第第10章章控控制制电电机机10.1第10章 控 制 电 机 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第10章章控控制制电电机机10.2伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机测速发电机测速发电机直线电动机直线电动机自自整整角角机机旋转变压器旋转变压器本本章章小小结结习题与思考题习题与思考题本章内容本章内容第第10章章控控制制电电机机10.3控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和控制电动机主要应用于自动控制系统中，用来实现信号的检测、转换和传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。传递，作为测量、执行和校正等元件使用。功率一般从数毫瓦到数百瓦。普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，主要要求是提高电机的能量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是量转换效率等经济指标，以及起动、调速等性能。控制电动机的主要任务是完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速完成控制信号的检测、变换和传递，因此，对控制电动机的主要要求是快速响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。响应、高精度、高灵敏度及高可靠性。控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。控制电动机种类繁多，本章主要介绍常用的控制电动机的基本工作原理。第第10章章控控制制电电机机10.410.1伺服电动机伺服电动机伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上伺服电动机又称执行电动机，它能把接受的电压信号转换为电动机转轴上的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信的机械角位移或角速度的变化，具有服从控制信号的要求而动作的功能：在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时停转。由于这种子能即时停转。由于这种“伺服伺服”的性能因此命名。的性能因此命名。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：(1)宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性。(2)快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速快速响应性能好，即机电时间常数要小，在控制信号变化时，能迅速地从一种状态过渡到另一种状态。地从一种状态过渡到另一种状态。(3)灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运灵敏度要高，即在很小的控制电压信号作用下，伺服电动机就能起动运转。转。(4)无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零无自转现象。所谓自转现象就是转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行时继续转动的现象；无自转现象就是控制电压降到零时，伺服电动机立即自行停转。停转。按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流按伺服电动机的控制电压来分，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率可达数百瓦，主要用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功大的控制系统。交流伺服电动机的输出功率较小，一般为几十瓦，主要用于功率较小的控制系统。率较小的控制系统。第第10章章控控制制电电机机10.5一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机10.1伺服电动机伺服电动机 1. 基本结构与工作原理一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方一般的直流伺服电动机的结构与普通小型直流电动机相同，按照励磁方式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电式的不同，可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁电流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场流通过励磁绕组产生，一般多用他励式励磁。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控直流伺服电动机的控制方式有两种：电枢控制和磁场控制。所谓电枢控制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，制，即磁场绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电动机就反转；控制电压为零，电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如电动机就停转。电枢控制方式的直流伺服电动机如图图10.1所示。所示。电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。第第10章章控控制制电电机机10.610.1伺服电动机伺服电动机图10.1 电枢控制方式的直流 伺服电动机电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，控制电压，而电枢绕组加恒定电压控制方式，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机的转速与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，有电枢控制和磁场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢而对永磁式直流伺服电动机来讲，则只有电枢控制一种方式。控制一种方式。电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大电枢电流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是的励磁损耗。磁场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控控制功率小，仅用于小功率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分制系统中多采用电枢控制方式，因此本节只分析电枢控制方式的直流伺服电动机。析电枢控制方式的直流伺服电动机。为了提高快速响应能力，必须减少转动惯为了提高快速响应能力，必须减少转动惯量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形量，所以直流伺服电动机的电枢通常做成盘形或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的或空心杯形，使其具有转子轻、转动惯量小的特点。特点。第第10章章控控制制电电机机10.710.1伺服电动机伺服电动机电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当电枢控制方式的直流伺服电动机的工作原理与普通的直流电动机相似。当励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流励磁绕组接在电压恒定的励磁电源上时，就会有励磁电流If流过，并在气隙中流过，并在气隙中产生主磁通产生主磁通；当有控制电压；当有控制电压Uc作用在电枢绕组上时，就有电枢电流作用在电枢绕组上时，就有电枢电流Ic流过，流过，电枢电流电枢电流Ic与磁通与磁通相互作用，产生电磁转矩相互作用，产生电磁转矩T带动负载运行。当控制信号消带动负载运行。当控制信号消失时，失时，Uc=0，Ic=0，T =0，电动机自行停转，不会出现自转现象。，电动机自行停转，不会出现自转现象。 2. 控制特性1)机械特性机械特性机械特性是指励磁电压机械特性是指励磁电压Uf恒定，电枢的控制电压恒定，电枢的控制电压UK为一个定值时，电动为一个定值时，电动机的转速和电磁转矩机的转速和电磁转矩T之间的关系，即之间的关系，即Uf为常数时的为常数时的nf(T)，如图，如图10.2(a)所示。所示。已知直流电动机的机械特性是已知直流电动机的机械特性是式中式中U、R、Ce、CT分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常分别表示电枢电压、电枢回路的电阻、电动势常数和转矩常数。数和转矩常数。在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压在电枢控制方式的直流伺服电动机中，控制电压Uc加在电枢绕组上，即加在电枢绕组上，即U=Uc，代入式，代入式(10.1)，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为，得到直流伺服电动机的机械特性表达式为(10.1)(10.2)第第10章章控控制制电电机机10.810.1伺服电动机伺服电动机式中，式中，理想空载转速；理想空载转速；斜率。斜率。对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电对上式应考虑两种特殊情况：当转矩为零时，电动机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即枢电压成正比，即当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转当转速为零时，电动机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即转矩。堵转转矩与电枢电压成正比，即(10.3)(10.4)当控制电压当控制电压Uc一定时，随着转矩一定时，随着转矩T的增加，转速的增加，转速n成正比的下降，机械成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当特性为向下倾斜的直线，所以直流伺服电动机机械特性的线性度很好。当Uc不同时，其斜率不同时，其斜率不变，机械特性为一组平行线，随着不变，机械特性为一组平行线，随着Uc的降低，机械特的降低，机械特性平行地向下移动。性平行地向下移动。第第10章章控控制制电电机机10.910.1伺服电动机伺服电动机(a) 机械特性 (b) 调节特性图10.2 直流伺服电动机的运行特性2)调节特性调节特性调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的变化关系，即即T为常数时的为常数时的n =f(UK)。