第12章驅(qū)動與控制用微特電機ppt課件

1、第12章 驅(qū)動與控制用微特電機劉錦波山東大學 控制科學與工程學院 各類微型驅(qū)動電機和控制電機單相異步電動各類微型驅(qū)動電機和控制電機單相異步電動機、交、直流伺服電動機、交、直流測速發(fā)電機、機、交、直流伺服電動機、交、直流測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、直線電動機以及超聲波旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、直線電動機以及超聲波電動機的結(jié)構、工作原理與運行特性。電動機的結(jié)構、工作原理與運行特性。 微特電機的分類：微特電機的分類： 驅(qū)動微電機驅(qū)動微電機: : 在電力拖動系統(tǒng)中作為執(zhí)行機構使用在電力拖動系統(tǒng)中作為執(zhí)行機構使用, ,如單相異如單相異 步電機、伺服電機、力矩電機、直線電機以及超聲波電機等；步電機、伺服

2、電機、力矩電機、直線電機以及超聲波電機等； 控制電機：在電力拖動系統(tǒng)中以完成信號的轉(zhuǎn)換和傳遞為目控制電機：在電力拖動系統(tǒng)中以完成信號的轉(zhuǎn)換和傳遞為目 的，如測速發(fā)電機、自整角機以及旋轉(zhuǎn)變壓器等。的，如測速發(fā)電機、自整角機以及旋轉(zhuǎn)變壓器等。12.1 12.1 單相異步電動機單相異步電動機單相異步電動機：單相異步電動機： 單相異步電動機是單相電源供電異步電動機的總稱。它一般是由單相異步電動機是單相電源供電異步電動機的總稱。它一般是由定子兩相繞組和轉(zhuǎn)子鼠籠繞組組成。定子兩相繞組和轉(zhuǎn)子鼠籠繞組組成。A、單相繞組通電時異步電動機的磁場與機械特性、單相繞組通電時異步電動機的磁場與機械特性單相異步電動機的結(jié)

3、構如圖12.1a所示。 圖12.1 單相異步電動機的結(jié)構圖與磁場情況 圖12.1中，定子包括兩相繞組：一相為主繞組又稱為工作繞組）；另一相為起動繞組又稱為輔繞組），兩相定子繞組空間互差 ，轉(zhuǎn)子為鼠籠式結(jié)構。90主繞組單獨通電、起動繞組開路時異步電動機所產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的分析： 利用6.5節(jié)的結(jié)論：單相繞組通以單相正弦交流電流將產(chǎn)生脈振磁勢。該脈振磁勢可分解為兩個幅值相等大小為脈振磁勢幅值的一半）、轉(zhuǎn)速相同均為同步速且轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢見圖12.1b），其解析表達式可由下式給出：（6-56）式中，兩個旋轉(zhuǎn)磁勢 、 將分別產(chǎn)生兩個轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場分別切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中感應電勢和電流

4、。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子感應電流相互作用分別在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生正、反轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩 和 。其中，對正向旋轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率為：),(tf),(tfemTemTsnnns11（12-1）對于反向旋轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率為：snnnnnnns2)(2)(11111（12-2） 考慮到正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值相等、且其幅值均為脈振磁勢幅值的一半，因此相應的激磁電抗、漏電抗以及轉(zhuǎn)子繞組電阻均可平均分配。這樣，借助于三相異步電機的等效電路便可得到單相異步電動機的等效電路，如圖12.2所示。圖12.2 單相異步電動機的等效電路 根據(jù)圖12.2所示的等效電路，同時忽略激磁電流，則單相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可通過下式

5、求得：（12-3）其中，轉(zhuǎn)子電流為：22122211222)2(22xxsrsrrUIII（12-4） 圖12.3分別給出了正向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 之間的關系 和反向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 之間的關系 ，以及上述兩條曲線的合成結(jié)果即單相異步電動機總的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 之間的關系?？v、橫坐標顛倒即得到單相異步電動機的機械特性 ,如圖12.3b所示。emTsemTs)(sfTem)(sfTememTs()emnf T圖12.3 單相異步電動機的曲線 與機械特性 sTem()emnf T結(jié)論：結(jié)論： 對于單相繞組，當轉(zhuǎn)速為零時，合成電磁轉(zhuǎn)矩為零。亦即單相繞對于單相繞組，

6、當轉(zhuǎn)速為零時，合成電磁轉(zhuǎn)矩為零。亦即單相繞組通電不會產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩；組通電不會產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩； 一旦在外力作用下轉(zhuǎn)子沿某一方向開始旋轉(zhuǎn)，則合成電磁轉(zhuǎn)矩將一旦在外力作用下轉(zhuǎn)子沿某一方向開始旋轉(zhuǎn)，則合成電磁轉(zhuǎn)矩將不再為零。即使外力去掉，轉(zhuǎn)子仍將沿該方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因而，轉(zhuǎn)不再為零。即使外力去掉，轉(zhuǎn)子仍將沿該方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因而，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向取決于剛開始施加外力的方向；子的轉(zhuǎn)向取決于剛開始施加外力的方向； 理想空載轉(zhuǎn)速低于同步速，即理想空載轉(zhuǎn)速低于同步速，即 ，表明單相異步電動機的額定，表明單相異步電動機的額定轉(zhuǎn)差率高于普通三相異步電動機。轉(zhuǎn)差率高于普通三相異步電動機。10nn B、兩相繞組通電時異步電動機的

7、磁場與機械特性、兩相繞組通電時異步電動機的磁場與機械特性a a、兩相繞組通電時異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場、兩相繞組通電時異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場 設單相異步電動機主、輔繞組見圖12.1a空間互成 ，其有效匝數(shù)分別為 、 ，主、輔繞組分別通入如下電流：90)(1 mwMkN)(1 AwAkN)90cos(2cos2tIitIiAAMM(12-5)根據(jù)6.5節(jié)，主、副繞組所產(chǎn)生的定子基波磁勢可分別表示為：)cos(2)cos(2coscos),(tFtFtFtfMMMM)cos(2)cos(2)90cos()90cos(),(tFtFtFtfAAAA(12-6)(12-7)式中，主、輔繞組脈振磁勢的基波幅值

8、分別為：MMwMMIpkNF)(19 . 0AAwAAIpkNF)(19 . 0，式中，正向旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為 ；反向旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為。由于兩種旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值不相等，且轉(zhuǎn)向相反，其合成磁勢為一幅值變化的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，如圖12.5所示。)(21AMFFF)(21AMFFF圖12.5 定子電流產(chǎn)生的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢則定子基波合成磁勢為：)cos()cos(),(),(),(1tFtFtftftfAM(12-8)圖12.5中，定子合成磁勢沿x軸、y軸的分量分別為：tFFtFtFytFFtFtFxsin)(sinsincos)(coscos（12-9）則定子基波合成磁勢的軌跡為：1)()(2222FFy

