自整角機(jī)-文檔資料

1、華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電機(jī)系華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電機(jī)系微特電機(jī) 2第三章第三章 自整角機(jī)自整角機(jī)3-1 概 述3-2 力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行性能3-3 控制式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和運(yùn)行分析3-4 差動(dòng)式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理3-5 自整角機(jī)的應(yīng)用舉例33-1 概 述1. 什么是自整角機(jī)？ 2. 自整角機(jī)的應(yīng)用舉例自整角機(jī)按照使用要求的不同可以分為：力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)。自整角機(jī)是一種感應(yīng)式的機(jī)電測(cè)位元件。在隨動(dòng)系統(tǒng)中作角度的傳輸、變換和指示。一般成對(duì)或多臺(tái)組合使用。力矩式自整角機(jī)按照用途可以分為：力矩式發(fā)送機(jī)力矩式接收機(jī)力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)力矩式差動(dòng)接收機(jī)3. 自整角機(jī)的分類(lèi)控制

2、式自整角機(jī)按照用途可以分為三種：控制式發(fā)送機(jī)控制式自整角變壓器控制式差動(dòng)發(fā)送機(jī)4自整角機(jī)的應(yīng)用舉例 雷達(dá)掃描示意圖5自整角機(jī)的應(yīng)用舉例雷達(dá)天線和顯示管偏轉(zhuǎn)線圈的隨動(dòng)裝置圖6自整角機(jī)的應(yīng)用舉例自整角機(jī)作液面指示舉例7圖4-2 自整角機(jī)的裝配式結(jié)構(gòu)83-2 力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行性能一、力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)兩極凸極結(jié)構(gòu)單相繞組激磁繞組集中繞組三相繞組整步繞組分布繞組圖3-3 力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)圖9為了提高自整角機(jī)的精度，在結(jié)構(gòu)上采取措施：整步繞組采用分布短距或同心式不等匝繞組；適當(dāng)選取極弧形狀和長(zhǎng)度，使氣隙磁密接近正旋分布；低的磁通密度；斜槽；加交軸阻尼繞組。3-2 力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)

3、行性能二、力矩式自整角機(jī)的運(yùn)行性能圖3-4 力矩式自整角機(jī)的工作原理圖（指示運(yùn)行方式）10簡(jiǎn)化假定：忽略電樞反應(yīng)；氣隙磁密正旋分布；磁路不飽和，忽略高次諧波。（可以使用重疊原理和矢量運(yùn)算）圖中電勢(shì)、電流的正方向如圖。重要概念：失調(diào)角：a相整步繞組與激磁繞組軸線間的夾角，轉(zhuǎn)子位置角21(一)整步繞組的電勢(shì)、電流以a相整步繞組與激磁繞組軸線一致作為轉(zhuǎn)子的起始位置。此時(shí)a相繞組有最大感應(yīng)電勢(shì)，有效值為：mwfNKE44. 411 假如發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的結(jié)構(gòu)完全一樣，勵(lì)磁電壓相同，則各相整步繞組中所感應(yīng)的變壓器電勢(shì)有效值為： 發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的整步繞組是星型連接的三相對(duì)稱(chēng)繞組，各相回路合成電勢(shì)為：12設(shè)整

4、步繞組每相等效阻抗為 ，則各相回路電流的有效值為：其中I為繞組各相回路中最大電流的有效值。aZ13(二) 磁勢(shì)由交流電機(jī)的基本原理可知，每相，每極對(duì)整步繞組基波磁勢(shì)的幅值為：14發(fā)送機(jī)的直軸磁勢(shì)分量和交軸磁勢(shì)分量為：15合成磁勢(shì)為：1617由以上分析可知：1. 發(fā)送機(jī)和接收機(jī)中的直軸磁勢(shì)分量，交軸磁勢(shì)分量和合成磁勢(shì)大小，與發(fā)送機(jī)和接收機(jī)位置角無(wú)關(guān)，僅為失調(diào)角 的函數(shù)。2. 發(fā)送機(jī)和接收機(jī)整步繞組磁勢(shì)的直軸分量均為負(fù)值，說(shuō)明為去磁作用。3.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)整步繞組磁勢(shì)的直軸分量大小相等，方向相同；交軸分量大小相等，方向相反。.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)整步繞組的合成磁勢(shì)，當(dāng)失調(diào)角很小時(shí)，它的空間位置幾乎和交軸

