3.2　兩相交流伺服電動機的基本結構與工作原理

3.2.1　兩相交流伺服電動機的基本結構

兩相交流異步伺服電動機或稱兩相交流感應伺服電動機，簡稱兩相伺服電動機，其定子鐵芯中嵌放著由兩相電源供電的兩相繞組，兩相繞組在空間相距90°電角度。其中一相為勵磁繞組，運行時接至交流電源Uf上；另一相為控制繞組，輸入控制電壓Uc。Uf和Uc的頻率相同、相互獨立。通過分別或同時改變控制電壓Uc的幅值、相位來控制伺服電動機的轉矩、轉速和轉向。

（1）常用兩相交流伺服電動機的結構

兩相交流伺服電動機的轉子通常有三種結構形式：高電阻率導條的籠型轉子、非磁性空心杯型轉子和鐵磁性空心轉子。其中，應用較多的是前兩種結構形式。

①高電阻率導條的籠型轉子。籠型轉子交流異步伺服電動機的結構如圖3-1所示。勵磁繞組和控制繞組均為分布繞組。轉子結構與普通異步電動機的籠型轉子一樣，但是，為了減小轉子的轉動慣量，需做成細長轉子。籠型導條和端環采用高電阻率的導電材料（如黃銅、青銅等）制造。也可采用鑄鋁轉子，其導電材料為高電阻率的鋁合金材料。

②非磁性空心杯型轉子。非磁性空心杯型轉子兩相交流異步伺服電動機由外定子、內定子和杯型轉子等構成，其結構如圖3-2所示。它的外定子用硅鋼片沖制疊壓而成，兩相繞組嵌于其內圓均布的槽中，兩相繞組在空間相距90°電角度。內定子也用硅鋼片沖制疊壓而成，一般不嵌放繞組，而僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻。內定子鐵芯的中心處開有內孔，轉軸從內孔中穿過。空心杯形轉子由非磁性導電金屬材料（一般為鋁合金）加工成杯形，置于內、外定子鐵芯之間的氣隙中，并靠其底盤和轉軸固定，能隨轉軸在內、外定子之間自由轉動。

非磁性杯型轉子的壁很薄（0.2～0.8mm），因而具有較大的轉子電阻和很小的轉動慣量，又因其轉子上無齒槽，故運行平穩、噪聲低。與籠型轉子相比，杯型轉子的轉動慣量小、摩擦力矩小，所以運行時反應靈敏、改變轉向迅速、無噪聲以及調速范圍大等，這些優點使它在自動控制系統中得到了廣泛應用，主要應用于對噪聲和運行平穩性有較高要求的場合。

但是，這種結構的電動機空氣隙較大，勵磁電流也較大，致使電動機的功率因數較低，效率也較低。它的體積和重量都要比同容量的籠型轉子伺服電動機大得多。

（2）兩相交流異步伺服電動機的結構特點

兩相交流異步伺服電動機除了在轉子結構上與普通異步電動機有所不同之外，為了得到盡可能接近線性的機械特性，并實現無“自轉”現象，必須具有足夠大的轉子電阻，這是異步伺服電動機與普通異步電動機的另一個重要區別。

普通異步電動機的機械特性曲線如圖3-3中的曲線1所示。由電動機學可知，它的穩定運行區間僅在轉差率s從0到臨界轉差率sm這一范圍。普通異步電動機由于轉子電阻Rr1較小，sm為0.1～0.2，所以其轉速可調范圍很小。為了增大異步伺服電動機的調速范圍，必須增大轉子電阻，使出現最大轉矩時的臨界轉差率sm增大，如圖3-3所示。當轉子電阻足夠大時，其臨界轉差率sm≥1，此時機械特性曲線如圖3-3中的曲線3、4所示，電磁轉矩的峰值已到第二象限，相應地電動機的可調速范圍在0到同步轉速之間，即在此范圍內電動機均能穩定運行。

3.2.2　兩相交流伺服電動機的工作原理

兩相交流伺服電動機的轉速將隨控制電壓的大小和相位而變化。因為兩相交流異步伺服電動機的控制繞組與勵磁繞組在空間相距90°電角度，所以當控制電壓Uc為最大值，控制電壓Uc的相位與勵磁電壓Uf相位相差90°電角度時，電動機構成了一個兩相對稱系統，這時的氣隙合成磁場是一個圓形旋轉磁場，電動機的轉速最高；調節控制電壓的幅值或相位差角或二者同時改變時，氣隙合成磁場將變為橢圓形旋轉磁場，控制電壓的幅值越低或相位差偏離90°越多，氣隙磁場的橢圓度就越大，電動機的轉速就越低；當Uc=0時，只有勵磁電源供電，電動機單相運行，氣隙合成磁場是一個單相脈振磁場，這時，電動機應立即停轉。改變控制電壓與勵磁電壓的相序，旋轉磁場的轉向就會改變，也就實現了電動機的正反轉控制。以上就是兩相交流伺服電動機的伺服控制原理。

這里，還需要對“Uc=0時電動機應立即停轉”這一點作進一步說明。

根據單相感應電動機的工作原理，當轉子電阻較小時，單相運行的感應電動機仍然產生正方向的電磁轉矩，如圖3-4（a）所示，只要負載轉矩小于電磁轉矩，轉子仍將繼續運行，而不會因Uc=0而立即停轉。這種控制電壓為零時電動機仍然旋轉的現象稱為“自轉”現象，“自轉”現象破壞了電動機的伺服性，因此是不允許存在的。

隨著轉子電阻的增大，正序旋轉磁場產生的最大轉矩所對應的臨界轉差率sm1將相應增大，而負序旋轉磁場產生的最大轉矩對應的臨界轉差率sm2=1-sm1則相應減小，于是電動機的合成電磁轉矩的最大轉矩隨之減小，而且最大轉矩點逐步向縱軸方向移動，如圖3-4（b）所示。當轉子電阻足夠大時，正序旋轉磁場產生的最大轉矩所對應的臨界轉差率sm1>1，在0<s<1的范圍內，合成電磁轉矩將變為負值，如圖3-4（c）所示。這就是說，當電動機因Uc=0而單相運行時，電動機將承受制動性質的轉矩而立即停轉。實際上，兩相交流伺服電動機采用了較大的轉子電阻，一方面使電動機具有了寬廣的調速范圍，另一方面，也有效防止了電動機的“自轉”現象。