【精品】交流伺服电动机（可编辑.ppt

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1、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 7.7 幅值控制时的特性幅值控制时的特性 7.8 移相方法和控制方式移相方法和控制方式 7.9 电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性 7.10 交流伺服电动机的使用交流伺服电动机的使用 7.11 主要性能指标和技术数据主要性能指标和技术数据 思考题与习题思考题与习题 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(

2、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 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，伺伺服服电电动动机机是是将将控控制制电电信信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。第第7 7

3、章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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，调调速速范围要大范围要大；(2)整个运行范围内的特特性性应应具具有有线线性性关关系系，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无“自转自转”现象现象；(4)控制功率要小控制功率要小，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，反应应快速灵敏反应应快速灵敏。第第7 7章

4、章 交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 1定子绕组；2定子铁心；3鼠笼转子图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 转子的结构常用的有鼠笼形转子鼠笼形转子和非磁性杯形转非磁性杯形转

5、子子。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。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机第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-

6、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内定子由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，内定子不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心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0.3mm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

7、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 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第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图

8、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，非磁性杯形转转子子惯惯量量小小，轴轴承承摩摩擦擦阻阻转转矩矩小小。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，运运转转平平稳稳。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，降降低低了了电电机机的的利利用用率率，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；第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 另外，杯形转子

9、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

10、。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

11、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

12、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?

13、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，鼠鼠笼笼转转子子(或或者者是是非非磁磁性性杯杯形形转转子子)所所以以会会转转动动起起来来是是由由于于在在空空间间中中有有一一个个旋旋转转磁磁场场。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

14、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为了分析方便，先假假定定励励磁磁绕绕组组有有效效匝匝数数Wf与与控控制制绕绕组组有有效效匝匝数数Wk相相等等。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对称称两两相相绕绕组组。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

15、等，这样的两个电流称为两相对称电流称为两相对称电流，第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 用数学式表示为 ik=Ikmsint 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

16、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

17、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=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=B

18、m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，

19、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 交流伺服电动机交流伺服电动机 从以上分析可见，当当两两相相对对称称电电流流通通入入两两相相对对称称绕绕组组时时，在在电电机机内内就就会会产产生生一一个个旋旋转转磁磁场场，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 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 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

20、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，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，这两个这两个脉振磁场又是怎样的关系呢脉振磁场又是怎样的关系呢?从上面的分析可知，表征这两

21、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=Bkmsint Bf=Bfmsin(t-90)Bkm=Bfm=Bm(7-1)第第7 7章

22、章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图714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 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长度为综上所述，可以这样认为：在在两两相相系系统统里里，如如果果有有两两个个脉脉振振磁磁通通密密度度，它它们们的的轴轴线线在在空空间间相相夹夹90电电角角度度，脉脉振振的的时时间间相相位位差差为为90，其其脉脉振振的的幅幅值值又又相相等等，那末这样两个脉振磁场的合成必然是一个圆形旋转磁场。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 当两相绕组匝数不等两相绕组匝数不等，设匝数比

23、为(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(7-4)这就是说，当当两两相相绕绕组组有有效效匝匝数数不不等等时时，若若要要产产生生圆圆形形旋旋转转磁磁场场，这这时时两两个个绕绕组组中中的的电电流流值值也也应应不不等等，且应与绕组匝数成反比且应与绕组匝数成反比。第

24、第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3.2旋转磁场的转向伺服电动机的转转子子是跟着旋旋转转磁磁场场转转的的，也就是说，旋转磁场的转向旋转磁场的转向决定决定了电机的转向电机的转向。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，旋旋转转磁磁场场的的转转向向是从流流过过超超前前电电流流的的绕绕组组轴轴线线转到流流过过落落后后电电流流的的绕绕组组轴轴线线。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 图7-12两相绕组产生的圆形旋转磁场(a)t=

25、t1;(b)t=t2;(c)t=t3;(d)t=t4 ik=Ikmsint if=Ifmsin(t-90)Ifm=Ikm=Im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 显然，当当任任意意一一个个绕绕组组上上所所加加的的电电压压反反相相时时(电压倒相或绕组两个端头换接)，则则流流过过该该绕绕组组的的电电流流也也反反相相，即原来是超前电流的就变成落后电流即原来是超前电流的就变成落后电流，原原来来是是落落后后电电流流的的则则变变成成超超前前电电流流(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，因而旋

26、转磁场转向改变，变成反时针方向，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旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数定子绕组极对数和和电源的频率电源的频率。图7-12所表示的是一台两极的电机，即极对数p=1(见见下下图图)。对两极电机而言，电电流流每每变变化化一一个

27、个周周期期，磁场旋转一圈(见见下下图图)，因而当电源频率f=400Hz，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=400*60=24000r/min当电源频率f=50Hz时，旋转磁场转速为 ns=f=50*60=3000r/min第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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 ik=Ikmsint if=Ifmsin(t-90)Ifm=Ikm=Im第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机

28、 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-k2和和k1-k2串联串联后组成控制绕组控制绕组，其上施加控制电压Uk；将绕组l1-l2和和l1-l2串联后串联后组成励磁绕组励磁绕组，接到励磁电源上去。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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。

29、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，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，再根据右右螺螺旋旋定定则则，可可以以得得到到如如图图中中所所示示的的磁磁场场分分布布情情况况。显然，显然，它是一台四级电机的磁场分布图。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

30、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。每经过从每经过从t1到到t2个时间，磁场的旋转角度为个时间，磁场的旋转角度为45。四极电机，即极对数p=2每经过从每经过从t1到到t2个时间，磁场的旋转角度为个时间，磁场的旋转角度为90两极电机即极对数p=1.当控制电流经过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，

