3.2　两相交流伺服电动机的基本结构与工作原理

3.2.1　两相交流伺服电动机的基本结构

两相交流异步伺服电动机或称两相交流感应伺服电动机，简称两相伺服电动机，其定子铁芯中嵌放着由两相电源供电的两相绕组，两相绕组在空间相距90°电角度。其中一相为励磁绕组，运行时接至交流电源Uf上；另一相为控制绕组，输入控制电压Uc。Uf和Uc的频率相同、相互独立。通过分别或同时改变控制电压Uc的幅值、相位来控制伺服电动机的转矩、转速和转向。

（1）常用两相交流伺服电动机的结构

两相交流伺服电动机的转子通常有三种结构形式：高电阻率导条的笼型转子、非磁性空心杯型转子和铁磁性空心转子。其中，应用较多的是前两种结构形式。

①高电阻率导条的笼型转子。笼型转子交流异步伺服电动机的结构如图3-1所示。励磁绕组和控制绕组均为分布绕组。转子结构与普通异步电动机的笼型转子一样，但是，为了减小转子的转动惯量，需做成细长转子。笼型导条和端环采用高电阻率的导电材料（如黄铜、青铜等）制造。也可采用铸铝转子，其导电材料为高电阻率的铝合金材料。

②非磁性空心杯型转子。非磁性空心杯型转子两相交流异步伺服电动机由外定子、内定子和杯型转子等构成，其结构如图3-2所示。它的外定子用硅钢片冲制叠压而成，两相绕组嵌于其内圆均布的槽中，两相绕组在空间相距90°电角度。内定子也用硅钢片冲制叠压而成，一般不嵌放绕组，而仅作为磁路的一部分，以减小主磁通磁路的磁阻。内定子铁芯的中心处开有内孔，转轴从内孔中穿过。空心杯形转子由非磁性导电金属材料（一般为铝合金）加工成杯形，置于内、外定子铁芯之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定，能随转轴在内、外定子之间自由转动。

非磁性杯型转子的壁很薄（0.2～0.8mm），因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量，又因其转子上无齿槽，故运行平稳、噪声低。与笼型转子相比，杯型转子的转动惯量小、摩擦力矩小，所以运行时反应灵敏、改变转向迅速、无噪声以及调速范围大等，这些优点使它在自动控制系统中得到了广泛应用，主要应用于对噪声和运行平稳性有较高要求的场合。

但是，这种结构的电动机空气隙较大，励磁电流也较大，致使电动机的功率因数较低，效率也较低。它的体积和重量都要比同容量的笼型转子伺服电动机大得多。

（2）两相交流异步伺服电动机的结构特点

两相交流异步伺服电动机除了在转子结构上与普通异步电动机有所不同之外，为了得到尽可能接近线性的机械特性，并实现无“自转”现象，必须具有足够大的转子电阻，这是异步伺服电动机与普通异步电动机的另一个重要区别。

普通异步电动机的机械特性曲线如图3-3中的曲线1所示。由电动机学可知，它的稳定运行区间仅在转差率s从0到临界转差率sm这一范围。普通异步电动机由于转子电阻Rr1较小，sm为0.1～0.2，所以其转速可调范围很小。为了增大异步伺服电动机的调速范围，必须增大转子电阻，使出现最大转矩时的临界转差率sm增大，如图3-3所示。当转子电阻足够大时，其临界转差率sm≥1，此时机械特性曲线如图3-3中的曲线3、4所示，电磁转矩的峰值已到第二象限，相应地电动机的可调速范围在0到同步转速之间，即在此范围内电动机均能稳定运行。

3.2.2　两相交流伺服电动机的工作原理

两相交流伺服电动机的转速将随控制电压的大小和相位而变化。因为两相交流异步伺服电动机的控制绕组与励磁绕组在空间相距90°电角度，所以当控制电压Uc为最大值，控制电压Uc的相位与励磁电压Uf相位相差90°电角度时，电动机构成了一个两相对称系统，这时的气隙合成磁场是一个圆形旋转磁场，电动机的转速最高；调节控制电压的幅值或相位差角或二者同时改变时，气隙合成磁场将变为椭圆形旋转磁场，控制电压的幅值越低或相位差偏离90°越多，气隙磁场的椭圆度就越大，电动机的转速就越低；当Uc=0时，只有励磁电源供电，电动机单相运行，气隙合成磁场是一个单相脉振磁场，这时，电动机应立即停转。改变控制电压与励磁电压的相序，旋转磁场的转向就会改变，也就实现了电动机的正反转控制。以上就是两相交流伺服电动机的伺服控制原理。

这里，还需要对“Uc=0时电动机应立即停转”这一点作进一步说明。

根据单相感应电动机的工作原理，当转子电阻较小时，单相运行的感应电动机仍然产生正方向的电磁转矩，如图3-4（a）所示，只要负载转矩小于电磁转矩，转子仍将继续运行，而不会因Uc=0而立即停转。这种控制电压为零时电动机仍然旋转的现象称为“自转”现象，“自转”现象破坏了电动机的伺服性，因此是不允许存在的。

随着转子电阻的增大，正序旋转磁场产生的最大转矩所对应的临界转差率sm1将相应增大，而负序旋转磁场产生的最大转矩对应的临界转差率sm2=1-sm1则相应减小，于是电动机的合成电磁转矩的最大转矩随之减小，而且最大转矩点逐步向纵轴方向移动，如图3-4（b）所示。当转子电阻足够大时，正序旋转磁场产生的最大转矩所对应的临界转差率sm1>1，在0<s<1的范围内，合成电磁转矩将变为负值，如图3-4（c）所示。这就是说，当电动机因Uc=0而单相运行时，电动机将承受制动性质的转矩而立即停转。实际上，两相交流伺服电动机采用了较大的转子电阻，一方面使电动机具有了宽广的调速范围，另一方面，也有效防止了电动机的“自转”现象。