交流电机供电频率降低电磁转矩

1.基本结构

交流伺服电动机实质上是一个两相异步电动机。定子上装有两个在空间相差90°的绕组：励磁绕组和控制绕组。运行时，励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压Uf，控制绕组则加上控制信号电压Uc。转子的结构形式主要有两种：笼型转子和空心杯形转子。

笼型转子交流伺服电动机的结构与普通笼型异步电动机相同，空心杯形转子交流伺服电动机的结构如图9.3.3所示。定子分外定子和内定子两部分。外定子的铁心槽内放有定子两相绕组。内定子由硅钢片叠成，压在一个端盖上，一般不放绕组。它的作用只是为了减小磁路的磁阻。转子由导电材料（例如铝）做成薄壁圆筒形，放在内、外定子之间，杯子底部固定在转轴上，杯壁薄而轻，厚度一般不超过0.5mm，因而转动惯量小，动作快速灵敏。多用于要求低速运行平滑的系统中。

图9.3.3　空心杯形转子交流伺服电动机结构

2.工作原理

电路如图9.3.4所示。f是励磁绕组，c是控制绕组，当两相绕组分别加上交流电压Uf和Uc时，两相绕组中的电流if和ic各自产生磁通势。它们的大小和方向随时间按正弦规律变化，方向符合右手螺旋定则，即始终在绕组的轴线方向。也就是说，Ff总在水平方向，Fc总在垂直方向，两者构成了电机的合成磁通势F。现在通过对以下几种情况下的合成磁通势以及所产生的磁场的分析来研究电动机的工作状态。

图9.3.4　交流伺服电动机接线图

（1）当两相绕组分别加上相位相差90°的额定电压时。这时交流伺服电动机处于对称运行状态。对称两相电流通过对称两相绕组与对称三相电流通过对称三相绕组原理相似，产生幅值不变的旋转磁通势和旋转磁场。旋转磁通势的旋转方向与两相绕组中两相电流的相序一致。由于这一合成磁通势的幅值不变，若用一空间矢量表示它，则其末端的轨迹为一个圆，因而称为圆形磁通势，简称圆磁通势。它所产生的磁场称为圆形磁场，简称圆磁场。与普通三相异步电动机在对称状态下运行时的情况一样，圆磁场在转子上将产生与磁场旋转方向一致的电磁转矩，使转子运转起来。

如果控制电压反相，则两相绕组中两相电流相序随之改变，转子的转向也就改变了。如果控制电压和励磁电压都随控制信号的减小而同样地减小，并始终保持两者的相位差为90°，则电动机仍处于对称运行状态，合成磁通势的幅值减小，使得电磁转矩也随之减小。若负载一定，则转子的转速必然下降，转子电流增加，使得电磁转矩又重新增加到与负载转矩相等，电动机便在比原来低的转速下稳定运行。

（2）当控制电压等于零或当控制电压虽不等于零，但与励磁电压相位相同时。这时交流伺服电动机处于单相运行状态。合成磁通势为脉振磁通势，它可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转圆磁通势，产生两个转向相反的圆磁场。它们在转子上分别产生了两个方向相反的电磁转矩T＋和T－。决定转子能否转动的总电磁转矩等于两者之差。

当转子静止时，由于T＋＝T－，总电磁转矩T＝0，电动机没有起动转矩。不会自行起动。

倘若上述单相状态在运转中出现，对于普通异步电动机来说，其机械特性如图9.3.5（a）所示，总电磁转矩不等于零，电动机仍将继续运转，这种单相自转现象在伺服电动机中是决不允许的。为此，交流伺服电动机的转子电阻都取得比较大。使得机械特性成为如图9.3.5（b）所示的下垂的机械特性。于是，总电磁转矩T始终是转子转向相反的制动转矩，从而保证了单相供电时不会产生自转现象，而且可以自行制动，使转子迅速停止运转。

图9.3.5　单相供电时的机械特性

（3）当励磁电压等于额定值，而控制电压小于额定值，但与励磁电压的相位相差保持90°时，或者控制电压与励磁电压都等于额定值，但两者的相位差小于90°时，交流伺服电动机处于不对称运行状态。将不同时刻的Fc和Ff矢量相加，便可得到相应时刻的合成磁通势F。上述两种情况下Fc和Ff的波形及合成磁通势分别如图9.3.6（a）和图9.3.6（b）所示，合成磁通势都是以变化的幅值和转速在空间旋转的，其末端的转迹为一椭圆，故称椭圆磁通势，它所产生的磁场称为椭圆磁场。

椭圆磁通势也可以分解为两个转速相同、转向相反，但幅值不等的旋转圆磁通势。其中，与原椭圆磁通势F转向相同的正向圆磁通势的幅值大，与原椭圆磁通势转向相反的反向圆磁通势幅值小。电动机的工作状态越不对称，反向圆磁通势的幅值就越接近正向圆磁通势的幅值。当电动机处于单相状态时，正、反向圆磁通势幅值相等。反之电动机的工作状态越接近于对称，反向圆磁通势的幅值就越小于正向圆磁通势的幅值。当电动机处于对称运行状态时，反向圆磁通势为零，只有正向圆磁通势。

交流伺服电动机在不对称状态下运行时的总电磁转矩T应为正向和反向两个圆磁场分别产生的电磁转矩TF和TR之差。电动机的工作状态越不对称，T＝T＋－T－越小，负载一定时，电动机的转速势必下降，转子电流增加，直到T又重新增加到与负载转矩相等，电动机便在比原来低的转速下稳定运行。可见，改变控制电压的数值或相位也可以控制电动机的转速。普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下运行的，不对称状态属于故障运行。而交流伺服电动机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制的目的。这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

图9.3.6　椭圆磁通势

3.转速控制方式

综上所述，可知交流伺服电动机可以有以下几种转速控制方式。

（1）双相控制，控制电压与励磁电压的相位差保持90°不变，同时按相同比例改变它们的大小来改变电动机的转速。

（2）幅值控制，控制电压与励磁电压的相位差保持90°不变，通过改变控制电压的大小来改变电动机的转速。

（3）相位控制，控制电压与励磁电压的大小保持额定值不变，通过改变它们的相位差来改变电动机的转速。

（4）幅相控制。同时改变控制电压的大小和相位来改变电动机的转速。