调节特性也称为控制特性。如图。调节特性也称为控制特性。如图10.2(b)所示。所示。在式在式(10.2)中，令中，令Uc为常数，为常数，T为变量，为变量，n =f(T)是机械特性；若令是机械特性；若令T为常数，为常数，Uc为变量，为变量，n=f(Uc)是调节特性，如图是调节特性，如图10.2(b)所示，也是直线，所示，也是直线，所以调节特性的线性度也很好。所以调节特性的线性度也很好。当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压当转速为零时，对应不同的电磁转矩可得到不同的起动电压Uc0。当。当电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式电枢电压小于起动电压时，伺服电动机将不能起动。在式(10.2)中令中令n=0能方便地计算出起动电压能方便地计算出起动电压Uc0为为(10.5)第第10章章控控制制电电机机10.1010.1伺服电动机伺服电动机一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在一般把调节特性图上横坐标从零到起动电压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵失灵区以内，即使电枢有外加电压，电动机也转不起来。显而易见，失灵区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。区的大小与负载转矩成正比，负载转矩越大，失灵区也越大。直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度直流伺服电动机的优点是起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信好、调速范围大。其缺点是电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。号，维修比较困难。二、交二、交流伺服电动机流伺服电动机 1. 基本结构和工作原理交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它组成。交流伺服电动机的转子有笼型和杯型两种。无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距定子上嵌放着在空间相距90电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。为励磁为励磁电压，电压，为控制电压，为控制电压，与与同频率。其结构示意图如图同频率。其结构示意图如图10.3所示。所示。第第10章章控控制制电电机机10.1110.1伺服电动机伺服电动机当励磁绕组和控制绕组均加互差当励磁绕组和控制绕组均加互差90电角度电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场(控控制电压和励磁电压的幅值相等制电压和励磁电压的幅值相等)或椭圆形旋转或椭圆形旋转磁场磁场(控制电压和励磁电压幅值不等控制电压和励磁电压幅值不等)，转子在，转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。转磁场。普通的两相异步电动机存在着自转现象，普通的两相异步电动机存在着自转现象，这可以通过图这可以通过图10.4所示的机械特性来说明。所示的机械特性来说明。对异步电动机而言，临界转差率对异步电动机而言，临界转差率sm与转子与转子电阻成正比，即电阻成正比，即式中式中转子电阻转子电阻R2折算到定子侧的折算折算到定子侧的折算值；值；转子漏电抗转子漏电抗X2折算到定子侧的折算折算到定子侧的折算值。值。图10.3 交流伺服电动机结构示意图图10.4 异步电动机的机械特性(10.6)第第10章章控控制制电电机机10.12普通的两相异步电动机的转子电阻较小，普通的两相异步电动机的转子电阻较小，sm也较小，机械特性如图也较小，机械特性如图10.4中的曲线中的曲线1所示，线性变化范围较小。所示，线性变化范围较小。当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。单相异步电动机中的气隙磁场为脉动磁场，可以分解为正转和反转两个旋转单相异步电动机中的气隙磁场为脉动磁场，可以分解为正转和反转两个旋转磁场，分别产生正转电磁转矩磁场，分别产生正转电磁转矩T+与反转电磁转矩与反转电磁转矩T-，在图，在图10.5中用虚线表示，中用虚线表示，电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩T为为T+与与T-的代数和，在图中用实线表示。的代数和，在图中用实线表示。10.1伺服电动机伺服电动机图10.5 转子电阻对交流伺服电动机机械特性的影响第第10章章控控制制电电机机10.1310.1伺服电动机伺服电动机当转子电阻较小时，从图当转子电阻较小时，从图10.5(a)中可以看出，在正转范围内，即当中可以看出，在正转范围内，即当n0时，时，T0，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电动机，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电动机时仍有电磁转矩时仍有电磁转矩T，只要，只要T大于负载转矩大于负载转矩TL，电动机就会继续运转而形成自转，电动机就会继续运转而形成自转现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组串联现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组串联电容器后与工作绕组并联接在交流电源上，作为两相异步电动机而起动，起电容器后与工作绕组并联接在交流电源上，作为两相异步电动机而起动，起动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压为零时，电动机还交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压为零时，电动机还会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电动机还会按原服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电动机还会按原来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图10.5(a)所所示。示。交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式(10.6)可知，增大转子电阻可使临界转差率可知，增大转子电阻可使临界转差率Sm增大，当转子电阻增大到一定增大，当转子电阻增大到一定值时，可使值时，可使Sm1，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线如图如图10.4中曲线中曲线2所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳定运行。若在运行中控制电压定运行。若在运行中控制电压Uc变为零，交流伺服电动机变为单相变为零，交流伺服电动机变为单相第第10章章控控制制电电机机10.1410.1伺服电动机伺服电动机异步电动机，其机械特性如图异步电动机，其机械特性如图10.5(b)的实线所示，在正转范围内，即的实线所示，在正转范围内，即n0时，时，T或或时，转子因某时，转子因某种原因离开种原因离开=时，电磁转矩却不能再恢时，电磁转矩却不能再恢复到原平衡点，因此复到原平衡点，因此=为不稳定的平衡点。为不稳定的平衡点。两个不稳定的平衡点之间即为步进电动机的静两个不稳定的平衡点之间即为步进电动机的静态稳定区域，稳定区域为态稳定区域，稳定区域为+。2)最大静转矩最大静转矩矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当矩角特性中，静转矩的最大值称为最大静转矩。当=/2时，时，T有最大值有最大值Tsm，由式，由式(10.9)可知，最大静转矩可知，最大静转矩。2. 反应式步进电动机的动特性步进电动机的动特性是指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电步进电动机的动特性是指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电第第10章章控控制制电电机机10.3010.2步进电动机步进电动机状态时所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频状态时所表现出的性质。动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。特性等。1)动稳定区动稳定区步进电动机的动稳定区是指使步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定步进电动机的动稳定区是指使步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。动稳定区如图状态而不失步的区域。动稳定区如图10.14所示，设步进电动机的初始状态的矩所示，设步进电动机的初始状态的矩角特性为图中曲线角特性为图中曲线1，稳定点为，稳定点为A点，通电状态改变后的矩角特性为曲线点，通电状态改变后的矩角特性为曲线2，稳，稳定点为定点为B点。由矩角特性可知，起始位置只有在点。由矩角特性可知，起始位置只有在a点与点与b点之间时，才能到达新点之间时，才能到达新的稳定点的稳定点B，ab区间称为步进电动机的空载稳定区。用失调角表示的区间为区间称为步进电动机的空载稳定区。用失调角表示的区间为。图10.14 步进电动机的动稳定区稳定区的边界点稳定区的边界点a到初始稳定平衡点到初始稳定平衡点A的角度，用的角度，用表示，称为稳定裕量角，表示，称为稳定裕量角，稳定裕量角与步距角稳定裕量角与步距角之间的关系为之间的关系为(10.10)第第10章章控控制制电电机机10.3110.2步进电动机步进电动机稳定裕量角越大，步进电动机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电动机稳定裕量角越大，步进电动机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电动机不能稳定工作。步距角越大，裕量角也就越小。显然，步距角越小，步进电动机不能稳定工作。步距角越大，裕量角也就越小。显然，步距角越小，步进电动机的稳定性越好。的稳定性越好。2)起动转矩起动转矩反应式步进电动机的最大起动转矩与最大静转矩之间有如下关系反应式步进电动机的最大起动转矩与最大静转矩之间有如下关系式中式中Tst最大起动转矩。最大起动转矩。当负载转矩大于最大起动转矩时，步进电动机将不能起动。当负载转矩大于最大起动转矩时，步进电动机将不能起动。3)起动频率起动频率起动频率是指在一定负载条件下，步进电动机能够不失步地起动的脉冲最高起动频率是指在一定负载条件下，步进电动机能够不失步地起动的脉冲最高频率。