第12章驅(qū)動與控制用微特電機(jī)ppt課件

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

2、電機(jī)、力矩電機(jī)、直線電機(jī)以及超聲波電機(jī)等； 控制電機(jī)：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(jī)：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(jī)、自整角機(jī)以及旋轉(zhuǎn)變壓器等。的，如測速發(fā)電機(jī)、自整角機(jī)以及旋轉(zhuǎn)變壓器等。12.1 12.1 單相異步電動機(jī)單相異步電動機(jī)單相異步電動機(jī)：單相異步電動機(jī)： 單相異步電動機(jī)是單相電源供電異步電動機(jī)的總稱。它一般是由單相異步電動機(jī)是單相電源供電異步電動機(jī)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(jī)的磁場與機(jī)械特性、單相繞組通電時異步電動機(jī)的磁場與機(jī)械特性單相異步電動機(jī)的結(jié)

3、構(gòu)如圖12.1a所示。 圖12.1 單相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)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(gòu)。90主繞組單獨通電、起動繞組開路時異步電動機(jī)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(dá)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(yīng)電勢和電流

4、。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子感應(yīng)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(yīng)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(jī)的等效電路便可得到單相異步電動機(jī)的等效電路，如圖12.2所示。圖12.2 單相異步電動機(jī)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(jī)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(guān)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(guān)系 ，以及上述兩條曲線的合成結(jié)果即單相異步電動機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系?？v、橫坐標(biāo)顛倒即得到單相異步電動機(jī)的機(jī)械特性 ,如圖12.3b所示。emTsemTs)(sfTem)(sfTememTs()emnf T圖12.3 單相異步電動機(jī)的曲線 與機(jī)械特性 sTem()emnf T結(jié)論：結(jié)論： 對于單相繞組，當(dāng)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(dāng)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(jī)的額定，表明單相異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率高于普通三相異步電動機(jī)。轉(zhuǎn)差率高于普通三相異步電動機(jī)。10nn B、兩相繞組通電時異步電動機(jī)的

7、磁場與機(jī)械特性、兩相繞組通電時異步電動機(jī)的磁場與機(jī)械特性a a、兩相繞組通電時異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場、兩相繞組通電時異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場 設(shè)單相異步電動機(jī)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(jī)的機(jī)械特性、兩相繞組異步電動機(jī)的機(jī)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(jī)的機(jī)械特性。 圖12.6給出了兩相繞組異步電動機(jī)當(dāng)主、副繞組分別通以幅值不同或相位不同的電流，且 時的機(jī)械特性。 FF圖12.6 兩相繞組異步電動機(jī)的機(jī)械特性結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)主、副繞組分別通以幅值不同或相位不同的電流當(dāng)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(jī)則產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。時，兩相繞組異步電動機(jī)則產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。C、單相異步電動機(jī)的類型、單相異步電動機(jī)的類型a a、電阻分相式單相電動機(jī)、電阻分相式單相電動機(jī)圖12.7 電阻分相式單相異步電動機(jī)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(guān)K 為常閉觸點，當(dāng)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(jī)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(dá)7

11、580%額定轉(zhuǎn)速時，離心開關(guān)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(jī)的典型機(jī)械特性曲線。 圖12.8 電阻分相式單相異步電動機(jī)的典型機(jī)械特性曲線b b、電容起動式單相電動機(jī)、電容起動式單相電動機(jī)圖12.9 電容單相起動式異步電動機(jī)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(guān)以及離心開關(guān)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(jī)的典型機(jī)械特性曲線。圖12.10 電容起動式單相異步電動機(jī)的典型機(jī)械特性曲線c c、電容起動與運轉(zhuǎn)式單相電動機(jī)、電容起動與運轉(zhuǎn)式單相電動機(jī)圖12.11 電容起動與運轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)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(guān)串聯(lián)；，且僅起動電容與離心開關(guān)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(jī)的典型機(jī)械特性曲線。圖12.12 電容起動與運轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)的典型機(jī)械特性曲線d d、罩極式單相電動機(jī)、罩極式單相電動機(jī)圖12.13 單相罩極式異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖特點：特點：定子采用凸極式結(jié)構(gòu)，主磁極上裝有工作繞組定子采用凸極式結(jié)構(gòu)，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(dāng)于起動處開有小槽，其上套有銅短路環(huán)相當(dāng)于起動繞組）。繞組）。 當(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是固定不變的。罩極式電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是固定不變的。 單相罩極式電動機(jī)典型的機(jī)械特性曲線如圖12.12c所示。12.2 12.2 伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)定義：定義： 伺服電動機(jī)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(jī)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(jī)。電動機(jī)。 分類：分類：A、直流伺服電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)主要采用兩種控制方式：直流伺服電動機(jī)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(shè)控制電壓為 ，主磁通 保持不變，忽略電樞反應(yīng)，則直流伺服電動機(jī)的機(jī)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(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。a a、機(jī)械特性、機(jī)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(guān)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(guān)系曲線 定義為機(jī)械特性。定義為機(jī)械特性。)(emTfn 根據(jù)式12-11），繪出不同控制電壓 下的機(jī)械特性如圖12.14所示。aU圖12.14 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性b b、調(diào)節(jié)特性、調(diào)節(jié)特性定

