電路第15次課件

第5章

同步電機與控制電機

同步電機電動機伺服電動機測速發(fā)電機步進電動機概述

控制電機是在普通電動機的基礎上發(fā)展起來的，具有特殊功能的電機。按作用分為執(zhí)行驅(qū)動類與信號檢測類。上一節(jié)講過的單相異步電動機就是驅(qū)動類，另外伺服電動機、步進電機、無刷直流電動機、開關磁阻電機、直線電機屬于主要的驅(qū)動類電機。

測速發(fā)電機、自整角機等屬于信號檢測類電機。近些年來隨著稀土永磁材料以及電力電子功率器件的迅猛發(fā)展，控制電機在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事以及人民群眾的日常生活中發(fā)揮著越來越大的作用。1、家用電器凡家庭用轉(zhuǎn)動件，均由中小功率電機驅(qū)動，如空調(diào)用電機等。目前此類電機需求量正以超過30%的速度增長。2、汽車

汽車用小功率電機數(shù)量不斷增多，如窗口升降電機、空調(diào)風扇電機、風擋洗滌器用電機、天線驅(qū)動電機、后視鏡電機、ABS系統(tǒng)電機等，并正向永磁化、無刷化方向發(fā)展。高級轎車每輛使用達40～50臺。電動自行車和摩托車正向電動型發(fā)展，預計3年后我國電動自行車年需求量將超過1000萬輛。3、辦公自動化及PC外圍設備需用到無刷直流電動機、步進電動機等，到2008年整個市場規(guī)模將超過2000億元人民幣。因每臺PC機中的電機數(shù)不下10臺，每部打印機不下4~5臺，每部復印機不下5～6臺小功率電機。4、數(shù)控機床用電機、電動工具我國數(shù)控機床世界排名第六。電動工具在我國為外銷為主的商品，外銷量占總量的85%。5、信息產(chǎn)業(yè)專用加工機械

在“十一五”期間，國家計劃投入近70億美元用于生產(chǎn)元器件、IC電路的裝備用小功率電機。（一）直流伺服電動機1.結(jié)構(gòu)和分類直流伺服電動機分傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。傳統(tǒng)型直流伺服電動機就是微型的他勵直流電動機。低慣量型直流伺服電動機的特點：轉(zhuǎn)子輕，轉(zhuǎn)動慣量小，快速響應好。按照電樞形式的不同，分為盤形電樞、空心杯電樞永磁式及無槽電樞直流伺服電動機。①盤形電樞直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖所示。定子是由永久磁鋼和前后磁軛組成，轉(zhuǎn)軸上裝有圓盤。電機的氣隙位于圓盤的兩側(cè)，圓盤上有電樞繞組。盤形電樞上電樞繞組中的電流沿徑向流過圓盤表面，并與軸向磁通相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。②空心杯電樞永磁式直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖所示定子有內(nèi)外兩部分。外定子由兩個半圓形的永久磁鐵組成，而內(nèi)定子則由圓柱形的軟磁材料制成。電樞是非磁性材料制成的空心杯形圓筒，直接裝在電機軸上，表面附有繞組。當流過一定電流時，空心杯電樞能在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，并帶動電機軸旋轉(zhuǎn)。

2.控制方式電樞控制：勵磁電壓恒定，負載轉(zhuǎn)矩也一定時，升高（減?。╇姌须妷海妱訖C的轉(zhuǎn)速隨之升高（減?。蝗綦姌须妷簽榱?，則電動機停轉(zhuǎn)。改變電樞電壓極性，電動機的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變，即為采用改變電樞電壓控制轉(zhuǎn)速的方法。自動控制系統(tǒng)中大多采用此類方法。磁極控制：同上原理，此為改變勵磁繞組電壓控制轉(zhuǎn)速的方法，只用于小功率電動機中。