31、即电流变化一个周期时，磁场只转过半圈磁场只转过半圈 4*45=180。因此，如果电源频率f=50Hz，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 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,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(7-5)旋转磁场的转速常称为同步速，以ns表示。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机使用的电源频率通常是标准频率f=400Hz或50Hz，当频率固定不变时，由式(7-5)可以看出，旋转磁场的转速ns

32、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。表71p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沿着圆周空间是正弦分布的，对于两极电机，对于两极电机，旋转磁场沿着圆周有一旋转磁场沿着圆周有一个正弦分布的磁通密度波个正弦分布的磁通密度波，如图7-13所示。对于多极电机，如果极对数为如果极对数为p，那末沿着圆周空间就有那末沿着圆周空间就有p个个正弦分布的磁通密度波。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。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

33、伺服电动机 7.3.4小结下面把这一节中关于旋转磁场的主要内容作简单小结：(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空间旋转。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (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，空空间间上上相相夹夹90电电角角度度，时时间间上上彼彼此此有有90相相位位差差，幅幅值值又又相相等等的的两两个个脉脉振振磁磁场场必必然然形形成圆形旋转磁场。成圆形旋转磁场。(4)旋转磁场的转向是从超超前前相相的的绕绕组组轴轴线线(此绕组中流有相位上超前的电流)转

34、转到到落落后后相相的的绕绕组组轴轴线线。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。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (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，其关系为第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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7.4.1 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)n也称为转差。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机

35、 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(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，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 n=ns(1-s)第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 n=ns(1-s)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，

36、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阻转矩(例如摩擦转矩和附加转矩等)，它对小功率电机影响较大小功率电机影响较大。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 n=ns(1-s)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。异步的概念：异步的概念：由于交流伺服

37、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”，就是指电机转速与电机转速与同步速同步速有差异。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控制绕组、励磁绕组、转子绕组控制绕组、励磁绕组、转子绕组(主磁通、漏磁通、本身绕组电阻主磁通、漏磁通、本身绕组电阻)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，由于这这种种情情况况比较简单简单，所以先从这里开始研究。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7

38、-21旋转磁场切割定转子导体首先分析定子绕组中感应电势的频率和值。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B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 于于是是这这个个旋旋转转磁磁场场就就切切割割这这两两根根导导体体，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切割导体时在导体中所产生的感应电势为 e=Blv (7-9)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。感应电势的变化：感应电势的变化：1、随时间的分布、随时间的分布由于旋转

39、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感应电势势e随时间也是按正弦规律随时间也是按正弦规律变化，如图7-22所示。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 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 感应电势交变的频率与旋转磁场切割速度和极数有关。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)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

40、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；e=Blv 2、变化频率、变化频率第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 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(7-11)对比可见：即对比可见：即fs=fR=f即：即：当转子不动时旋转磁场在定、定、转子绕组转子绕组中所产生的感应感应电势频率电势频率与电源的频率是完全相同的电源的频率是完全相同的，(由于电源频率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

41、感应电势的值。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(7-13)式中，Ds为定子铁心内径。3、感应电势的值、感应电势的值第第7 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将气隙磁通密度通过磁通密度的平均值来表示第第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(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(7-15)所以，每极磁通为(7-16)第第7 7章章 交流伺服电动机

42、交流伺服电动机 气隙磁通密度幅值为(7-17)将式(7-13)及式(7-17)代入式(7-12)，经过整理后，可得每根导体感应电势有效值为(7-18)由于 Ecm=Bm lv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：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

43、-21)式中，Wf、Wk、WR分别为励磁、控制、转子绕组的有效匝数。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。E1=4.44fW1m(4-9)Ef=2WfEc=4.44Wff (7-19)以上产生的感应电势主要是主磁通产生的，接下来还要考虑漏磁通的情况。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图7-24主磁通和漏磁通漏磁通的定义：第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 励磁绕组漏磁电势漏磁电势：(7-22)控制绕组漏磁

44、电势：(7-23)转子绕组漏磁电势：(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、转子绕组中均均有有电电阻阻，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：(7-25)控制绕组电阻压降：(7-26)转子绕组电阻压降：(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 根据上面分析，根据上面分析，转子不转动时的电压平衡方程式为转子不转动时的电压平衡方程式为第第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(定子和转子同第一个过程中的运行区别定

45、子和转子同第一个过程中的运行区别)设伺服电动机的转子带着负载以转速n在运转，这时在定定子子方方面面同同上上一一过过程程相相同同，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。第第7 7章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 但是转子方面却与前面有所不同。主要体现在旋转磁场切割主要体现在旋转磁场切割转子中导体的速度发生变化。因此，其感应电势发生变化。转子中导体的速度发生变化。因此，其感应电势发生变化。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

46、场不是以ns，而是以转差n=ns-n的相对速度切割转子导体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，才有fR=f，这时转子频率与定子频率相同。或(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(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)

47、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 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。ERs=4.44WRsf ER=4.44WRf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，而漏漏磁磁通通所所感感应应的的漏漏磁磁电电势势及及与与它它相相对对应应的的漏漏电电抗抗是是与与漏漏磁磁通通变变化化的的频频率率成成正正比比

48、的的，因而转子转动时，转子漏磁电势及漏电抗可表示为(7-35)(7-36)第第7 7章章 交流伺服电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(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(7-38)(7-39)(7-40)电压平衡是电机中的一个很重要的规律，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

49、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 得到圆形旋转磁场的条件：得到圆形旋转磁场的条件：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(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

50、位上应超前励磁绕组感应电势 90，而其值相等，用复数表示(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(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(