场的合成必然是一个圆形旋 转磁场。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7 14 相应的变化图形 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当两相绕组匝数不等， 设匝数比为 k f W W k (7 - 2) 可以看出， 只要两个脉振磁场的磁势幅值相等， 即Ffm=Fkm， 它们所产生的两个磁通密度的脉振幅值 就相等， 因而这两

26、个脉振磁场合成的磁场也必然是圆 形旋转磁场。 由于磁势幅值 Ffm IfWf Fkm IkWk 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (式中， If、 Ik分别为励磁绕组电流及控制绕组电 流的有效值)， 所以当Ffm =Fkm 时， 必有 IfWf=IkWk (7 - 3) 或 k W W I I k f f k (7 - 4) 这就是说， 当两相绕组有效匝数不等时， 若要产 生圆形旋转磁场， 这时两个绕组中的电流值也应不等， 且应与绕组匝数成反比。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 15 旋转磁场转向 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3.2

27、旋转磁场的转向旋转磁场的转向 异步型交流伺服电动机的转子是跟着旋转磁场转 的， 也就是说， 旋转磁场的转向决定了电机的转向。 下面说明怎样确定旋转磁场的转向。 对图7 - 12进行分析就可看出， 旋转磁场的转向是 从流过超前电流的绕组轴线转到流过落后电流的绕组 轴线。 图7-12中控制电流ik超前励磁电流if，所以旋转 磁场是从控制绕组轴线转到励磁绕组轴线，即按顺时 针的方向转动的， 如图7 - 15所示。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 显然， 当任意一个绕组上所加的电压反相时(电压倒相 或绕组两个端头换接)， 则流过该绕组的电流也反相， 即原来是超前电流的就变成落后电流， 原

28、来是落后电 流的则变成超前电流(如图7 - 16中，原来超前电流ik变 成落后电流ik)， 因而旋转磁场转向改变，变成反时针 方向， 如图7-17所示。这样电机的转向也发生变化。 实际上， 在系统中使用时， 就是采用这种方法使伺服 电动机反转的。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 16 一相电压倒相后的绕组电流波形 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 17 旋转磁场转向的改变 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3.3 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的 频率。 图7 - 12所表示的是一台两极的

29、电机， 即极对 数p=1。 对两极电机而言， 电流每变化一个周期， 磁 场旋转一圈， 因而当电源频率f=400 Hz， 即每秒变化 400 个周期时， 磁场每秒应当转400圈， 故对两极电机， 即p=1而言，旋转磁场转速为 ns=f=24 000 r/min 当电源频率f=50 Hz时， 旋转磁场转速为 ns=f=3000 r/min 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 18 四极电机的绕组 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 下面进一步研究四极电机的情况。 图7 - 18是一台 四极电机定子的示意图。 图中在定子的圆周上均布有 4 套相同的绕组， 将绕组k1-

30、k2和k1-k2串联后组成控制 绕组， 其上施加控制电压Uk； 将绕组l1-l2和l1-l2串联 后组成励磁绕组， 接到励磁电源上去。 根据这种接法， 显然组成控制绕组的两个绕组k1-k2和k1-k2所流过的电 流大小相等， 方向也相同。 励磁绕组也是如此。 这样， 根据图7 - 12所表示的电流方向， 也可标出四极电机在 不同瞬时的电流方向， 绕组l1-l2和k1-k2中的电流方向 分别与绕组l1-l2和k1-k2中的电流方向相同。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7 - 19(a)与图7 - 12(a)相对应， 是t=t1瞬时的情况。 这时控制绕组的两个绕组有相同方向的电流

