电气123班微特电机复习题及参考答案答案.pdf

电气 123 班微特电机复习题及参考答案（仅供参考） 1 1.微特电机在国民经济各个领域中的应用十分广泛，主要有 航空航天、现代军事装备、现代 工业、信息与电子产品、现代交通运输 、现代农业及日常生活等方面。 2.根据微特电机的用途，可以将其分为驱动 用和控制用微特电机两大类。 3.伺服电动机也称为执行电动机，它将电压信号转变为电机转轴的 角速度或角位移 输出。 4.按转子结构的不同，同步伺服电动机可分为 永磁式 、 磁阻式 、磁滞式三种。 5.自动控制系统对测速发电机的要求主要有 精确度高、灵敏度高、可靠性好。 6.步进电机的矩角特性是指：在不改变通电状态时，步进电机的静转矩与转子失调角的关系。 7.自整角机中的接收机的阻尼装置有两种： 电气阻尼和 机械阻尼 。 8.旋转变压器按其在控制系统的不同用途可分为 计算用 和 数据传输用 旋转变压器两类。 9.单相交流串励电动机具有使用方便、转速高、体积小、质量轻和 起动转距大、过载能力强 等优点。 10. 双凸极电机主要包括 开关磁阻 和 双凸极永磁电机电机。 11. 伺服电动机的功能是实现角速度或角位移的实时跟踪 。 12. 测速发电机的功能是 检测机械转速，在自动控制系统和计算装置中通常作为检测元件、校 正元件、解算元件和角加速度信号元件。 13. 旋转变压器的功能是 将转子转角变换成与之呈某一函数关系的电信号。 14. 自整角机的功能是实现转轴的转角和电信号之间的变换。 15. 步进电动机的功能是 将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。 16. 永磁同步电动机的转矩包括 永磁转矩和磁阻转矩。 17. 磁阻同步电动机又称为 反应式 同步电动机，是利用 转子上直轴和交轴方向磁阻不等产生 的磁阻转矩而工作的同步电动机。 18. 按转子结构分， 磁阻式同步电动机可分为凸极式、 分块式、 内反应式和磁各向异性转子式等。 19. 测速发电机按输出信号的形式，可分为 交流 测速发电机和直流 测速发电机两大类。 20. 同步测速发电机可分为 永磁式、感应子式 、 脉冲式 三种。 21. 异步测速发电机按其结构可分为 鼠笼转子和 空心杯形转子 两种。 22. 根据控制用微特电机在自动控制系统的功能，可分为 伺服电动机、测速发电机、旋转变压 器、自整角机及步进电动机五大类。 23. 驱动用微特电机的主要任务是能量转换，控制用微特电机的主要任务是信号的传递和转换。 24. 交流异步伺服电动机有 幅值控制 、 相位控制、 幅相控制及 双相控制四种控制方法。 25. 自整角机按其输出量不同可分为 力矩式和 控制式自整角机两类。 26. 直流测速发电机产生误差的原因主要有电枢反应的影响、电刷接触电阻的影响、电刷位置的 影响、温度的影响及纹波的影响。 27. 步进电动机的种类很多，主要有 反应式 、 永磁式、 混合式三种。 28. 永磁无刷直流电动机主要由 永磁电动机本体、转子位置传感器、功率电子开关三部分组成。 29. 自动控制系统对伺服电动机的要求主要包括哪些方面？（p8) 1、调速范围宽 2、机械特性和调节特性为线性 3、无“自转现象 4、动态响应快。 30. 直流测速发电机按励磁方式分有哪几种？各有什么特点？ 答：按励磁方式分，直流测速发电机主要有电励磁和永磁式两种。 电磁式直流测速发电机与普通直流电机结构相同，由定子和转子两部分组成，定子铁芯通 2 常由硅钢片冲压而成，励磁绕组直接绕制在磁极铁芯上，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时 产生磁场，定子磁极常为二级。 永磁式直流测速发电机定子磁极由永久磁钢做成， 其他部分和电磁式相同。 由于没有励磁绕组， 所以省去励磁电源，具有结构简单、使用方便等特点，其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振 动易发生程度不同的退磁。 31. 什么是异步测速发电机的剩余电压？简要说明剩余电压产生的原因及其减小的方法。 答：电机的转速为零时输出绕组所产生的电压，称为剩余电压。包括基波分量和高次谐波分 量，一般为几十毫伏。剩余电压基波分量包括变压器分量、旋转分量、电容分量。 剩余电压基波分量的原因： 1）变压器分量：励磁绕组轴线与输出绕组轴线不垂直；定子加工不良，造成气息不均匀。 