電機原理與拖動基礎 課件 第9章－控制電機

第9章控制電機第9章控制電機

9.1單相異步電動機

9.2測速發(fā)電機

9.3伺服電動機

9.4步進電機

9.5旋轉變壓器

9.6永磁式直流力矩電動機

9.7直線異步電動機9.1單相異步電動機9.1.1單相異步電動機的工作原理一個脈振磁動勢表達式:一個脈振磁動勢可以分解為兩個幅值相等（各等于脈振磁動勢振幅的一半），轉速相等（都是同步轉速），但轉向相反的兩個旋轉磁動勢，其中轉向與電動機轉向相同的稱為正轉磁動勢相應的空間矢量表示為；另一個與電動機轉向相反的稱為逆轉磁動勢，相應的空間矢量表示為。把一個單相繞組用兩套結構完全相同，但相序相反的三相繞組串聯(lián)來等效。如圖所示。1）單相感應電動機無起動轉矩，如不采取其它措施，電動機不能起動。2）合成轉矩曲線對稱于s+=s-=1點。單相感應電動機雖無起動轉矩，但一經(jīng)起動，便可達到某一穩(wěn)定轉速工作，而旋轉方向則由起動時電動機的轉向而定。3）單相感應電動機的過載能力較三相感應電動機小，而在負載轉矩相同的，轉差率則較大。單相異步電動機的主要特點：一個單相脈振磁動勢可以分解為一個正轉磁動勢和一個反轉磁動勢，它們幅值相等。但在轉子轉動后，由于轉子繞組的磁動勢對反轉磁動勢的去磁作用較強，使反轉磁通遠遠小于正轉磁通轉子磁動勢的作用電動機產(chǎn)生的有效轉矩：正轉磁動勢產(chǎn)生的轉矩T+與逆轉磁動勢所產(chǎn)生的轉矩T-的方向是相反的，它們相互抵消后剩下的部分正轉磁動勢轉差率：逆轉磁動勢轉差率：即當s+=0時，相當于s-=2當s-=0時，相當于s+=2單相感應電動機的T-S曲線：02TT-T+02S-=2-S+S+11T正常運行，對正轉磁場而言，轉子繞組的電抗X2+=s+Xσ2=sXσ2

對反轉磁場而言，轉子繞組的電抗X2-=s-Xσ2=（2-s）Xσ2

F+與F-的合成磁動勢不再是一個脈振磁動勢，而是一個空間作正弦分布、幅值變動，非恒速旋轉的旋轉磁動勢，合成磁動勢矢量端點描繪的軌跡為一個橢圓，稱為橢圓形旋轉磁場。因此單相感應電動機一經(jīng)轉動后，就能夠產(chǎn)生電磁轉矩，使電動機繼續(xù)運轉。9.1.2單相異步電動機的主要類型和啟動方法根據(jù)獲得旋轉磁場的方式不同不同（也就是起動方法），單相感應電動機可分成下列幾種主要類型：一、分相電動機分相電動機設計原理的依據(jù)：空間不同相的繞組中通以時間不同相的電流，其合成磁動勢就是一個旋轉磁動勢。1）電阻分相電動機電動機定子上嵌有兩個單相繞組，一個稱為主繞組（或稱為工作繞組），一個稱為輔助繞組（或稱為起動繞組）。兩個繞組在空間相差90°電角度，它們接在同一單相電源上。如圖特點：產(chǎn)生的起動轉矩較小，起動電流較大。二、電容電動機2）電容分相電動機在結構上，它和電阻分相電動機相似，只是在輔助繞組中串入一個恰當?shù)碾娙荩瑒t可在電動機中建立起一個橢圓度較小的旋轉磁場，從而獲得較大的起動轉矩。在結構上與電容分相電動機一樣，只是輔助繞組和電容器都設計成能長期工作的，實質上這時成了一臺兩相電動機，運行性能較好。三、罩極電動機1）凸極式罩極電動機形狀類似直流電動機的定子，如圖，但做成有凸出的磁極，每個極上裝有集中繞組，稱為主繞組，每個極的極靴上開一個小槽，槽中嵌入短路銅環(huán)，一般罩住極靴面積的1/3左右。特點：在電動機內(nèi)產(chǎn)生一個類似于旋轉磁場的“掃動磁場”，實質上是一種橢圓度很大的旋轉磁場，使電動機獲得一定的起動轉矩。特點：罩極電動機結構簡單，但起動轉矩小，只能在很輕的負載下起動，多用于風扇中。隱式罩極電動機定子分布繞組展開圖2）隱極式罩極電動機隱極式罩極電動機的定子鐵心和一般三相感應電動機的定子鐵心一樣，但是在定子槽中嵌有兩套繞組，即主繞組1和罩極繞組2，如圖。9.2測速發(fā)電機