①機械特性指控制電壓恒定時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關系，即n=f(T)。電樞控制方式的機械特性如圖所示。3、運行特性②調(diào)節(jié)特性指負載轉(zhuǎn)矩恒定時，電機轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關系，即T=常數(shù)時，n=f(U)。實際中，直流伺服電動機的運行特性曲線是一組接近直線的曲線，這也是它的突出優(yōu)點。除此之外，還包括速度調(diào)節(jié)范圍寬而且平滑，起動轉(zhuǎn)矩大，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，反應也相當靈敏，與同容量的交流伺服電動機相比，體積和重量可減少到1/2～1/4。其缺點是由于存在換向器和電刷的滑動接觸，常因接觸不良而影響運行的穩(wěn)定性，電刷火花會產(chǎn)生干擾。高電阻籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和普通籠型感應電動機一樣，但為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，常將轉(zhuǎn)子做成細而長的形狀。轉(zhuǎn)子的導條和端環(huán)采用高電阻率的材料（如黃銅、鋁等）。由于轉(zhuǎn)子電阻增大，使得交流伺服電動機的特性曲線變軟，這主要是為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。非磁性空心杯轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和對應的直流伺服電動機類似。杯形轉(zhuǎn)子通常用非磁性材料鋁或銅制成，壁很薄，一般只有0.2～0.8mm，因而具有較大的轉(zhuǎn)子電阻和很小的轉(zhuǎn)動慣量。杯形轉(zhuǎn)子可以在內(nèi)外定子間的氣隙中自由旋轉(zhuǎn)，電動機依靠杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)感應的渦流與氣隙磁場作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組這種電動機的優(yōu)點為轉(zhuǎn)動慣量小，摩擦轉(zhuǎn)矩小，快速響應好；運行平穩(wěn)，噪聲小。缺點是氣隙大，勵磁電流也較大，功率因數(shù)和效率較低，它的體積和容量要比同容量的籠型伺服電動機大得多。主要用于要求低噪聲及低速平穩(wěn)運行的某些系統(tǒng)中。2.工作原理兩相繞組軸線位置在空間相差90°電角度，當兩相繞組分別加以交流電壓后，就會在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。當轉(zhuǎn)子導體切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線時，便會感應電動勢，產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場的方向而旋轉(zhuǎn)?！白赞D(zhuǎn)”現(xiàn)象在自動控制系統(tǒng)中是不允許存在的，解決的辦法是增大轉(zhuǎn)子電阻。無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是交流伺服電動機的基本特性之一，也是自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機的基本要求。所以，為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動機單相供電時的機械特性曲線必須如上右圖所示，這就要求伺服電動機有相當大的轉(zhuǎn)子電阻，最理想的是使sm＞1，可以完全消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。前面講到的轉(zhuǎn)子的兩種特殊結(jié)構(gòu)形式正是為了滿足這種要求。

3.控制方式交流伺服電動機運行時，若改變控制繞組上所加的控制電壓的大小或改變它與勵磁電壓之間的相位角，則能使電動機氣隙中橢圓旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度發(fā)生變化，從而影響到電磁轉(zhuǎn)矩，進而達到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的。因此，交流伺服電動機的控制方式有以下三種：①幅值控制②相位控制③幅值-相位控制（電容移相控制）③幅值—相位控制（電容移相控制）。勵磁繞組串聯(lián)電容C后接到穩(wěn)壓電源上，控制繞組的控制電壓與此穩(wěn)壓電源電壓同相。當調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來改變電動機的轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子繞組與勵磁繞組的耦合作用使勵磁繞組的電流發(fā)生變化，使勵磁電壓及電容C上的電壓也隨之改變，進而控制電壓與勵磁電壓的相位角β也改變。這種控制方式利用串聯(lián)電容器來分相，不需要復雜的移相裝置，所以設備簡單，成本較低，是實際中最為常用的?！?-4測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種檢測轉(zhuǎn)速的信號元件，它將輸入的機械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號輸出，即要求電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關系，其輸出電壓可用下式表示：

或式中θ為測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角（角位移）；K、K′比例常數(shù)。由上可知，測速發(fā)電機的輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角對時間的微分，因此在計算裝置中也可作微分或積分元件。測速發(fā)電機有直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。其中直流測速發(fā)電機又分為永磁式和電磁式兩種，國產(chǎn)型號分別為CY和CD；交流測速發(fā)電機又分為同步和異步兩種，國產(chǎn)型號分別為CG（感應子式）、CK（空心杯轉(zhuǎn)子）、CL（籠型轉(zhuǎn)子）。近年來還出現(xiàn)了采用新原理、新結(jié)構(gòu)研制成的霍爾效應測速發(fā)電機。下面僅就常用的直流測速發(fā)電機和交流異步測速發(fā)電機作簡要介紹。1.工作原理直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和普通小型直流發(fā)電機相同，按勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種。直流測速發(fā)電機的工作原理和一般直流發(fā)電機沒有區(qū)別。在恒定磁場中，電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，電樞上的導體切割空載主磁通，于是在電刷間產(chǎn)生空載感應電動勢：（一）直流測速發(fā)電機空載時，電樞電流Ia=0，測速發(fā)電機的輸出電壓就是空載感應電動勢，即U0=E0，則輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。帶負載時，因電樞電流Ia≠0，若不計電樞反應的影響，測速發(fā)電機的輸出電壓應為：RL為測速發(fā)電機負載電阻。所以有下列式子：而Ra、RL和Φ一般均為常數(shù)，即測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n仍成線性關系。為了減小由溫度變化而引起的磁通變化，一方面，在勵磁回路中串聯(lián)一個電阻值較大的附加電阻。附加電阻可用溫度系數(shù)較低的康銅材料繞制而成。另一方面，設計時可使發(fā)電機磁路處于較飽和狀態(tài)，即使由電阻值變化引起的勵磁電流變化可能較大，發(fā)電機的氣隙磁通變化也非常小。為了減小電樞反應的去磁作用，在設計時可在定子磁極上安裝補償繞組。適當加大發(fā)電機氣隙，在使用時盡可能采用大的負載電阻并選用適當?shù)碾娝?，以減小電刷接觸壓降。3、消除誤差的方法1.工作原理

