自动控制元件__哈工大出版__第三章课件_交流伺服电动机1112I

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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
基波
W F1 0.9qWx Ikb1 sin t cos x 0.9 Ikb1 sin t cos x p
kWI sin t cos x A1 sin t cos x
式中W为每相绕组匝数； p 为极对数；A1为基波磁势的最 大值。 如果绕组电流为 i 2I sin(t ) ，绕组轴线的位置（即 磁势分布曲线幅值的位置）是 x0 ，则磁势的基波分量 F1 为
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x t 幅值位置 2
3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.2 两相绕组的非圆形旋转磁场 一、两相绕组的非圆形旋转磁场
1．两相绕组电流相位相同，产生脉振磁场。 I cWc /( I f W f ) 1 2. 两相绕组电流相位差是90º ， 也形成旋转磁场，但磁密向 量B或磁势向量F的端点轨迹 是椭圆，称为椭圆旋转磁场。 椭圆度：
3.1.3 旋转磁场
旋转磁场的转速 电流变化一个周期时 ，两相两极绕组磁场在空间旋转 360 机械角—— 360 电角。两相四极绕组磁场在空间旋转 180 机械角—— 360 电角。 电流变化一个周期，两相绕组磁场在空间旋转 360 电角。 设两相绕组极对数为 p ，电源频率是 f Hz 。 旋转磁场的转速（同步转速 ）

360 1 60 f ns 60 f p 360 p
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r/min
3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场 一、单相集中绕组的磁场 集中绕组：绕组的两边分别放在一个槽中。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
设线圈的匝数为 Wx ，通过线圈的电流 为 i。 磁路总磁势 F Wxi 气隙磁势 Wx i / 2 直流的磁势是固定的方波。 若电流为 i 2 I sin t 气隙磁势 交流磁势是方波，位置固定，振幅的 大小和正负随时间做周期变化，频率 与电流相同。
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3.5 两相电动机
3.5.4 两相伺服电动机的控制方法与特性 1．幅值控制
激磁绕组加额定电压，和控制电压的相位差始终是90°, 改变控制电压的幅值来控制电机的转速，使控制电压反相 来改变转向。 信号系数
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场 二、单相分布绕组的磁场
分布绕组：由q个绕组串联而成, 分布在q 个连续槽中。
单相分布绕组的磁势为各集中绕 组磁势之和。
单相分布绕组的磁场是阶梯波， 脉振磁场。 有q 个线圈分布在q 个槽中，每 个槽中有 Wx 匝，傅里叶级数

两相异步交流伺服电动机
本章重点：两相伺服电动机工作原理性
3
本章教学:
四、教学过程： 交流伺服电动机
异步
同步
异步交流伺服电动机
两相
三相
两相异步交流伺服电动机
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3.1 异步电动机的结构特点和工作原理
3.1.1 异步电动机的结构特点 定子（固定部分）
转子（旋转部分）
Bcm ，α越小，椭圆度越大。 B fm
3.两相绕组电流相位差大于0º 小于90º ，产生椭圆旋转磁场。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.2 两相绕组的非圆形旋转磁场 椭圆旋转磁场具有下述特点。
转向 与圆形旋转磁场相同。
幅值 磁密幅值不断变化。若α<1，幅值变化范围从 B fm 至 B fm 。当α＝0时变成脉振磁场，当α＝1时变成圆形旋转 磁场。 转速 电流变化一个周期，磁场在空间旋转了360º 电角， 平均转速是60f/p r/min。但椭圆旋转磁场的瞬时转速是 变化的。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
脉振物理量 ：空间和时间的函数，空间的位置（最大值或 波形对称轴的位置 ）固定，振幅的大小和正负随时间周期 变化。 交流电的磁势是脉振磁势 。 脉振磁势的典型表达式
F1 A1 sin t cos x
在任何时刻，在空间都按余弦规律分布。磁势分布曲线幅 值的位置 cos x 1 x 0 ，位置始终不变。磁势幅值 的大小（ A1 sin t）和符号随时间周期变化。 基波和谐波都是脉振磁势。
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2p
r/s
p
r/s
p
r/min
3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场 四、空间向量
空间向量：在空间按正余弦规律分布的物理量。向量的 长度是空间分布曲线的幅值（绝对值），位置是空间分 布曲线的一个（正的）幅值所在的位置。 空间向量的加减运算同矢量的加减法。 空间向量可以是脉振向量或旋转向量 。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
向量
F1 F1 F1
F1 A1 sin t cos x
幅值位置 x 0 向量
1 F A1 sin( t x) 2
1
幅值位置 x t
1