31、， 根据图7 - 12(a)所标的电流方向， 在图7 - 19(a)中也可标出控制 绕组电流的方向， 再根据右螺旋定则， 可以得到如图 中所示的磁场分布情况。 显然， 它是一台四级电机的 磁场分布图。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 19 四极电机的旋转磁场 (a) t=t1; (b) t=t2; (c) t=t3; (d) t=t4 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 用同样的方法可以得到图7 - 19(b)、 (c)、 (d)。 可 见， 它们都表示一台四极电机的磁场分布图， 而且每 个瞬时磁场的位置都比上一个瞬时按顺时针方向转过 45。 当控制电流经过

32、一个周期又回到正的最大值时， 电机磁场又回到图7 - 19(a)所示的情况， 与图7 - 19(d) 相比较， 此时磁场又转过45。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 从对图7 - 19的分析可知， 当控制电流从正的最大 值经过一个周期又回到正的最大值， 即电流变化一个 周期时， 磁场只转过半圈。 因此， 如果电源频率f=50 Hz， 即电流每秒变化50周时， 磁场每秒只转过25圈， 也就是说， 对四极电机， 即极对数p=2而言， 旋转磁 场转速为 1500r/min 2 s f n 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当知道两极电机p=1， ns=f； 四极电机p=2,

33、 ns=f/2 以后， 就可推论出对于极对数为p的电机， 旋转磁场 转速的一般表达式为 60 (r/s)(r/min) s ff n pp (7 - 5) 旋转磁场的转速常称为同步速， 以ns表示。 交流伺服电动机使用的电源频率通常是标准频率f=400 Hz 或50 Hz，当频率固定不变时， 由式(7 - 5)可以看出， 旋 转磁场的转速ns反比于极对数p， 极数越多， 转速越低， p与ns之间的数值关系如表7 - 1所示。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 表 7 1 p与ns的数值关系 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 如果忽略谐波， 气隙磁通密度B沿着圆周空间是

34、正弦分布的， 对于两极电机， 旋转磁场沿着圆周有一 个正弦分布的磁通密度波， 如图7 - 13所示。 对于多 极电机， 如果极对数为p， 那末沿着圆周空间就有p个 正弦分布的磁通密度波。 图7 - 20就是表示四极电机的 磁通密度波在空间以ns同步速旋转的示意图。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 20 四极电机的旋转磁通密度波 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 关于交流旋转电机磁场的分析作如下总结： (1) 单相绕组通入单相交流电后， 所产生的是一个脉 振磁场。 (2) 圆形旋转磁场的特点是： 它的磁通密度在空间按 正弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在

35、空间旋转。 (3) 两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形旋转 磁场； 或者说，空间上相夹90电角度， 时间上彼此有 90相位差， 幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋 转磁场。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (4) 旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线(此绕组中 流有相位上超前的电流)转到落后相的绕组轴线。 把两相绕 组中任意一相绕组上所加的电压反相(即相位改变180)， 就可以改变旋转磁场的转向。 (5) 旋转磁场的转速称为同步速， 只与电机极数和电 源频率有关， 其关系为 s 60 (r/s)(r/min) ff n pp 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机

36、7.4.1 转速和转差率转速和转差率 前已指出， 电机跟着旋转磁场转动时的转速n总是 低于旋转磁场的转速即同步速ns。转子转速与同步速之 差， 也就是转子导体切割磁场的相对速率为 n=ns-n (7 - 6) 7.4 圆形旋转磁场作用下的运行分析圆形旋转磁场作用下的运行分析 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 n也称为转差。 但在实用上经常用转差率s。 就 是转差与同步速之比值， 即 s s s n nn n n s (7 - 7) 因而， 转子转速为 n=ns(1-s) (7 - 8) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 显然， 转差率s越大， 转子转速就越低。 因此，

37、当负载转矩增大时， 转子转速就下降， 转差率s就要 增大， 使转子导体中的感应电势及电流增加， 以产生 足够的电磁转矩来平衡负载转矩。 伺服电动机转子电 流IR、 转速n、 转差率s随负载转矩TL变化的情况可表 示为 TLIRns TLIRns 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由式(7 - 8)可见， 当s=0时， n=ns， 此时转子转速 与同步速相同， 转子导体不感应电势， 也不产生转矩， 这相当于转子轴上的负载转矩等于0的理想空载情况。 但是必须指出， 这只是理想状态， 实际上即使外加负 载转矩为0， 交流伺服电动机本身仍存在有阻转矩(例 如摩擦转矩和附加转矩等)， 它对小