16、義：定義： 在負(fù)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(guān)在負(fù)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(guān)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(fù)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(jī)的調(diào)節(jié)特性 始動電壓的概念： 直流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性與橫坐標(biāo)的交點稱為一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動機(jī)的始動電壓 。 0aU 顯然，對于一定大小的負(fù)載，直流伺服電動機(jī)存在著死區(qū)或失靈區(qū)），死區(qū)的大小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比。B、交流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)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(jī)的特殊要求、對交流伺服電動機(jī)的特殊要求與普通異步電動機(jī)不同與普通異步電動機(jī)不同, ,交流伺服電動機(jī)需滿足交流伺服電動機(jī)需滿足: :（1 1機(jī)械特性為線性；機(jī)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(jī)，其機(jī)械特性如圖12.16中的曲線1所示。顯然，在整個電動機(jī)運行范圍內(nèi)，其機(jī)械特性不是轉(zhuǎn)矩的單值函數(shù)。 圖12.16 異步電動機(jī)的機(jī)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(jī)械特性機(jī)械特性 為了滿足交流伺服電動機(jī)線性機(jī)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(yīng)的交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性如圖12.16中的曲線2所示。顯然，電動機(jī)的機(jī)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(jī)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(jī)一相繞組通電時的機(jī)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(jī)一相通電即控制電壓為零且轉(zhuǎn)子電阻較大時的機(jī)械特性。圖12.17 兩相交流異步電

19、動機(jī)一相供電時的機(jī)械特性交流伺服交流伺服電動機(jī)的電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電阻較機(jī)轉(zhuǎn)子電阻較小小普通交流電動普通交流電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增加加 由圖12.17a可見：對于普通異步電動機(jī)，若一相繞組通電時相當(dāng)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(jī)仍存在正向電磁轉(zhuǎn)矩； 對于交流伺服電動機(jī)，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(jī)仍存在負(fù)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(jī)相比，兩相交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻較大，與一般異步電動機(jī)相比，兩相交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻較大，因而其機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)幅值控制時的接線圖有效信號系數(shù)：有效信號系數(shù)： 設(shè)控制繞組的外加電壓為設(shè)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(dāng) 時，相應(yīng)的氣隙合成磁勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁勢；當(dāng) 時，由于定子繞組僅勵磁繞組一相供電，相應(yīng)的氣隙合成磁勢為脈振磁勢；當(dāng) 時，相應(yīng)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(jī)械特性曲線如圖12.19a所示。圖12.19 交流伺服電動機(jī)幅值控制時的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性 采用幅值控制時，交流伺服電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性可以通過機(jī)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(jī)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(shè)控制電壓滯后與勵磁電壓的相位為設(shè)

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(dāng) 時，相應(yīng)的氣隙合成磁勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁勢；當(dāng) 時，相應(yīng)的氣隙合成磁勢為脈振磁勢； 當(dāng) 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(jī)采用相位控制時的機(jī)械特性如圖12.21a 所示。圖12.21 交流伺服電動機(jī)相位控制時的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性 交流伺服電動機(jī)采用相位控制時的調(diào)節(jié)特性可由相應(yīng)的機(jī)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(jī)幅-相控制