9.2.1直流測速發(fā)電機

9.2.2交流測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種反映轉速的信號元件，它將輸入的機械轉速變換成電壓信號輸出，這要求電機的輸出電壓與轉速成正比關系。9.2.1直流測速發(fā)電機一、工作原理直流測速發(fā)電機結構與普通小型直流發(fā)電機相同，按勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種。其原理圖如圖，在恒定磁場中，電樞以轉速n旋轉時，電樞上的導體切割磁通φ0，在電刷間產(chǎn)生空載感應電動勢E0。在空載時，即電樞電流Ia=0,其輸出電壓就是空載感應電動勢，即U0=E0，因而輸出電壓與轉速成正比。在負載時，因電樞電流Ia≠0，若不講電樞反應的影響，直流測速發(fā)電機的輸出電壓為U=E0-IaRa,電樞電流為

以上三式整理得在理想情況下，Ra、Rz和φο均為常數(shù)，直流測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉速n仍成線性關系。對于不同的負載電阻，測速發(fā)電機的輸出特性的斜率也有所不同，它隨負載電阻的減小而降低，如圖。直流測速發(fā)電機的輸出特性二、誤差原因直流測速發(fā)電機輸出電壓U與轉速n成線性關系的條件是φο、Ra、Rz保持不變，實際上，在運行時，有一些因素會引起這些量發(fā)生變化，這些因素是：①周圍環(huán)境溫度的變化，特別是勵磁繞組長期通電熱而引起的勵磁繞組電阻的變化，將引起勵磁電流及磁通φ0的變化，從而造成線性誤差。②直流測速發(fā)電機有負載時電樞反應的去磁作用，使測速發(fā)電機氣隙磁通減小，引起線性誤差。③因為電樞電路總電阻中包括電刷與換向器的接觸電阻，而這種接觸電阻是隨負載電流變化而變化的。當發(fā)電機轉速較低時，相應的電樞電流較小，而接觸電阻較大，這時測速發(fā)電機雖然有輸入信號（轉速），但輸出電壓卻很小，因而在輸出特性上引起線性誤差。為了減小由溫度變化而引起的磁通變化一方面可在實際使用時在勵磁回路中串聯(lián)一個電阻值較大的附加電阻。另一方面設計時可使發(fā)電機磁路處于較飽和狀態(tài)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，并選取較小的線負荷和適當加大發(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。9.2.2交流測速發(fā)電機一、工作原理空心杯形轉子異步測速發(fā)電機結構和杯形轉子伺服電動機相似，轉子是一個薄壁非磁性杯，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，如圖。交流異步測速發(fā)電機的工作原理轉子不動時d軸的脈振磁通只能在空心杯轉子中感應出變壓器電動勢，這一變壓器電動勢將產(chǎn)生轉子電流，此電流所產(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。而輸出繞組的軸線和勵磁繞組軸線空間位置相關90°電角度，它與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。交流異步測速發(fā)電機的工作原理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。轉子轉動后轉子繞組中除了感應有變壓器電動勢外，同時因轉子導體切割磁通φd，而在轉子繞組中同還感應一旋轉電動勢Erq，其有效值為Cq——比例常數(shù)。而φq的軸線則與輸出繞組軸線（q軸）重合，由于φq作用在q軸，因而在定子輸出繞組中感應出變壓器電動勢，其頻率仍為f，而有效值為式中N2Kw2——輸出繞組的有效匝數(shù)，對一定的電機，其值為常數(shù)?？紤]到φq∝Erq而Erq∝n，故輸出電動勢E2可寫成E2=C1nC1——比例常數(shù)。即輸出繞組中所感應產(chǎn)生的電動勢E2與轉速n成正比，由這個電動勢產(chǎn)生輸出電壓U2。若轉子轉動方向相反，則轉子中的旋轉電動勢Erq，電流Irq及其所產(chǎn)生的磁通φq的相位均隨之相反，因而輸出電壓的相位也相反。這樣，異步測速發(fā)電機就能將轉速信號轉變成電壓信號，實現(xiàn)測速的目的。二、主要誤差自動控制系統(tǒng)對異步測速發(fā)電機的要求：

