单相异步电动机的工作原理单相异步电机的转子采用鼠笼式定子上有

1．工作绕组单独通电时的情况
由试验可知：电动机不转时，工作绕组单独通电，电动机不 能自行起动。但若用外力拖动电动机向正向或反向旋转，电 动机会被加速到接近 n0 转动而不致停止。其原理可解释如下： 工作绕组通电时产生的脉振磁通势可分解为两个幅值相同、 转速相等、转向相反的磁通势，一个为正转磁通势，一个为 反向磁通势，分别产生正转和反转的旋转磁场。对正转旋转 磁场，作用于转子，产生正转的电磁转矩 Te ，对应的转差率
而由于气隙磁动势的不同，电动机机械特性也相应改变，那 么拖动负载运行的交流伺服电动机的转速n也随之变化。这就 是交流伺服电动机利用控制电压的大小和相位的变化，控制转 速变化的原理。下面分别介绍交流伺服电动机的三种控制方法： 幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。
1.幅值控制及特性
幅值控制接线如图8-11所示。励磁绕组f直接接至交流电源， 电压Uf的大小为额定值。控制绕组所加的电压为Uk，Uk在时间 上落后于励磁绕组电压Uf90°，且保持90°不变，Uk的大小可 U U 以改变。调节时，Uk的大小可以表示为 ，其 K KN 中,UKN为控制绕组额定电压， 又称为有效信号系数。
（三）罩极式电动机 罩极式单相异步电动机的结构示意图如图8-3所示，定 子磁极极面的约1/3处开有小槽，嵌有一个闭合铜环，称为 短路环，把磁极的小部分罩在环中。
图8.3 罩极式异步电动机的结构示意图
当定子磁极绕组通过交流电流时，产生脉振磁通，其中大部分为穿过未 ' 罩部分的 欲穿过被罩部分，在短路环中感应电动 0 ，另有一部分磁通 " ' 势 E S ，产生电流I S 和磁通 S，使实际过被罩部分的磁通过 ， S 如图8-4所示。可见，穿过未罩部分的磁通与穿过被罩部分的磁通在空间上 处于不同位置，时间上又有相位差，其合成磁势为椭圆形旋转磁动势，使 电动机产生一定的启动转矩。特点：启动转矩小，但结构简单，制造方便， 多用于小型电扇、录音机等。
显然只要 S m 1， 就能避免自转现象。 （3）控制方式与运行特性 交流伺服电动机运行时，励磁绕组所接电源一般为额定电 压不变，改变控制绕组所加的电压的大小和相位，电动机气隙 磁动势则随着控制电压的大小和相位而改变，有可能为圆形旋 转磁动势，有可能为不同椭圆度的椭圆旋转磁动势，也有可能 为脉振磁动势。
第八章
单相异步电动机及控制电机
第一节 单相异步电动机
单相异步电动机是由单相电源供电运行的异步电动 机，其结构简单、成本低廉，只需单相电源，广泛用 于家用电器、电动工具、医疗器械等，功率从几瓦到 几百瓦。 一、单相异步电动机的工作原理
单相异步电机的转子采用鼠笼式。定子上有两相绕组，在空间互 差电角度，一相为主绕组；另一相为辅助绕组，又称启动绕组。一 相绕组单独通入交流电流时，产生的磁通势为脉振磁通势，两相绕 组通入相位不同的交流电流时，在电机中产生的磁动势一般为椭圆 形旋转磁动势。
图8.13 交流伺服电动机的调节特性
2 相位控制
保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变 控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速， 这种控制方式称为相位控制。其原理图如图8.14所示，控制 绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，UK 的幅值不变，但 UK 与 Uf 的相位差可以通过调节移相器在 0～90°之间变化，UK 与 Uf 的相位差发生变化时，交流伺 服电动机的转速就随之发生变化。