23、時的接線圖 采用幅-相控制時交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性如圖12.23a所示，相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性同樣可以由相應(yīng)的機(jī)械特性獲得，如圖12.23b所示。圖12.23 交流伺服電動機(jī)幅-相控制時的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性C、力矩電動機(jī)、力矩電動機(jī)特點：特點： 低速、大力矩；低速、大力矩； 勿需齒輪等減速機(jī)構(gòu)減速直接驅(qū)動負(fù)載低速運行；勿需齒輪等減速機(jī)構(gòu)減速直接驅(qū)動負(fù)載低速運行； 負(fù)載轉(zhuǎn)速受控于控制電壓信號；負(fù)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(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好。機(jī)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(jī)直流力矩電動機(jī) 交流力矩電動機(jī)交流力矩電動機(jī)

24、圖12.24給出了典型永磁式直流力矩電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12.24 永磁式直流力矩電動機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)測速發(fā)電機(jī)定義：定義： 測速發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械轉(zhuǎn)速按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號的控制電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械轉(zhuǎn)速按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號的控制電機(jī)。分類：分類： 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)A、直流測速發(fā)電機(jī)、直流測速發(fā)電機(jī)圖12.25 直流測速發(fā)電機(jī)的接線圖 直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理與一般他勵直流發(fā)電機(jī)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(yīng)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(fù)載后，若負(fù)載電阻為 ，則正、負(fù)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(shè) 、 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(fù)載電阻（ =常數(shù)下直流測速發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)與直流伺服電動機(jī)是一對從信號轉(zhuǎn)換角度看，直流測速發(fā)電機(jī)與直流伺服電動機(jī)是一對互為可逆的電機(jī)。

26、互為可逆的電機(jī)。 直流伺服電動機(jī)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(jī)則將速度直流伺服電動機(jī)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(jī)則將速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?。信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘枴、交流測速發(fā)電機(jī)、交流測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)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(gòu)。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(gòu)。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(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12.27 空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖1空心杯轉(zhuǎn)子 2定子 3內(nèi)定子 4機(jī)殼 5端蓋 圖12.28為測速發(fā)電機(jī)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(jī)的工作原理圖 當(dāng)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(yīng)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(yīng)電勢，相應(yīng)的輸出電壓 。0nddrEdrIdrF020U 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后（ ），除了在空心杯轉(zhuǎn)子直軸繞組中感應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)的磁通 。 沿q軸方向交變，并在定子輸出繞組上感應(yīng)電勢 ，其有效值為：qrEqrIqrFqrIqrEqrIqrFqq2EqwkfNE22244. 4（12-14）交流測速發(fā)電機(jī)的工作原理：交流測速發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)與交流伺服電動機(jī)可以看作為是一對互為交流異步測速發(fā)電機(jī)與交流伺服電動機(jī)可以看作為是一對互為可逆的電機(jī)?？赡娴碾姍C(jī)。 交流伺服電動機(jī)是由控制繞組輸入電壓信號，通過電動機(jī)將電壓輸入信號轉(zhuǎn)交流伺服電動機(jī)是由控制繞組輸入電壓信號，通過電動機(jī)將電壓輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號在機(jī)械軸上輸出；而交流異步測速發(fā)電機(jī)則是由外力拖動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號在機(jī)械

30、軸上輸出；而交流異步測速發(fā)電機(jī)則是由外力拖動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機(jī)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(dāng)于通過發(fā)電機(jī)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(dāng)于交流伺服電動機(jī)的控制繞組中輸出。交流伺服電動機(jī)的控制繞組中輸出。12.4 12.4 自整角機(jī)自整角機(jī)定義：定義： 自整角機(jī)是一種對角位移偏差具有自整步能力的控制電機(jī)。一自整角機(jī)是一種對角位移偏差具有自整步能力的控制電機(jī)。一般情況下，自整角機(jī)是成對使用的，一臺作為發(fā)送機(jī)使用，另一臺般情況下，自整角機(jī)是成對使用的，一臺作為發(fā)送機(jī)使用，另一臺作為接收機(jī)使用。通過發(fā)送機(jī)將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號，然后再由接收作為接收機(jī)使用

31、。通過發(fā)送機(jī)將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號，然后再由接收機(jī)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(yuǎn)距離傳輸機(jī)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(yuǎn)距離傳輸或轉(zhuǎn)換?；蜣D(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)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(jī)：其輸出是轉(zhuǎn)角；力矩式自整角機(jī)：其輸出是