①輸出電壓與轉速成嚴格的線性關系。②輸出電壓與勵磁電壓（壓）相同。③轉速為零時，沒有輸出電壓，即所謂剩余電壓為零。一、線性誤差輸出電壓U2與轉速n成嚴格的線性關系的前提是勵磁繞組軸線（d軸）上產(chǎn)生變壓器電動勢的脈振磁通φd的振幅應保持恒定。但是實際上勵磁繞組有電阻和漏抗φd的振幅是變化的，這就破壞了輸出電壓與轉速應保持的線性關系。減少誤差方法:①設法減小定子阻抗和增大轉子電阻。②可提高電源頻率以增加同步轉速，減小相對轉速，降低測速發(fā)電機的最大誤差。二、相位誤差輸出電壓與勵磁電壓之間的相位誤差是由勵磁繞組的漏阻抗壓降所引起的。測速發(fā)電機已勵磁而轉子不轉（即零信號狀態(tài)下）時，輸出繞組所出現(xiàn)的電壓，稱為剩余電壓，亦稱零信號電壓。產(chǎn)生剩余電壓的原因主要有兩個方面:①制造工藝不良，如內(nèi)定子橢圓，造成磁路不對稱，繞組匝間短路以及兩相繞組在空間下完全成90°電角度等原因，使勵磁繞組與輸出繞組之間存在著耦合作用。②導磁材料不均勻以及非線性，產(chǎn)生高次諧波磁場，就會在輸出繞組中感應出諧波電動勢。為此，應合理地選擇磁性材料和提高加工質量，采用補償繞組和磁路補償?shù)却胧?，晝減少剩余電壓。三、剩余電壓四、選擇時應注意的問題在選用時，應根據(jù)系統(tǒng)的頻率電壓、工作轉速和具體用途夾選擇交流測速發(fā)電機的規(guī)格，用作解元件的應著重考慮精度要高，輸出電壓穩(wěn)定性好；用于一般轉速檢測或作阻尼元件時，應著重考慮輸出斜率要大。與直流測速發(fā)電機比較，交流異步測速發(fā)電機優(yōu)點：結構簡單，維護容易，運行可靠；沒有電刷和換向器，因而無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定、精度高；摩擦力矩小，轉動慣量小；正反轉輸電壓對稱。缺點：存在相位誤差和剩余電壓；輸出斜率??；輸出特性隨負載性質（電阻、電感、電容）而有不同。當使用直流或交流測速發(fā)電機都能滿足系統(tǒng)要求時,則需考慮到它們的優(yōu)缺點,全面權衡,合理選用。9.3伺服電動機

9.3.1直流伺服電動機

9.3.2交流伺服電動機伺服電動機也稱執(zhí)行電動機，在自動控制中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號變換成轉軸的角位移或角速度輸出。9.3.1直流伺服電動機一、結構和分類直流伺服電動機實質上就是一臺他勵式直流電動機。按結構可分成傳統(tǒng)型和低慣量型兩大類。低慣量型直流伺服電動機

傳統(tǒng)型直流伺服電動機這種電動機的結構和普通直流同基本相同，也是由定子和轉子兩大部分組成。一般有杯形電樞、圓盤電樞、無槽電樞等結構形式。低慣量型直流伺服電動機的特點是轉子輕，轉動慣量小，響應快速。二、控制方式把電樞電壓作為控制信號，對電動機的轉速進行控制,這種控制方式稱為電樞控制式，電樞繞組稱為控制繞組，電樞電壓稱為控制電壓。直流伺服電動機也可以采用磁場控制方式，即磁極繞組作為控制繞組，接受控制電壓，而加在電樞繞組上的電壓恒定。電樞控制較磁場控制具有較多的優(yōu)點，因此自動控制系統(tǒng)中大多采用電樞控制，磁場控制只用于小功率電動機中。三、運行特性電樞控制時直流伺服電動機的工作原理如圖。為分析簡便，作如下假設：電機磁路不飽和，即認為電機的磁化曲線為一直線。略去負載時電樞反應的影響。以上三式可得直流伺服電動機的轉速公式由直流電動機可得（1）、機械特性機械特性是指控制電壓恒定時，電動機的轉速與電磁轉矩的關系，即UK=常數(shù)時，n=f(T)。由轉速公式或機械特性都可以看出，隨著控制電壓UK增大，電動機的機械特性曲線平行地向轉速和轉矩增加的方向移動，但是它的斜率保持不變，所以電樞控制時直流伺服電動機的機械特性是一組平行的直線。電樞控制式直流伺服電動機的機械特性如圖。機械特性與縱軸的交點為電動機的理想轉速n0，即與橫軸的交點為電動機的堵轉轉矩TK（2）、調節(jié)特性調節(jié)特性是指電磁轉矩恒定時，電動機的轉速與控制電壓的關系，即T=常數(shù)時，