起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可以不 断开。若需要断开，可在起动绕组中串联一个离心开关 S，当转 速上升到同步转速 75% ~ 80% 的时自动断开。
图8.2 两个绕组通电单相异步电动机的机械特性曲线
二．单相异步电机的主要类型和起动方法 （一）电阻分相式 启动绕组的导线较细，匝数较少；工作绕组的导线较粗，匝 数较多。所以起动绕组与工作绕组相比，电阻大而电抗小， 从而产生椭圆形旋转磁通势，使电动机能自行启动。两个绕 组的电路都是感性的，起动转矩不大，只能用于空载和轻载 起动的场合。
Te S 曲线如图8.1中的曲线2所示.合成电磁转矩Te Te Te 与 S 的关系曲线如曲线3所示。可见S S 1 时 ，无启动转 矩，而在外力作用下，使S+或S-不为1时，合成转矩不等于零， 如大于此时的阻转矩，就能加速至接近同步转速运行。
2．两相绕组通电时的机械特性 如果两相对称绕组通电两相对称电流，产生的基波合成磁 动势亦为圆形旋转磁通势，如果以上两个条件不完全满足， 则产生的基波合成磁动势一般为椭圆形旋转磁场。一个椭圆 形的旋转磁动势可以分解为两个幅值不等、转向相反、转速 相同的旋转磁动势。设正转磁通势的幅值F+大于反转磁通势的 幅值F-，则Te-S+曲线和Te-S-曲线分别如图8-2中的曲线1和曲 线2所示。由合成曲线3可见，S=1时，起动转矩大于0，能自 行起动，正向运行。如果F+<F-，则将反向起动运行。
（1）交流伺服电动机的特性要求 作为伺服机，交流伺服电机除了必须具有线性度很好的机械 特性和调节特性外，还必须具有伺服性：即控制信号电压强时， 电动机转速高；控制信号电压弱时，电动机转速低；若控制信 号电压等于零，则电动机不转。 但作为伺服电动机，则要求机械特性必须是单值函数并尽 量具有线性特性，以确保在整个调速范围内稳定运行。通常的 做法是，加大转子电阻，使得产生最大转矩时的转差 sm 1 率 。使电动机在整个调速范围内接近线性。一般情况 下，转子电阻越大，机械特性越接近线性，但堵转转矩和最大 输出功率越小，效率越低。 （2）交流伺服电动机的伺服特性 对于普通两相异步电动机，一旦转子转动后，即使一相绕组 从电源断开，两相异步电动机也可以作为单相交流电机运行， 在 0 n n1 范围内，单相电机的转矩 Te 0 ，转子将继续沿原 转向旋转，如图a所示。
一 直流伺服电动机
直流伺服电动机按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直 流伺服电动机，它的定子磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直 流伺服电动机，它的结构和工作原理与他励直流电机没有本质 不同。直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。 直流伺服电动机就其用途来讲，既可作驱动电动机，也可作为 伺服电动机(例如录像机，精密机床的电机)。下面就其作伺服 电动机时的性能进行分析。 直流伺服电动机的控制方法有两种：一种是电枢控制，就是改 变电枢绕组电压Ud的大小与方向实现对转子转速和转向的控制； 另一种是磁场控制，通过改变励磁绕组电压Uf的大小与方向实现 对转子转速和转向的控制，这种控制方式主要针对电磁式直流 伺服电动机。后者控制性能不如前者，所以很少采用。下面只 介绍电枢控制时的直流伺服电动机特性。
0
'