32、轉(zhuǎn)角； 控制式自整角機(jī)：其輸出是電壓信號?？刂剖阶哉菣C(jī)：其輸出是電壓信號。圖12.29 力矩式自整角機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子位置角偏差稱為失調(diào)角角。兩自整角機(jī)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(dāng)失調(diào)角當(dāng)失調(diào)角 為零即兩臺自整角機(jī)轉(zhuǎn)子位置角相同時，各相整為零即兩臺自整角機(jī)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(yīng)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(yīng)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(shù)語：幾個術(shù)語： A、力矩式自整角機(jī)、力矩式自整角機(jī)整步轉(zhuǎn)矩的概念與力矩式自整角機(jī)的工作原理：整步轉(zhuǎn)矩的概念與力矩式自整角機(jī)的工作原理： 當(dāng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過一個角度當(dāng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過一個角度 后，兩自整角機(jī)轉(zhuǎn)子之間將后，兩自整角機(jī)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(jī)整步繞組中所感應(yīng)的線電。于是，發(fā)送和接收機(jī)整步繞組中所感應(yīng)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子將跟隨發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過發(fā)送機(jī)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(jī)又重新達(dá)到新的協(xié)調(diào)位置。整角機(jī)又重新達(dá)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(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)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(yīng)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(jī)（12-18） 對于接收機(jī)（12-19） 考慮到發(fā)送機(jī)和接收機(jī)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(shè)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(biāo)系到靜止dqo坐標(biāo)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(jī)sin43)120sin()120sin(sin)cos1 (43)120cos()120cos(

36、cos11111111acbaqacbadZEIIIIZEIIII(12-22) 對于接收機(jī)，考慮到它在三相整步繞組中的電流與發(fā)送機(jī)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(jī)還是接收機(jī)，在直軸方向上的磁勢分量均為負(fù)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(yīng)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(jī)和接收機(jī)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(jī)和接收機(jī)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(jī)整步繞組所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為逆時針方向，而接收機(jī)所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩為順時針方向。考慮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(dāng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子在外力作用下逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度 后，發(fā)送機(jī)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(jī)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(jìn)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(guān)系曲線如圖12.31所示。 圖12.31 自整角機(jī)的靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩特性圖中，當(dāng)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(jī)、控制式自整角機(jī)圖12.32 控制式自整角機(jī)的工作原理圖控制式自整角機(jī)的概念與工作原理：控制式自整角機(jī)的概念與工作原理： 控制式自整角機(jī)的作用是將發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為接收機(jī)控制式自整角機(jī)的作用是將發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組

40、上的電壓信號。在發(fā)送機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢的作用下，接轉(zhuǎn)子繞組上的電壓信號。在發(fā)送機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢的作用下，接收機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相匝聯(lián)，并在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢，最終接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相匝聯(lián)，并在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢，最終輸出電壓。由于接收機(jī)是處于變壓器運行狀態(tài)，故接收機(jī)又稱為自輸出電壓。由于接收機(jī)是處于變壓器運行狀態(tài)，故接收機(jī)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(zhǔn)電氣零位。相應(yīng)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(jī)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(dāng)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(zhǔn)零位逆時針方向轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)角 （相當(dāng)于整步繞組順時針轉(zhuǎn)過角 ），則相應(yīng)的失調(diào)角為： 。在發(fā)送機(jī)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(yīng)變壓器電勢，其有效值分別為：112221)120cos()120cos(cos111111EEEEEEcba（12-26） 設(shè)發(fā)送機(jī)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(jī)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(jī)和自整角變壓器是由完全相同的兩臺自整角機(jī)組成，因而，其內(nèi)部整步繞組的空間位置完全對應(yīng)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(jī)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(yīng)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(guān)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(dāng)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(jī)可以與伺服電機(jī)一起組成隨動系統(tǒng)。 圖12.35 由控制式自整角機(jī)和伺服電機(jī)組成的隨動系統(tǒng) 結(jié)論：結(jié)論： 控制式自整角機(jī)的接收機(jī)或自整