n=f(UK)。從圖中看出這些調節(jié)特性曲線與橫軸的交點，表示在一定負載轉矩時電動機的始動電壓，若負載轉矩一定時，電動機的控制電壓大于相對應的始動電壓，它調節(jié)特性曲線的橫坐標從零到始動電壓的這一范圍稱為在一定負載轉矩時伺服電動機的失靈區(qū)，顯然，失靈區(qū)的大小是與負載轉矩成正比的。便能轉動起來并達到某一轉速；反之，控制電壓小于相對應的始動電壓，由電動機的最大電磁轉矩小于負載轉矩，它就不能起動。以上特性曲線是在兩個假設的前提下得到的，實際的直流伺服電動機的特性曲線只是一組接近直線的曲線。電樞控制直流伺服電動機的調節(jié)特性（3）動態(tài)特性電樞控制時直流伺服電動機的動態(tài)特性，是指電動機的電樞上外施階躍電壓時，電動機轉速從零開始的增長過程，即n=f(t)或w=f(t)?？梢姙榱藴p小機械時間常數(shù)，應當選擇轉子結構，以減小轉子的轉動慣量。此外，還可以改進電動機結構設計，采用更好的硬磁性材料，提高氣隙磁通密度，減小電樞繞組電阻。可知，當時t=時，則電動機的有速度（或轉速）上升到穩(wěn)定角速度或轉速的0.632倍，當時間t=4時，則電動機的角速度為w=0.985w0,過渡過程基本結束，故一般以t=4作為過渡過程的時間。由式直流伺服電動機角速度的變化曲線9.3.2交流伺服電動機一、基本結構交流伺服電動機在結構上為一兩相感應電動機，其定子兩相繞組在空間相距90°電角度，它們可以有相同或不同的匝數(shù)。定子繞組的一相作為勵磁繞組，運行時接到電壓為Uf的交流電源上，另一相作為控制繞組，輸入控制電壓UK。電壓UK與Uf同頻率，一般采用50HZ或400HZ。常用的轉子結構有兩種形式：一種為籠型轉子，這種轉子結構如同普通籠型感應電動機一樣，但是為了減小轉子的轉動慣量而做成細而長。另一種為非磁性空心杯轉子,這種結構電動機中除了和一般感應電動機一樣的定子外，還有一個內(nèi)定子。二、工作原理一量控制繞組有信號電壓，一般情況下，兩相繞組中電流產(chǎn)生的磁動勢Ff和Ff是不對稱的，則電動機內(nèi)部便建立起橢圓形旋轉磁場。一個橢圓形旋轉磁場分解為兩個速度相等、轉向相反的圓形旋轉磁場，但它們大小不等，因此轉子上兩個電磁轉矩也大小不等，方向相反，合成轉矩不為零，這樣轉子就不再保持靜止狀態(tài)，而隨著正轉磁場的方向轉動起來。若控制繞組無控制信號只有勵磁繞組中有勵磁電流，則氣隙中形成的是單相脈振磁動勢，它可以分解為正、負序兩個圓形旋轉磁動勢。它們大小相等，轉速相同，轉向相反。所建立的正序旋轉磁場對轉子起拖動作用，產(chǎn)生拖動轉矩T+；負序旋轉磁場對轉子起制動作用，產(chǎn)生制動轉矩T-，當電動機原處于靜止時，轉率差s=1，T+=T-，合成轉矩T=0，伺服電動機轉子不會轉動。交流伺服電動機原理圖兩相交流伺服電動機在轉子轉動后，當控制信號電壓UK消失時，按照可控性的要求，伺服電動機應立即停轉，但此時電動機內(nèi)部建立的是單相脈振磁場，根據(jù)單相異步電動機工作原理，電動機將繼續(xù)旋轉，這種現(xiàn)象稱之“自轉”?！白赞D”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子電阻。由圖中曲線中知，隨著轉子電阻增大，機械特性更接近線性關系。因此，為了使兩相并流伺服電動機達到調速范圍大和機械特性線性的要求，也必須使其轉子具有足夠大的電阻值。一般的異步電動機，其機械特性如圖中曲線1所示它的穩(wěn)定運行區(qū)僅在轉差率S從0到Sm這一區(qū)間，因Sm約為0.1~0.2，所以電動機的轉速可調范圍很小。如果增大轉子電阻，使其產(chǎn)生最大轉矩的轉差率Sm≥1，這樣，電動機的機械特性就如圖中曲線2所示，相應于電動機的轉速由零到同步轉速的全部范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運行。異步電動機機械特性三、控制方式一、幅值控制調節(jié)控制電壓的大小來改變電動機的轉速，而控制電壓UK與勵磁電壓Uf之間的相位角保持90°電角度，通常UK滯后于Uf。當控制電壓UK=0時，電動機停轉，即n=0。二、相位控制調節(jié)控制電壓的相位（即調節(jié)控制電壓與勵磁電壓之間的相位角β）來改變電動機的轉速，而控制電壓的幅值保持不變，當β=0時，電動機停轉。三、幅值一相位控制（或稱電容移相控制）將勵磁繞組上仍外施勵磁電壓Uf=U1-Uca，控制繞組上仍外施控制電壓UK，而UK的相位始終與U1同相。當調節(jié)控制電壓UK的幅值來改變電動機的轉速時，使勵磁繞組的電流If也發(fā)生變幅值一相位控制原理圖化，致使勵磁繞組的電壓Uf及電容C上的電壓Uca也隨之改變。這就是說，電壓UK及Uf的大小及它們之間的相位角β也都隨之改變。所以這是一種幅值和相位的復合控制方式。若控制電壓UK=0，電動機就停轉。這種控制方式是利用串聯(lián)電容器來分相的，它不需要復雜的移相裝置，所以設備簡單，成本較低，成為最常用的一種控制方式。四、運行特性（1）、機械特性機械特性是控制電壓UK不變時，電磁轉矩與轉速的關系。交流伺服電動機的機械特性a)幅值控制b)相位控制c)幅-相控制上圖中m為輸出轉矩對起動轉矩的相對值，v為轉速對同步轉速的相對值。從機械特性看出，不論哪種控制方式，控制電信號越小，機械特性就越下移，理想空載轉速也隨之減小。（2）調節(jié)特性兩相交流伺服電動機的調節(jié)特性是指電磁轉矩不變時，轉速隨控制電壓大小變化的關系。交流伺服電動機的調節(jié)特性a)幅值控制b)相位控制c)幅-相控制由圖中看出，兩相交流伺服電動機在三不同控制方式下的調節(jié)特性都不是線性關系，只在轉速標么值較小和信號系數(shù)不大范圍內(nèi)才接近于線性關系。相位控制時調節(jié)特性的線性度較好。交、直流伺服電動機的性能比較一、機械特性直流伺服電動機的機械特性是線性的，轉矩隨著轉速的增加而均勻下降，在不同控制電壓影響很小。交流伺服電動機機械特性是非線性的，電容移相時機械特性非線性度更加嚴重，而且特性的斜率是隨著控制電壓的不同而變化的，機械特性很軟，轉矩的變化對轉速的影響很大，特別低速段更是如此。機械特性軟會削弱內(nèi)阻能力（即阻尼系數(shù)減少），增大時常數(shù)，因而降低系統(tǒng)的品質，而機械特性斜率的變化，會給系統(tǒng)的穩(wěn)定和校正帶來困難。