在自控系統(tǒng)中，目前應用的交流測速發(fā)電機主要是空心杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)和杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機相似，轉(zhuǎn)子是一個薄壁非磁性杯（杯厚為0.2～0.3mm），通常用高電阻率的硅錳青銅或鋁鋅青銅制成。定子的兩相繞組在空間位置上嚴格保持90°電角度，其中一相作為勵磁繞組，外施穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電源勵磁；另一相作為輸出繞組，其兩端的電壓即為測速發(fā)電機的輸出電壓U。（二）交流測速發(fā)電機當電機的勵磁繞組外施電壓U1時，便有電流I1流過繞組，在電機氣隙中沿勵磁繞組軸線（d軸）產(chǎn)生一頻率為f的脈動磁通Φ1。轉(zhuǎn)子不動時，d軸的脈振磁通在空心杯轉(zhuǎn)子中的感應電流所產(chǎn)生的磁通與勵磁繞組產(chǎn)生的磁通在同一軸線上，阻礙Φ1的變化，所以合成磁通仍為沿d軸的磁通Φd。而輸出繞組和勵磁繞組軸線空間位置相差90°，即與d軸磁通沒有耦合關系，故不產(chǎn)生感應電動勢，輸出電壓為零?！ぁぁまD(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子繞組感應一旋轉(zhuǎn)電動勢E，其有效值為

E=KqΦd

n式中，Kq為比例常數(shù)。在E的作用下，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生電流I，而I所產(chǎn)生的磁通Φq也是交變的，其大小為：Φq=K1E式中，K1為比例常數(shù)。Φq的軸線與輸出繞組軸線（q軸）重合，因而在定子的輸出繞組中感應出電動勢，其有效值為E2=4.44fN2Φq

考慮到Φq∝E，而E∝n，故輸出電動勢E2可寫成E2=K2n式中，K2為比例常數(shù)。異步測速發(fā)電機就能將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，實現(xiàn)測速的目的。自動控制系統(tǒng)對異步測速發(fā)電機的要求是:(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成嚴格的線性關系。(2)輸出電壓與勵磁電壓（即電源電壓）同相。(3)轉(zhuǎn)速為零時，沒有輸出電壓，即所謂剩余電壓為零。實際上，測速發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子杯的參數(shù)都會在不同程度上受溫度變化、工藝等方面的影響，在輸出線性度、相位、剩余電壓等方面產(chǎn)生誤差。

2.主要誤差自整角機一、定義：在自動控制系統(tǒng)中，常常需要指示位置和角度的數(shù)值，或者需要遠距離調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的速度，或者需要某一根或多根軸隨著另外的與其無機械連接的軸同步轉(zhuǎn)動，這樣，就出現(xiàn)了自整角機，即用來實現(xiàn)自動指示角度和同步傳輸角度的一類控制電機。

自整角機通常是兩臺或兩臺以上組合使用，產(chǎn)生信號的自整角機稱為發(fā)送機，它將軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號，接收信號的自整角機稱為接收機，它將發(fā)送機發(fā)送的電信號變換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)角度的傳輸、變換和接收。在隨動系統(tǒng)中主令軸只有一根，而從動軸可以是一根，也可以是多根，主令軸安裝發(fā)送機，從動軸安裝接受機，故而一臺發(fā)送機帶一臺或多臺接受機。主令軸與從動軸之間的角位差，稱為失調(diào)角。二、結(jié)構(gòu)：通常做成兩極電機。自整角機的定子鐵心嵌有三相對稱分布繞組，稱為整步繞組，也叫同步繞組，聯(lián)結(jié)為星形接法。轉(zhuǎn)子上放置單相勵磁繞組，可以做成凸極或隱極結(jié)構(gòu)，這兩種方式都是勵磁繞組經(jīng)集電環(huán)和電刷后接勵磁電源。另外，定子可做成凸極式，而轉(zhuǎn)子做成隱極式，三相整步繞組嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，并經(jīng)集電環(huán)和電刷引出，而單相勵磁繞組安裝在定子凸極上。如圖所示：自整角機工作時，發(fā)送機的勵磁繞組接在單相交流電源上，發(fā)送機和接收機的三相整步繞組中，同樣相號的引出線接在一起，在這里，為了表示清楚，我們把勵磁繞組與整步繞組分開畫，習慣上，勵磁繞組畫在上邊，整步繞組畫在下邊，圖中，發(fā)送機畫在左邊，接收機畫右邊。三、分類按自整角輸出量可分為力矩式自整角機和控制式自整角機兩種。兩者的區(qū)別在于：當失調(diào)角