因为步进电动机在起动时，除了要克服静负载转矩以外，还要克服加速时频率。因为步进电动机在起动时，除了要克服静负载转矩以外，还要克服加速时的负载转矩，如果起动时频率过高，转子就可能跟不上而造成振荡。因此，规定的负载转矩，如果起动时频率过高，转子就可能跟不上而造成振荡。因此，规定在一定负载转矩下能不失步运行的最高频率叫做连续运行频率。由于此时加速度在一定负载转矩下能不失步运行的最高频率叫做连续运行频率。由于此时加速度较小，机械惯性影响不大，所以连续运行频率要比起动频率高得多。较小，机械惯性影响不大，所以连续运行频率要比起动频率高得多。起动频率的大小与以下几个因素有关：起动频率起动频率的大小与以下几个因素有关：起动频率与步进电动机的步距角与步进电动机的步距角有关。步距角越小，起动频率越高；步进电动机的最大静态转矩越大，起动频率有关。步距角越小，起动频率越高；步进电动机的最大静态转矩越大，起动频率越高；转子齿数多，步距角小，起动频率高；电路时间常数大，起动频率降低。越高；转子齿数多，步距角小，起动频率高；电路时间常数大，起动频率降低。(10.11)第第10章章控控制制电电机机10.3210.2步进电动机步进电动机对于使用者而言，要想增大起动频率，可增大起动电流或减小电路的时对于使用者而言，要想增大起动频率，可增大起动电流或减小电路的时间常数。间常数。4)矩频特性矩频特性步进电动机的主要性能指标是矩频特性。步进电动机的矩频特性曲线的纵步进电动机的主要性能指标是矩频特性。步进电动机的矩频特性曲线的纵坐标为电磁转矩坐标为电磁转矩T，横坐标为工作频率，横坐标为工作频率f。典型的步进电动机矩频特性曲线如图。典型的步进电动机矩频特性曲线如图10.15所示。从图中可看出，步进电动机的转矩随频率所示。从图中可看出，步进电动机的转矩随频率的增大而减小。步进电动机的矩频特性曲线和许多因的增大而减小。步进电动机的矩频特性曲线和许多因素有关，这些因素包括步进电动机的转子直径、转子素有关，这些因素包括步进电动机的转子直径、转子铁心有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电动机内铁心有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电动机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、控制部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、控制线路的电压等。很明显，其中有的因素是步进电动机线路的电压等。很明显，其中有的因素是步进电动机在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、线路时间常数等。线路时间常数等。选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情况，综台考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满况，综台考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满足系统的要求。足系统的要求。图10.15 步进电动机的矩频特性第第10章章控控制制电电机机10.3310.3测速发电机测速发电机测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测测速发电机能把机械转速转换成与之成正比的电压信号，可以用作检测元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和计元件、解算元件、角速度信号元件，广泛地应用于自动控制、测量技术和计算技术等装置中。算技术等装置中。自动控制系统对测速发电机的要求是：自动控制系统对测速发电机的要求是：(1)线性度好，即输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条线性度好，即输出电压要严格与转速成正比，并不受温度等外界条件变化的影响。件变化的影响。(2)灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。灵敏度高，即在一定的转速下，输出电压值要尽可能大。(3)不灵敏区小。不灵敏区小。(4)转动惯量小，以保证测速的快速性。转动惯量小，以保证测速的快速性。按电流种类的不同，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电按电流种类的不同，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。直流测速发电机又有永磁式和电磁式之分；交流测速发电机分为机两大类。直流测速发电机又有永磁式和电磁式之分；交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。同步测速发电机和异步测速发电机。第第10章章控控制制电电机机10.3410.3测速发电机测速发电机一、直流测速发电机一、直流测速发电机直流测速发电机的结构和原理都与他励直流发电机基本相同，也是由装直流测速发电机的结构和原理都与他励直流发电机基本相同，也是由装有磁极的定子、电枢和换向器等组成。按照励磁方式的不同，可分为永磁式有磁极的定子、电枢和换向器等组成。按照励磁方式的不同，可分为永磁式和电磁式两种。永磁式直流测速发电机采用矫顽力高的磁钢制成磁极，结构和电磁式两种。永磁式直流测速发电机采用矫顽力高的磁钢制成磁极，结构简单，不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，应用简单，不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，应用较广。电磁式直流测速发电机由他励方式励磁。较广。电磁式直流测速发电机由他励方式励磁。直流测速发电机的输出电压直流测速发电机的输出电压U与转速与转速n之间的关系之间的关系U=f(n)称为输出特性。称为输出特性。第第1章中已分析过，当定子每极磁通章中已分析过，当定子每极磁通为常数时，发电机的电枢电动势为为常数时，发电机的电枢电动势为式中式中Ce电势常数。电势常数。此时，输出电压此时，输出电压U为为式中式中Ra电枢回路电阻；电枢回路电阻；RL负载电阻。负载电阻。(10.12)(10.13)(10.14)式中式中常数，即输出特性的斜率。常数，即输出特性的斜率。第第10章章控控制制电电机机10.3510.3测速发电机测速发电机此时，输出电压此时，输出电压U与转速与转速n成正比，如图成正比，如图10.16所示。当负载增加时，由式所示。当负载增加时，由式(10.14)可知，可知，k将减小，输出特性下移。曲线将减小，输出特性下移。曲线1为空载时的输出特性，曲线为空载时的输出特性，曲线2为负载时的输出特性。为负载时的输出特性。实际运行中，直流测速发电机的输出电压与实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不能保持严格的正比关系，实际输出转速之间并不能保持严格的正比关系，实际输出特性如图特性如图10.16中的曲线中的曲线3所示，实际输出电压与所示，实际输出电压与理想输出电压之间产生了误差。产生误差的原因理想输出电压之间产生了误差。产生误差的原因主要有以下几个方面。主要有以下几个方面。图10.16 直流测速发电机的输出特性 1. 电枢反应产生误差的主要原因是电枢反应的去磁作用。电枢反应使得主磁通发生变产生误差的主要原因是电枢反应的去磁作用。电枢反应使得主磁通发生变化，式化，式(10.12)中的电动势常数中的电动势常数Ce将不是常值，而是随负载电流变化而变化的，将不是常值，而是随负载电流变化而变化的，负载电流升高则电动势系数负载电流升高则电动势系数Ce略有减小，特性曲线向下弯曲，如图略有减小，特性曲线向下弯曲，如图10.16中的曲中的曲线线3所示。转速愈高，所示。转速愈高，Ea愈大，愈大，Ia也愈大，电枢反应的去磁作用就愈强，误差也也愈大，电枢反应的去磁作用就愈强，误差也愈大。为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿，结构上加愈大。为消除电枢反应的影响，除在设计时采用补偿绕组进行补偿，结构上加大气隙削弱电枢反应的影响外，使用时应使发电机的负载电阻阻值等于或大于大气隙削弱电枢反应的影响外，使用时应使发电机的负载电阻阻值等于或大于第第10章章控控制制电电机机10.3610.3测速发电机测速发电机负载电阻的规定值，并限制测速发电机的转速不能太高。这样可使负载电流负载电阻的规定值，并限制测速发电机的转速不能太高。这样可使负载电流对电枢反应的影响尽可能小。此外增大负载电阻还可以使发电机的灵敏性增对电枢反应的影响尽可能小。此外增大负载电阻还可以使发电机的灵敏性增强。强。 2. 电刷接触电阻的影响电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低时，电刷接触电阻为非线性电阻，当测速发电机的转速低，输出电压也低时，接触电阻较大，电刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，实际输出电接触电阻较大，电刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，实际输出电压较小；而当转速升高时接触电阻变小，接触电阻压降也变小。因此在低转压较小；而当转速升高时接触电阻变小，接触电阻压降也变小。因此在低转速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性影响而有一个不灵敏区。考速时转速与电压间的关系由于接触电阻的非线性影响而有一个不灵敏区。考虑电刷接触电阻影响后的特性曲线如图虑电刷接触电阻影响后的特性曲线如图10.17所示。为减小电刷接触电阻的影所示。为减小电刷接触电阻的影响，使用时可对低输出电压进行非线性补偿。响，使用时可对低输出电压进行非线性补偿。图10.17 直流测速发电动机实际输出特性 3. 纹波影响由于换向片数量有限，实际输出由于换向片数量有限，实际输出电压是一个脉动的直流，虽然脉动分电压是一个脉动的直流，虽然脉动分量在整个输出电压中所占比重不大量在整个输出电压中所占比重不大(高高速时约为速时约为1%)，但对高精度系统是不允，但对高精度系统是不允许的。为消除脉动影响可在电压输出许的。为消除脉动影响可在电压输出电路中加入滤波电路。电路中加入滤波电路。第第10章章控控制制电电机机10.3710.3测速发电机测速发电机二、交流测速发电机二、交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。同步测速交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。同步测速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示式发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示式转速计，很少用于控制系统中的转速测量。异步测速发电机的输出电压频率转速计，很少用于控制系统中的转速测量。异步测速发电机的输出电压频率与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速n成正比，因此在控成正比，因此在控制系统中得到广泛的应用。