38、功率电机影响较大。 所以， 在圆形旋转磁场作用下， 交流伺服电动机的空 载转速只有同步转速的5/6左右。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当s=1, n=0， 此时转子不动(又称为堵转)， 旋转磁 场以同步速ns切割转子， 转子导体中的感应电势和电 流很大。 这相当于电机合上电源转子将要启动的瞬间， 或者负载转矩将电机轴卡住不动的情况。 由于交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同 步速， 而且随着负载阻转矩值的变化而变化， 因此交 流伺服电动机又称为两相异步伺服电动机。 所谓“异 步”， 就是指电机转速与同步速有差异。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4.2 电

39、压平衡电压平衡 1. 转子不动时的电压平衡方程式转子不动时的电压平衡方程式 伺服电动机在正常运行时总是旋转的，转子不动 只是电动机运行的一个特殊情况，由于这种情况比较 简单， 所以先从这里开始研究。 首先分析定子绕组中感应电势的值和频率。图7 - 21表示当定子绕组通电后在气隙中形成的圆形旋转磁 场Bs以同步速ns在空间旋转，定、转子铁心中各放着一 根导体(实际是绕组的一段导体)。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 于是这个旋转磁场就切割这两根导体， 并在其中也就 是在绕组中产生感应电势。 根据电磁感应定律， 磁场 切割导体时在导体中所产生的感应电势为 e=Blv (7 - 9)

40、式中， v为旋转磁场切割定、 转子导体的线速度； l为定子铁心长度。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 21 旋转磁场切割定转子导体 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于旋转磁场的气隙磁通密度在空间是按正弦规 律分布的， 在这样磁场的切割下， 在定、转子绕组中 所产生的感应电势e随时间也是按正弦规律变化， 如图 7 - 22所示。 感应电势交变的频率与旋转磁场切割速度 和极数有关。 当转子不动时， 旋转磁场切割定、 转子导体的速 度都等于同步速ns， 因而在定、 转子绕组中感应电势 的频率是相等的， 即 fs=fR (7 - 10) 第第7 7章章 交流伺

41、服电动机交流伺服电动机 如果旋转磁场极对数p=1， 旋转磁场在空间转1转， 定、 转子绕组中的感应电势也交变1次； 当旋转磁场极 对数为p时(如图7 - 20表示p=2)， 旋转磁场转1转， 定 转子绕组中的感应电势就要交变p次； 如果旋转磁场转 速为ns(r/min)， 则定、 转子绕组中的感应电势频率为 Hz pn ff s Rs 60 (7 - 11) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 将式(7 - 11)与式(7 - 5)进行比较， 可以很明显地 看出， 当转子不动时旋转磁场在定、 转子绕组中所产 生的感应电势频率与电源的频率是完全相同的， 即 fs=fR=f(由于电源频率

42、f与定子绕组感应电势频率fs相等， 为了表示方便起见， 在以后分析中， 二者都以符号f 表示)。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 再来分析感应电势的值。 由图7 - 21可见， 当旋转 磁场最大值Bm 转到定、 转子导体所处的位置时， 这 时导体中的感应电势为最大值， 故导体感应电势最大 值为 Ecm =Bm lv (7 - 12) 由式(7 - 11)可得线速度与感应电势频率的关系式为 f p D p fDnD ssss 60 6060 (7 - 13) 式中， Ds为定子铁心内径。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 22 感应电势随时间的变化 第第7

