北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机.ppt

专题11.1 直线电动机教学目标：1）掌握直线电动机的类型、结构和原理；2）学会直线电动机的使用。,直线电动机是利用电能直接产生直线运动的电动机。直线电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换的机械，普通旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械能，直线电动机将电能转换成直线运动的机械能。直线电动机应用于要求直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动系统的响应速度、稳定性、精度得以提高。直线电动机在工业、交通运输等行业中的应用日益广泛。,直线电动机的结构图11-1(a)和(b)分别表示了一台旋转电动机和一台扁平形直线电动机。,(a)旋转电动机(b)直线电动机,图11-1旋转电动机和直线电动机示意图,直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看做是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图11-2所示。图11-2为感应式直线电机的演变过程，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。,(a)沿径向剖开级(b)把圆周展成直线图11-2 由感应式旋转电机演变为直线电机的过程,图11-2中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称做短初级长次级，后者称为长初级短次级，如图11-3所示。但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级。,(a)短初级,(b)短次级图11-3 单边形直线电机,在图11-3中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单边形直线电机。这种结构的电机，一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力，一般这个法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边形，如图11-4所示。,(a)短初级,(b)短次级图11-4双边形直线电机,上述介绍的直线电机称为扁平形直线电机，是目前应用最广泛的，除了上述扁平形直线电机的结构形式外，直线电机还可以做成圆筒形(也称管形)结构，它也可以看做是由旋转电机演变过来的，其演变的过程如图11-5所示。图11-5(a)中表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况，图11-5(b)表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平形直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图11-5(c)所示的圆筒形直线电机。,（a）旋转电机,(b)扁平形单边直线电机,(c)圆筒形(管形)直线电机图11-5旋转电机演变为圆筒形直线电机的过程,此外，直线电机还有弧形和盘形结构。所谓弧形结构，就是将平板形直线电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图11-6所示。图11-7是圆盘形直线电机，该电机把次级做成一片圆盘(铜或铝，或铜、铝与铁复合)，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。弧形和盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。,图11-6弧形直线电动机 图11-7圆盘形直线电动机,直线电动机的工作原理直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。将图11-8所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图11-9所示的直线电机。,1一定子 2一转子 3一磁场方向 1一初级 2一次级 3一行波磁场图11-8旋转电机的基本工作原理 图11-9直线电机的基本工作原理,在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁芯两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A，B，C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度(ms)。,再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图11-9中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。上述就是直线电机的基本工作原理。应该指出，直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条。