9、FFx（12-10）結(jié)論：結(jié)論： 兩相定子繞組通以兩相對稱電流所產(chǎn)生的定子基波合成兩相定子繞組通以兩相對稱電流所產(chǎn)生的定子基波合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。b b、兩相繞組異步電動機的機械特性、兩相繞組異步電動機的機械特性 根據(jù)上述橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的結(jié)論并采用類似于12.1.1節(jié)的方法便可以獲得兩相繞組異步電動機的機械特性。 圖12.6給出了兩相繞組異步電動機當主、副繞組分別通以幅值不同或相位不同的電流，且 時的機械特性。 FF圖12.6 兩相繞組異步電動機的機械特性結(jié)論：結(jié)論： 當主、副繞組分別通以幅值不同或相位不同的電流當主、副繞組分別通以幅值不同或相位不同的電流時，兩相繞

10、組異步電動機則產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。時，兩相繞組異步電動機則產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。C、單相異步電動機的類型、單相異步電動機的類型a a、電阻分相式單相電動機、電阻分相式單相電動機圖12.7 電阻分相式單相異步電動機特點：特點：主、輔繞組或起動繞組空間互差主、輔繞組或起動繞組空間互差 ；輔繞組的電阻與電抗的比值比主繞組高，以確保同一電壓作用輔繞組的電阻與電抗的比值比主繞組高，以確保同一電壓作用 下兩繞組所流過的電流相位不同；下兩繞組所流過的電流相位不同； 90 圖12.7中的離心開關K 為常閉觸點，當接至單相交流電源時，由于兩相繞組分別通以兩相不對稱電流，電動機會因橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達7

11、580%額定轉(zhuǎn)速時，離心開關K 斷開，輔繞組脫離電源，僅主繞組工作。圖12.8給出了電阻分相式單相異步電動機的典型機械特性曲線。 圖12.8 電阻分相式單相異步電動機的典型機械特性曲線b b、電容起動式單相電動機、電容起動式單相電動機圖12.9 電容單相起動式異步電動機特點：特點： 主、輔繞組的匝數(shù)一般相等也可以不同）；主、輔繞組的匝數(shù)一般相等也可以不同）； 副繞組是通過與電容副繞組是通過與電容C C以及離心開關以及離心開關K K串聯(lián)后與電源并聯(lián)。串聯(lián)后與電源并聯(lián)。 由于電容的作用，副繞組中的電流 超前主繞組中的電流 接近 ，從而使得定子旋轉(zhuǎn)磁勢接近圓形，可以獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩，且起動電流較小

12、。 aImI90 圖12.10給出了單相電容起動式異步電動機的典型機械特性曲線。圖12.10 電容起動式單相異步電動機的典型機械特性曲線c c、電容起動與運轉(zhuǎn)式單相電動機、電容起動與運轉(zhuǎn)式單相電動機圖12.11 電容起動與運轉(zhuǎn)式異步電動機的接線圖特點：特點：輔繞組中采用了兩個電容器，一個是運行電容；一個為起動電輔繞組中采用了兩個電容器，一個是運行電容；一個為起動電 容容 ，且僅起動電容與離心開關串聯(lián)；，且僅起動電容與離心開關串聯(lián)； 上述方案可確保起動與運行時均獲得接近圓形的氣隙合成旋轉(zhuǎn)磁勢，從而既可以獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩又可以提高運行時的最大電磁轉(zhuǎn)矩。 圖12.12給出了電容起動與運轉(zhuǎn)式單相異步

13、電動機的典型機械特性曲線。圖12.12 電容起動與運轉(zhuǎn)式異步電動機的典型機械特性曲線d d、罩極式單相電動機、罩極式單相電動機圖12.13 單相罩極式異步電動機的結(jié)構示意圖特點：特點：定子采用凸極式結(jié)構，主磁極上裝有工作繞組定子采用凸極式結(jié)構，主磁極上裝有工作繞組 ；在每個磁極的約在每個磁極的約1/31/3處開有小槽，其上套有銅短路環(huán)相當于起動處開有小槽，其上套有銅短路環(huán)相當于起動繞組）。繞組）。 當主極繞組通電后，流過主極但不流過短路環(huán)的磁通為 ；流過短路環(huán)的磁通由兩部分組成： ，其中， 是由主極繞組電流 所產(chǎn)生的 ， 是由 在短路環(huán)中的感應電流所產(chǎn)生的；由圖12.13b可見，磁通 與 在時

14、間上存在相位差。導致轉(zhuǎn)子由未罩部分向被罩部分方向旋轉(zhuǎn)。 k2321kkI13結(jié)論：結(jié)論： 罩極式電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是固定不變的。罩極式電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是固定不變的。 單相罩極式電動機典型的機械特性曲線如圖12.12c所示。12.2 12.2 伺服電動機伺服電動機定義：定義： 伺服電動機是一種把輸入控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚪撬俣容敵龅乃欧妱訖C是一種把輸入控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚪撬俣容敵龅碾妱訖C。電動機。 分類：分類：A、直流伺服電動機、直流伺服電動機直流伺服電動機主要采用兩種控制方式：直流伺服電動機主要采用兩種控制方式：（1 1電樞控制方式；電樞控制方式；（2 2磁場控制。磁場控制。 電樞控制是將

15、定子繞組作為激磁繞組、電樞繞組作為控制繞組的一種控制方式。 設控制電壓為 ，主磁通 保持不變，忽略電樞反應，則直流伺服電動機的機械特性為：aUememTeaeaTnTCCRCUn02（12-11） 根據(jù)上式，便可以分別獲得直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性。a a、機械特性、機械特性定義：定義： 在控制電壓一定的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關系曲線在控制電壓一定的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關系曲線 定義為機械特性。定義為機械特性。)(emTfn 根據(jù)式12-11），繪出不同控制電壓 下的機械特性如圖12.14所示。aU圖12.14 直流伺服電動機的機械特性b b、調(diào)節(jié)特性、調(diào)節(jié)特性定

16、義：定義： 在負載轉(zhuǎn)矩保持不變的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制電壓之間的關在負載轉(zhuǎn)矩保持不變的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制電壓之間的關系曲線系曲線 定義為調(diào)節(jié)特性。定義為調(diào)節(jié)特性。)(aUfn 根據(jù)式12-11便可繪出不同負載轉(zhuǎn)矩下的調(diào)節(jié)特性如圖12.15所示。圖12.15 直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性 始動電壓的概念： 直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性與橫坐標的交點稱為一定負載轉(zhuǎn)矩下電動機的始動電壓 。 0aU 顯然，對于一定大小的負載，直流伺服電動機存在著死區(qū)或失靈區(qū)），死區(qū)的大小與負載轉(zhuǎn)矩成正比。B、交流伺服電動機、交流伺服電動機結(jié)構特點：結(jié)構特點： 定子兩相繞組空間互成定子兩相繞組空間互成 。一相繞組作為激磁繞