45、角變壓器與力矩式自整角機(jī)控制式自整角機(jī)的接收機(jī)或自整角變壓器與力矩式自整角機(jī)的接收機(jī)是同一種電機(jī)的兩種可逆運行方式。的接收機(jī)是同一種電機(jī)的兩種可逆運行方式。 在力矩式自整角機(jī)中，發(fā)送機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)角信號傳遞至接收機(jī)，由接收機(jī)輸出轉(zhuǎn)角信號。此時，接收機(jī)相當(dāng)于工作在電動機(jī)運行狀態(tài)；而在控制式自整角機(jī)中，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組開路，通過定子繞組的電氣連接將發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電壓輸出。此時，接收機(jī)相當(dāng)于工作在發(fā)電機(jī)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(jī)，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(jī)，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(guān)系分類按有輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)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(gòu)特點：有刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)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(gòu)特點：無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)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(gòu)。止，故實現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)。 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(dāng)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(dāng) 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(yīng)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(dāng)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(yīng)的繞組分別稱為余弦繞組和正弦繞組。負(fù)載運行分析：負(fù)載運行分析：圖12.38 負(fù)載后的正-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 余弦輸出繞組A中接入負(fù)載 后見圖12.38），便會有負(fù)載電流流過，并產(chǎn)生脈振磁勢 ，其結(jié)果將導(dǎo)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(guān)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(dāng)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(yīng)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(fù)載后，由于轉(zhuǎn)子磁勢 的作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子A、B兩相繞組中所感應(yīng)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(guān)系。且負(fù)載電流越大，對輸出電壓的影響越嚴(yán)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(jìn)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(dāng)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(guān)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(guān)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(dāng)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(fù)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(yīng)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(dāng)負(fù)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(guān)系曲線( )52. 0k 由上圖可見：當(dāng) 時，輸出電壓 與轉(zhuǎn)角 之間基本上滿足線性關(guān)系。60602UB、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)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(biāo)變換和矢量運算器件；作為坐標(biāo)變換和矢量運算器件；用處：用處： 當(dāng)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(yīng)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(jī)直線電動機(jī)定義：定義： 直線電動機(jī)是一種能夠直接輸出直線運動的電動機(jī)。直線電動機(jī)是一種能夠直接輸出直線運動的電動機(jī)。分類：分類：直線直流電動機(jī)直線直流電動機(jī)直線異步電動機(jī)直線異步電動機(jī)直線同步電動機(jī)直線同步電動機(jī)直線步進(jìn)電動機(jī)直線步進(jìn)電動機(jī)A、直線直流電動機(jī)、直線直流電動機(jī)兩種主要結(jié)構(gòu)形式：兩種主要結(jié)構(gòu)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(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)的機(jī)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(jī)或12.2節(jié)介紹的直流伺服電動機(jī)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(jī)、直線異步電動機(jī) 直線異步電動機(jī)是從旋轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)演變而來的。 圖12.44 由旋轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)向直線電動機(jī)的演變過程 當(dāng)在直線異步電動機(jī)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(jī)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(dǎo)條感應(yīng)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(jī)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(gòu)的直線異步電動機(jī)，兩者皆采用長動子、短定子結(jié)構(gòu)。12.46 具有長動子、短定子的扁平式結(jié)構(gòu)直線異步電動機(jī) 除了上述扁平式結(jié)構(gòu)之外，直線異步電動機(jī)還可以作成管形結(jié)構(gòu)，如圖12.47所示。圖12.47 管形結(jié)構(gòu)的直線異步電動機(jī)B、直線步進(jìn)電動機(jī)、直線步進(jìn)電動機(jī)概念：概念： 直線步進(jìn)電動機(jī)是一種將輸入脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)式直線運動的電動直線步進(jìn)電動機(jī)是一種將輸入脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)式直線運動的電動機(jī)。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(jī)。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(jìn)電動機(jī)的工作原理示意圖。圖12.48 混合式直線步進(jìn)電動機(jī)的工作原理行波型超聲波電機(jī)及其驅(qū)動器的圖片行波型超聲波電機(jī)及其驅(qū)動器的圖片 超聲波電機(jī)超聲波電機(jī)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(yīng)實現(xiàn)電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的新原理電機(jī)。它利用壓電用逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的新原理電機(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)械振動的頻率處于超聲頻率范圍（于定子機(jī)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(jī)由此而得名。鑒于定子的機(jī)械振動是由壓電晶體根據(jù)逆波電動機(jī)由此而得名。鑒于定子的機(jī)械振動是由壓電晶體根據(jù)逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的，故超聲波電動機(jī)又名壓電馬達(dá)。壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的，故超聲波電動機(jī)又名壓電馬達(dá)。 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(dǎo)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