43、7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 23 气隙磁通密度的平均值 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 旋转磁场每极磁通 lBp (7 - 14) 式中， 为极距， ， l为铁心长度； Bp 为磁通密度的平均值， 如图6 - 23所示。 且 p Ds 2 mmp BdBB 2 sin 1 0 (7 - 15) 所以， 每极磁通为 l p D BlB s mm 2 (7 - 16) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 气隙磁通密度幅值为 lD p B s m (7 - 17) 将式(7 - 13)及式(7 - 17)代入式(7 - 12)， 经过整理 后， 可得每根

44、导体感应电势有效值为 fEE cmc 22. 2 2 1 (7 - 18) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于定、 转子绕组都是由很多导体串联而成的， 定、 转子绕组中的感应电势就等于串联导体数(通常用 匝数表示， 串联导体数等于串联匝数的两倍)乘上每根 导体的感应电势。 这样定、 转子绕组的感应电势有效 值可分别表示为： 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 励磁绕组感应电势： Ef=2WfEc=4.44Wff (7 - 19) 控制绕组感应电势： Ek=2WkEc=4.44Wkf (7 - 20) 转子绕组感应电势： ER=2WREc=4.44WRf (7 - 21

45、) 式中， Wf、 Wk、 WR分别为励磁、 控制、 转子绕 组的有效匝数(根据电机原理中的分析， 鼠笼转子绕组 的有效匝数WR=1/2)。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 将式(7 - 19)(7 - 21)与变压器绕组的感应电势表达 式(4 - 9)相比较， 可见两者相同， 但应注意的是变压 器的m表示脉振磁通的幅值， 而这里的表示旋转磁 场的每极磁通。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 24 主磁通和漏磁通 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 励磁绕组漏磁电势： fff XI jE (7 - 22) 控制绕组漏磁电势： kkk XI jE

46、(7 - 23) 转子绕组漏磁电势： RRR XI jE (7 - 24) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 此外， 在定、 转子绕组中均有电阻， 当电流流过 时， 要产生定子和转子电阻压降， 它们是： 励磁绕组电阻压降： ffrf RIU (7 - 25) 控制绕组电阻压降： kkrk RIU (7 - 26) 转子绕组电阻压降： RRrR RIU (7 - 27) 式中， Rf、 Rk、 RR分别为励磁、 控制、 转子绕组电阻。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 2. 电机运行时的电压平衡方程式电机运行时的电压平衡方程式 设伺服电动机的转子带着负载以转速n在运转，

47、这时在 定子方面， 由于旋转磁场相对定子绕组的速度仍是同步速 ns， 定子绕组中的电势和电流频率仍为f， 因此定子绕组感 应电势及电抗、 电阻压降表达式与前面转子不动时完全相 同， 这里不再详述。 但是在转子方面却与前面有所不同。 这时由于旋转磁场在空间以同步速ns旋转，而转子朝着同 一方向以转速n在转动， 所以， 旋转磁场不是以ns，而是以 转差n=ns-n的相对速度切割转子导体， 因而转子导体中感 应电势和电流的频率应为 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 这就是说， 电机转动时， 转子导体中感应电势和 电流的频率等于电源频率乘上转差率， 只有当转子不 动即n=0、 s=1时，

48、才有fR=f， 这时转子频率与定子频 率相同。 60 )( 60 nnpnp f s R 或 sf pn n nn f s s s R 60 (7 - 31) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于转子转动时， 旋转磁场切割转子导体的线速度为 sf p DsnDnD ssss R 6060 (7 - 32) 因而转子转动时转子绕组感应电势变为 ERs =4.44WRsf (7 - 33) 由式(7 - 21)， 转子不动时的转子绕组感应电势为 ER=4.44WRf 所以 ERs =sER (7 - 34) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 即转子转动时， 转子电势ERs