5、重合，因此式(3-6)中每相等效阻抗應(yīng) 是交軸阻抗。又因合成磁勢(shì)是脈振磁勢(shì)，則阻抗 應(yīng)為交軸短路阻抗 ，則(3-6)應(yīng)為：aZqZaZ18(三) 轉(zhuǎn)矩 力矩式 自整角機(jī)工作在同步回轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，作用在軸上的電磁轉(zhuǎn)矩即為整步轉(zhuǎn)矩，又稱(chēng)為靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩。 圖b表示直軸磁通和產(chǎn)生直軸磁勢(shì)的線圈，不會(huì)有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。圖c表示交軸磁通和產(chǎn)生交軸磁勢(shì)的線圈，也不會(huì)有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。圖d所示的是直軸磁通和產(chǎn)生正向交軸磁勢(shì)的線圈，它們之間作用將使線圈產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。圖e表示交軸磁通和產(chǎn)生正向直軸磁勢(shì)的線圈，將使線圈產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩。 圖3-6 dq磁場(chǎng)和dq軸磁勢(shì)相互作用產(chǎn)生電磁力19由于力矩式自整角機(jī)是將整步繞組放在定子上，則作

6、用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩與作用在定子的轉(zhuǎn)矩大小相等而方向相反。因此作用在轉(zhuǎn)子上的整步轉(zhuǎn)矩可表示為：失調(diào)角很小時(shí)：當(dāng)磁通與磁勢(shì)在空間按正弦分布，又隨時(shí)間呈正弦變化，但兩者相位不同，則上式可寫(xiě)為下式，其中 為磁通與磁勢(shì)之間時(shí)間相位差。若轉(zhuǎn)矩單位為 ，則系數(shù) ，上式又可表述為：式中，的單位為，的單位為)(1dqqdFFKTcos1qdFKTqdFKT1mN 81Kcos8qdFTdWbAqF2021力矩式自整角接收機(jī)的指示精度主要取決于失調(diào)角很小時(shí)的整步轉(zhuǎn)矩值，通常用發(fā)送機(jī)和接收機(jī)在協(xié)調(diào)位置附近失調(diào)角為1度時(shí)所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩值來(lái)衡量，這一指標(biāo)被稱(chēng)為比整步轉(zhuǎn)矩22通過(guò)以上分析可知，力矩式自整角機(jī)在指示狀態(tài)工作

7、時(shí)，失調(diào)角很小，整步轉(zhuǎn)矩主要由交軸磁勢(shì)與直軸磁通相互作用產(chǎn)生。因此交軸磁勢(shì)的存在是產(chǎn)生整步轉(zhuǎn)矩的必要條件。整步轉(zhuǎn)矩的大小與失調(diào)角成正弦函數(shù)關(guān)系，如圖3-8所示。由圖可知，當(dāng)失調(diào)角 時(shí)，靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩將有最大值 。相同型號(hào)成對(duì)的自整角機(jī)中，因采用同一勵(lì)磁電源，所以直軸磁通 相同。又合成磁勢(shì)交軸分量 和 ，它們大小相等方向相反。因此可知，這時(shí)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩大小相等方向相反。在整步轉(zhuǎn)矩的作用下，失調(diào)角逐漸減小，直至協(xié)調(diào)位置。90smTdqF1qF2234-4 力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1. 比整步轉(zhuǎn)矩2. 阻尼時(shí)間3. 零位誤差4. 靜態(tài)誤差它是指力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)中，接受機(jī)與發(fā)送機(jī)的

8、失調(diào)角為1時(shí)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。在接收機(jī)中，它與摩擦力矩的大小決定了靜態(tài)誤差，也就決定了接收機(jī)的精度。它是指力矩式接收機(jī)與相同電磁性能的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送機(jī)同步連接后，失調(diào)角為177 2時(shí)，力矩式接收機(jī)由失調(diào)位置穩(wěn)定到協(xié)調(diào)位置所需時(shí)間。發(fā)送機(jī)勵(lì)磁后，從基準(zhǔn)電氣零位開(kāi)始，轉(zhuǎn)子每過(guò)60，在理論上整步繞組中有一組線間電勢(shì)為零，此位置稱(chēng)作理論電氣零位。由于設(shè)計(jì)工藝的影響，實(shí)際電氣零位與理論電氣零位有差異，此差值即為零位誤差。在自整角機(jī)系統(tǒng)靜態(tài)協(xié)調(diào)時(shí)，接收機(jī)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之差，以角度表示。244-5 控制式自整角機(jī)的工作原理與運(yùn)行性能1. 控制式自整角機(jī)的原理在力矩式自整角系統(tǒng)中，沒(méi)有力矩的放大作用，因此克服負(fù)載所