但在分析时，不妨把整块看成是无限多的导条并列安置，这样仍可以应用上述原理进行讨论。,直线电动机的应用举例目前,直线电机技术在世界各国的应用大致可分为以下几个方面：在交通运输业中,可用于直线电机驱动的磁悬浮列车、地铁等，具有高速、舒适、安全、无污染等特点，将在实现新的交通输送工具中发挥重要作用。磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统，时速可达500KM以上，是当今最快的地面客运系统。目前,美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车,其中日本进展最快。我国已于2001年建成了第一条磁悬浮列车。,在工业中,直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独特的优势，如分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中也可广泛使用直线电机代替旋转电机，主要是利用其速度快、精度高的特点（如直线电机驱动的冲压机、压铸机、电火花成形机等）。在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库，也开始采用了直线电机。其中，采用直线电机的自动化车库是在车库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级，而载车板为次级。通过计算机，利用直线电机初次级作用移动汽车进或出，效率和利用率都很高。,在民用方面,直线电机可驱动电梯。世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1990年4月安装于日本东京都关岛区万世大楼,该电梯载重600kg,速度为105m/min,提升高度为22.9m。由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组,因而建筑物顶的机房可省略。如果建筑物的高度增至1000米左右,就必须使用无钢丝绳电梯,这种电梯采用高温超导技术的直线电机驱动,线圈装在井道中,轿厢外装有高性能永磁材料,就如磁悬浮列车一样,采用无线电波或光控技术控制。一些生活用品（如家电空调、冰箱等）、驱动门、办公设备等都可用上直线电机。,在军事方面,由于直线电机的速度极高，利用这点可将其应用于导弹、火箭和大炮潜艇中。电磁炮就是利用电磁场加速度加速弹丸的原理、实现军事用途的动能武器系统。此外，在一些军事设施上（如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器等）也利用了直线电机。此外，直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜；直线电机驱动人工心脏；直线电机驱动的盲人触觉模拟器；直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面也得到了应用。,专题11.2 超声波电动机教学目标:1）了解超声波电动机的结构；2）了解超声波电动机的工作原理；3）了解超声波电动机的应用。,超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置。具有如下特点：(1)低速大转矩。在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。,(2)体积小、重量轻。超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。(3)反应速度快，控制特性好。超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。,（4)无电磁干扰。超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。（5)停止时具有保持力矩。超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。（6)形式灵活，设计自由度大。超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。,超声波电动机的结构超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成。但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成。转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。详见图11-10。,图11-10超声波电动机的结构,超声波电动机的工作原理超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没有磁极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间加一层摩擦材料。