17、組，直接接。一相繞組作為激磁繞組，直接接至單相交流電源上；另一相作為控制繞組，其輸入為控制電壓。至單相交流電源上；另一相作為控制繞組，其輸入為控制電壓。 90a a、對交流伺服電動機的特殊要求、對交流伺服電動機的特殊要求與普通異步電動機不同與普通異步電動機不同, ,交流伺服電動機需滿足交流伺服電動機需滿足: :（1 1機械特性為線性；機械特性為線性； （2 2控制信號消失后轉(zhuǎn)子無控制信號消失后轉(zhuǎn)子無“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 （1） 對于普通異步電動機，其機械特性如圖12.16中的曲線1所示。顯然，在整個電動機運行范圍內(nèi)，其機械特性不是轉(zhuǎn)矩的單值函數(shù)。 圖12.16 異步電動機的機械特性說明如下：

18、說明如下：轉(zhuǎn)子電阻較大，轉(zhuǎn)子電阻較大，確保線性的確保線性的 機械特性機械特性 為了滿足交流伺服電動機線性機械特性的要求，通常的做法是：加大轉(zhuǎn)子電阻，以使得產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率 。相應的交流伺服電動機的機械特性如圖12.16中的曲線2所示。顯然，電動機的機械特性在整個調(diào)速范圍（ ）內(nèi)接近線性。1ms10n（2控制信號消失后轉(zhuǎn)子無自轉(zhuǎn)“現(xiàn)象是指：伺服電動機在控制信號為零時，能夠自行停車。 圖12.17a給出了普通驅(qū)動異步電動機一相繞組通電時的機械特性，此時轉(zhuǎn)子電阻較小。圖12.17a同時給出了兩相繞組交流伺服電動機一相通電即控制電壓為零且轉(zhuǎn)子電阻較大時的機械特性。圖12.17 兩相交流異步電

19、動機一相供電時的機械特性交流伺服交流伺服電動機的電動機的轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻足夠大足夠大普通交流電動普通交流電動機轉(zhuǎn)子電阻較機轉(zhuǎn)子電阻較小小普通交流電動普通交流電動機轉(zhuǎn)子電阻增機轉(zhuǎn)子電阻增加加 由圖12.17a可見：對于普通異步電動機，若一相繞組通電時相當于控制電壓為零）， 由于轉(zhuǎn)子電阻較小，正轉(zhuǎn)運行中的電動機仍存在正向電磁轉(zhuǎn)矩； 對于交流伺服電動機，若控制電壓為零，由于轉(zhuǎn)子電阻較大，則正轉(zhuǎn)運行中的電動機仍存在負向電磁轉(zhuǎn)矩，因而控制電壓消失后轉(zhuǎn)子不會自轉(zhuǎn)“。結(jié)論：結(jié)論： 與一般異步電動機相比，兩相交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻較大，與一般異步電動機相比，兩相交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻較大，因而其機械特性在

20、整個調(diào)速范圍內(nèi)接近線性，且一相繞組通電即因而其機械特性在整個調(diào)速范圍內(nèi)接近線性，且一相繞組通電即控制電壓為零時轉(zhuǎn)子無控制電壓為零時轉(zhuǎn)子無“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生?，F(xiàn)象發(fā)生。b b、控制方式與運行特性、控制方式與運行特性在保持勵磁電壓不變的條件下，交流伺服電動機的控制方式：在保持勵磁電壓不變的條件下，交流伺服電動機的控制方式： 幅值控制幅值控制 相位控制相位控制 幅幅- -相控制相控制（1 1幅值控制時的運行特性幅值控制時的運行特性圖12.18 交流伺服電動機幅值控制時的接線圖有效信號系數(shù)：有效信號系數(shù)： 設控制繞組的外加電壓為設控制繞組的外加電壓為 ，其額定電壓為，其額定電壓為 ，則有效信號系，則有

21、效信號系數(shù)數(shù) 可定義為：可定義為：cUcNUcNcUU當 時，相應的氣隙合成磁勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁勢；當 時，由于定子繞組僅勵磁繞組一相供電，相應的氣隙合成磁勢為脈振磁勢；當 時，相應的氣隙合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。1010根據(jù)上述結(jié)論，得 為不同值時的機械特性曲線如圖12.19a所示。圖12.19 交流伺服電動機幅值控制時的機械特性與調(diào)節(jié)特性 采用幅值控制時，交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性可以通過機械特性獲得，如圖12.19b所示。（2 2相位控制時的運行特性相位控制時的運行特性圖12.20 交流伺服電動機相位控制時的接線圖相位控制時的信號系數(shù)：相位控制時的信號系數(shù)： 設控制電壓滯后與勵磁電壓的相位為設

22、控制電壓滯后與勵磁電壓的相位為 ，那么，那么 定義為相位定義為相位控制時的信號系數(shù)?？刂茣r的信號系數(shù)。sin當 時，相應的氣隙合成磁勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁勢；當 時，相應的氣隙合成磁勢為脈振磁勢； 當 時，氣隙合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，合成電磁轉(zhuǎn)矩取決于橢圓度。 1sin0sin1sin0根據(jù)上述結(jié)論，繪出了交流伺服電動機采用相位控制時的機械特性如圖12.21a 所示。圖12.21 交流伺服電動機相位控制時的機械特性與調(diào)節(jié)特性 交流伺服電動機采用相位控制時的調(diào)節(jié)特性可由相應的機械特性獲得，如圖12.20b所示。（3 3幅幅- -相控制時的運行特性相控制時的運行特性圖12.22 交流伺服電動機幅-相控制

23、時的接線圖 采用幅-相控制時交流伺服電動機的機械特性如圖12.23a所示，相應的調(diào)節(jié)特性同樣可以由相應的機械特性獲得，如圖12.23b所示。圖12.23 交流伺服電動機幅-相控制時的機械特性與調(diào)節(jié)特性C、力矩電動機、力矩電動機特點：特點： 低速、大力矩；低速、大力矩； 勿需齒輪等減速機構減速直接驅(qū)動負載低速運行；勿需齒輪等減速機構減速直接驅(qū)動負載低速運行； 負載轉(zhuǎn)速受控于控制電壓信號；負載轉(zhuǎn)速受控于控制電壓信號； 可以低速長期穩(wěn)定運行；可以低速長期穩(wěn)定運行； 機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好。機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好。 分類：分類： 直流力矩電動機直流力矩電動機 交流力矩電動機交流力矩電動機