制系统中得到广泛的应用。 1. 交流异步测速发电机异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型测速发电机不如空心杯异步测速发电机分为笼型和空心杯型两种，笼型测速发电机不如空心杯型测速发电动机的测量精度高，而且空心杯型测速发电机的转动惯量也小，型测速发电动机的测量精度高，而且空心杯型测速发电机的转动惯量也小，适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电机。空心杯适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯型测速发电机。空心杯型测速发电机的结构与空心杯型伺服电动机的结构基本相同。它由外定子、型测速发电机的结构与空心杯型伺服电动机的结构基本相同。它由外定子、空心杯型转子、内定子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；空心杯型转子、内定子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；内定子上放置输出绕组，这两套绕组在空间相隔内定子上放置输出绕组，这两套绕组在空间相隔90电角度。为获得线性较电角度。为获得线性较好的电压输出信号，空心杯形转子由电阻率较大和温度系数较低的非磁性村好的电压输出信号，空心杯形转子由电阻率较大和温度系数较低的非磁性村料制成，如磷青铜、锡锌青铜、硅锰青铜等，杯厚料制成，如磷青铜、锡锌青铜、硅锰青铜等，杯厚0.2mm0.3mm。第第10章章控控制制电电机机10.3810.3测速发电机测速发电机图图10.18为空心杯型异步测速发电机的原理图。为空心杯型异步测速发电机的原理图。在图中定子两相绕组在空间位置上严格相差在图中定子两相绕组在空间位置上严格相差90电电角度，在一相上加恒频恒压的交流电源，使其作角度，在一相上加恒频恒压的交流电源，使其作为励磁绕组产生励磁磁通；另一相作为输出绕组，为励磁绕组产生励磁磁通；另一相作为输出绕组，输出电压输出电压U2与励磁绕组电源同频率，幅值与转速与励磁绕组电源同频率，幅值与转速成正比。成正比。发电机励磁绕组中加入恒频恒压的励磁电压发电机励磁绕组中加入恒频恒压的励磁电压时，励磁绕组中有励磁电流流过，产生与电源同时，励磁绕组中有励磁电流流过，产生与电源同频率的脉动磁动势频率的脉动磁动势Fd和脉动磁通和脉动磁通。磁动势。磁动势Fd和和磁通磁通在励磁绕组的轴线方向上脉动，称为直轴在励磁绕组的轴线方向上脉动，称为直轴磁动势和磁通。磁动势和磁通。图10.18异步测速发电机工作原理图 电动机转子和输出绕组中的电动势及由此而产生的反应磁动势，根据电电动机转子和输出绕组中的电动势及由此而产生的反应磁动势，根据电动机的转速可分两种情况动机的转速可分两种情况1)n=0电动机不转电动机不转当当n=0时，即转子不动时，直轴脉振磁通在转子中产生的感应电动势为变时，即转子不动时，直轴脉振磁通在转子中产生的感应电动势为变压器电动势。由于转子是闭合的，这个变压器电动势将产生转子电流、根据压器电动势。由于转子是闭合的，这个变压器电动势将产生转子电流、根据电磁感应理论，该电流所产生的磁通方向应与励磁绕组所产生的直轴磁通电磁感应理论，该电流所产生的磁通方向应与励磁绕组所产生的直轴磁通第第10章章控控制制电电机机10.3910.3测速发电机测速发电机相反，所以二者的合成磁通还是直轴磁通。由于输出绕组与励磁绕组互相相反，所以二者的合成磁通还是直轴磁通。由于输出绕组与励磁绕组互相垂直，合成磁通也与输出绕组的轴线垂直，因此输出绕组与磁通没有耦合垂直，合成磁通也与输出绕组的轴线垂直，因此输出绕组与磁通没有耦合关系故不产生感应电动势，输出电压关系故不产生感应电动势，输出电压U2为零。为零。2)n0电动机旋转电动机旋转当转子转动时，转子切割脉动磁通当转子转动时，转子切割脉动磁通，产生切割电动势，产生切割电动势Er，切割电，切割电动势的大小可通过式动势的大小可通过式(10.14)计算。计算。式中式中Cr转子电动势常数；转子电动势常数；脉动磁通幅值。脉动磁通幅值。可见，转子电动势的幅值与转速成正比。转子电动势的方向可用右手可见，转子电动势的幅值与转速成正比。转子电动势的方向可用右手定则判断。转子中的感应电动势在转子杯中产生短路电流定则判断。转子中的感应电动势在转子杯中产生短路电流IS，考虑转子漏，考虑转子漏抗的影响，转子电流要滞后转子感应电动势一定的电角度。短路电流抗的影响，转子电流要滞后转子感应电动势一定的电角度。短路电流IS产产生脉动磁动势生脉动磁动势Fr，转子的脉动磁动势可分解为直轴磁动势，转子的脉动磁动势可分解为直轴磁动势Frd和交轴磁动势和交轴磁动势Frq，直轴磁动势将影响励磁磁动势并使励磁电流发生变化，交轴磁动势，直轴磁动势将影响励磁磁动势并使励磁电流发生变化，交轴磁动势Frq产生交轴磁通产生交轴磁通。交轴磁通与输出绕组交链感应出频率与励磁频率相。交轴磁通与输出绕组交链感应出频率与励磁频率相同，幅值与交轴磁通同，幅值与交轴磁通成正比的感应电动势成正比的感应电动势E2。由于由于FrqFrErn，所以，所以E2n，即输出绕组的感应电动势的幅值，即输出绕组的感应电动势的幅值正比于测速发电动机的转速，而频率与转速无关为励磁电源的频率。正比于测速发电动机的转速，而频率与转速无关为励磁电源的频率。(10.15)第第10章章控控制制电电机机10.4010.3测速发电机测速发电机定、转子中的电流、电动势及空间磁动势与磁通间的关系如图定、转子中的电流、电动势及空间磁动势与磁通间的关系如图10.18所示。所示。交流异步测速发电动机的输出特性交流异步测速发电动机的输出特性U2=f(n)如图如图10.19所示。所示。图10.19 交流异步测速发电动机的输出特性 当忽略励磁绕组的漏阻抗时，只要电源电当忽略励磁绕组的漏阻抗时，只要电源电压压Uf恒定，则恒定，则为常数，由上述分析可知，输为常数，由上述分析可知，输出绕组的感应电动势出绕组的感应电动势E2及空载输出电压及空载输出电压U2都与都与n成正比，理想空载输出特性为直线，如图成正比，理想空载输出特性为直线，如图10.19中的直线中的直线1所示。所示。测速发电动机实际运行时，由图测速发电动机实际运行时，由图10.18可知，可知，转子切割转子切割而产生的磁动势而产生的磁动势Frd是起去磁作用是起去磁作用的，使合成后的，使合成后d轴上总的磁通减少，输出绕组感轴上总的磁通减少，输出绕组感应电动势应电动势E2减少，输出电压减少，输出电压U2随之降低，所以随之降低，所以实际的空载输出特性如图实际的空载输出特性如图10.19中的曲线中的曲线2所示。所示。当测速发电机的输出绕组接上负载阻抗当测速发电机的输出绕组接上负载阻抗ZL时，由于输出绕组本身有漏阻抗时，由于输出绕组本身有漏阻抗Z2，会产生漏阻抗压降，使输出电压降低，这时输出电压为，会产生漏阻抗压降，使输出电压降低，这时输出电压为(10.16)第第10章章控控制制电电机机10.4110.3测速发电机测速发电机上式说明，负载运行时，输出电压上式说明，负载运行时，输出电压U2不仅与输出绕组的感应电动势不仅与输出绕组的感应电动势E2有有关，而且还与负载的大小和性质有关。带负载运行时的输出特性如图关，而且还与负载的大小和性质有关。带负载运行时的输出特性如图10.19中中的曲线的曲线3所示。所示。交流测速发电机存在剩余电压。剩余电压是指励磁电压已经供给，转子交流测速发电机存在剩余电压。剩余电压是指励磁电压已经供给，转子转速为零时，输出绕组产生的电压。转速为零时，输出绕组产生的电压。剩余电压的存在，使转子不转时也有输出电压，造成失控；转子旋转时，剩余电压的存在，使转子不转时也有输出电压，造成失控；转子旋转时，它叠加在输出电压上，使输出电压的大小及相位发生变化，造成误差。它叠加在输出电压上，使输出电压的大小及相位发生变化，造成误差。产生剩余电压的原因很多，其中之一是由于加工、装配过程中存在机械产生剩余电压的原因很多，其中之一是由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，励磁绕组与输出绕组在空间不上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，励磁绕组与输出绕组在空间不是严格地相差是严格地相差90电角度，这时两绕组之间就有电磁耦合，当励磁绕组接电源，电角度，这时两绕组之间就有电磁耦合，当励磁绕组接电源，即使转子不转，电磁耦合会使输出绕组产生感应电动势，从而产生剩余电压。即使转子不转，电磁耦合会使输出绕组产生感应电动势，从而产生剩余电压。选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机械加工和装配过程中提高机选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机械加工和装配过程中提高机械精度，以及装配补偿绕组可以减少剩余电压。使用者则可通过电路补偿的械精度，以及装配补偿绕组可以减少剩余电压。使用者则可通过电路补偿的方法去除剩余电压的影响。方法去除剩余电压的影响。第第10章章控控制制电电机机10.4210.3测速发电机测速发电机 2. 交流同步测速发电机同步测速发电机的转子为永磁式，即采用永久磁铁做磁极；定子上同步测速发电机的转子为永磁式，即采用永久磁铁做磁极；定子上嵌放着单相输出绕组。当转子旋转时，输出绕组产生单相的交变电动势，嵌放着单相输出绕组。当转子旋转时，输出绕组产生单相的交变电动势，其有效值，而其交变电动势的频率为其有效值，而其交变电动势的频率为f=pn/60。输出绕组产生的感应电动势输出绕组产生的感应电动势E，其大小与转速成正比，但是其交变的，其大小与转速成正比，但是其交变的频率也与转速成正比变化就带来了麻烦。因为当输出绕组接负载时，负频率也与转速成正比变化就带来了麻烦。因为当输出绕组接负载时，负载的阻抗会随频率的变化而变化，也就会随转速的变化而变化，不会是载的阻抗会随频率的变化而变化，也就会随转速的变化而变化，不会是一个定值，使输出特性不能保持线性关系。由于存在这样的问题，因此一个定值，使输出特性不能保持线性关系。由于存在这样的问题，因此同步测速发电机不像异步测速发电动机那样得到广泛的应用。如果用整同步测速发电机不像异步测速发电动机那样得到广泛的应用。如果用整流电路将同步测速发电机输出的交流电压整流为直流电压输出，就可以流电路将同步测速发电机输出的交流电压整流为直流电压输出，就可以消除频率随转速变化带来的缺陷，使输出的直流电压与转速成正比，这消除频率随转速变化带来的缺陷，使输出的直流电压与转速成正比，这时用同步发电机测量转速就有较好的线性度。时用同步发电机测量转速就有较好的线性度。第第10章章控控制制电电机机10.4310.4直线电动机直线电动机直线电动机就是把电能直接转换成直线运动的机械能的电动机。当然旋直线电动机就是把电能直接转换成直线运动的机械能的电动机。当然旋转电动机也可以通过转换装置，将旋转运动转变为直线运动，带动负载作直转电动机也可以通过转换装置，将旋转运动转变为直线运动，带动负载作直线运行。但由于有中间转换装置，使得这种拖动系统效率低、体积大、成本线运行。但由于有中间转换装置，使得这种拖动系统效率低、体积大、成本高。直线电动机不需要转换装置，自身能产生直线作用力，直接带动负载作高。直线电动机不需要转换装置，自身能产生直线作用力，直接带动负载作直线运动，因而使系统结构简单，运行效率和传动精度均较高。直线运动，因而使系统结构简单，运行效率和传动精度均较高。