9、需要的轉(zhuǎn)矩必須由發(fā)送及來(lái)施加。當(dāng)多臺(tái)接收機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，每臺(tái)接收機(jī)的比整步轉(zhuǎn)矩將隨接收機(jī)臺(tái)數(shù)增多而降低。如有一臺(tái)接收機(jī)意外被卡，將影響系統(tǒng)中其他接收機(jī)工作。為克服上述缺點(diǎn)，在隨動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用了由伺服機(jī)構(gòu)和控制式自整角機(jī)組合的系統(tǒng)。由于具有放大氣，這種系統(tǒng)不會(huì)受更多機(jī)械上的限制?？刂剖阶哉前l(fā)送機(jī)：結(jié)構(gòu)型式與力矩式自整角發(fā)送機(jī)很相近，為提高電機(jī)精度有時(shí)也在交軸位置裝設(shè)短路繞組，作為補(bǔ)償繞組。勵(lì)磁繞組匝數(shù)較多，磁密較低?？刂剖阶哉墙邮諜C(jī)：不直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，而只是輸出電壓信號(hào)，通常稱(chēng)為自整角變壓器。為提高電氣精度，降低電氣零位電壓，自整角變壓器均采用隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)單相高精度的正弦

10、繞組作為輸出繞組。252. 控制式自整角機(jī)的運(yùn)行性能其工作原理圖如圖3-15，控制式自整角發(fā)送機(jī)的勵(lì)磁繞組由單相交流電源勵(lì)磁，其三相整步繞組和自整角變壓器的整步繞組對(duì)應(yīng)相接。下面進(jìn)一步對(duì)自整角機(jī)系統(tǒng)整步繞組回路的電勢(shì)，電流及自整角變壓器的合成磁勢(shì)和輸出電勢(shì)進(jìn)行分析。而自整角變壓器的輸出常接至放大器的輸入端，放大器的輸出再接伺服電機(jī)的控制繞組。這樣，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，并同時(shí)通過(guò)減速器帶動(dòng)自整角變壓器轉(zhuǎn)子構(gòu)成機(jī)械反饋連接。26(一) 整步繞組回路的電勢(shì)、電流同樣，以a相軸線和勵(lì)磁繞組軸線一致時(shí)作為轉(zhuǎn)子起始位置，此時(shí)有最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，參看3-3勵(lì)磁感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)如式3-4，設(shè)等效阻抗為Z后，各相

11、回路電流同式3-5：27(二) 自整角變壓器整步繞組的磁勢(shì)因控制式自整角發(fā)送機(jī)和變壓器阻抗相同，所以各相回路電流在時(shí)間上同相位，三相整步繞組的合成磁勢(shì)為空間脈振磁勢(shì)。每相，每極對(duì)整步繞組基波磁勢(shì)的幅值如右：同樣，也可將整步繞組中三個(gè)空間脈振磁勢(shì)分解為直軸分量和交軸分量。直軸即輸出繞組的軸線方向，亦即d軸；交軸為輸出繞組軸線在空間前移90電角度方向，亦即q軸。合成磁勢(shì)的直軸分量和交軸分量可由整步繞組各相空間磁勢(shì)在直軸和交軸投影之和來(lái)求得28若自整角變壓器的整步繞組和發(fā)送機(jī)的整步繞組空間位置一致，參看圖3-16，其合成磁勢(shì)空間位置，可由位置角 和失調(diào)角 兩者決定，即21229(三) 自整角變壓器的