,当在振动体的压电陶瓷(PZT)上施加20KHz以上超声波频率的交流电压时，逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动，使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动（振幅一般为数微米），如椭圆、李萨如轨迹等，该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此，超声波电动机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。,1逆压电效应简介压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。,超声电机就是利用逆压电效应进行工作的。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。,2椭圆运动及其作用超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。图11-11所示当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点（质点）A做周期运动，轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去，则对转子具有连续的定向拨动作用，从而使转子连续不断地旋转。,图11-11超声振动移位轨迹,相位差的取值就决定了椭圆运动的旋转方向。当O时，椭圆运动为顺时针方向，当O时，椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。,3行波的形成及特点如果一系列质点的连续椭圆运动就可以推动转子旋转并驱动一定的负载。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。如图11-12所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上。当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图11-13所示的驻波。,图11-12压电体在长度方向产生交替伸缩形变,图11-13弹性体上产生的驻波,在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的原理如图11-14所示。,图11-14环形行波型超声电机的原理图,压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区。当A、B两相分别在弹性体上激起驻波时，两相驻波叠加，就形成一个沿定子圆周方向的合成行波，推动转子旋转。定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成，弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿可以放大定子表面振动的振幅，使转子获得较大的输出能量。转子由转动环和摩擦材料构成。转动环一般用不锈钢、硬铝或塑料等制成。摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面，从而增加定子、转子间的摩擦系数。,4工作特性在行波传播速度为恒值的情况下，改变激振电压的频率可以快速改变转速但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压做线性变化，这就是超声电机变压调速的特点。,超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声电机的效率则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域，如图11-15所示。因此，超声电机非常适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点。目前，环形行波型超声电机的效率一般不超过50。,图11-15超声波电动机的工作特性,5超声波电动机的缺点（1）功率输出小，效率较低。超声波电动机工作时存在两个能量的转换过程：一是通过逆压电效应将电能转换为定子振动的机械能；二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子（动子）的宏观运动。这两个过程都存在着一定的能量损耗，特别是第二个过程。因此超声电机的效率较低，输出功率小于50W。（2）寿命较短，不适合于连续运转的场合。（3）对驱动信号的要求严格，且成本较高。,超声波电动机的应用举例由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中；欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)；,美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中也都陆续应用了超声波电动机。美国Vanderbilt大学将超声电机应用于微型飞行器。Coddar Space Flight Center 将超声波电机应用于空间机器人技术。其中微型机器手MicroArm I 使用了具有力矩0.05Nm的超声电机。火星机器手MarsArm II 使用了3个具有力矩为0.68Nm和一个具有0.11Nm的超声波电动机。