24、圖12.24給出了典型永磁式直流力矩電動機的結(jié)構示意圖。圖12.24 永磁式直流力矩電動機的結(jié)構示意圖1銅環(huán) 2定子 3電刷 4電樞繞組 5槽楔兼換向片 6轉(zhuǎn)子12.3 12.3 測速發(fā)電機測速發(fā)電機定義：定義： 測速發(fā)電機是一種把機械轉(zhuǎn)速按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號的控制電機。測速發(fā)電機是一種把機械轉(zhuǎn)速按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號的控制電機。分類：分類： 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機 交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機A、直流測速發(fā)電機、直流測速發(fā)電機圖12.25 直流測速發(fā)電機的接線圖 直流測速發(fā)電機的工作原理與一般他勵直流發(fā)電機相同，由勵磁繞組通電產(chǎn)生恒定磁場，電樞繞組在外力拖動下切割磁力線感應電勢，其大小為

25、： nCEea（12-12） 空載時， ，即輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。aEU20 負載后，若負載電阻為 ，則正、負電刷之間的輸出電壓為： LRLaaaaaRUREIREU22 將式12-12代入上式，并整理得：CnnRRCULae12（12-13） 上式表明，假設 、 和 不變，則輸出電壓 與轉(zhuǎn)速成正比。 aRLR2U 根據(jù)式12-13便可以繪出一定負載電阻（ =常數(shù)下直流測速發(fā)電機的輸出特性曲線，如圖12.26所示。 LR圖12.26 直流測速發(fā)電機的輸出特性結(jié)論：結(jié)論： 從信號轉(zhuǎn)換角度看，直流測速發(fā)電機與直流伺服電動機是一對從信號轉(zhuǎn)換角度看，直流測速發(fā)電機與直流伺服電動機是一對互為可逆的電機。

26、互為可逆的電機。 直流伺服電動機將直流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號，而直流測速發(fā)電機則將速度直流伺服電動機將直流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號，而直流測速發(fā)電機則將速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘枴Ｐ盘栟D(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?。B、交流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機結(jié)構特點：結(jié)構特點： 定子采用空間互差定子采用空間互差 的兩相分布繞組組成。其中，一相繞組為激磁繞組，另的兩相分布繞組組成。其中，一相繞組為激磁繞組，另一相為輸出繞組。轉(zhuǎn)子采用空心杯結(jié)構。為減小主磁路的磁阻，空心杯轉(zhuǎn)子內(nèi)部一相為輸出繞組。轉(zhuǎn)子采用空心杯結(jié)構。為減小主磁路的磁阻，空心杯轉(zhuǎn)子內(nèi)部還有一個由硅鋼片疊壓而成的內(nèi)定子定子鐵心。還有一個由硅鋼片疊壓而成的內(nèi)定

27、子定子鐵心。90 圖12.27給出了一臺空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的結(jié)構示意圖。圖12.27 空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的結(jié)構示意圖1空心杯轉(zhuǎn)子 2定子 3內(nèi)定子 4機殼 5端蓋 圖12.28為測速發(fā)電機的工作原理示意圖。圖12.28 空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理圖 當轉(zhuǎn)子靜止（ ）時，直軸脈振磁通 交變，在空心杯轉(zhuǎn)子直軸繞組中感應變壓器電勢 、直軸電流 以及轉(zhuǎn)子直軸磁勢 ，如圖12.28a所示?？紤]到輸出繞組的軸線q軸與d軸相互垂直，因而輸出繞組不會與直軸磁通相匝鏈而感應電勢，相應的輸出電壓 。0nddrEdrIdrF020U 當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后（ ），除了在空心杯轉(zhuǎn)子直軸繞組中感應變壓器電勢和

28、電流外，轉(zhuǎn)子交軸繞組由于切割直軸磁通 而產(chǎn)生速度電勢 。根據(jù)右手定則， 的方向如圖12.28b所示，其大小為：0ndqrEqrEnCEdqr2（12-14） 在 的作用下，轉(zhuǎn)子繞組將產(chǎn)生q軸電流 和脈振磁勢 ?？紤]到轉(zhuǎn)子電阻遠遠大于轉(zhuǎn)子漏抗，因而轉(zhuǎn)子q軸電流 與 基本同相，如圖12.28b所示。q軸電流 沿q軸方向建立磁勢 和相應的磁通 。 沿q軸方向交變，并在定子輸出繞組上感應電勢 ，其有效值為：qrEqrIqrFqrIqrEqrIqrFqq2EqwkfNE22244. 4（12-14）交流測速發(fā)電機的工作原理：交流測速發(fā)電機的工作原理：忽略鐵心飽和，有：qrqrqrqEIF（12-16）聯(lián)

29、立式12-14）、（12-15和12-16可得：nEd2（12-17） 上式表明：在外加激磁電壓一定的條件下，直軸磁通 保持不變，則交流測速發(fā)電機的輸出電勢或輸出電壓） 與轉(zhuǎn)速n成正比。即通過測量輸出電壓便可以檢測轉(zhuǎn)速信號。d2E結(jié)論：結(jié)論： 交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機可以看作為是一對互為交流異步測速發(fā)電機與交流伺服電動機可以看作為是一對互為可逆的電機?？赡娴碾姍C。 交流伺服電動機是由控制繞組輸入電壓信號，通過電動機將電壓輸入信號轉(zhuǎn)交流伺服電動機是由控制繞組輸入電壓信號，通過電動機將電壓輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號在機械軸上輸出；而交流異步測速發(fā)電機則是由外力拖動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號在機械

30、軸上輸出；而交流異步測速發(fā)電機則是由外力拖動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號在定子輸出繞組相當于通過發(fā)電機將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號在定子輸出繞組相當于交流伺服電動機的控制繞組中輸出。交流伺服電動機的控制繞組中輸出。12.4 12.4 自整角機自整角機定義：定義： 自整角機是一種對角位移偏差具有自整步能力的控制電機。一自整角機是一種對角位移偏差具有自整步能力的控制電機。一般情況下，自整角機是成對使用的，一臺作為發(fā)送機使用，另一臺般情況下，自整角機是成對使用的，一臺作為發(fā)送機使用，另一臺作為接收機使用。通過發(fā)送機將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號，然后再由接收作為接收機使用