49、 等于转子不动时的电 势ER与转差率s的乘积。 可以看出， 转子感应电势在 转子不动时为最大， 当电机转动以后， 由于转差率s 减小， 转子感应电势也就减小， 当理想空载n=ns, s=0 时， 则转子感应电势ERs =0。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于转子电流的频率由fR=f变为fR=sf， 故而由转子 电流所产生的转子漏磁通的交变频率也变为sf， 而漏 磁通所感应的漏磁电势及与它相对应的漏电抗是与漏 磁通变化的频率成正比的， 因而转子转动时， 转子漏 磁电势及漏电抗可表示为 RRs RRs sXX EsE (7 - 35) (7 - 36) 第第7 7章章 交流伺服电

50、动机交流伺服电动机 式中， 为转子不动时的转子漏磁电势， XR为 转子不动时的转子漏电抗。 所以转子漏电抗也是一个 变数， 转子静止时XRs =XR， 转动时随转差率s的减小 而减小。 这样转子漏磁电势可表示为 oR E RRRsRoRs sXI jXI jE (7 - 37) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 根据上面分析， 注意到转子转动时转子方面的变 化， 又可列出转子旋转时的电压平衡方程式为 sXI jRIEs XI jRIEU XI jRIEU RRRRR kkkkkk ffffff (7 - 38) (7 - 39) (7 - 40) 电压平衡是电机中的一个很重要的规律

51、， 利用它 可以分析电机运行中发生的许多物理现象。 对交流伺 服电动机也是如此。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4.3 圆形旋转磁场时的定子绕组电压圆形旋转磁场时的定子绕组电压 要得到圆形旋转磁场， 加在励磁绕组和控制绕组 上的电压应符合怎样条件呢? 分两种情况来说： (1) 当励磁绕组有效匝数Wf和控制绕组有效匝数Wk 相等， 即Wf=Wk时， 定子绕组为对称两相绕组， 产生 圆形磁场的定子电流必须是两相对称电流， 即两相电 流幅值相等， 相位相差90， 用复数表示为 kk I jI (7 - 41) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于控制电流 相位上超前

52、励磁电流 ， 所以圆形旋转磁场的转向是从控制绕组轴线转到励磁 绕组轴线， 如图7 - 15所示。 显然这时控制绕组感应 电势 在相位上应超前励磁绕组感应电势 90， 而其值相等， 用复数表示 k I 90 f I k E k E fk EjE (7 - 42) 因为匝数相等， 励磁绕组和控制绕组参数相等， 即 Rk=Rf (7 - 43) Xk=Xf (7 - 44) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 将式(7 - 41)(7 - 44)代入式(7 - 39)得 ffffffk UjXI jRIEjU )(7 - 45) 这表示两相绕组匝数相等时， 为得到圆形旋转磁 场， 要求两相

53、电压值相等， 相位差成90， 如图7 - 25(a)所示。 这样的两个电压称为两相对称电压。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (2) 当两相绕组匝数不等时， 设Wf/Wk=k， 此时为 得到圆形旋转磁场， 两相电流幅值不等、 相位仍差 90。 根据式(7 - 4)， 并将两相电流用复数形式表达， 可得 kk IjkI (7 - 46) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由式(7 - 19)和式(7 - 20)可知定子感应电势的值与 匝数成正比， 控制绕组感应电势 仍超前励磁绕组 感应电势 90， 故可表示为 k E f E k E jE f k (7 - 47) 另外

54、， 当两相绕组在定子铁心中对称分布时， 每 相绕组占有相同的槽数， 因为电阻 S l r(7 - 48) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 其中每相绕组导线的长度正比于匝数， 即lW, 导 线截面积反比于匝数， 即S1/W， 所以电阻RW2， 由此可得 2 2 k W W R R k f k f 或 2 k R R f k (7 - 49) 同时定子漏电抗 GW IW W LX 2 (7 - 50) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 式中， G为定子漏磁导， 是一个常数。 所以漏电 抗XW2， 由此可得 2 2 k W W X X k f k f 或 2 k X X f