,专题11.3 旋转变压器教学目标：1）了解旋转变压器的基本结构组成；2）熟悉旋转变压器的基本工作原理；3）了解旋转变压器的应用。,转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。当旋转变旋压器一次侧外加单相交流电压励磁时，其二次侧的输出电压与转子转角将严格保持某种函数关系。在自动控制系统中它可作为解算元件，主要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，它可用于传输与转角相应的电信号；此外还可用作移相器和角度数字转换装置。,旋转变压器的分类旋转变压器的分类方式很多，但从原理和结构上来说基本上相同。按结构上有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分为接触式和无接触式两大类。其中无接触式旋转变压器又可分为有限转角和无限转角两种。一般情况下无特殊说明时均指接触式旋转变压器。,按电机的极对数多少来分，可以分为单极对旋转变压器和多极对旋转变压器两类，通常无特殊说明时均指单极对旋转变压器。对于多极对旋转变压器，一般都必须和单极对旋转变压器组成统一的系统，极对数越多，精度越高。按使用要求来分，可分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器和特殊函数旋转变压器等。其中线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。,旋转变压器的结构旋转变压器其实质是二次绕组（转子绕组）可以旋转的特殊变压器，其结构与绕线式异步电动机相似，一般都是两个磁极。定子和转子铁芯采用高导磁率的铁镍软磁合金片或高硅钢片冲制、绝缘、叠装而成。为了使旋转变压器的导磁性能延气隙圆周各处均匀一致，在定子、转子铁芯叠片时采用每片错过一齿槽的旋转叠片方法。定子铁芯的内圆周上和转子铁芯的外圆周上都冲有均匀的齿槽。定子上装有两套相同的绕组D和Q，在空间上相差90，每套绕组的有效匝数为N1，D绕组轴线d为电机的纵轴，Q绕组轴线q为电机的横轴。,转子上也装有两套完全相同的、互相垂直的余弦绕组A和正交绕组B，分别经滑环和电刷引出，每套绕组的有效匝数为N2。转子的转角是这样规定的：以d轴为基准，转子余弦绕组A的线与d轴的夹角 为转子的转角，如图11-16（a）所示。,（a）接线图（b）磁动势图图11-16 空载时的正余弦旋转变压器,旋转变压器的工作原理1正弦绕组在旋转变压器中常用的绕组有两种形式，即双层短距分布绕组和同心式正弦绕组。双层短距分布绕组也能达到较高的绕组精度并有良好的工艺性，但是在绕组中还存在一定的谐波磁动势分量，再加上工艺因素引起的误差，使旋转变压器的精度受到一定限制，因此，双层短距分布绕组只适用于对精度要求不很高的旋转变压器中。,同心式正弦绕组为高精度绕组。它将各次谐波削弱到相当小的程度，从而极大地提高了旋转变压器的精度。用正弦绕组代替双层短距分布绕组，正余弦函数误差可以降低到0.03%以下。正弦绕组的缺点是工艺性要比双层短距分布绕组差，且绕组系数也较低。正弦绕组是绕组各元件的导体数（匝数）沿定子内圆（或转子外圆）按正弦规律分布的同心式绕组。通常它有两种分布形式：一种是绕组的轴线对准槽的中心线；另一种是绕组的轴线对准齿的中心线，旋转变压器大都采用第二种正弦绕组。,2正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器通常为两级结构，定子上放置两个互差90 空间角度的完全相同的正弦绕组，其中一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组。励磁绕组加交流励磁电压，并定义励磁绕组的轴线为d轴（直轴），此时在气隙中产生d轴脉动磁动势，励磁绕组中的感应电动势为（11-1）,当忽略励磁绕组中的漏阻抗的影响时，则可以认为当励磁电压恒定时，d轴磁通的幅值 为常数，且空间分布为正弦。正余弦旋转变压器的转子上也有两套互差90 的完全相同的绕组，d轴磁通与转子匝链，并产生感应电动势，这与普通变压器工作情况一致，所不同的是转子绕组感应电动势大小与转子与励磁绕组的相对位置有关。,（1）正余弦旋转变压器的空载运行旋转变压器的励磁绕组D接交流电压，转子上的绕组开路，称为空载运行。空载时，D绕组中有励磁电流 和励磁磁动势，是d轴方向上空间分布的脉振磁动势，在图11-1（b）所示的空间磁动势图上画出了 位置。把 分成两个脉振磁动势 和，在绕组A的轴线上，在绕组B的轴线上，则,在A轴线方向产生正弦分布的脉振磁密，在转子的绕组A中产生感应电动势，磁路不饱和时，的大小正比于磁密且正比于磁动势，也就是说 的大小与余弦 成正比。同理可知，转子绕组B中的感应电动势 的大小正比于磁动势，也就是说 的大小正比于正弦，即（11-2）（11-3）忽略各绕组的漏阻抗，则绕组A和绕组B的端电压为（11-4）（11-5）,这就是正余弦旋转变压器的工作原理。使用时，转角 的大小可以根据需要来进行调节，但不论 角为多大，只要是某一常数，则输出绕组（转子绕组）就输出与角的正弦量或余弦量成正比的电压。,（2）正余弦旋转变压器的负载运行实际上旋转变压器的输出绕组总要接上一定的负载，接上负载后输出绕组中会有电流产生，此时称为旋转变压器的负载运行。