二、體積、質量和效率為了滿足控制系統(tǒng)對電動機要求，交流伺服電動機轉子電阻就得相當大，這樣損耗就大，效率低，電動機利用程度差，而且電動機通常是運行在橢圓磁場的情況下，負序磁場產(chǎn)生的制動轉矩使電動機的有效轉矩減小。交流伺服電動機只適用小功率系統(tǒng)，而對于功率較大的控制系統(tǒng)，則普遍采用直流伺服電動機。三、“自轉”現(xiàn)象直流伺服電動機無“自轉”現(xiàn)象，而交流伺服電動機若參數(shù)選擇不適當，或制造工藝不良，在單相狀態(tài)下會產(chǎn)生“自轉”。交流伺服電動機結構簡單，運行可靠，維護方便，適宜在不易檢修的場合使用。直流伺服電動機由于有電刷和換向，因而結構復雜、制造麻煩。電刷與換向器之間存在滑動接觸，電刷的接觸電阻也不穩(wěn)定，這些都會影響到電動機的穩(wěn)定運行。四、結構五、放大器裝置直流伺服電動機的控制繞組通常是由放大器供電，而直流放大器有零點漂移現(xiàn)象，這將影響到系統(tǒng)的工作精度和穩(wěn)定性。9.4步進電機步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電機，說得通俗一點，就是給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。因此，這種電動機也稱為脈沖電動機。結構及工作原理右圖是一個三相反應式步進電動機，定、轉子鐵心由硅鋼片疊成。定子有六個磁極，每兩個相對的極繞有一相控制繞組，轉子只有四個齒，齒寬等于定子極靴寬，上面沒有繞組。如圖a所示,當U相控制繞組通電，而V相、W相都不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，所以轉子齒1和3的軸線與定子U極軸線對齊。如圖b所示,U相斷電、V相通電時，轉子便逆時針方向轉過30°，使轉子齒2和4的軸線與定子V極軸線對齊。如圖c所示,V相斷電、接通W相，轉子再過30°，轉子齒1和3的軸線與W極軸線對齊。三相單三拍運行時反應式步進電動機工作原理圖如此按U-V-W-U……順序不斷接通和斷開控制繞組，轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。步進電動機轉速取決于控制繞組通電和斷電的頻率（即輸入的脈沖頻率），旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序，若步進電動機通電次序改為U-W-V-U……則步進電動機反向轉動。上述通電方式，稱為三相單三拍?！皢巍笔侵该看沃挥幸幌嗫刂评@組通電，“三拍”是指三次切換通電狀況為一個循環(huán)，第四拍就反復第一拍通電的情況。步進電動機每拍轉子所轉過的角位移稱為步距角。三相單三拍通電方式時，步距角為30°。如圖a所示,當U相控制繞組通電時，和單三拍運行的情況相同，轉子齒1和3的軸線與定子U極軸線對齊。如圖c所示，當斷開U相使V相單獨接通時，在磁拉力作用下，轉子繼續(xù)逆時針方向轉動，直到轉子齒2和4的軸線與定子V極軸線對齊為止，這時轉子又轉過15°角度。如圖b所示,當U、V相控制繞組同時接通時，轉子的位置，應兼顧到使U、V兩對極所形成的兩路磁通，在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地達到最小。這時相鄰兩個U、V磁極與轉子齒相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使轉子處于平衡。這樣，當U相通電轉到U、V兩相通電時，轉子只能逆時針方向轉過15°。單、雙六拍運行時三相反應式步進電動機如通電順序改為U-UW-W-WV-V-VU-U時，電動機將按順時針方向轉動。對這種通電方式，定子三相控制繞組需經(jīng)過六次換接才能完成一個循環(huán)，故稱為“六拍”。同時這種通電，有時是單個控制繞組接通，有時又是兩個控制繞組同時接通，因此稱為單、雙六拍。采用單、雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式減小一半（即=15°）。上述簡單的三相反應式步進電動機的步距角太大，即每一步轉過的角度太大，很難滿足生產(chǎn)中所提出位移量要小的要求下面介紹三相反應式步進電動機的一種典型結構。在右圖中，三相反應式步進電動機定子上有六個極，上面裝有控制繞組聯(lián)成U、V、W三相。轉子圓周上均勻分布若干個小齒，定子每個磁極靴上也有若干個小齒。以轉子齒數(shù)zr=40，相數(shù)m=3，一相繞組通電時，在氣隙圓周上形成的磁極數(shù)2p=2，三相單三拍運行為例：每一齒距的空間角每一極距的空間角每一極距所占的齒數(shù)小步距角的三相反應式步進電動機當U-U′極下的定、轉子齒對齊時，V-V′極的定子齒和轉子齒必然錯開1/3齒距，即為3°，如圖所示的展開圖。由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，由上圖可以看出，若斷開U相控制繞組而接通V相控制繞組，這時步進電動機中產(chǎn)生沿V-V′極軸線方向的磁場，因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合，就使轉子受到同步轉矩的作用而轉動，轉子按逆時針方向轉動1/3齒距（3°），直到使V-V′極下的定子齒和轉子齒對齊。相應地U-U′極和W-W′極下的定子齒又分別和轉子齒相錯1/3齒距。按此順序連續(xù)不斷地通電，轉子便連續(xù)不斷地一步一步轉動。若采用三相單、雙六拍通電方式運行，即按U-UV-V-VW-W-WU-U順序循環(huán)通電，同樣步距角也要減少一半，即每一脈沖時轉子僅轉動1.5°。如果脈沖頻率很高，步進電動機控制繞組中送入的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進電動機不是一步一步地轉動，而是連續(xù)不斷地轉動，它的轉速與脈沖頻率成正比。每分鐘轉子所轉過的圓周數(shù)即轉速為運行特性靜態(tài)運行狀態(tài)步進電動機不改變通電的狀態(tài)稱為靜態(tài)運行狀態(tài)。靜態(tài)運行狀態(tài)下步進電動機的轉矩與轉角特性，簡稱矩角特性T=f(θ)，是步進電動機的基本特性。步進電動機的轉矩就是同步轉矩（即電磁轉矩），轉角就是通電相的定、轉子齒中心線間用電角度表示的夾角θ，如圖所示?？梢娹D矩T隨轉角θ作周期變化，變化周期是一個齒距，即2π電弧度。定轉子間作用力