与旋转电动机对应，直线电动机也分为直线异步电动机、直线同步电动与旋转电动机对应，直线电动机也分为直线异步电动机、直线同步电动机、直线直流电动机。在直线电动机中，直线异步电动机应用最广泛。本节机、直线直流电动机。在直线电动机中，直线异步电动机应用最广泛。本节将以直线异步电动机为例，介绍直线电动机的结构形式和工作原理。将以直线异步电动机为例，介绍直线电动机的结构形式和工作原理。一、直线电动机的结构形式一、直线电动机的结构形式直线异步电动机主要有平板型、圆筒型和圆盘型直线异步电动机主要有平板型、圆筒型和圆盘型3种型式。种型式。 1. 平板型直线异步电动机平板型直线异步电动机可以看成是从旋转电动机演变而来的。可以设想，平板型直线异步电动机可以看成是从旋转电动机演变而来的。可以设想，有一台极数很多的三相异步电动机，其定子半径相当大，定子内表面的某一有一台极数很多的三相异步电动机，其定子半径相当大，定子内表面的某一段可以认为是直线，则这一段便是直线电动机。也可以认为把旋转电动机的段可以认为是直线，则这一段便是直线电动机。也可以认为把旋转电动机的定子和转子沿径向剖开，并展开成平面，就得到了最简单的平板型直线电动定子和转子沿径向剖开，并展开成平面，就得到了最简单的平板型直线电动机，如图机，如图10.20所示。所示。第第10章章控控制制电电机机10.4410.4直线电动机直线电动机(a) 旋转电动机 (b) 平板型直线异步电动机图10.20 直线异步电动机的形成旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中又称为初级和次级旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中又称为初级和次级(滑子滑子)。直线电动机的运行方式可以是固定初级，让次级运动，此时称为动次级；相直线电动机的运行方式可以是固定初级，让次级运动，此时称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。为了在运动过程中始终反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。为了在运动过程中始终保持初级和次级耦合，初级和次级的长度不应相同，可以使初级长于次级，保持初级和次级耦合，初级和次级的长度不应相同，可以使初级长于次级，称为短次级称为短次级(短滑子短滑子)；也可以使次级长于初级，称为短初级，如图；也可以使次级长于初级，称为短初级，如图10.21所所示。由于短初级结构比较简单，制造和运行成本较低，故一般常用短初级。示。由于短初级结构比较简单，制造和运行成本较低，故一般常用短初级。第第10章章控控制制电电机机10.4510.4直线电动机直线电动机图10.21 平板型直线异步电动机(单边型)结构示意图图图10.21所示的平板型直线电所示的平板型直线电动机仅在次级的一边安装有初级，动机仅在次级的一边安装有初级，这种结构型式称为单边型。单边这种结构型式称为单边型。单边型直线异步电动机除了产生切向型直线异步电动机除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较力外，还会在初、次级间产生较大的法向力，这在某些应用中是大的法向力，这在某些应用中是不希望的，为了更充分地利用次不希望的，为了更充分地利用次级和消除法向力，次级的两侧都级和消除法向力，次级的两侧都安装初级，这种结构型式称为双安装初级，这种结构型式称为双边型，如图边型，如图10.22所示。所示。平板型直线异步电动机的初平板型直线异步电动机的初级铁心由硅钢片叠装而成，表面级铁心由硅钢片叠装而成，表面开有齿槽，槽中安放着三相绕组。开有齿槽，槽中安放着三相绕组。最常用的次级结构有最常用的次级结构有3种形式：种形式：(1)用整块钢板制成，称为用整块钢板制成，称为钢次级或磁性次级，这时，钢既钢次级或磁性次级，这时，钢既起导磁作用，又起导电作用；起导磁作用，又起导电作用；图10.22 平板型直线异步电动机(双边型)结构示意图 第第10章章控控制制电电机机10.4610.4直线电动机直线电动机(2)为钢板上覆合一层铜板或铝板，称为覆合次级，钢主要用于导磁，而为钢板上覆合一层铜板或铝板，称为覆合次级，钢主要用于导磁，而铜或铝用于导电；铜或铝用于导电；(3)是单纯的铜板或铝板，称为铜是单纯的铜板或铝板，称为铜(铝铝)次级或非磁性次级，这种次级一般次级或非磁性次级，这种次级一般用于双边型电动机中。用于双边型电动机中。 2. 圆筒型直线异步电动机若将平板型直线异步电动机沿着与移动方向相垂直的方向卷成圆筒，即若将平板型直线异步电动机沿着与移动方向相垂直的方向卷成圆筒，即成圆筒型直线异步电动机，如图成圆筒型直线异步电动机，如图10.23所示。所示。图10.23 圆筒型直线异步电动机第第10章章控控制制电电机机10.4710.4直线电动机直线电动机 3. 圆盘型直线异步电动机若将平板型直线异步电动机的次级若将平板型直线异步电动机的次级制成圆盘型结构，并能绕经过圆心的轴制成圆盘型结构，并能绕经过圆心的轴自由转动。使初级放在圆盘的两侧，使自由转动。使初级放在圆盘的两侧，使圆盘在电磁力作用下自由转动，便成为圆盘在电磁力作用下自由转动，便成为圆盘型直线异步电动机，如图圆盘型直线异步电动机，如图10.24所所示。示。图10.24 圆盘型直线异步电动机二、直线异步电动机的工作原理二、直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的定子绕组与笼型异步电动机的定子绕组一样，都是直线异步电动机的定子绕组与笼型异步电动机的定子绕组一样，都是三相绕组，只不过笼型异步电动机的定子三相绕组对称地分布在定子圆周三相绕组，只不过笼型异步电动机的定子三相绕组对称地分布在定子圆周上，而直线异步电动机的定子三相绕组排列成一条直线，它们分别如图上，而直线异步电动机的定子三相绕组排列成一条直线，它们分别如图10.25(a)和和(b)所示。所示。对于图对于图10.25(a)所示的笼型三相异步电动机而言，在定子的三相对称绕所示的笼型三相异步电动机而言，在定子的三相对称绕组组U、V、W中通入对称的三相交流电流时，所产生的气隙磁场是在空间成中通入对称的三相交流电流时，所产生的气隙磁场是在空间成正弦分布、且沿正弦分布、且沿UVW方向旋转的旋转磁场，其同步转速为方向旋转的旋转磁场，其同步转速为n1。第第10章章控控制制电电机机10.4810.4直线电动机直线电动机旋转磁场切割转子导体会产生切割电动势，从而产生转子电流。旋转磁场对旋转磁场切割转子导体会产生切割电动势，从而产生转子电流。旋转磁场对转子电流的作用会产生电磁转矩，带动转子及负载以转速转子电流的作用会产生电磁转矩，带动转子及负载以转速n旋转。旋转。(a) 笼型三相异步电动机 (b) 直线异步电动机图10.25 直线异步电动机的工作原理1定子 2转子 3旋转磁场 1定子 2转子 3行波磁场对于图对于图10.25(b)所示的直线异步电动机而言，在定子的三相绕组所示的直线异步电动机而言，在定子的三相绕组U、V、W中通入对称的三相交流电流时，同样会产生在空间成正弦分布、沿中通入对称的三相交流电流时，同样会产生在空间成正弦分布、沿UVW方向运动的气隙磁场，只是由于定子绕组不是按圆周排列而是按直线作有方向运动的气隙磁场，只是由于定子绕组不是按圆周排列而是按直线作有序排列，因而产生的磁场不是旋转磁场，而是沿直线方向移动的磁场，称为序排列，因而产生的磁场不是旋转磁场，而是沿直线方向移动的磁场，称为行波磁场。行波磁场在空间呈正弦分布，如图行波磁场。行波磁场在空间呈正弦分布，如图10.25(b)所示，其移动速度即同所示，其移动速度即同步速度步速度v1为为第第10章章控控制制电电机机10.4910.4直线电动机直线电动机(10.17)式中式中极距。极距。直线运动磁场切割转子导体会产生感应电动势和感应电流，直线运动磁场切割转子导体会产生感应电动势和感应电流，该感应电流该感应电流与行波磁场相互作用，产生电磁力与行波磁场相互作用，产生电磁力，使转子，使转子(次级次级)跟随行波磁场移动。如跟随行波磁场移动。如果定子是固定不动的，则电磁力果定子是固定不动的，则电磁力F会带动转子及负载作直线运动，其运行速会带动转子及负载作直线运动，其运行速度用度用v表示。直线异步电动机的转差率为表示。直线异步电动机的转差率为(10.18)将式将式(10.18)代入式代入式(10.17)，得，得(10.19)式中式中f1为电流频率。为电流频率。由上式可知，改变极距由上式可知，改变极距和电源频率和电源频率f1，均可改变次级的移动速度。，均可改变次级的移动速度。直线异步电动机主要应用在各种直线运动的电力拖动系统中，如磁悬浮直线异步电动机主要应用在各种直线运动的电力拖动系统中，如磁悬浮高速列车、自动搬运装置、传送带、带锯、直线打桩机、电磁锤、矿山用直高速列车、自动搬运装置、传送带、带锯、直线打桩机、电磁锤、矿山用直线电动机推车机等，也用于自动控制系统中，如液态金属电磁泵、门阀、开线电动机推车机等，也用于自动控制系统中，如液态金属电磁泵、门阀、开关自动关闭装置、自动生产线机械手和计算机磁盘定位机构等。关自动关闭装置、自动生产线机械手和计算机磁盘定位机构等。第第10章章控控制制电电机机10.5010.5自自整整角角机机自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电动自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电动机。自整角机用作角度的传输、转换和指示，在各种控制系统中，尤其是在机。自整角机用作角度的传输、转换和指示，在各种控制系统中，尤其是在遥远指示装置和随动系统中得到广泛应用。在自动控制系统中通常是两台或遥远指示装置和随动系统中得到广泛应用。在自动控制系统中通常是两台或多台自整角机组合使用，其作用是通过两台或多台电动机在电路上的联系使多台自整角机组合使用，其作用是通过两台或多台电动机在电路上的联系使机械上互不相联的两根或多根转轴能够自动地保持相同的转角变化或同步的机械上互不相联的两根或多根转轴能够自动地保持相同的转角变化或同步的旋转变化。其中产生控制信号的主自整角机称为发送机，接收控制信号、执旋转变化。其中产生控制信号的主自整角机称为发送机，接收控制信号、执行控制命令与发送自整角机保持同步的自整角机称为接收机。行控制命令与发送自整角机保持同步的自整角机称为接收机。自整角机按其供电电源相数的不同，可分为单相自整角机和三相自整角自整角机按其供电电源相数的不同，可分为单相自整角机和三相自整角机。三相自整角机多用于功率较大的系统中，又称为功率自整角机，其结构机。三相自整角机多用于功率较大的系统中，又称为功率自整角机，其结构型式与三相绕线式异步电动机相同，一般不属于控制电动机之列，且其工作型式与三相绕线式异步电动机相同，一般不属于控制电动机之列，且其工作原理也与单相自整角机基本相同，所以本节只讨论单相自整角机。原理也与单相自整角机基本相同，所以本节只讨论单相自整角机。根据自整角机的功能可把自整角机分为控制式自整角机和力矩式自整角根据自整角机的功能可把自整角机分为控制式自整角机和力矩式自整角机两类。机两类。力矩式自整角机主要用于精度较低的指示系统和角传递系统中，如液面力矩式自整角机主要用于精度较低的指示系统和角传递系统中，如液面的高低，闸门的开启度，液压电磁阀的开闭，船舶的舵角、方位和船体倾斜的高低，闸门的开启度，液压电磁阀的开闭，船舶的舵角、方位和船体倾斜的指示、核反应堆控制棒位置的指示等。这类自整角机的特点是本身不能放的指示、核反应堆控制棒位置的指示等。