负载运行时，输出绕组也产生脉振磁动势，会产生电枢反应磁动势，其输出电压与转子转角 的函数关系将发生畸变，从而产生误差。,绕组A的电枢反应磁动势肯定在A轴线上，绕组B的电枢反应磁动势肯定在B轴线上。它们若同时存在，就会使q轴方向上合成磁动势为零，这是理想情况。因为此时只剩下d轴方向的合成磁动势可以被定子励磁磁动势平衡，仍保持d轴磁动势不变，输出电压可以保持与转角的正弦和余弦关系。所以正余弦旋转变压器实际使用时即便是一个输出绕组工作，另一输出绕组也要通过阻抗短接，这称为副边补偿。,还可以是定子上的Q边绕组短接，在副边电枢反应产生q轴方向磁动势时，Q绕组便可以感应电动势，有电流时，产生q轴方向磁动势，补偿电枢反应q轴磁动势，这被称为原边补偿。使用时采取以上两种补偿方法中的一种或两种，即可有效消除旋转变压器输出电压与转子转角的函数畸变关系。在实际使用中，接线如图11-17所示，正余弦旋转变压器的原、副边均进行补偿，而且阻抗和尽量大些为好。,图11-17 原、副边补偿的正余弦旋转变压器,3线性旋转变压器的工作原理在一定的转角范围内，输出电压与转子转角 成线性关系的旋转变压器称为线性旋转变压器。线性旋转变压器的结构与正余弦旋转变压器相同，只需按图11-18所示进行接线，即将励磁绕组D与余弦绕组A串联起来接单相交流励磁电压，正交绕组Q短接作原边补偿，正弦绕组B作为输出绕组。,接负载阻抗 运行时，励磁电流流过励磁绕组D与余弦绕组A，分别产生磁动势 和。磁动势 可以分解成一个直轴分量和一个交轴分量，其交轴（q轴）分量可以认为被正交绕组的磁动势完全补偿抵消，直轴（d轴）分量只影响磁动势 的大小，直轴方向总的磁动势 和磁通 不受影响。设直轴磁通 在励磁绕组D中感应的电动势为，则在余弦绕组A和正弦绕组B中感应的电动势分别为（11-6）（11-7）,它们的相位均相同，所以如果忽略绕组的漏阻抗压降，可得励磁电压为（11-8）输出电压为（11-9）,图11-18 线性旋转变压器的结构图,根据式（11-9），由数学推导和实践证明，如取转子绕组与定子绕组的有效匝数比，则在转子转角 范围内，输出电压 与转子转角 的关系，与理想的线性关系比，误差不超过，考虑到其他因素的影响，一般取匝数比。,4比例式旋转变压器比例式旋转变压器是可以按比例求解三角函数的旋转变压器。主要用于调整控制系统某一部分的比例关系，而不改变其变化规律。其接线方式与原边补偿的普通正余弦旋转变压器相同，只是将转子的转角固定。,旋转变压器的应用举例旋转变压器广泛应用于解算装置和高精度随动系统中及系统的装置电压调节和阻抗匹配等。在解算装置中主要用来求解矢量或进行坐标转换、求反三角函数、进行加减乘除及函数的运算等；在随动系统中进行角度数据的传输或测量已知输入角的角度或角度差；比例式旋转变压器则是匹配自控系统中的阻抗和调节电压。,图11-19所示为利用正余弦旋转变压器进行矢量运算的原理线图，在励磁绕组上施加正比于矢量模值的励磁电压，交轴绕组短接，转子从电气零位转过一个等于矢量相角 的转角，设旋转变压器的变比为1，这时，转子正、余弦绕组的输出电压正比于该矢量的两个正交分量，即采用该线路也可将极坐标系变换到直角坐标系。,图11-19 正余弦旋转变压器矢量运算,专题11.4 自整角机教学目标：1）了解自整角机的基本结构组成；2）熟悉力矩式自整角机的工作原理及应用；3）熟悉控制式自整角机的工作原理及应用。,自整角机概述自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差进行指示、传输及自动整步的感应式控制电机。它被广泛用于随动控制系统中。自整角机在随动控制系统中应用时需成对使用或多台组合使用，使机械上互不相连的两根或多根机械轴能够自动保持相同的转角变化或同步的旋转变化，它具有自整步特性。在随动系统中，多台自整角机协同工作，其中产生控制信号的自整角机称为发送机，接受控制信号、执行控制命令与发送自整角机保持同步的自整角机称为接收机。,自整角机的分类方式很多。根据使用场合要求或所构成的转角、转速变换、传输与再现系统结构差异，可将自整角机分为力矩式自整角机和控制式自整角机两大类，如表11-1所列。,自整角机的结构与工作原理1力矩式自整角机的基本结构力矩式自整角机为在整个圆周范围内能够准确定位，发送机和接收机通常采用两极的凸极机结构。只有在频率较高而尺寸又较大的力矩式自整角机中才采用隐极式结构。采用两极电机是为了保证在整个气隙圆周范围内只有唯一的转子对应位置，从而达到准确指示。采用凸极式结构是为了获得较好的参数配合关系，以提高运行性能。,力矩式自整角机的定、转子铁芯均采用高磁导率、低损耗的薄硅钢片冲制后，经涂漆、涂胶、叠装而成。为保证在薄壁情况下有足够的强度，机壳采用不锈钢筒制成或者采用铝合金制成。机壳通常加工成杯形，即电机的一端有端盖，可以拆卸，另一端是封闭的。轴承孔分别位于端盖和机壳上。电机在制造时应保证定、转子有较高的同心度。自整角机的滑环是由银铜合金制成，电刷采用焊银触点，以保证接触可靠。,力矩式自整角机采用单相绕组作为励磁绕组，做成集中绕组直接套在凸极铁芯上；整步绕组为三相分布绕组连成星形放置在铁芯槽中。图11-20给出了力矩式自整角机的3种基本结构。（a）图为转子凸极式结构力矩式自整角机，它在定子铁芯上放置三相整步绕组，转子凸极式铁芯上放置单相励磁绕组，并由两组滑环和电刷引出，滑环和电刷数目较少，质量轻，因此故障率较低，在小容量自整角机中得到了广泛的采用。