實踐經(jīng)驗證明:反應式步進電動機的轉角特性接近正弦曲線，如圖反應步進電動機的矩角特性。在θ=0處，轉子處于穩(wěn)定平衡位置,即通電相定、轉子齒對齊位置。因為當轉子處于這個位置時，如有外力使轉子齒偏離這個位置，只要偏離角θ在0°＜θ＜180°的范圍內(nèi)，除去外力，轉子能自動地重新回到原來位置。θ=±π這個位置是不穩(wěn)定的，兩個不穩(wěn)定點之間的區(qū)域構成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。電磁轉矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉矩Tmax，它表示了步進電動機承受負載的能力，是步進電動機最主要的性能指標之一。步進電機運行狀態(tài)步進電動機的步進運行狀態(tài)與控制脈沖的頻率有關。當步進電動機在極低的頻率下運行時，后一個脈沖到來之前，轉子已完成一步，并且運動已基本停止，這時電動機的運行狀態(tài)由一個個單步運行狀態(tài)所組成。步進電動機的單步運行狀態(tài)為一振蕩過程。如圖

步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)時產(chǎn)生的轉矩稱為動態(tài)轉矩。步進電動機的最大動態(tài)轉矩將小于最大靜態(tài)轉矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。頻率很高，周期很短，電流來不及增長，顯然，動態(tài)轉矩也減小了。步進電動機的動態(tài)轉矩與頻率的關系，即所謂矩頻特性，是一條下降的曲線，如圖所示，這也是步進電動機重要特性之一。步進電動機轉子振動過程步進電動機的矩頻特性驅動電源步進電動機是由專用的驅動電源來供電的，驅動電源和步進電動機是一個有機的整體。步進電動機的驅動電源，基本上包括變頻信號源，脈沖分配器和脈沖放大器三個部分，如圖所示。步進電動機的驅動電源9.5旋轉變壓器旋轉變壓器是一種精密的二次繞組（轉子繞組）可轉動的特殊變壓器，當它的一次繞組（定子繞組）外接單相交流電源勵磁時，其二次繞組的輸出電壓將與轉子轉角嚴格保持某種函數(shù)關系。9.5.1基本結構旋轉變壓器的結構與普通繞線轉子感應電動機類似。為了獲得更好的電氣對稱性，以提高旋轉變壓器的精度，定轉子繞組均為兩個在空間互隔90°電角度的高精度正弦繞組。旋轉變壓器的定轉子鐵心均是采用高磁導率的鐵鎳磁合金片或硅鋼片經(jīng)沖制、絕緣、疊裝而成。為了使鐵心的導磁性能各方向均勻一致，在鐵心疊片時采用每片錯過一齒槽的旋轉形疊片法。有限轉角的無接觸式旋轉變壓器將轉子繞組的引出線做成彈性卷帶狀，這種轉子只能在一定的轉角范圍內(nèi)（一般為1~2周）轉動。無限轉角的無接觸式旋轉變壓器將兩套繞組中的一套自行短接，而另一套則通過環(huán)形變壓器從定子邊引出，它的轉子轉角不受限制。直軸脈動磁通在勵繞組中產(chǎn)生的感應電動勢9.5.2工作原理一、正余弦旋轉變壓器式中N1——繞組串聯(lián)匝數(shù)；Kω1——繞組因數(shù)；Φf——直軸脈動磁通的幅值正弦輸出繞組A的空載電壓為式中N2—轉子A、B繞組串聯(lián)匝數(shù)；Kw2—轉子A、B繞組因數(shù)。正余弦旋轉變壓器原理圖稱為電壓比，為定轉子繞組有效匝數(shù)比，也即為空載時輸出繞組的最大輸出電壓與勵磁電壓之比，是一個常數(shù)。從上式可看出，在正余弦旋轉變壓器中，當勵磁電壓恒定，轉子的正弦輸出繞組A空載時，其輸出電壓UAO將與轉子轉角α呈正弦函數(shù)關系。同理可得余弦輸出繞組B空載時電壓為UBO=EB=4.44fN2Kw2φfcosα=KuEfcosα=KuUfcosα

