第1章 控制電機緒論

主講教師魏佩瑜教授控制電機2/3/20231第一章緒論2/3/202321.1控制電機在自動控制系統(tǒng)中的作用和分類雖然從基本原理來說，控制電機與普通旋轉電機沒有本質上的差別，但后者著重于對電機的力能指標方面的要求，而前者則著重于對特性、高精度和快速響應方面的要求，滿足系統(tǒng)對它提出的要求。在各類自動控制系統(tǒng)、遙控和解算裝置中，需要用到大量的各種各樣的元件。控制電機就是其中的重要元件之一。它屬于機電元件，在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、檢測和解算的功能。2/3/20233導彈的制導雷達的掃瞄跟蹤艦船的方位控制和火炮的自動瞄準系統(tǒng)等。飛機的自動駕駛在軍事方面1.1.1.控制電機的地位與作用控制電機已經成為現代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現代科學技術和現代軍事裝備中不可缺少的重要元件。2/3/20234

在工業(yè)方面在其它方面

工業(yè)機器人的關節(jié)運動數控機床的自動控制以及遙測遙控、自動化儀表等。計算機的磁盤驅動打印機、復印機的走紙機構以及音像、醫(yī)療設備等。2/3/20235雷達天線自動控制系統(tǒng)中的基本接法示意圖放大與控制天線方位軸U2=Umsin(-)UfUjUkZKFZKBSM~2C2/3/20236控制電機的體積和功率一般都很?。簷C座外徑不大于130mm質量小于數千克功率低于數百瓦不過在軋鋼、數控機床等自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電機，機座外徑達300～400mm，質量達數十千克至數百千克，功率為數十千瓦至數百千瓦。2/3/202371.1.2.控制電機的用途與分類按用途分為兩大類：

功率元件（執(zhí)行元件）和信號元件（測量元件）。1.功率元件：用于轉換轉矩或功率。如：交、直流伺服電動機步進電動機這類控制電機能快捷而正確地執(zhí)行頻繁變化的位置和速度指令，帶動負載完成規(guī)定的動作。力矩式自整角機火星探測器上的直流SM步進電動機力矩控制式自整角機2/3/202382.信號元件：用作轉換電信號。①用于測位能將機械角度或直線位移進行直接指示、遠距離傳輸或變換?？刂剖阶哉菣C、旋轉變壓器還可以作為解算元件，完成坐標變換，三角運算等。自整角機與旋轉變壓器指變換成電壓幅值信號或相位信號或數字量。如:控制式自整角機、旋轉變壓器、感應移相器、感應同步器、編碼器。2/3/20239②用于測速1.1.3控制系統(tǒng)對控制電機的要求常規(guī)電機側重于運行和起動時的力能指標和運行時的經濟指標。而控制電機則主要偏重于靜態(tài)和動態(tài)特性參數的

高可靠性、高精度和快速響應。其次才要求：體積小、重量輕、耗電少等。能將機械轉速變換成電壓幅值信號或脈沖數字信號。如：模擬型和數字型測速發(fā)電機。測速發(fā)電機也能作為解算元件，完成微積分運算。綜上所述，控制電機在自動控制系統(tǒng)中可以作為

執(zhí)行元件、檢測元件

和解算元件。2/3/2023101.高可靠性可靠性常用可靠度、失效率、使用壽命或平均無故障時間等定量指標來反映。在由n

個元器件構成的串聯系統(tǒng)中，若每個元器件的可靠度為Ri，則系統(tǒng)的可靠度Rs為:元器件的可靠度Ri是小于1的數。Ri

越小或元器件的數n

越多，系統(tǒng)可靠度Rs

越低。例如：一個由(n=)200個元器件組成的串聯系統(tǒng)，若要保證可靠度Rs為0.95，則必須使每個元器件的可靠度Ri達到0.9997。2/3/202311由于科學技術的進步和工業(yè)生產的發(fā)展，現代自動控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大。所以構成系統(tǒng)的元器件數量也不斷增加?？刂齐姍C在系統(tǒng)相當于一個元件，有些系統(tǒng)所采用的控制電機多達幾十臺甚至幾百臺。對于傳統(tǒng)的控制電機而言，電刷、換向器、滑環(huán)、軸承等最容易出故障?？梢?，控制電機的高可靠性是保證系統(tǒng)高可靠性的基礎。2/3/2023122.高精度控制電機的精度對伺服系統(tǒng)的精度有直接影響。在雷達天線的定位跟蹤、慣性導航控制系統(tǒng)中，用于測位的控制電機，其電氣誤差必須達到角秒級或更小。在加工精度為0.01m的數控機床伺服系統(tǒng)中，需要選用分辨率為106脈沖／r，最高轉速為104r／min的精密數字檢測元件來檢測角位。要開發(fā)更高精度的伺服系統(tǒng)，必須有相應精度等級的控制電機為前提。2/3/2023133.快速響應由于伺服系統(tǒng)的指令信號變化極快，所以要求控制電機，特別是執(zhí)行用的控制電機，必須具備快速響應的能力。如：工業(yè)機器人的關節(jié)驅動、高炮攝像系統(tǒng)中的物鏡變焦驅動裝置，對快速響應有很高的要求。表征快速響應的主要指標有機電時間常數、最大理論加速度和功率變化率等。新型無槽電樞伺服電動機的機電時間常數最小可做到0.5ms，理論加速度可做到1.6106rad／s2；功率變化率可做到7400kW／s。2/3/2023144.21世紀的控制電機技術·向輕、薄、短、小、高效率、低振動、低噪聲、低價格的方向發(fā)展；·