（b）图为定子凸极式结构，它要求将单相励磁绕组放置在定子凸极铁芯上，三相整步绕组放置在转子隐极铁芯上，并由三组滑环和电刷引出，滑环和电刷数目太多，转子质量大，易出故障，较少采用，但转子平衡性好，一般适用于较大容量的自整角机。,（a）转子凸极式（b）定子凸极式（c）定、转子隐极式,图11-20 力矩式自整角机的基本结构,2力矩式自整角机的工作原理图11-21所示为力矩式自整角机的工作原理图，在图中一台自整角机作为发送机用，另一台作接收机用，两台电机结构参数一致。在工作中两台电机励磁绕组并接在同一单相交流励磁电源上，它们的整步绕组彼此对应相序连接。为方便分析，规定励磁绕组与整步绕组的a相轴线夹角 作为转子的位置角。,图11-21 力矩式自整角机工作原理,（1）整步绕组的电动势与电流图11-21中发送机转子的位置角为，接收机转子的位置角为，则失调角 为（11-10）由于励磁绕组为单相，当励磁绕组中有励磁电流时，在电机气隙中将产生脉振磁动势，脉振磁动势在各整步绕组中感应出变压器电动势，由于各绕组在空间上的位置不同，整步绕组中的感应电动势相位相差120，其幅值大小相等，有效值为（11-11）,每相整步绕组的感应电动势为：对于发送机（11-12）对于接收机（11-13）,（2）转子磁动势当整步绕组中有电流流过时，由于电生磁的关系，必然会产生磁动势。虽然整步绕组为三相绕组，但各相流过的电流在时间上同相位，因此整步绕组电流产生的磁动势仍为空间的脉振磁动势。a相整步绕组回路中，通过发送机整步绕组和接收机整步绕组的电流相等，因此发送机整步绕组的磁动势的幅值 等于接收机整步绕组的磁动势的幅值。b相和c相同理，即每相、每极对基波脉振磁动势为,同其他电机一样，每相脉振磁动势也可分解为两个互相垂直的直轴磁动势和交轴磁动势，发送机和接收机的合成磁动势应为合成直轴磁动势与合成交轴磁动势的相量和。发送机的合成磁动势为（11-17）接收机的合成磁动势为（11-18）,（3）力矩式自整角机的电磁转矩力矩式自整角机的电磁转矩由励磁磁通与整步绕组磁动势相互作用而产生，当失调角 较小时，可近似认为直轴磁动势，电磁转矩主要由直轴磁通与交轴磁动势相互作用产生。整步转矩表达式为（11-19）式中，为转矩系数；为交轴磁动势；为直轴磁通；为交轴磁动势与直轴磁通间的夹角。力矩式自整角机接收机的转动就是在整步转矩的作用下实现的。因此，交轴磁动势的存在是产生整步转矩的必要条件。,3控制式自整角机的基本结构力矩式自整角机本身没有力矩的放大作用，在实际运用中存在着许多限制。另外，力矩式自整角机的静态误差也比较大。基于力矩式自整角机的上述缺陷，在随动系统中广泛采用了由伺服机构和控制式自整角机组合的系统。由于伺服机构中装设了放大器，系统具有较高的灵敏度。,控制式自整角机从整体上也可分为控制式自整角发送机和控制式自整角接收机。控制式自整角发送机的结构和力矩式自整角发送机很相近，可以采用两种转子机构：凸极式转子结构和隐极式转子结构。转子上通常放置单相励磁绕组。定子上仍然放置三相整步绕组，彼此的排列关系也为120电角度。控制式自整角接收机和力矩式自整角接收机不同，它不直接驱动机械负载，而只是输出电压信号，供放大器使用。控制式自整角接收机的工作方式是三相整步绕组输入电压，励磁绕组输出电压，实质工作在变压器状态，所以又称为控制式自整角变压器，简称自整角变压器。自整角变压器均采用隐极式转子结构，并在转子上装设单相高精度的直轴绕组作为输出绕组。,4控制式自整角机的工作原理图11-22为控制式自整角机的工作原理图。,图11-22 控制式自整角机的工作原理,控制式自整角机的工作情况同变压器一样。接收机整步绕组的脉振磁场在输出绕组中感应的变压器电动势为（11-20）式中，为 时的输出绕组的感应变压器电动势的最大值。当接收机空载时，其感应变压器电动势等于输出电压，即。,自整角机的应用举例1力矩式自整角机的应用图11-23表示液面位置指示器的系统组成。液面的高度发生改变时，带动浮子随着液面的上升或下降，通过滑索带动自整角发送机转轴转动，这是第一步，将液面位置的直线变化转换成发送机转子的角度变化。自整角发送机和接收机之间再通过导线远距离连接起来。,图11-23 页面位置指示器,因为自整角发送机和自整角接收机的转角位置发生了改变，产生了失调角。根据理论分析，自整角发送机和自整角接收机这时应该产生转矩，使自整角发送机和自整角接收机的转角对齐。自整角发送机产生的力矩和滑索的外力矩平衡，保持静止；自整角接收机产生的力矩带动表盘指针转过一个失调角，这是第二步，正好指示出角度的改变。实现了远距离的位置指示。这种系统还可以用于电梯和矿井提升机位置的指示及核反应堆中的控制棒指示器等装置中。,2.控制式自整角机的应用图11-24是雷达高低角自动显示系统示意图，图中自整角发送机6转轴直接与雷达天线的高低角（即俯仰角）耦合，因此雷达天线的高低角 就是自整角发送机的转角。控制式自整角接收机4转轴与由交流伺服电动机1驱动的系统负载（刻度盘5或火炮等负载）的轴相连，其转角用 表示。接收机转子绕组输出电动势（有效值）与两轴的差角（即）近似成正比，即式中，为常数。,1交流伺服电动机；2放大器；3减速器；4自整角接收机；5刻度盘；6自整角发送机图图11-24雷达高低角自动显示系统原理,专题11.5 测速发电机教学目标：1）了解测速发电机的功能和作用；2）熟悉交流测速发电机的基本结构和工作原理；3）熟悉直流测速发电机的基本结构和性能特点；4）理解测速发电机的使用特性和应用。