31、。通過發(fā)送機將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號，然后再由接收機將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)角或電信號輸出，從而實現(xiàn)角度的遠距離傳輸機將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)角或電信號輸出，從而實現(xiàn)角度的遠距離傳輸或轉(zhuǎn)換?；蜣D(zhuǎn)換。結(jié)構特點：結(jié)構特點： 轉(zhuǎn)子采用單相交流激磁繞組，嵌入到凸極或隱極式轉(zhuǎn)子鐵心中，轉(zhuǎn)子采用單相交流激磁繞組，嵌入到凸極或隱極式轉(zhuǎn)子鐵心中， 并通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷引出；并通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷引出； 定子采用三相對稱分布繞組又稱為整步繞組）。三相整步繞組定子采用三相對稱分布繞組又稱為整步繞組）。三相整步繞組 接成星形，并通過出線端引出。接成星形，并通過出線端引出。分類：分類： 力矩式自整角機：其輸出是轉(zhuǎn)角；力矩式自整角機：其輸出是

32、轉(zhuǎn)角； 控制式自整角機：其輸出是電壓信號。控制式自整角機：其輸出是電壓信號。圖12.29 力矩式自整角機的工作原理圖失調(diào)角的概念：失調(diào)角的概念： 將將a1a1相整步繞組軸線與激磁繞組軸線之間的夾角作為轉(zhuǎn)子的位置相整步繞組軸線與激磁繞組軸線之間的夾角作為轉(zhuǎn)子的位置角。兩自整角機轉(zhuǎn)子位置角偏差稱為失調(diào)角角。兩自整角機轉(zhuǎn)子位置角偏差稱為失調(diào)角 ，即：，即： 。21協(xié)調(diào)位置的概念：協(xié)調(diào)位置的概念： 當失調(diào)角當失調(diào)角 為零即兩臺自整角機轉(zhuǎn)子位置角相同時，各相整為零即兩臺自整角機轉(zhuǎn)子位置角相同時，各相整步繞組中的定子電流又稱為均衡電流為零，相應的電磁轉(zhuǎn)矩也步繞組中的定子電流又稱為均衡電流為零，相應的電磁轉(zhuǎn)

33、矩也為零，此時轉(zhuǎn)子的位置稱為協(xié)調(diào)位置。為零，此時轉(zhuǎn)子的位置稱為協(xié)調(diào)位置。幾個術語：幾個術語： A、力矩式自整角機、力矩式自整角機整步轉(zhuǎn)矩的概念與力矩式自整角機的工作原理：整步轉(zhuǎn)矩的概念與力矩式自整角機的工作原理： 當發(fā)送機轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過一個角度當發(fā)送機轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過一個角度 后，兩自整角機轉(zhuǎn)子之間將后，兩自整角機轉(zhuǎn)子之間將存在一個失調(diào)角存在一個失調(diào)角 。于是，發(fā)送和接收機整步繞組中所感應的線電。于是，發(fā)送和接收機整步繞組中所感應的線電勢將不再相等，兩繞組之間便有均衡電流流過。均衡電流與兩轉(zhuǎn)子勢將不再相等，兩繞組之間便有均衡電流流過。均衡電流與兩轉(zhuǎn)子激磁繞組所建立的磁場相互作用便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩又稱

34、為整步轉(zhuǎn)激磁繞組所建立的磁場相互作用便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩又稱為整步轉(zhuǎn)矩）。整步轉(zhuǎn)矩力圖使失調(diào)角趨向于零。于是，接收機轉(zhuǎn)子將跟隨矩）。整步轉(zhuǎn)矩力圖使失調(diào)角趨向于零。于是，接收機轉(zhuǎn)子將跟隨發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 角，從而使兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角又保持一致，力矩式自角，從而使兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角又保持一致，力矩式自整角機又重新達到新的協(xié)調(diào)位置。整角機又重新達到新的協(xié)調(diào)位置。上述過程定量分析如下：假定：假定：（1氣隙磁密按正弦分布；氣隙磁密按正弦分布；（2忽略鐵心飽和和整步繞組磁勢對激磁磁勢的影響。忽略鐵心飽和和整步繞組磁勢對激磁磁勢的影響。 當發(fā)送機和接收機轉(zhuǎn)子之間的位置角分別為 和 不等時，轉(zhuǎn)子激磁磁場在定子各整步

35、繞組內(nèi)所感應變壓器電勢的有效值分別由下列式子給出：12 對于發(fā)送機（12-18） 對于接收機（12-19） 考慮到發(fā)送機和接收機均為星形連接的三相對稱繞組，因而，各相回路的合成電勢可分別表示為：（12-20） 設整步繞組每相的等效阻抗為 ，則定子各相繞組中的均衡電流為：（12-21）aZ 為了計算整步轉(zhuǎn)矩的方便，可將整步繞組中的三相電流按投影分解到直軸或d軸和交軸或q軸上，即完成所謂的三相abc坐標系到靜止dqo坐標系變量的變換。于是，三相整步繞組的電流在d軸和q軸上的分量可分別表示為：對于發(fā)送機sin43)120sin()120sin(sin)cos1 (43)120cos()120cos(

36、cos11111111acbaqacbadZEIIIIZEIIII(12-22) 對于接收機，考慮到它在三相整步繞組中的電流與發(fā)送機大小相同，流向相反，于是有：sin43)120sin()120sin(sin)cos1 (43)120cos()120cos(cos22222222acbaqacbadZEIIIIZEIIII(12-23) 考慮到磁勢正比于電流，于是根據(jù)式12-22和12-23中的電流分量便可求得三相整步繞組所產(chǎn)生的定子合成磁勢在d軸和q軸上的分量 和 的大小并分析其性質(zhì)。dFqF 由式12-22和12-23可見：無論是發(fā)送機還是接收機，在直軸方向上的磁勢分量均為負值，表明整步繞

37、組在直軸方向上的磁勢為去磁的。假定失調(diào)角 較小，那么 、 以及相應的直軸磁勢較小，可以忽略不計；而交軸方向上的磁勢分量對于發(fā)送機和接收機來講，其大小相等，方向相反。dI1dI2 圖12.30給出了轉(zhuǎn)子交軸、直軸磁場與定子交軸、直軸電流相互作用所產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的示意圖。圖中，規(guī)定沿直軸d軸和交軸q軸正方向的磁勢或電流為正，并取逆時針方向的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩為正。圖12.30 d、q 軸磁場與 d、q 軸電流相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 由圖12.30可見：只有直軸磁通 與交軸電流 或交軸磁通 與直軸電流 相互作用才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。鑒于直軸磁勢或電流較小，可以忽略不計，而轉(zhuǎn)子激磁磁通主要集中在d軸上，