采用新材料；·驅動電路與控制電路向集成化、專用化和機電一體化方向發(fā)展；·

無刷化、無鐵心化、永磁化；·新原理電機的開發(fā)與應用。當然，一個高可靠性、高精度、反映迅速的控制系統(tǒng)，不僅要靠高質量的控制電機，組成整個系統(tǒng)的其它元器件也必須是優(yōu)秀的。另外，控制理論也很重要。2/3/2023151.1.4如何學習“控制電機”這門課程因此在“控制電機”這門課程中，將給大家介紹直流電機、變壓器和交流異步電動機這三種最典型基本的電機，比較深入地研究和分析其中的電磁關系和它們的基本原理及特性。控制電機的種類雖然很多，可以列舉出數十種，但是這些電機的基本原理都是建立在以下兩個基本規(guī)律的基礎上的：一是電磁轉化規(guī)律，就是在一定條件下電和磁可以相互轉化；二是電流在磁場中要受到力的作用。2/3/202316由于各種控制電機的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎上的，因而它們之間不是孤立的，它們既有共性，也有個性。在以后學習中就會發(fā)現，一種電機與另一種電機之間在電磁關系上、在基本特性上有很多相同之處，但它們各自又具有與眾不同的特點。在學習時也要用辯證法的觀點來學，將各種控制電機聯系起來，著重分析和掌握一些共同規(guī)律，同時也要研究每個電機所具有的特殊性質。其中將補充交流異步電動機的工作原理和基本電磁關系。2/3/202317要通過學習電機的基本原理，了解電機內部的基本矛盾，這樣才能正確而主動地掌握控制電機的使用方法。通過本門課程主要是學習控制電機的特性和使用方法，但同時我們還需要學習電機的基本原理。因為對電機來說，其使用時的條件只是外因，電機之所以有各種特性的根本原因是在于電機本身的內部矛盾。2/3/2023181.2磁場的基本物理量1.2.1.磁感應強度磁感應強度B

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度B的大小磁感應強度B的方向

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應強度B的單位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。2/3/2023191.2.2磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積A中的磁力線總數。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BA或B=/A磁感應強度B在數值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1T·m22/3/202320

H與B的區(qū)別①H∝I，與介質的性質無關。②

B與電流的大小和介質的性質均有關。磁場強度H的單位：安培/米（A/m)1.2.3磁場強度磁場強度H：表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。是計算磁場時所引用的一個物理量，通過它來確定磁場與電流之間的關系。2/3/202321由實驗可測得：真空的磁導率為：真空磁導率是一個常數，將其它物質的磁導率和它比較是很方便的。1.2.4磁導率磁導率：表示磁場媒質磁性的物理量，衡量物質的導磁能力。它與磁場強度的乘積就等于磁感應強度，即：磁導率的單位：亨/米（H/m）2/3/202322也即當磁場媒質是某種物質時某點的磁感應強度B與在同樣電流下真空時該點的磁感應強度B0之比的倍數。自然界的所有物質按磁導率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料。相對磁導率

r：

任一種物質的磁導率和真空的磁導率0的比值。2/3/2023231.3磁性材料的磁性能1.3.1.高導磁性磁性材料的磁導率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達2105)

。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產生較大的磁通和磁感應強度。2/3/202324

磁性物質內部存在著很多很小的“磁疇”。磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉向，排列整齊，顯示出磁性。2/3/202325磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。1.3.2.磁飽和性BJ

磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0

磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當外磁場增大到一定程度時，磁性物質的全部磁疇的磁場方向都轉向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值，如圖。2/3/202326

B-H磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達到飽和。OHBB0BJB?a?b有磁性物質存在時，B與H不成正比，磁性物質的磁導率不是常數，隨H而變。

有磁性物質存在時，與I不成正比。

磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關系2/3/2023271.3.3.磁滯性磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應強度Br(剩磁)：當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應強度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產生的；自勵直流發(fā)電機的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

2/3/202328磁滯回線OHB????BrHc但剩磁也存在著有害的一面，例如，當工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物質不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。2/3/202329幾種常見磁性物質的磁化曲線a鑄鐵b鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc2/3/202330按磁性物質的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。2/3/2023311.磁滯損耗（pch）由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗(Pch

)。磁滯損耗的大小：單位體積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。OHB磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設計時應選擇適當的磁感應強度值以減小鐵心飽和程度。1.3.4.鐵心損耗pFe2/3/2023322.渦流損耗（pwh）渦流損耗:由渦流所產生的功率損耗。渦流：交變磁通在鐵心內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流。渦流損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率（通常由于硅鋼片）。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。3.鐵耗pFe：鐵心中的鐵耗等于磁滯損耗和渦流損耗之和。2/3/202333磁通所通過的路徑稱為磁路。＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i1.4控制電機中常用的基本定律2/3/2023341.4.1全電流安培環(huán)路定律沿任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數和

如果在均勻磁場中，沿著回線L

磁場強度H處處相等，則1.4.2磁路的歐姆定律作用在磁路上的磁動勢F等于磁路內的磁通量Φ乘以磁阻RmF稱為磁動勢2/3/202335磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

磁場強度等于磁通密度除以磁導率

于是2/3/2023361.4.3磁路的基爾霍夫定律1.磁路的基爾霍夫第一定律或閉合面i1i2Φ1Φ2Φ32/3/2023372.磁路的基爾霍夫第二定律2/3/2023381.4.4電磁感應定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個。簡單的說電磁感應定律就是變化的電場附近會產