,测速发电机概述测速发电机在自动控制系统中作检测元件，可以将电动机轴上的机械转速转换为与转速成正比的电压信号输出。测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为微分或积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。,1测速发电机的分类按输出电压的不同，测速发电机分为以下几类：（1）直流测速发电机直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采用高性能永久磁钢制成磁极。由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。,（2）交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两类，其中异步测速发电机又分为笼型转子异步测速发电机和空心杯型转子异步测速发电机两种。近年来还有采用新原理、新结构研制的霍尔效应测速发电机等。,2对测速发电机的主要要求自动控制系统对测速发电机的性能要求，主要是精度高、灵敏度高、可靠性好，包括以下几个方面：（1）输出电压与转速之间有严格的正比关系；（2）输出电压的脉动要尽可能的小；（3）温度变化对输出电压的影响要小；（4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大；（5）正反转时输出电压要对称；（6）测速发电机转动惯量要小，以保证测速的迅速性。此外，还要求它对无线电通讯干扰小、噪声低等。,直流测速发电机直流测速发电机的基本结构和工作原理与普通直流发电机基本相同，实际上是一种微型直流发电机。1直流测速发电机的输出特性输出特性是指输出电压 与输入转速 之间的函数关系。他励式直流测速发电机的工作原理接线图如图11-25所示。励磁绕组接一恒定直流电源，通过电流 产生磁通。根据直流发电机原理，在忽略电枢反应的情况下，电枢的感应电动势为（11-21）当接负载时，电压平衡方程式为（11-22）,负载电流和负载电压关系为（11-23）由于电刷两端的输出电压 和负载上的电压 相等，所以将式（11-23）代入式（11-22）可得经过整理可得（11-24）式中，为测速发电机输出特性的斜率。由上式可知，直流测速发电机的输出特性 为线性，如图11-26所示。,图11-25直流测速发电机原理图 图11-26 直流测速发电机的输出特性,2直流测速发电机的误差及其减小方法在实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速之间并不能严格的保持正比关系，即存在误差。现在分析产生误差的主要原因和解决方法。,（1）电枢反应的影响。磁路饱和时，电枢反应有去磁效应，使得主磁通发生变化，负载电阻越小或转速越高，去磁效应越强，所以式（11-21）中的电动势系数 将不再为常数，而是随负载电流的变化而变化，负载电流升高导致电动势系数 略有减小，输出特性曲线向下弯曲。为了消除电枢反应的影响，改善输出特性，应尽量使电机的磁通 保持不变，为此常采用的措施有：在定子磁极上安装补偿绕组进行补偿；设计时适当加大气隙以削弱电枢反应；使用时，应使发电机的负载电阻等于或大于负载电阻的规定值并且规定最高转速。,（2）电刷接触电阻的影响。由于电刷接触电阻为非线性电阻，当转速较低时，电刷接触电阻较大，此时电刷接触电阻压降在总电枢电压中所占比重大，测速发电机的实际输出电压小；而当转速升高时，电刷接触电阻变小，接触压降也减小。考虑到电刷接触电阻影响后的输出特性如图11-27所示。在转速较低时，电机的实际输出特性上出现一个不灵敏区。为减小电刷接触电阻的影响，使用时常采用接触电阻压降较小的铜石墨电刷。在高精度的直流测速发电机中，也有采用铜电刷的，并在与换向器相接触的表面上镀银。,图11-27 直流测速发电机实际输出特性,（3）温度的影响。在应用中，发电机本身会发热，而且环境温度也是变化的。导致励磁绕组电阻变化，将引起励磁电流和磁通的变化，使输出电压与转速之间不再是严格的线性关系。解决方法有：励磁回路串联热敏电阻并联网络；励磁回路串联阻值较大、温度系数很小的附加电阻R；将磁路设计得比较饱和。,（4）纹波的影响。根据，当、为定值时，电刷两端输出不随时间变化的直流电动势。实际的电机输出电动势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。纹波的大小和频率与电枢绕组的元件数有关，元件数越多，其脉动的频率越高，幅值越小。纹波电压的存在对于测速发电机是不利的，当用于转速控制或阻尼元件时，对纹波电压的要求较高，而在高精度的解算装置中则要求更高。为了消除纹波影响，可在输出电路中加入滤波电路。,3直流测速发电机的主要性能指标直流测速发电机的主要性能指标有以下几个：（1）线性误差：它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与过OB的线性输出特性之间的最大差值 与最高线性转速 在线性特性曲线上对应的电压 之比，如图11-28所示，即（11-25）,图11-28 线性误差,（2）灵敏度：也称输出斜率，是