38、即 ，因此整步轉(zhuǎn)矩的大小可由下式給出：dqIqdImdqmqdemIIT 將式12-22或12-23代入上式，并考慮到圖12.30中的轉(zhuǎn)矩方向，便可求得發(fā)送機和接收機的整步轉(zhuǎn)矩分別為：sin)sin43(11mamemTZECT(12-24)112sinsin43emmamemTTZECT(12-25) 式12-24和12-25中的符號表明：發(fā)送機整步繞組所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為逆時針方向，而接收機所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為順時針方向?？紤]到整步繞組位于定子側(cè)，所以作用到轉(zhuǎn)子軸上的實際整步轉(zhuǎn)矩方向分別與上式相反。即當發(fā)送機轉(zhuǎn)子在外力作用下逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度 后，發(fā)送機轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為順時針方向，傾向

39、于保持轉(zhuǎn)子原來的位置。而接收機轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為逆時針方向，驅(qū)使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過角度 ，從而使兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角一致，即 。最終，整步轉(zhuǎn)矩為零，系統(tǒng)進入新的協(xié)調(diào)位置。0 根據(jù)式12-24繪出靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關系曲線如圖12.31所示。 圖12.31 自整角機的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩特性圖中，當失調(diào)角 時的整步轉(zhuǎn)矩稱為比整步轉(zhuǎn)矩或比轉(zhuǎn)矩）。1B、控制式自整角機、控制式自整角機圖12.32 控制式自整角機的工作原理圖控制式自整角機的概念與工作原理：控制式自整角機的概念與工作原理： 控制式自整角機的作用是將發(fā)送機轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為接收機控制式自整角機的作用是將發(fā)送機轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為接收機轉(zhuǎn)子繞組

40、上的電壓信號。在發(fā)送機定子繞組感應電勢的作用下，接轉(zhuǎn)子繞組上的電壓信號。在發(fā)送機定子繞組感應電勢的作用下，接收機定子繞組中便有電流流過并產(chǎn)生磁勢和磁通。所產(chǎn)生的磁通與收機定子繞組中便有電流流過并產(chǎn)生磁勢和磁通。所產(chǎn)生的磁通與接收機的轉(zhuǎn)子繞組相匝聯(lián)，并在接收機轉(zhuǎn)子繞組中感應電勢，最終接收機的轉(zhuǎn)子繞組相匝聯(lián)，并在接收機轉(zhuǎn)子繞組中感應電勢，最終輸出電壓。由于接收機是處于變壓器運行狀態(tài)，故接收機又稱為自輸出電壓。由于接收機是處于變壓器運行狀態(tài)，故接收機又稱為自整角變壓器。整角變壓器。 定量分析如下： 在自整角變壓器中，取轉(zhuǎn)子繞組軸線與a2相整步繞組軸線垂直的位置作為基準電氣零位。相應的失調(diào)角為零，兩轉(zhuǎn)

41、子處于協(xié)調(diào)位置，自整角變壓器輸出電壓為零。 若將發(fā)送機轉(zhuǎn)子相對于整步繞組逆時針方向轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)角 （相當于整步繞組順時針轉(zhuǎn)過角 ）（見圖12.32），自整角變壓器轉(zhuǎn)子將從基準零位逆時針方向轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)角 （相當于整步繞組順時針轉(zhuǎn)過角 ），則相應的失調(diào)角為： 。在發(fā)送機轉(zhuǎn)子激磁繞組的磁勢和磁場作用下，各相整步繞組中將感應變壓器電勢，其有效值分別為：112221)120cos()120cos(cos111111EEEEEEcba（12-26） 設發(fā)送機整步繞組中每相的等效電抗為 ，而自整角變壓器整步繞組中每相的等效電抗為 ，則各整步繞組回路中的電流有效值分別為：aZ1aZ2)120cos()120co

42、s(cos121211121211121211aaaaccaaaabbaaaaaaZZEZZEIZZEZZEIZZEZZEI（12-27） 對于自整角變壓器，考慮到其三相整步繞組中的電流與發(fā)送機中的電流大小相同，方向相反見圖12.32），因而，每相整步繞組所產(chǎn)生基波磁勢的幅值分別為：（12-28） 為了計算自整角變壓器輸出電壓的方便，通常將整步繞組中的各相磁勢按投影分解到直軸或d軸和交軸或q軸上。于是有： sin23)120sin()120sin(sincos23)120cos()120cos(cos22222222222222FFFFFFFFFFcbaqcbad（12-29） 于是，整步繞組

43、合成磁勢的幅值為：FFFFqd2322222（12-30） 合成磁勢與d軸之間的夾角為：dqFFtg221（12-31） 根據(jù)上式，繪出自整角變壓器三相整步繞組的合成磁勢 的位置如圖12.33所示。2F圖12.33 自整角變壓器整步繞組合成磁勢的空間位置 考慮到發(fā)送機和自整角變壓器是由完全相同的兩臺自整角機組成，因而，其內(nèi)部整步繞組的空間位置完全對應即 相整步繞組的軸線與 相整步繞組相同）。由此可見：自整角變壓器三相整步繞組合成磁勢的空間位置總是與發(fā)送機轉(zhuǎn)子的實際空間位置相一致。 2a1a 對于自整角變壓器，由于其輸出繞組的軸線與q軸的方向一致，因而，q軸脈振磁勢在輸出繞組中的感應電勢為：qw

44、kfNE222244. 4（12-32）其中，交軸脈振磁勢與輸出繞組所匝鏈的磁通可由下式給出： sin2322qqqqFF（12-33）結(jié)合式12-32和12-33），便可求出自整角變壓器空載時的輸出電壓為： sinsin2344. 4222220mqwUFkfNEU（12-34） 根據(jù)上式繪出自整角變壓器輸出電壓與失調(diào)角之間的關系曲線如圖12.34所示。圖12.34 自整角變壓器的輸出特性圖中，當失調(diào)角時的輸出電壓稱為比電壓。 圖12.35給出了由控制式自整角機可以與伺服電機一起組成隨動系統(tǒng)。 圖12.35 由控制式自整角機和伺服電機組成的隨動系統(tǒng) 結(jié)論：結(jié)論： 控制式自整角機的接收機或自整

45、角變壓器與力矩式自整角機控制式自整角機的接收機或自整角變壓器與力矩式自整角機的接收機是同一種電機的兩種可逆運行方式。的接收機是同一種電機的兩種可逆運行方式。 在力矩式自整角機中，發(fā)送機的轉(zhuǎn)子繞組通過單相電源輸入電壓信號，通過定子繞組的電氣連接將發(fā)送機的轉(zhuǎn)角信號傳遞至接收機，由接收機輸出轉(zhuǎn)角信號。此時，接收機相當于工作在電動機運行狀態(tài)；而在控制式自整角機中，接收機的轉(zhuǎn)子繞組開路，通過定子繞組的電氣連接將發(fā)送機的轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C轉(zhuǎn)子繞組的電壓輸出。此時，接收機相當于工作在發(fā)電機運行狀態(tài)。12.5 12.5 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器概念概念: 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器Revolving Transfor