55、 k (7 - 51) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 将式(7 - 46)、 (7 - 47)、 (7 - 49)和(7 - 51)代入式 (7 - 39)， 整理后可得 k U jU f k (7 - 52) 两相电压有效值之比： f k f k W W kU U 1 (7 - 53) 这说明当两相绕组匝数不等时， 要得到圆形旋转磁 场， 两相电压的相位差应是90， 其值应与匝数成正比， 如图7 - 25(b)所示。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 25 圆磁场时的两相电压相量图 (a) Wk=Wf时； (b) Wf/Wk=k时 第第7 7章章 交流

56、伺服电动机交流伺服电动机 一般地， 当两相绕组产生圆形旋转磁场时， 这时 加在定子绕组上的电压分别定义为额定励磁电压 和额定控制电压 ， 并称两相交流伺服电动机处 于对称状态。 由以上分析可知， 当Wk=Wf， 则 Ufn =Ukn (7 - 54) 若Wf/Wk=k, 则 fm U km U f k fn kn W W kU U 1 (7 - 55) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 两相绕组额定电压值与绕组匝数成正比的关系是 非常有用的， 在某些场合下， 例如当采用晶体管伺服 放大器时， 控制电压往往要求比励磁电压低， 这时应 选用控制绕组的匝数低于励磁绕组的匝数。 第第7 7

57、章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4.4 转矩及机械特性转矩及机械特性 1. 电磁转矩的表达式电磁转矩的表达式 交流伺服电动机的电磁转矩表达式， 可以根据载 流导体在磁场中要受到电磁力作用的基本原理出发进 行推导。 图7 - 26表示旋转磁场的气隙磁通密度波B以同步 速ns， 而转子以转速n从右向左旋转， 转子上有ZR(=10) 根鼠笼条分布在它的圆周上， 每两根鼠笼条之间相夹 的角度为。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当旋转磁场以相对速度n=ns-n切割转子导条时， 转子 导条中就产生了感应电势。 由于磁通密度B在空间为 正弦分布， 因此对每一根导条来说， 它所切割的磁

58、通 密度的值随时间作正弦变化。 根据e=Blv， 转子上每 根导条的感应电势e随时间也作正弦变化， 并与它所切 割的气隙磁通密度B同相。 如果在某一瞬间t时， 旋转 磁场的气隙磁通密度波B与转子导条的相对位置如图7- 26所示，那末此时气隙磁通密度B沿着圆周的分布曲 线，也可表示为在此瞬间转子各导条中的电势分布曲 线。 这时转子各导条的电势为 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 26 某一瞬间鼠笼转子与旋转磁场的相对位置 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 导条1 e1=ERmsin 0 导条2 e2=ERmsin 导条3 e3=ERmsin 2 导条10 e1

59、0 =ERmsin 9 上述各式中的ERm 为转子导条的电势最大值， 就是 当导条切割磁通密度最大值Bm 时所产生的感应电势。 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于转子绕组存在漏电抗， 转子阻抗是电感性的， 转子导条中的电流要落后于电势一个阻抗角R， 这时 导条的电流为： 导条1 i1=IRmsin(-R) 导条2 i2=IRmsin(-R) 导条3 i3=IRmsin(2-R) 导条10 i10 =IRmsin(9-R) 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 式中， IRm 为转子导条的电流最大值。 根据f=Bil的 原理求力， 可得这时各导条所受到的电磁力为： 导条1

60、 F1=B1 i1l=0i1l=0 导条2 F2=B2 i2l=BmsinIRmsin(-R)l 导条3 F3=B3 i3l=Bmsin2IRmsin(2-R)l 导条10 F10 =B10 i10 l =Bmsin 9IRmsin(9-R)l 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 式中， l为转子导条长度。 利用三角函数的变换式 )cos()cos( 2 1 sinsinBABABA 则各导条所受到的电磁力为： 导条1F1 导条2 F2= 1/2 Bm IRm lcos R-cos(2-R) 导条3 F3= 1/2 Bm IRm lcos R-cos(4-R) 导条10 F10 =