從上式中同樣可看出，在正余弦旋轉變壓器中，當勵磁電壓恒定，轉子的余弦輸出繞組的空載輸出電壓UBO將與轉子轉角α呈余弦函數(shù)關系。當A繞組接入負阻抗ZA后，將有負載電流IA流過，它產(chǎn)生磁通φA將使空氣隙磁通分布發(fā)生畸變。圖a中勵磁繞組的軸線與直軸方向重合，轉子繞組A產(chǎn)生的磁通φA在直軸方向的分量φAd對勵磁磁通φf起去磁作用。但在交軸方向，φAd與f繞組間沒有互感作用，即A繞組交軸分量磁通φAq不可能f繞組中的電流來補償。若Uf不變，當不考慮電阻和漏阻抗壓降時，直軸合成磁通可視為不變，因此當A繞組中有電流時，f繞組中將流入負載分量電流以補償直軸的去磁分量。磁通φ〞Aq對轉子A繞組沒有交鏈，可不用考慮；磁通φˊAq與A繞組中感應一自感電動勢，稱為交軸電樞反應感抗電動勢EAq負載時的正余弦旋轉變壓器有負載時，A繞組中除了電勢EA以外，還有自感電動勢EAq，因此有負載時A繞組的電動勢不再和轉角α的正弦成正比，而出現(xiàn)了很大的誤差。為了消除輸出電壓的畸變，必須補償轉子A繞組的交軸磁通。實際應用時，為了達到完善的補償目的，通常采用定、轉子同時補償，可使誤差減至最小。如圖為定、轉子同時補償時的接線圖。有補償?shù)恼嘞倚D變壓器9.5.4線性旋轉變壓器線性旋轉變壓器指其輸出電壓的大小隨轉子轉角α成正比關系的旋轉變壓器。當定子f繞組接入電源后f繞組產(chǎn)生電動勢：Ef=4.44fN1Kw1φf