46、mer是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器或控制電機，它將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出?；蚩刂齐姍C，它將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。圖12.36 有刷旋轉(zhuǎn)變壓器的電路原理圖按有無電刷分類按有無電刷分類: : 有刷旋轉(zhuǎn)變壓器有刷旋轉(zhuǎn)變壓器 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器無刷旋轉(zhuǎn)變壓器分類：分類：按有輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間的關系分類按有輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間的關系分類: : 正正- -余弦旋轉(zhuǎn)變壓器余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 線性旋轉(zhuǎn)變壓器線性旋轉(zhuǎn)變壓器有刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構特點：有刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構特點： 定子和轉(zhuǎn)子均采用空間互差的兩相對稱正弦分布繞組；定子和轉(zhuǎn)子均采用空間互差的兩相對稱正弦分布繞組； 定、

47、轉(zhuǎn)子極數(shù)一般為兩極，轉(zhuǎn)子繞組則通過滑環(huán)和電刷引出。定、轉(zhuǎn)子極數(shù)一般為兩極，轉(zhuǎn)子繞組則通過滑環(huán)和電刷引出。 圖12.37 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器的電路原理圖無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構特點：無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構特點： 包括兩部分：包括兩部分： 解算器或分解器）：由兩相空間互成解算器或分解器）：由兩相空間互成 的定子繞組和一相轉(zhuǎn)子勵磁繞組組成；的定子繞組和一相轉(zhuǎn)子勵磁繞組組成； 旋轉(zhuǎn)變壓器：一次側(cè)繞組固定在定子上，由高頻交流信號激磁。二次側(cè)繞組位旋轉(zhuǎn)變壓器：一次側(cè)繞組固定在定子上，由高頻交流信號激磁。二次側(cè)繞組位于轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。于轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。90無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理：無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的工

48、作原理： 由旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)繞組為解算器的轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供旋轉(zhuǎn)激由旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)繞組為解算器的轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供旋轉(zhuǎn)激磁。通過解算器的兩相定子繞組分別輸出與轉(zhuǎn)子角度的正、余弦成磁。通過解算器的兩相定子繞組分別輸出與轉(zhuǎn)子角度的正、余弦成正比的電壓信號。正比的電壓信號。 由于旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)繞組與解算器的轉(zhuǎn)子勵磁繞組相對靜由于旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)繞組與解算器的轉(zhuǎn)子勵磁繞組相對靜止，故實現(xiàn)了無刷結(jié)構。止，故實現(xiàn)了無刷結(jié)構。 此外，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入與輸出端口是可以交換的。此外，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入與輸出端口是可以交換的。A、工作原理、工作原理a a、正、正- -余弦旋轉(zhuǎn)變壓器余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 正

49、-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器因兩個轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓分別為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正、余弦函數(shù)而得名，其原理圖如圖12.36所示。 圖12.36中，取轉(zhuǎn)子A繞組與d軸重合時的位置為轉(zhuǎn)子的起始位置，并規(guī)定轉(zhuǎn)子沿逆時針偏離d軸的角度為正。 當定子激磁繞組D外加交流電壓時，繞組內(nèi)便產(chǎn)生激磁電流，并在d軸上建立脈振磁勢和氣隙磁通 。當 為任意值時，由于氣隙磁通 與A、B兩相繞組所匝鏈的磁通分別為 和 ，因此在激磁繞組D、轉(zhuǎn)子A和B繞組中所感應電勢的有效值分別為：mmcosmsinm空載運行分析：空載運行分析：sinsin44. 4coscos44. 444. 4DmwrrrADmwrrrAmwssDkEkfNEkEkfNEkf

50、NE（12-35）當轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組空載時，其輸出電壓分別為：sincosDrBBDrAAkEEUkEEU（12-36） 上式表明，空載時，轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組的輸出電壓分別與轉(zhuǎn)角 的余弦和正弦函數(shù)成正比，相應的繞組分別稱為余弦繞組和正弦繞組。負載運行分析：負載運行分析：圖12.38 負載后的正-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 余弦輸出繞組A中接入負載 后見圖12.38），便會有負載電流流過，并產(chǎn)生脈振磁勢 ，其結(jié)果將導致氣隙磁場畸變，使得轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組的輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間不再滿足式12-36中的正、余弦關系。AF現(xiàn)分析如下：LZ根據(jù)圖12.38，轉(zhuǎn)子磁勢 可沿d軸和q軸分解為如下兩個分量：AFsinco

51、sAAqAAdFFFF（12-37） 根據(jù)變壓器理論， 的出現(xiàn)使定子D繞組的電流增大，對氣隙磁場基本無影響； 轉(zhuǎn)子磁勢則不同，由于定子Q繞組中本來無激磁電流，因而 的作用相當于交軸激磁磁勢。 要在氣隙中建立新的脈振磁場，它所產(chǎn)生的磁通最大值為：AdFAqFAqFAqFsinAqqmF（12-38） 與轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組所匝鏈的磁通分別為 和 。它們在A、B兩相繞組中所感應電勢的有效值分別為：qmsinqmcosqmcos44. 4sin44. 4qmwrrBqqmwrrAqkfNEkfNE（12-39）將式12-38代入上式得：cossincossin44. 4sinsin44. 422KFk

52、fNEKFkfNEAqwrrBqAqwrrAq（12-40） 上式表明：負載后，由于轉(zhuǎn)子磁勢 的作用，導致轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組中所感應的電勢中多出兩項： 和 。其結(jié)果引起A、B兩相繞組的輸出電壓與轉(zhuǎn)角 之間不再滿足余弦或正弦關系。且負載電流越大，對輸出電壓的影響越嚴重。AFAqEBqE解決措施：解決措施： 為了消除輸出電壓的畸變，可以在定子側(cè)或轉(zhuǎn)子側(cè)進行補償。圖12.39給出了一種將定子繞組短接的定子側(cè)補償方案。圖12.39 帶有定子側(cè)補償?shù)恼?余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 圖中，由于q軸方向上相當于一臺副方短路的變壓器，其主磁通 很小，因而抑制了轉(zhuǎn)子磁勢 對輸出電壓的影響。qmAFb b、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、線

