詳解交流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電動(dòng)機(jī)，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。固定和保護(hù)定子的機(jī)座一般用硬鋁或不銹鋼制成。籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子和普通三相籠式電機(jī)相同。杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-12由外定子4，杯形轉(zhuǎn)子3和內(nèi)定子5三部分組成。它的外定子和籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由非磁性導(dǎo)電材料(如銅或鋁)制成空心杯形狀，杯子底部固定在轉(zhuǎn)軸7上。空心杯的壁很薄(小于0.5mm)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小。內(nèi)定子由硅鋼片疊壓而成，固定在一個(gè)端蓋1、8上，內(nèi)定子上沒有繞組，僅作磁路用。電機(jī)工作時(shí)，內(nèi)﹑外定子都不動(dòng)，只有杯形轉(zhuǎn)子在內(nèi)、外定子之間的氣隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于輸出功率較小的交流伺服電機(jī)，常將勵(lì)磁繞組和控制繞組分別安放在內(nèi)、外定子鐵心的槽內(nèi)。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能，就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后，如控制信號(hào)消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)。可以把脈動(dòng)磁場(chǎng)看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別切割籠型繞組(或杯形壁)并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動(dòng)勢(shì)和電流(或渦流)，這些電流分別與各自的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào)，控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等(與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)小)，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等(正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者小)合成力矩不為零，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號(hào)的增強(qiáng)，磁場(chǎng)接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子很快地停下來。為使交流伺服電機(jī)具有控制信號(hào)消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk大于1。在電機(jī)運(yùn)行過程中，如果控制信號(hào)降為“零”，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)，此脈動(dòng)磁場(chǎng)可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。圖3-13畫出正向及反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體后產(chǎn)生的力矩一轉(zhuǎn)速特性曲線1、2，以及它們的合成特性曲線3。圖3-13b中，假設(shè)電動(dòng)機(jī)原來在單一正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下運(yùn)行于A點(diǎn)，此時(shí)負(fù)載力矩是。一旦控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，電機(jī)即按合成特性曲線3運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。必須指出，普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常情況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對(duì)稱運(yùn)行來達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。

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