这类自整角机的特点是本身不能放大力矩，要带动接收机轴上的机械负载，必须由自整角机发送机一方的驱动大力矩，要带动接收机轴上的机械负载，必须由自整角机发送机一方的驱动装置供给转矩。装置供给转矩。第第10章章控控制制电电机机10.5110.5自自整整角角机机控制式自整角机主要应用于由自整角机和伺服机构组成的精度较高、负控制式自整角机主要应用于由自整角机和伺服机构组成的精度较高、负载较大的随动系统中，如雷达高低角自动显示系统等。这类自整角机的特点是载较大的随动系统中，如雷达高低角自动显示系统等。这类自整角机的特点是接收机转轴不直接带动负载，即没有力矩输出。而当发送机和接收机转子之间接收机转轴不直接带动负载，即没有力矩输出。而当发送机和接收机转子之间存在角位差存在角位差(即失调角即失调角)时，在接收机上将有与此失调角呈正弦函数关系的电压时，在接收机上将有与此失调角呈正弦函数关系的电压输出。此电压经放大器放大后，再加到伺服电动机的控制绕组中，使伺服电动输出。此电压经放大器放大后，再加到伺服电动机的控制绕组中，使伺服电动机转动，从而便失调角减小，直到失调角为零，使接收机上输出电压为机转动，从而便失调角减小，直到失调角为零，使接收机上输出电压为0，伺，伺服电动机立即停转，由此可见，接收机上输出的是与角位差有关的一个电压信服电动机立即停转，由此可见，接收机上输出的是与角位差有关的一个电压信号，因此可以说控制用自整角机实际上是角位置失调检测电动机。控制式自整号，因此可以说控制用自整角机实际上是角位置失调检测电动机。控制式自整角机的驱动负载能力取决于系统中的伺服电动机的容量，与自整角机无关。控角机的驱动负载能力取决于系统中的伺服电动机的容量，与自整角机无关。控制式自整角机组成的是闭环系统，因此精度较高。制式自整角机组成的是闭环系统，因此精度较高。一、力矩式自整角机的结构与工作原理一、力矩式自整角机的结构与工作原理自整角机也是由定子和转子两部分组成。定子铁心槽内放置对称三相绕自整角机也是由定子和转子两部分组成。定子铁心槽内放置对称三相绕组，称为整步绕组，接成星形。转子上放置两极的单相绕组，用于励磁，组，称为整步绕组，接成星形。转子上放置两极的单相绕组，用于励磁，称为励磁绕组，励磁绕组与单相交流电源相连接。为在整个圆周范围内能称为励磁绕组，励磁绕组与单相交流电源相连接。为在整个圆周范围内能够准确定位，力矩式自整角机通常采用两极电动机。够准确定位，力矩式自整角机通常采用两极电动机。第第10章章控控制制电电机机10.5210.5自自整整角角机机图图10.26为自整角机的工作原理图，在图中一台自整角机作为发送机，为自整角机的工作原理图，在图中一台自整角机作为发送机，如左边的一台；一台作为接收机，并且两台电动机的结构和参数相同。在工如左边的一台；一台作为接收机，并且两台电动机的结构和参数相同。在工作工程中励磁绕组接在同一单相交流励磁电源上，两台电动机的三相整步绕作工程中励磁绕组接在同一单相交流励磁电源上，两台电动机的三相整步绕组彼此对应相连。为了分析方便，规定励磁绕组与整步绕组的组彼此对应相连。为了分析方便，规定励磁绕组与整步绕组的U相之间的夹相之间的夹角角为转子的位置角。为转子的位置角。图10.26 力矩式自整角机的工作原理图第第10章章控控制制电电机机10.5310.5自自整整角角机机 1. 力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流在图中发送机的转子位置为在图中发送机的转子位置为，接收机的转子位置为，接收机的转子位置为，令，令=-，称为失调角。由于励磁绕组为单相，励磁电流存在时，将在电动机的气隙中称为失调角。由于励磁绕组为单相，励磁电流存在时，将在电动机的气隙中产生脉动磁动势，脉动磁动势在各整步绕组中感应出电动势，由于各绕组在产生脉动磁动势，脉动磁动势在各整步绕组中感应出电动势，由于各绕组在空间的位置不同，整步绕组中的感应电动势相位互差空间的位置不同，整步绕组中的感应电动势相位互差120，其幅值大小相等，其幅值大小相等且为且为式中式中每极磁通幅值；每极磁通幅值； f励磁电源的频率，也即为主磁通的脉动频率；励磁电源的频率，也即为主磁通的脉动频率； N整步绕组每相匝数；整步绕组每相匝数； kw1整步绕组基波绕组系数。整步绕组基波绕组系数。每相整步绕组的感应电动势为每相整步绕组的感应电动势为对于发送机有对于发送机有(10.20)(10.21)第第10章章控控制制电电机机10.5410.5自自整整角角机机对于接收机有对于接收机有(10.22)各相绕组中总电动势为各相绕组中总电动势为(10.23)各相绕组中的电流为各相绕组中的电流为(10.24)第第10章章控控制制电电机机10.5510.5自自整整角角机机式中式中Z自整角机的整步绕组等效阻抗。自整角机的整步绕组等效阻抗。由上式可知只有失调角由上式可知只有失调角=0时，整步绕组的各相电流才为零。时，整步绕组的各相电流才为零。 2. 力矩式自整角机整步绕组的磁动势当整步绕组中有电流流过时将产生磁动势，虽然整步绕组为三相绕组，当整步绕组中有电流流过时将产生磁动势，虽然整步绕组为三相绕组，但各相流过的电流同相位，因此整步绕组电流产生合成的磁动势仍为脉动磁但各相流过的电流同相位，因此整步绕组电流产生合成的磁动势仍为脉动磁动势。每极脉动磁动势为动势。每极脉动磁动势为(10.25)将脉动磁动势分解为两个互相垂直的直轴磁动势将脉动磁动势分解为两个互相垂直的直轴磁动势Fd和交轴磁动势和交轴磁动势Fq，则合成磁动势，则合成磁动势F为直轴磁动势和交轴磁动势的矢量和。为直轴磁动势和交轴磁动势的矢量和。第第10章章控控制制电电机机10.5610.5自自整整角角机机发送机的交轴磁动势分量为发送机的交轴磁动势分量为(10.26)发送机的直轴磁动势分量为发送机的直轴磁动势分量为(10.27)合成磁动势的幅值为合成磁动势的幅值为(10.28)将合成磁动势与交轴磁动势的夹角定义为合成磁动势的相位角将合成磁动势与交轴磁动势的夹角定义为合成磁动势的相位角，则，则(10.29)第第10章章控控制制电电机机10.5710.5自自整整角角机机同理可求出接收机的整步磁动势为同理可求出接收机的整步磁动势为(10.30)(10.31) 3. 力矩式自整角机的转矩力矩式自整角机的电磁转矩由励磁磁通与整步绕组磁动势相互作用产力矩式自整角机的电磁转矩由励磁磁通与整步绕组磁动势相互作用产生，当失调角较小时，可以认为直轴磁动势生，当失调角较小时，可以认为直轴磁动势，转矩主要由直轴磁通，转矩主要由直轴磁通与交轴磁动势与交轴磁动势相互作用产生。整步转矩可通过式相互作用产生。整步转矩可通过式(10.31)计算。计算。(10.32)式中式中自整角机的转矩系数；自整角机的转矩系数； 直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。力矩式自整角机接收机的转动就是在此整步转矩的作用下进行的。当力矩式自整角机接收机的转动就是在此整步转矩的作用下进行的。当失调角不为零时，交轴磁动势不为零，因此整步转矩一直存在至失调角为失调角不为零时，交轴磁动势不为零，因此整步转矩一直存在至失调角为零。零。第第10章章控控制制电电机机10.5810.5自自整整角角机机二、控制式自整角机的结构与工作原理二、控制式自整角机的结构与工作原理控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同，所不同的是接收机的控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同，所不同的是接收机的励磁绕组不在与发送机的励磁绕组接在同一励磁电源上，而是开路作信号输出励磁绕组不在与发送机的励磁绕组接在同一励磁电源上，而是开路作信号输出端使用。控制式自整角机的工作原理如图端使用。控制式自整角机的工作原理如图10.27所示。所示。图10.27 控制式自整角机的工作原理图接收机整步绕组在输出绕组中的感接收机整步绕组在输出绕组中的感应电动势为应电动势为式中式中=0时，输出绕组最时，输出绕组最大的感应电动势。当接收机空载时，变大的感应电动势。当接收机空载时，变压器感应电动势即为输出电压。压器感应电动势即为输出电压。力矩式和控制式自整角机各具有不力矩式和控制式自整角机各具有不同的特点，应该根据实际需要合理选用。同的特点，应该根据实际需要合理选用。(10.33)第第10章章控控制制电电机机10.5910.6旋转变压器旋转变压器旋转变压器是自动装置中的一种精密控制微电动机。旋转变压器从原理上讲，相旋转变压器是自动装置中的一种精密控制微电动机。旋转变压器从原理上讲，相当于副边绕组可以转动的变压器。从结构上讲，相当于两相绕线式异步电动机。当旋当于副边绕组可以转动的变压器。从结构上讲，相当于两相绕线式异步电动机。当旋转变压器的原边绕组外加单相交流电压励磁时，其副边绕组的输出电压将与转子转角转变压器的原边绕组外加单相交流电压励磁时，其副边绕组的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中它可以作为解算元件，主要用于坐标变换、三严格保持某种函数关系。在控制系统中它可以作为解算元件，主要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，它可用于传输与转角相应的电信号；此外，还可用作角函数运算等；在随动系统中，它可用于传输与转角相应的电信号；此外，还可用作移相器和角度移相器和角度数字转换装置。数字转换装置。旋转变压器有多种分类的方法。若按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分旋转变压器有多种分类的方法。若按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分为接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器两类。若按电动机的极对数多少来分，可为接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器两类。若按电动机的极对数多少来分，可分为单极对旋转变压器和多极对旋转变压器两类。若按照它的使用要求来分，可分为分为单极对旋转变压器和多极对旋转变压器两类。若按照它的使用要求来分，可分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。若根据输出电压与转子转角的函数关系来分，可分为正弦旋转变压器、余弦旋转若根据输出电压与转子转角的函数关系来分，可分为正弦旋转变压器、余弦旋转变压器和线性旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等，但其原理与结构基本相同，本变压器和线性旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等，但其原理与结构基本相同，本节主要介绍正弦旋转变压器和余弦旋转变压器。节主要介绍正弦旋转变压器和余弦旋转变压器。旋转变压器的定、转子铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片叠装而成。旋转变压器的定、转子铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片叠装而成。定子上放置两套互差定子上放置两套互差90空间角度的匝数、型式完全相同的分布绕组：空间角度的匝数、型式完全相同的分布绕组：D和和Q，其中，其中D绕组作为励磁绕组，绕组作为励磁绕组，Q绕组作为补偿绕组，每套绕组有效匝数为绕组作为补偿绕组，每套绕组有效匝数为N1。