''
Es


s
图8.4 罩极式单相异步电动机磁通向量图

Is

第三节
伺服电动机
伺服电动机也称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元 件，其任务是把接收的电信号转变为轴上的角位移或角速度。 这种电机有信号时就动作，没有信号时就立即停上。伺服电动 机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机的工作 条件与一般动力用电动机有很大区别，它的起动、制动和反转 十分频繁，多数时间电动机转速处在零或低速状态等过渡过程 中。因此对伺服电动机的性能有如下要求： 1．无“自转“现象。即当信号电压为零时，电动机应迅速自行 停转。 2. 具有下垂的机械特性。在控制电压改变时，电动机能在较宽 的转速范围内稳定运行。 3. 具有线性的机械特性和调节特性。 4. 快速响应。即对信号反应灵敏，机电时间常数要小。
当有效信号系数 1 时，控制电压 U K U KN ，励磁绕组磁 动势和控制绕组磁动势大小相等，气隙合成磁动势为圆形旋转 磁动势。由此可以获得不同 值的机械特性如图8.12所示
图8.12 交流伺服电动机调节特性可以通过机 械特性获得。具体方法是：在机械特性上作许多平行于纵轴的 直线，从而获得一定转矩下转速与 之间的关系曲线，即调节 特性，如图8.13所示。不同的曲线对应于不同负载转矩下的调 节特性。
图8.14 交流伺服电动机 的相位控制
3．幅值——相位控制及特性
交流伺服电动机采用幅值——相位控制时的接线如图 8.15所示。图中励磁绕组串联电容后接至交流电源，控制 绕组的电压的频率和相位和电源相同，但幅值可调。
图8.15 交流伺服电动机的幅值—— 相位控制
交流伺服电动机采用幅值——相位控制机械特性与幅 值控制是类似，为非线性，也在转速标么值小时线性度好。
Te f (s) 与 Te f (s) 对称。 因此电机总的电磁转矩特 性 Te f (s) 通过零点， 即无启动转矩；在 0 n n1
Te 0 ，也是制 0 n n1 时， 时，Te 0 ， 是制动性转矩； 动性转矩。在这种情况下，本来运转的交流伺服机，若控制 信号电压消失后，由于一相绕组通电运行时的电磁转矩是制 no 动性的，电动机转速将被制动到
（二）电容分相式 起动绕组串联一个大小合适的电容，使电流超前工作绕组 电流接近90度，因而产生椭圆度较小的旋转磁场，从而获得 较大的起动转矩和较小的起动电流。 电容分相式单相异步电动机又分为电容起动电动机、电容 运转电动机和电容起动运转电动机，各有其特点和适用场合。 欲改变分相式电动机的转向，只要将起动绕组或工作绕组的 端头对调即可。
电枢控制是励磁电压Uf不变，控制电枢电压Ud的控制方式。 在控制过程中改变电枢绕组电压Ud，主磁通不变，忽略电枢 反应，可得直流伺服电动机的机械特性表达式为
（1）直流伺服电动机的机械特性
由图可见，直流伺服电动机 的机械特性为一组平行的直 线。随着控制电压Ud的增加， 直线的斜率 保持不变，机 械特性向上平移。当控制电 压Ud不变时，转矩Te增大时， 转速n降低，转矩的增加和 转速的降低呈线性关系。直 流伺服电动机的这种机械特 性是十分理想的。
n0 n S n0
Te S 曲线如图8-1中的曲线1所示。反转旋转磁场，作用 于转子，产生反转的电磁转矩，对应的转差率
n0 n n0 n 2n0 (n0 n) S 2 S n0 n0 n0
图8.1 单相异步电动机的 Te S 曲线
当有效信号系数 0 时，控制电压 U K 0 ，此时交流 伺服电动机仅有励磁绕组一相供电，气隙合成磁动势为脉振磁 动势。
图8.11 交流伺服电动机的幅值控制
U K KN ，此时 当有效信号系数 0 1 时，控制电压 0 U 交流伺服电动机励磁绕组和控制绕组共同供电，但励磁绕组磁 动势和控制绕组磁动势两者大小不等，气隙合成磁动势为椭圆 形旋转磁动势。
信号电压消失后,伺服电动机仍然旋转不停的现象称为自 转，自转现象破坏了伺服性，这对于伺服电动机应绝对避免这 种情况。
为了避免这种情况，交流伺服电动机使用了很大的转子电 阻使 Sm 1 ，这时交流伺服电动机的机械特性如图b所示。
从图b中所示的单相绕组通电时的机械特性可见，正转电磁 Te Tm时的临界转差率 S m 1 转矩特性曲线Te f (s) 上， ，
（2）直流伺服电动机的调节特性 直流伺服电动机的调节特性是指：在一定的转矩下，转子 Ud n f (U d ) 。根据机械特性表达 n 与控制电压 转速 之间的关系 式便可绘出不同负载转矩下的调节特性如图所示。
二 交流伺服电动机
交流伺服电动机就是两相异步电动机，其定子两相绕组空间 互成 90 电角度。一相绕组为励磁绕组f，一相为控制绕组k， 转子为鼠笼式转子。电机运行时，励磁绕组接单相交流电压Uf， 控制绕组接控制电压Uk，两者频率相同。改变控制电压Uk的 幅值或相位就可以实现转速控制。