2
1 向量 F A1 sin( t x) 2
2010-2012学年第I学期
1
本章教学:
一、教学要求：
掌握交流伺服电动机结构、分类和作用等概念
理解两相伺服电动机工作原理（包括自转现象原 因及克服方法和措施等）
了解两相伺服电动机控制方法 理解两相伺服电动机的静态特性 了解两相伺服电动机的动态特性
2
本章教学:
二、教学时间安排：3学时 三、主要内容：
ns
式中 和 f 分别为电流的角频率和频率。 F 同理可分析出 1 A1 sin(t x) / 2 是一个反向旋转的磁 势波，其幅值与旋转速度值和 F1相同。 脉振磁势可以分解为两个速度相同但方向相反的旋转磁势， 每一旋转磁势振幅的大小不变，为原来脉振磁势最大值的一 半。
2
1
波形幅值的位置随时间而变化，其中x 代表电角。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
dx 旋转的角速度（电角）为 d t rad/s
转速为正， F1称为正向旋转的磁 场。 因为一个圆周为2πp rad（电角），所以该磁势波旋转的速 度可表示为 f 60 f
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3.5 两相电动机
3.5.1 两相电动机的分类
特点： 1. 稳定运行的转速范围大，而驱动电动机稳定运行的 速度范围很小。 2. 一相绕组电压（流）为零时，伺服电机将产生制动 转矩而迅速停转，而驱动用电机在运转后，一相电 压（流）为零也可能继续运转（自转）。 3. 快速响应，机电时间常数小。两相伺服电机采用细 长转子，惯量小，转子电阻大，使堵转转矩高，起 动速度快。 不能用驱动电动机代替两相伺服电动机。
F1 kWI sin(t ) cos(x x0 ) A1 sin(t ) cos(x x0 )
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场 脉振磁势 三、脉振磁势与旋转磁势 1 1 F1 A1 sin t cos x A1 sin(t x) A1 sin(t x) F1 F1

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3.5 两相电动机
3.5.1 两相电动机的分类
两相电机：定子具有两相绕组。 驱动和伺服两大类。 两相驱动电动机：大部分家用电器和小型电器中使用的 （单相）异步电动机。气隙磁场接近圆形旋转磁场，转 子电阻小。 两相伺服电动机：定子两相绕组，分别称为激磁绕组 和控制绕组，在空间相差90°电角。
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3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.2 两相绕组的非圆形旋转磁场 二、椭圆旋转磁场的分解
椭圆旋转磁场可以分解为两个转向相反、转速相同的圆形旋 转磁场。其中与椭圆磁场转动方向相同的正向旋转磁场的磁 密为 B ，转向相反的反向圆磁场的磁密为 B ，则有
1 B B fm 2

1 B B fm 2
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3.1 异步电动机的结构特点和工作原理
3.1.1 异步电动机的结构特点
定子铁心、定子绕组 三相，两相，单相。 转子：鼠笼式，绕线式。 笼式，构造简单，工作可靠。 转子绕组闭合。
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3.1 异步电动机的结构特点和工作原理
3.1.2 异步电动机的工作原理
旋转磁场加闭合的转子绕组→旋转磁场→感
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3.5 两相电动机
3.5.2 圆形旋转磁场时两相电机的机械特性
转子电阻增大时，最大转矩 Tm不变，临 界转差率 sm 增大。 驱动电机要求效率高，所以转子电阻小， 稳定运行的转速范围小。 两相伺服电动机，要求第1象限稳定运行， 机械特性下垂的，即要求转子电阻足够大， 保证 。 Sm 1 转子电阻大，机械特性下垂。
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2 F Wx I sin t 2
3.2 交流绕组磁场的分析
3.2.1 单相绕组的脉振磁场
方波分解为傅里叶级数
基波 F1 ( x) 0.9Wx I sin t cos x A1 sin t cos x 基波振幅 F1m ( x) 0.9Wx I sin t 第i次谐波的最大幅值是基波最大幅值 的l/i倍。
3.5.3 非圆形旋转磁场的机械特性 二、脉振磁场的机械特性
定子绕组产生脉振磁场：两相电机一相通 电或三相电机一相断电，又称单相运行。 叠加法求转矩。T T T 曲线过原点，没有起动转矩。 驱动用电机：转子电阻小。原来转动的两 相或三相电机，在一相断电后仍可转动。 有自转。 伺服电动机：转子电阻大，机械特性在2， 4象限。电磁转矩总是与转向相反，控制 绕组电流（压）为零电机将很快停转 。无 自转。
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