B繞組產(chǎn)生電動勢：EB=4.44fN2Kw2φfcosαA繞組產(chǎn)生電動勢：EA=4.44fN2Kw2φfsinα這些電動勢都是由同一個脈動磁通φf感應產(chǎn)生的，因此它們在時間上同相位，都滯后φf90°電角度。若略去繞組中的漏阻抗壓降，則即式中由上式推出輸出電壓誤差概述前幾節(jié)在分析旋轉變壓器的工作原理時，假定理想條件下，采取適當?shù)慕泳€方式就能使輸出電壓的大小與轉子轉角成正弦函數(shù)關系，或者與轉子轉角成線性關系。實際上，由于許多因素的影響，使輸出電壓產(chǎn)生誤差。1)旋轉變壓器在加工過程中要嚴格按照工藝要求；2)在使用時采用必要的補償方式消除誤差；3)在設計時應從精度要求出發(fā)來選擇繞組的型式、定轉子的齒槽配合、鐵心的材料和變壓器中各部分的磁通密度大小等，以保證變壓器氣隙磁場按正弦規(guī)律分布。為了保證旋轉變壓器有良好的特性，在使用中還必須注意：

定子只有一個繞組勵磁時，另一個繞組應聯(lián)接一個電源內(nèi)阻抗相同的阻抗或直接短接。

定子兩個繞組同時勵磁時，轉子的兩個輸出繞組的負載阻抗要盡可能相等。

使用中必須準確調整零位，以免引起旋轉變壓器性能變差。旋轉變壓器的應用旋轉變壓器被廣泛用于高精度的角度傳輸系統(tǒng)和解算裝置中。旋轉變壓器在計算機中作為解算元件，可以用來進行坐標變換（直角坐標換為極坐標）、代數(shù)運算（加、減、乘、除、乘方、開方）、三角運算（正弦、余弦、反正弦、反余弦）。9.6永磁式直流力矩電動機

結構特點

直流力矩電動機的工作原理和普通的直流伺服電動機相同，只是在結構和外形尺寸的比例上有所不同。一般直流伺服電動機為了減少其轉動慣量，大部分做成細長圓柱形。而直流力矩電動機為了能在相同的體積和電樞電壓下產(chǎn)生比較大的轉矩和低的轉速，一般做成圓盤狀，電樞長度和直徑之比一般為0.2左右；從結構合理性來考慮，一般做成永磁多極的。為了減少轉矩和轉速的波動，選取較多的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導體數(shù)。

總體結構型式有分裝式和內(nèi)裝式兩種，分裝式結構包括定子、轉子和刷架三大部件，機殼和轉軸由用戶根據(jù)安裝方式自行選配；內(nèi)裝式則與一般電機相同，機殼和軸已由制造廠裝配好。直流力矩電動機的結構示意圖9.6.1獲得大轉矩如上所述，力矩電動機之所以做成圓盤狀，為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉矩和較低的轉速。下圖所示的簡單模型，粗略地說明外形尺寸變化對轉矩和轉速的影響。1.電樞形狀對轉矩的影響由電磁轉矩公式,得到下圖(a)時的電磁轉矩為式中，Na為圖(a)中電樞繞組的總導體數(shù)；Bp為一個磁極下氣隙磁通密度的平均值；la為圖(a)中導體在磁