正余弦旋转变压器的转子上也有两套完全相同的分布绕组正余弦旋转变压器的转子上也有两套完全相同的分布绕组A和和B，每套绕组的有，每套绕组的有效匝数为效匝数为N2，两相绕组的空间位置也互差，两相绕组的空间位置也互差90。它们分别经滑环和电刷引出，作为输。它们分别经滑环和电刷引出，作为输出绕组。出绕组。第第10章章控控制制电电机机10.6010.6旋转变压器旋转变压器一、正余弦旋转变压器的空载运行一、正余弦旋转变压器的空载运行正余弦旋转变压器空载运行时，励磁绕组正余弦旋转变压器空载运行时，励磁绕组D接交流电压接交流电压，定子的，定子的Q绕组绕组和转子的和转子的A、B绕组均开路。空载运行示意图如图绕组均开路。空载运行示意图如图10.28所示。所示。定义定义D绕组的轴线方向为绕组的轴线方向为d轴轴(直轴直轴)，Q绕组的轴线为绕组的轴线为q轴轴(交轴交轴)。当励磁。当励磁绕组绕组D上外接交流励磁电压时，上外接交流励磁电压时，D绕组中出现励磁电流绕组中出现励磁电流，产生，产生d轴方向的脉轴方向的脉动磁动势动磁动势，从而在气隙中产生，从而在气隙中产生d轴脉动磁通轴脉动磁通。若忽略励磁绕组中漏阻抗。若忽略励磁绕组中漏阻抗的影响，则可认为当励磁电压恒定时，的影响，则可认为当励磁电压恒定时，d轴磁通轴磁通的幅值为常数，且空间分的幅值为常数，且空间分布为正弦。必然会在与其有电磁耦合的绕组中产生感应电动势。布为正弦。必然会在与其有电磁耦合的绕组中产生感应电动势。D绕组中会产绕组中会产生自感电动势，而生自感电动势，而Q绕组轴线与正交，所以不会产生感应电动势。绕组轴线与正交，所以不会产生感应电动势。(10.34)d轴磁通与转子交链，并产生变压器感应电动势，这与普通变压器的工作轴磁通与转子交链，并产生变压器感应电动势，这与普通变压器的工作情况没有本质上的区别，所不同的是转子绕组中的感应电动势大小和转子与励情况没有本质上的区别，所不同的是转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组的相对位置有关。磁绕组的相对位置有关。设转子设转子A绕组的轴线与交轴之间的夹角绕组的轴线与交轴之间的夹角 为正弦转子的转角。当转子开路为正弦转子的转角。当转子开路时，可求得转子输出电压。为求得转子电动势，将时，可求得转子输出电压。为求得转子电动势，将d轴励磁磁通轴励磁磁通分解为与分解为与第第10章章控控制制电电机机10.6110.6旋转变压器旋转变压器正弦绕组轴线方向一致的磁通正弦绕组轴线方向一致的磁通和与正弦绕组轴线相垂直的磁通和与正弦绕组轴线相垂直的磁通，则，则两磁通分量的大小为两磁通分量的大小为正弦输出绕组的开路输出电压分别为正弦输出绕组的开路输出电压分别为令令K=N2/N1，为转子与定子的有效匝数比，则有，为转子与定子的有效匝数比，则有(10.35)(10.36)(10.37)(10.38)从式从式(10.34)可以看出，当输出绕组空载时，可以看出，当输出绕组空载时，A绕组和绕组和B绕组的输出电绕组的输出电压压UA和和UB分别是转子转角分别是转子转角 的余弦和正弦函数，所以转子的的余弦和正弦函数，所以转子的A绕组和绕组和B绕绕组分别被称为余弦绕组和正弦绕组。组分别被称为余弦绕组和正弦绕组。第第10章章控控制制电电机机10.6210.6旋转变压器旋转变压器二、正二、正余弦旋转变压器的负载运行体例同余弦旋转变压器的负载运行体例同P23210.5.2当输出绕组接上负载后，转子绕组中将有电流流过，此时称为旋转变压当输出绕组接上负载后，转子绕组中将有电流流过，此时称为旋转变压器的负载运行。负载运行时，输出绕组也产生脉动磁动势，此时旋转变压器器的负载运行。负载运行时，输出绕组也产生脉动磁动势，此时旋转变压器的运行情况相当于普通变压器的负载运行。以余弦旋转变压器为例，励磁绕的运行情况相当于普通变压器的负载运行。以余弦旋转变压器为例，励磁绕组组D外接交流励磁电压，外接交流励磁电压，D绕组中励磁电流为绕组中励磁电流为，Q绕组和绕组和B绕组仍开路，绕组仍开路，A绕绕组接负载阻抗组接负载阻抗ZA，电流为，电流为。余弦旋转变压器的工作原理如图。余弦旋转变压器的工作原理如图10.29所示。所示。图10.29 余弦旋转变压器的负载运行第第10章章控控制制电电机机10.6310.6旋转变压器旋转变压器电流电流会在会在A绕组轴线方向上产生脉动磁动势绕组轴线方向上产生脉动磁动势，可将其分解成，可将其分解成d轴和轴和q轴方向的两个分量和轴方向的两个分量和。产生产生d轴方向的励磁磁动势轴方向的励磁磁动势，d轴上的合成轴上的合成磁动势为磁动势为。在忽略在忽略D绕组漏阻抗时，由变压器的磁动势平衡关系绕组漏阻抗时，由变压器的磁动势平衡关系可知，当副边侧有负载电流时，变压器的原边电流中将出现负载分量以抵消可知，当副边侧有负载电流时，变压器的原边电流中将出现负载分量以抵消副边电流的影响，并使磁动势基本保持不变，可以认为沿副边电流的影响，并使磁动势基本保持不变，可以认为沿d轴的合成磁动势轴的合成磁动势与空载励磁磁动势与空载励磁磁动势相等，即相等，即一般来讲，一般来讲，与与相比，是可以忽略的，上式可写为相比，是可以忽略的，上式可写为即即上式说明感应电流产生的磁动势上式说明感应电流产生的磁动势与励磁磁动势与励磁磁动势总是方向相反，起总是方向相反，起去磁作用，如图去磁作用，如图10.29(b)所示，这样所示，这样方向也就确定了，并有方向也就确定了，并有(10.39)(10.40)(10.41)(10.42)第第10章章控控制制电电机机10.6410.6旋转变压器旋转变压器由磁动势平衡式即式由磁动势平衡式即式(10.39)可知，负载时在可知，负载时在d轴方向产生的磁通与空载轴方向产生的磁通与空载时时d轴磁通轴磁通相同，因而在相同，因而在A绕组中产生的感应电动势绕组中产生的感应电动势与空载时也相同，与空载时也相同，即即然而由于然而由于在在q轴方向的分量轴方向的分量会产生会产生q轴方向的磁通轴方向的磁通，会在，会在A绕组绕组中产生感应电动势中产生感应电动势，而且有，而且有可以看出，可以看出，与与 不是余弦函数关系。不是余弦函数关系。A相绕组感应电势为相绕组感应电势为显然，由于显然，由于与转角与转角 之间也不再是余弦函数关系了。忽略绕组漏阻抗之间也不再是余弦函数关系了。忽略绕组漏阻抗时，输出电压时，输出电压与与相等。输出电压与转子转角相等。输出电压与转子转角 之间的余弦关系发生了之间的余弦关系发生了畸变。畸变的程度与负载大小有关，负载阻抗畸变。畸变的程度与负载大小有关，负载阻抗ZA大。负载电流大。负载电流IA小，小，也小，也小，畸变就小，只有在负载阻抗为无穷大时，输出电压与转子转角才成正弦函数畸变就小，只有在负载阻抗为无穷大时，输出电压与转子转角才成正弦函数关系。关系。为消除转子带负载后产生的转子磁动势可通过下述两种方法进行补偿。为消除转子带负载后产生的转子磁动势可通过下述两种方法进行补偿。(10.43)(10.44)(10.45)第第10章章控控制制电电机机10.6510.6旋转变压器旋转变压器 1在转子的B绕组中接负载在转子的绕组中也接入合适的负载，使之也产生转子磁动势，用它去在转子的绕组中也接入合适的负载，使之也产生转子磁动势，用它去抵消抵消产生的磁动势影响。这种补偿称为二次补偿或定子补偿。图产生的磁动势影响。这种补偿称为二次补偿或定子补偿。图10.30行行二次补偿的工作原理图。二次补偿的工作原理图。图10.30 二次补偿的正余弦旋转变压器如图所示，定子励磁绕组如图所示，定子励磁绕组D外接电压外接电压，Q绕组开路，转子的正、余弦绕组开路，转子的正、余弦绕组绕组A、B接上相同的负载阻抗接上相同的负载阻抗ZA=ZB=ZL，如图，如图10.30(a)所示。所示。第第10章章控控制制电电机机10.6610.6旋转变压器旋转变压器前面已分析过，前面已分析过，A绕组中的电流绕组中的电流产生的磁动势产生的磁动势，其方向是沿，其方向是沿A绕组绕组轴线且指向轴线且指向d轴负方向；同样，轴负方向；同样，B绕组的电流绕组的电流所产生的磁动势所产生的磁动势也必然是沿也必然是沿着着B绕组的轴线且指向绕组的轴线且指向d轴负方向，如图轴负方向，如图10.30(b)所示。所示。这样这样和和在在q轴方向的分量轴方向的分量和和方向必然方向相反。且有方向必然方向相反。且有设设A、B绕组的漏阻抗为绕组的漏阻抗为Z2，则有，则有将式将式(10.46)代入式代入式(10.45)可得可得(10.46)(10.47)(10.48)上述分析表明，上述分析表明，和和大小相等，方向相反，即大小相等，方向相反，即的存在抵消了的存在抵消了带带来的影响，使得来的影响，使得Q轴方向上的合成磁动势为轴方向上的合成磁动势为0，保证了输出电压与转子转角，保证了输出电压与转子转角的正余弦函数关系不变，不会发生畸变。的正余弦函数关系不变，不会发生畸变。第第10章章控控制制电电机机10.67采用这种补偿方法时，转子两绕组的负载阻抗必须完全相等，这在理论采用这种补偿方法时，转子两绕组的负载阻抗必须完全相等，这在理论上是可以的，但实际使用中由于负载是变动的，要做到两绕组的负载阻抗完上是可以的，但实际使用中由于负载是变动的，要做到两绕组的负载阻抗完全相等是困难的，这时可以采用下面的方法来弥补。全相等是困难的，这时可以采用下面的方法来弥补。10.6旋转变压器旋转变压器 2.在定子侧交轴绕组Q中接入负载在定子侧的交轴绕组在定子侧的交轴绕组Q中，接入负载阻抗中，接入负载阻抗ZQ，交轴定子绕组与转子磁通，交轴定子绕组与转子磁通交链产生感应电动势，经绕组及负载阻抗产生交轴电流交链产生感应电动势，经绕组及负载阻抗产生交轴电流Iq，用此电流产生的，用此电流产生的磁动势去抵消转子磁动势的影响。这种补偿方法称一次补偿或转子补偿。一磁动势去抵消转子磁动势的影响。这种补偿方法称一次补偿或转子补偿。一次补偿电路如图次补偿电路如图10.31所示。所示。图10.31 一次补偿的余弦旋转变压器第第10章章控控制制电电机机10.6810.6旋转变压器旋转变压器一次补偿是通过定子一次补偿是通过定子Q绕组接负载阻抗绕组接负载阻抗ZQ来实现的，这就是称来实现的，这就是称Q绕组为绕组为补偿绕组的缘由。一次补偿时，励磁绕组补偿绕组的缘由。一次补偿时，励磁绕组D接励磁电压接励磁电压，转子余弦绕组，转子余弦绕组A接负载阻抗接负载阻抗ZA，B绕组开路，其接线图和磁动势相量图如图绕组开路，其接线图和磁动势相量图如图10.31所示。所示。当当A绕组接负载阻抗绕组接负载阻抗ZA时就有电流时就有电流流过，产生磁动势流过，产生磁动势，在在q轴的轴的分量分量产生的产生的q轴磁通与轴磁通与Q绕组相交链，会在绕组相交链，会在Q绕组中感应电动势，绕组中感应电动势，Q绕组外绕组外接阻抗接阻抗ZQ而闭合，会有电流而闭合，会有电流流过，产生磁动势流过，产生磁动势。前面已分析过，感应。前面已分析过，感应电流产生的磁动势与原励磁磁动势总是方向相反的，所以电流产生的磁动势与原励磁磁动势总是方向相反的，所以和和方向相反，方向相反，对对起去磁作用，如图起去磁作用，如图10.31(b)所示。所示。愈小，愈小，愈大，愈大，也愈大，去磁作也愈大，去磁作用愈强，当用愈强，当Q绕组近似短路时，绕组近似短路时，最大，当最大，当达到最大，与达到最大，与几乎相等时，使几乎相等时，使得交轴合成磁动势为得交轴合成磁动势为0，保证余弦绕组输出无畸变，这就是一次补偿的原理。，保证余弦绕组输出无畸变，这就是一次补偿的原理。在实际使用中，常采用一、二次同时补偿的方法以达到完善补偿的目的。在实际使用中，常采用一、二次同时补偿的方法以达到完善补偿的目的。