交流伺服电动机分类及特点

在数控机床上应用的交流伺服电动机一般都为三相，同时分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机。

从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电动机可分为电磁式及非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。永磁式同步电动机与电磁式同步电动机相比，其优点是结构简单、运行可靠效率高；缺点是体积大、起动特性欠佳。但采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电动机在外形尺寸、重量及转子惯量方面都比直流电动机大幅度减小。与异步交流伺服电动机相比，由于采用永磁铁励磁消除了励磁损耗，所以效率高；其体积也比异步交流伺服电动机小。

异步型交流伺服电动机相当于交流感应异步电动机，它与同容量的直流电动机相比，重量轻，价格便宜；它的缺点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而会使电网功率因数变坏。所以进给运动一般不用异步型交流伺服电动机，而在主轴驱动系统中则被大量使用。

1.永磁式交流同步电动机

永磁式交流同步电动机由定子、转子和检测元件三部分组成，其工作原理与电磁式同步电动机的工作原理相同，即定子三相绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，带动转子一起旋转；所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生，其工作过程如图4-17所示，当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速n_s旋转。根据磁极的同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转，因此转子也将以同步转速n_s旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个θ角，若负载越大，θ也随之增大。只要外负载不超过一定限度，转子就会与定子旋转磁场一起旋转。若设其转速为n_r，则：

n_r=n_s=60f₁/p （4-9）

式中 f₁为交流供电电源频率（定子供电频率）；p为定子和转子的极对数。显然，该式与式（4-1）相同。

永磁式交流同步伺服电动机的转速—转矩曲线如图4-18所示。曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。在连续工作区内，速度与转矩的任何组合，都可以连续工作。连续工作区的划分有两个条件：一是供给电动机的电流是理想的正弦波；二是电动机工作在某一特定的温度下。断续工作区的极限，一般受到电动机的供电限制。交流电动机的机械特性一般要比直流电动机硬。另外，断续工作区较大时，有利于提高电动机的加、减速能力，尤其是在高速区。

永磁式交流同步电动机的缺点是起动难。这是由于转子本身的惯量、定子与转子之间的转速差过大，使转子在起动时所受的电磁转矩的平均值为零所致，因此电动机难以启动。解决的办法是在设计时设法减小电动机的转动惯量，或在速度控制单元中采取先低速后高速的控制方法。

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图4-17 永磁式交流同步电动机的工作原理

图4-18 永磁式交流同步电动机工作特性曲线 Ⅰ连续工作区；Ⅱ断续工作区

2.交流主轴电动机

交流主轴电动机是基于异步电动机的结构而专门设计的。通常为增加输出功率、缩小电动机体积，采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，且在定子铁心上做有通风孔。因此电动机外型多呈多边型而不是常见的圆形。转子结构与普通感应电动机相同。在电动机轴尾部安装检测用的码盘。为了满足数控机床切削加工的特殊要求，也出现了一些新型主轴电动机，如液体冷却主轴电动机和内装主轴电动机等。

交流主轴电动机与普通感应式伺服电动机的工作原理相同。由电工学原理可知，在电动机定子的三相绕组通以三相交流电时，就会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速n_r为：

式中 n_s为同步转速（r/min）；f₁为交流供电电源频率（定子供电频率）（Hz）；s为转差率，s=n_s−n_r/n_s；p为极对数。

同感应式伺服电动机一样，交流主轴电动机需要转速差才能产生电磁转矩，所以电动机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。