53、性旋轉(zhuǎn)變壓器 定義：定義： 輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間呈線性關系的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為線性旋轉(zhuǎn)輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間呈線性關系的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器。變壓器。 圖12.40 線性旋轉(zhuǎn)變壓器的原理電路圖 當轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過 角時，由于定子繞組Q的補償作用，轉(zhuǎn)子繞組B中的負載電流所產(chǎn)生的磁勢對氣隙磁場的影響較小。氣隙磁通主要是由定子激磁繞組D所產(chǎn)生的直軸磁通 。它在激磁繞組D、轉(zhuǎn)子A和B繞組中所感應電勢的有效值分別為 、 和 ，其有效值與式12-35一樣。根據(jù)圖12.40所假定的正方向，于是有：msErAErBE)cos()(1DDrADEkEEEU（12-41）當負載阻抗 較大時，輸出電壓為：LZs

54、in2DrBEkEU（12-42）將式12-41代入12-42得：12cos1sinUkkU（12-43） 根據(jù)上式繪出輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的特性曲線如圖12.41所示。 圖12.41 線性旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的關系曲線( )52. 0k 由上圖可見：當 時，輸出電壓 與轉(zhuǎn)角 之間基本上滿足線性關系。60602UB、旋轉(zhuǎn)變壓器的應用、旋轉(zhuǎn)變壓器的應用u 作為伺服系統(tǒng)中高精度位置檢測作為伺服系統(tǒng)中高精度位置檢測元件：元件：u 作為坐標變換和矢量運算器件；作為坐標變換和矢量運算器件；用處：用處： 當旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件使用時，一般須利用特殊的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模

55、擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的信號后使用；圖12.42 給出了兩種典型的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與相應轉(zhuǎn)換電路的電氣原理圖。圖12.42 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測方案 圖12.42a、b所示方案所采用的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入與輸出端子顛倒。12.6 12.6 直線電動機直線電動機定義：定義： 直線電動機是一種能夠直接輸出直線運動的電動機。直線電動機是一種能夠直接輸出直線運動的電動機。分類：分類：直線直流電動機直線直流電動機直線異步電動機直線異步電動機直線同步電動機直線同步電動機直線步進電動機直線步進電動機A、直線直流電動機、直線直流電動機兩種主要結(jié)構形式：兩種主要結(jié)構形式： 框架式框架式 動圈式；動圈式； 動鐵式

56、動鐵式 音圈式音圈式 圖12.43 直線直流電動機的結(jié)構示意圖1永久磁鐵 2極靴 3鐵芯 4磁軛 5磁通 6可動線圈 直線直流電動機的機械特性、調(diào)節(jié)特性以及動態(tài)特性的分析與第2章介紹的直流旋轉(zhuǎn)電動機或12.2節(jié)介紹的直流伺服電動機基本相同。只需用直線位移代替角位移、用力代替轉(zhuǎn)矩即可。B、直線異步電動機、直線異步電動機 直線異步電動機是從旋轉(zhuǎn)式異步電動機演變而來的。 圖12.44 由旋轉(zhuǎn)式異步電動機向直線電動機的演變過程 當在直線異步電動機的初級三相繞組中通入三相對稱電流時，則在初級和次極之間的氣隙中便產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場的行波磁場，如圖12.45所示。圖12.45 直線異步電動機的工作原理示意圖

57、1初級 2次級 3行波磁場 圖12.45中，行波磁場的移動速度為同步速，它取決于初級繞組的通電頻率和繞組節(jié)距，即：1112260nvpf（12-45）式中， 為繞組節(jié)距(m)； 為電源頻率。1f 在同步速行波磁場的作用下，次級導條感應電勢和電流，該電流與行波磁場相互作用產(chǎn)生電磁力。若初級部分固定不動，則次級部分又稱為動子將沿行波磁場方向移動。為確保相對切割，動子的移動速度總是低于行波磁場的同步速 ，其差異可用轉(zhuǎn)差率來表示，即：1v11vvvs（12-44）由式12-44）、（12-45可得動子的移動速度為：)1 (2)1 (11sfsvv（12-46） 上式表明，改變初級繞組的節(jié)距、初級的供電

58、頻率以及轉(zhuǎn)差等均可象旋轉(zhuǎn)異步電動機一樣改變動子的移動速度。圖12.46a、b分別給出了兩種扁平式結(jié)構的直線異步電動機，兩者皆采用長動子、短定子結(jié)構。12.46 具有長動子、短定子的扁平式結(jié)構直線異步電動機 除了上述扁平式結(jié)構之外，直線異步電動機還可以作成管形結(jié)構，如圖12.47所示。圖12.47 管形結(jié)構的直線異步電動機B、直線步進電動機、直線步進電動機概念：概念： 直線步進電動機是一種將輸入脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M式直線運動的電動直線步進電動機是一種將輸入脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M式直線運動的電動機。其初級定子繞組每輸入一個脈沖，動子則移動一直線步長。機。其初級定子繞組每輸入一個脈沖，動子則移動一直線步長。圖12

59、.48給出了一種混合式直線步進電動機的工作原理示意圖。圖12.48 混合式直線步進電動機的工作原理行波型超聲波電機及其驅(qū)動器的圖片行波型超聲波電機及其驅(qū)動器的圖片 超聲波電機超聲波電機Ultrasonic MotorUltrasonic Motor）（以下簡稱）（以下簡稱USMUSM是一種利是一種利用逆壓電效應實現(xiàn)電能到機械能轉(zhuǎn)換的新原理電機。它利用壓電用逆壓電效應實現(xiàn)電能到機械能轉(zhuǎn)換的新原理電機。它利用壓電陶瓷和彈性體產(chǎn)生高頻定子振動，借助于定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將陶瓷和彈性體產(chǎn)生高頻定子振動，借助于定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將定子雙向的機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子單一方向的回轉(zhuǎn)或直線運動。由定子雙向的機械振動轉(zhuǎn)

60、變?yōu)檗D(zhuǎn)子單一方向的回轉(zhuǎn)或直線運動。由于定子機械振動的頻率處于超聲頻率范圍（于定子機械振動的頻率處于超聲頻率范圍（ ）內(nèi)，超聲）內(nèi)，超聲波電動機由此而得名。鑒于定子的機械振動是由壓電晶體根據(jù)逆波電動機由此而得名。鑒于定子的機械振動是由壓電晶體根據(jù)逆壓電效應所產(chǎn)生的，故超聲波電動機又名壓電馬達。壓電效應所產(chǎn)生的，故超聲波電動機又名壓電馬達。 kHz20一般工作原理一般工作原理 通過壓電晶體和彈性體，使得與轉(zhuǎn)子相接觸的定子表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，從而導致定子表面質(zhì)點與轉(zhuǎn)子之間有相對運動。借助于轉(zhuǎn)子表面上的摩擦材料，使定、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生單方向的滑動摩擦，最終驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。 u 駐波型駐波型u 行波型行波型