第第10章章控控制制电电机机10.69本本章章小小结结(1)伺服电动机在自控系统中用作执行元件，改变控制电压就可以改变伺伺服电动机在自控系统中用作执行元件，改变控制电压就可以改变伺服电动机的速度或转向。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同。服电动机的速度或转向。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同。交流伺服电动机的工作原理同两相交流电动机。在控制系统中，伺服电动机主交流伺服电动机的工作原理同两相交流电动机。在控制系统中，伺服电动机主要作为执行元件，因此要求伺服电动机起动、制动及跟随性能要好，交流伺服要作为执行元件，因此要求伺服电动机起动、制动及跟随性能要好，交流伺服电动机无控制电压时，应无自转现象。交流伺服电动机不需要电刷和换向器，电动机无控制电压时，应无自转现象。交流伺服电动机不需要电刷和换向器，转动惯量小，快速性好，但由于交流伺服电动机经常运行在两相不对称状态，转动惯量小，快速性好，但由于交流伺服电动机经常运行在两相不对称状态，存在着产生制动转矩的反向旋转磁场，所以电动机的转矩小、损耗大。交流伺存在着产生制动转矩的反向旋转磁场，所以电动机的转矩小、损耗大。交流伺服电动机的控制方式有两种：服电动机的控制方式有两种：幅值控制；幅值控制；相位控制；相位控制；幅度相位控制。幅度相位控制。直流伺服电动机的特性线性度好，转速适应范围宽。直流伺服电动机的特性线性度好，转速适应范围宽。(2)伺服电动机的转子与普通电动机不同，直流伺服电动机的转子要求低转伺服电动机的转子与普通电动机不同，直流伺服电动机的转子要求低转动惯量以保证起动、制动特性；交流伺服电动机除要求低惯量外，转子的电阻动惯量以保证起动、制动特性；交流伺服电动机除要求低惯量外，转子的电阻还要大，以克服自转现象。直流伺服电动机输出功率大，交流伺服电动机输出还要大，以克服自转现象。直流伺服电动机输出功率大，交流伺服电动机输出功率小。直流伺服电动机的特性较好，其机械特性和调节特性均为线性的。交功率小。直流伺服电动机的特性较好，其机械特性和调节特性均为线性的。交流伺服电动机的特性是非线性的，相位控制方式特性最好。直流伺服电动机的流伺服电动机的特性是非线性的，相位控制方式特性最好。直流伺服电动机的控制方式比较简单，可通过控制电枢电压实现对直流伺服电动机的控制。交流控制方式比较简单，可通过控制电枢电压实现对直流伺服电动机的控制。交流伺服电动机的控制方式分为幅值控制、相位控制和幅相控制三种。三种控制方伺服电动机的控制方式分为幅值控制、相位控制和幅相控制三种。三种控制方式中相位控制方式特性最好，幅相控制线路最简单。式中相位控制方式特性最好，幅相控制线路最简单。第第10章章控控制制电电机机10.70本本章章小小结结(3)交流伺服电动机的特性是非线性的，相位控制方式特性最好。直流伺服交流伺服电动机的特性是非线性的，相位控制方式特性最好。直流伺服电动机的控制方式比较简单，可通过控制电枢电压实现对直流伺服电动机的控电动机的控制方式比较简单，可通过控制电枢电压实现对直流伺服电动机的控制。交流伺服电动机的控制方式分为幅值控制、相位控制和幅相控制制。交流伺服电动机的控制方式分为幅值控制、相位控制和幅相控制3种。种。3种种控制方式中相位控制方式特性最好，幅相控制线路最简单。控制方式中相位控制方式特性最好，幅相控制线路最简单。(4)步进电动机是将脉冲信号转换为角位移的电动机，它的各相控制绕组轮步进电动机是将脉冲信号转换为角位移的电动机，它的各相控制绕组轮流输入控制脉冲，每输入一个脉冲信号，转子便转动一个步距角。步进电动机流输入控制脉冲，每输入一个脉冲信号，转子便转动一个步距角。步进电动机的转速与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以调节转速。的转速与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以调节转速。(5)步进电动机是计算机控制系统中常用的执行元件，其作用是将控制脉冲步进电动机是计算机控制系统中常用的执行元件，其作用是将控制脉冲信号转变为角位移或直线位移。步进电动机具有起动、制动特性好，反转控制信号转变为角位移或直线位移。步进电动机具有起动、制动特性好，反转控制方便、工作不失步，通过细分电路控制步距精度高等优点。步进电动机广泛应方便、工作不失步，通过细分电路控制步距精度高等优点。步进电动机广泛应用于开式控制系统中，特别是数控机床的控制系统中。步进电动机的电源对电用于开式控制系统中，特别是数控机床的控制系统中。步进电动机的电源对电动机的控制性能有较大影响。动机的控制性能有较大影响。测速发电机是测量转速的一种测量电动机，它将输入的机械转速转换为电测速发电机是测量转速的一种测量电动机，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。根据测速发电机所发出电压不同，测速发电机可分为直流测速发压信号输出。根据测速发电机所发出电压不同，测速发电机可分为直流测速发电机和异步测速发电动机两类。直流测速发电机的工作与直流发电机相同；异电机和异步测速发电动机两类。直流测速发电机的工作与直流发电机相同；异步测速发电机的工作原理可通过下式进行说明：转子切割电动势步测速发电机的工作原理可通过下式进行说明：转子切割电动势，q轴磁通轴磁通n，输出绕组电势，输出绕组电势n，因此异步测速发，因此异步测速发电机的输出电压正比于测速发电机的轴上转速。直流测速发电动机的误差电机的输出电压正比于测速发电机的轴上转速。直流测速发电动机的误差第第10章章控控制制电电机机10.71主要有电枢反应引起的误差、电刷接触电阻引起的误差和纹波误差。其中，主要有电枢反应引起的误差、电刷接触电阻引起的误差和纹波误差。其中，电枢反应是引起线性误差的主要因素：接触压降造成不灵敏区，降低测速发电枢反应是引起线性误差的主要因素：接触压降造成不灵敏区，降低测速发电机的精度。交流测速发电机的误差主要有幅值及相位误差和剩余电压误差。电机的精度。交流测速发电机的误差主要有幅值及相位误差和剩余电压误差。负载的大小和性质会使输出电压的幅值和相位都发生变化，制造工艺不良是负载的大小和性质会使输出电压的幅值和相位都发生变化，制造工艺不良是引起剩余电压的主要原因。引起剩余电压的主要原因。直流测速发电机输出特性好，但由于有电刷和换向问题限制其应用；交直流测速发电机输出特性好，但由于有电刷和换向问题限制其应用；交流测速发电机的惯量低，快速性好，但输出为交流电压信号且需要特定的交流测速发电机的惯量低，快速性好，但输出为交流电压信号且需要特定的交流励磁电源。使用时可根据实际情况选择测速发电机。流励磁电源。使用时可根据实际情况选择测速发电机。(6)直线异步电动机相当于将三相异步电动机切开展平，适于带动直线运直线异步电动机相当于将三相异步电动机切开展平，适于带动直线运动的负载，这样省去了由旋转运动变直线运动的转换装置，使其结构简单、动的负载，这样省去了由旋转运动变直线运动的转换装置，使其结构简单、运行可靠、效率高。直线异步电动机有平板型、圆筒型和圆盘型三种结构型运行可靠、效率高。直线异步电动机有平板型、圆筒型和圆盘型三种结构型式。由于直线电动机转子上没有励磁绕组和电刷、滑环装置，因而结构简单、式。由于直线电动机转子上没有励磁绕组和电刷、滑环装置，因而结构简单、运行可靠，广泛应用于需要恒速运转的各种自动控制、无线电通信等系统中。运行可靠，广泛应用于需要恒速运转的各种自动控制、无线电通信等系统中。本本章章小小结结第第10章章控控制制电电机机10.72本本章章小小结结(7)自整角机在自动控制系统中用来实现角度的变换、传输和接收，它们自整角机在自动控制系统中用来实现角度的变换、传输和接收，它们都是两台或两台以上组合使用。按使用的不同，分为力矩式和控制式自整角都是两台或两台以上组合使用。按使用的不同，分为力矩式和控制式自整角机。力矩式自整角机只适用于接收机轴上负载很轻，且角度传输精度要求不机。力矩式自整角机只适用于接收机轴上负载很轻，且角度传输精度要求不高的指示系统中。在控制式自整角机系统中，接收机的转轴不直接带动机械高的指示系统中。在控制式自整角机系统中，接收机的转轴不直接带动机械负载而工作于变压器状态，其输出电压与失调角呈正弦函数关系，此电压经负载而工作于变压器状态，其输出电压与失调角呈正弦函数关系，此电压经功率放大后再控制伺服机构，因而能带动较大的负载，精度也较高。功率放大后再控制伺服机构，因而能带动较大的负载，精度也较高。(8)旋转变压器主要用来测量角差。旋转变压器就是能转动的变压器。其旋转变压器主要用来测量角差。旋转变压器就是能转动的变压器。其结构类似于绕线转子异步电动机，定子上嵌放原边绕组，转子上嵌放副边绕结构类似于绕线转子异步电动机，定子上嵌放原边绕组，转子上嵌放副边绕组，作为输出绕组。转子转角不同，定子、转子绕组间的电磁耦合情况就不组，作为输出绕组。转子转角不同，定子、转子绕组间的电磁耦合情况就不同，输出电压也就不同。根据输出电压与转子转角的函数关系，可以分为正同，输出电压也就不同。根据输出电压与转子转角的函数关系，可以分为正弦、余弦旋转变压器和线性旋转变压器。它们主要用于坐标变换、三角函数弦、余弦旋转变压器和线性旋转变压器。它们主要用于坐标变换、三角函数运算、角度传输及移相。运算、角度传输及移相。第第10章章控控制制电电机机10.73思考题与习题思考题与习题10-1 简述直流伺服电动机的基本结构和工作原理。10-2 直流伺服电动机采用电枢控制方式时的始动电压是多少？与负载有什么关系？10-3 简述交流伺服电动机的基本结构和工作原理。10-4 交流伺服电动机的控制方式有哪几种？10-5 什么是交流伺服电动机的自转现象？如何避免自转现象？直流伺服电动机有自转现象吗？10-6 幅值控制和相位控制的交流伺服电动机，什么条件下电动机气隙磁动势为圆形旋转磁动势？10-7 什么叫步进电动机的步距角？步距角的大小由哪些因素决定？10-8 简要说明步进电动机稳定区的概念。10-9 如何控制步进电动机的转角、转速和转向？10-10 步距角为1.5/0.75的反应式三相六极步进电动机的转子上有多少个齿？若运行频率为4800Hz，求电动机的运行转速为多少？10-11 简述直流测速发电机的基本结构和工作原理。10-12 为什么直流测速发电机的转速不宜超过规定的最高转速？ 为什么直流测速发电机的负载电阻不能小于规定值？第第10章章控控制制电电机机10.7410-13 为什么交流异步测速发电动机转子采用非磁性空心杯型转子而不采用笼型结构？10-14 试简要说明交流侧速发电动机的基本工作原理和存在线性误差的主要原因。10-15 什么是交流异步测速发电动机的剩余电压？如何减小剩余电压？10-16 直线电动机和旋转电动机的定子三相绕组在空间排列有什么不同？为什么？10-17 直线电动机和旋转电动机的定子三相绕组通三相交流电时，为什么直线电动机产生直线方向的电磁力而旋转电动机产生电磁转矩？10-18 旋转电动机的同步转速与极对数成反比例关系，试问直线电动机的直线运行速度与极对数之间也有这种关系吗？10-19 力矩式自整角机，如果发送机的励磁绕组接电源，而接收机励磁绕组不接电源时，出现失调角后，能否产生整步转矩使失调角自动消失？为什么？ 10-20 简要说明力矩式自整角机中发送机和接收机整步绕组中合成磁动势的性质。10-21 为什么正、余弦旋转变压器在负载运行时输出电压会发生畸变？10-22 分析正、余弦旋转变压器采用二次侧补偿时能消除输出电压畸变的原理及条件。思考题与习题思考题与习题