12、輸出電壓因自整角變壓器整步繞組所產(chǎn)生的直軸磁勢(shì) 和交軸磁勢(shì) ，均為空間脈振磁勢(shì)，所以它們將分別產(chǎn)生直軸脈振磁場(chǎng)和交軸脈振磁場(chǎng)，即：若輸出繞組的軸線與直軸脈振磁場(chǎng)方向一致，則直軸脈振磁場(chǎng)在輸出繞組中的感應(yīng)電勢(shì)，略去高次諧波，其輸出電壓 為： 2Ucoscos2344. 444. 4222222mmdUFKfNKfNEU30由前式可知，輸出電壓為失調(diào)角的余弦函數(shù)，這樣當(dāng)失調(diào)角為零時(shí)，輸出電壓反而最大；此外，當(dāng)發(fā)送機(jī)由協(xié)調(diào)位置向不同方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)法由輸出電壓來(lái)判斷轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)方向，為了消除這個(gè)缺點(diǎn)，在實(shí)際使用自整角變壓器時(shí)，總是先把轉(zhuǎn)子由協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)動(dòng)90 電角度，此時(shí)輸出電壓為： 自整角變壓器在協(xié)調(diào)位置

13、附近，當(dāng)失調(diào)角為1 時(shí)的輸出電壓值，稱(chēng)為比電壓 ，其單位為 ，則：比電壓值較大，可以提高系統(tǒng)的靈敏度，同時(shí)也直接影響到對(duì)伺服電機(jī)放大器的要求。sin)90cos(222mmUUUu)/(VmmUUu2201745. 01sin313. 控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)(一) 電氣誤差(二) 零位電壓(三) 比電壓(四) 輸出相位移由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響，實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與理論值是有差異的，此差值即為電氣誤差。它是指控制式自整角機(jī)處于電氣零位時(shí)的輸出電壓。它由基波分量和諧波分量組成。它們可能會(huì)使伺服電機(jī)放大器飽和，并引起伺服電機(jī)損耗增大而發(fā)熱。它指自整角變壓器與發(fā)送機(jī)處于協(xié)調(diào)位置附近，失調(diào)角為

14、1 時(shí)的輸出電壓，其單位為它是指控制式自整角機(jī)系統(tǒng)中，自整角變壓器輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之間的時(shí)間相位差。324-6 差動(dòng)自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理在隨動(dòng)系統(tǒng)中，有時(shí)需要兩臺(tái)發(fā)送機(jī)來(lái)控制同一臺(tái)接收機(jī)，后者可以指示前二者轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的和或者差。這種情況下就要使用差動(dòng)自整角機(jī)。它主要有三種類(lèi)型：控制式差動(dòng)發(fā)送機(jī)，力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)和力矩式差動(dòng)接收機(jī)一、 差動(dòng)自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)差動(dòng)自整角機(jī)皆為隱極式結(jié)構(gòu)，與繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似。在定、轉(zhuǎn)子鐵心的槽中放置兩極、三相分布繞組，并結(jié)成星形。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)三組滑環(huán)和電刷引出。二、 差動(dòng)自整角機(jī)的運(yùn)行原理系統(tǒng)1：當(dāng)要求自整角接收機(jī)所指示的角度為兩個(gè)已知轉(zhuǎn)角

15、之和或差時(shí)，可以在兩臺(tái)力矩式自整角發(fā)送機(jī)之間接入一臺(tái)力矩式差動(dòng)接收機(jī)，如圖3-18。33假如差動(dòng)接收機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組軸線位置一致，它的定子繞組和第一臺(tái)發(fā)送機(jī)構(gòu)成自整角發(fā)送機(jī)和變壓器系統(tǒng)；同樣，它的轉(zhuǎn)子繞組和第二臺(tái)發(fā)送機(jī)也構(gòu)成一個(gè)自整角發(fā)送機(jī)和變壓器系統(tǒng)。分析可知，第一臺(tái)發(fā)送機(jī)在差動(dòng)接收機(jī)定子繞組回路中產(chǎn)生合成磁勢(shì) ，它相對(duì)第一臺(tái)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的空間位置角為 。而第二臺(tái)發(fā)送機(jī)在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生合成磁勢(shì) ，它與第二臺(tái)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的空間位置角為 。則差動(dòng)接收機(jī)中定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)之間的位置角差為：sF1112rF121134系統(tǒng)二：在力矩式自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間，再接入一臺(tái)力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)。如圖3-19所示，差動(dòng)發(fā)送機(jī)相對(duì)于定子合成磁勢(shì)的空間位置角為：假如將