2）旋转分量：由于铁芯材料各向磁滞变化的情况不同，或者铁芯片间短路以及空心杯转子的材 料和壁厚不均匀，都会导致去磁效应不同，使电机气隙圆周上各点磁密相位不一致，而形成一个 椭圆形旋转磁场，使输出绕组产生感应电动势，产生剩余电压。 3）电容分量：由于励磁绕组和输出绕组之间会存在寄生的分布电容，当励磁绕组加交流电压时， 通过寄生的分布电容也会在输出绕组中产生电压。 剩余电压高次谐波分量产生的原因： 1）励磁电源电压为非正弦波 2）电机磁路饱和 减小剩余电压措施：1)改进制造材料和工艺，降低磁路饱和程度 2）采用内外定子铁心可调结构 3）采用补偿绕组（可补偿剩余电压的固定分量) 4）外接补偿装置 32. 简要说明旋转变压器产生误差的原因和改进方法。（p131-132) 答：旋转变压器产生误差的主要原因有：1）绕组谐波的影响 2）齿槽的影响 3）铁心磁路的饱和 的影响 4）材料的影响 5）制造工艺的影响 6）交轴磁场的影响 改进方法主要有：1）加工中保证严格的工艺要求 2）电路上采用一次侧补偿、二次侧补偿、或 一次侧二次侧同时补偿来加以消除 3)采用正弦绕组和短距绕组 4)选择合理的齿槽配合 33. 简述永磁同步电动机直接起动比较困难的原因。 答：其主要原因是，刚合上电源起动时，虽然气隙内产生了旋转磁场，但转子还是静止的，转 子在惯性的作用下，跟不上旋转磁场的转动，因此定子和转子两对磁极之间存在着相对的运动， 转子所受到的平均转矩为零。在同步伺服电动机中，如果转子的转速与旋转磁场的转速不相等， 转子所受到的平均力矩也总是为零。 从上面的分析可知，不能自动起动主要有以下两个因素： 1）转子本身由惯性 2）定转子磁场之间转速相差过大 34. 简述磁滞同步电动机的工作原理及优缺点。(p38-39-40) 答：磁滞电动机的工作原理是：当定子绕组接通交流电源时产生旋转磁场，该旋转磁场使转子磁 滞层磁化，再与定子旋转磁场作用而产生转矩。 磁滞同步电动机有很大的起动转矩， 因而不像永磁电动机和磁阻电动机那样需要设置任何启动绕 组就能起动(优点）。磁滞电动机工作于异步运行状态时，转子铁心被交变磁化，会产生很大的 磁滞损耗，这些损耗随转速的减小而增大，因此磁滞同步电动机在异步运行状态下运行，特别在 低速时很不经济（缺点）。 3 35. 异步测速发电机的误差主要有哪几种？说明误差产生的原因及减小措施。(p61) 答：异步测速发电机的误差主要有线性误差、相位误差及剩余电压。 产生误差的原因及减小误差的措施主要有： 1）气隙磁通d 的变化。减小误差的措施有： 1、减小励磁绕组漏阻 2、增大转子电阻 3、提高励磁电源频率 2）励磁电源的影响。减小误差的主要措施主要是采取措施保持磁路电源的稳定 3）温度的影响。减小误差的主要措施主要是采用温度补偿措施，最简单的方法是励磁回路、输出回 路或同时在两个回路中串联负温度系数的热敏电阻来补偿温度变化的影响。 4）对于过剩电压，减小剩余电压的主要措施有： 1、改进制造材料和工艺，降低磁路饱和程度 2、采用内外定子铁心可调结构 3、采用补偿绕组补 偿剩余电压的固定分量；外接补偿装置。 36. 简述异步测速发电机剩余电压产生的原因及减小措施。（同题 31） 37. 什么是反应式步进电动机的静稳定区和初始稳定平衡位置？最大静转矩与哪些物理量有 关？（p76-77) 答：步进电动机静止时转矩与转子失调角的关系，称为矩角特性。矩角特性上，失调角|的 范围，称为步进电动机的静稳定区。在空载情况下，转子的平衡位置称为初始稳定平衡位置。矩 角特性上的转矩最大值（=90时）成为最大静转矩，它与转子齿数、控制绕组的磁动势平 方、直轴交轴磁导差值成正比，同时还与同时通电相数有关，可以通过增加通电相数来提高最大 静转矩。 38. 自整角机的整步绕组嵌放在转子和定子上，各有何利弊？(p100） 答：自整角机的整步绕组即可放在转子（转子凸极式)上,也可嵌放在定子（定子凸极式）上。两 种安放方式下，电机的工作原理不同。当整步绕组嵌放在定子上，电机需要两组滑环和电刷，在 协调位置，励磁绕组也长期经电刷和滑环通过励磁电流，容易造成电刷和滑环在固定接触处因接 触电阻损耗引起过热甚至烧坏。当整步绕组嵌放在转子上，电机有三组滑环和电刷，摩擦转矩较 大，会影响精度，但转子易平衡，而且滑环和电刷仅当系统存在失调角时才有电流通过，滑环的 工作条件较好。 39. 简要说明力矩式自整角接收机中整步转矩是怎样产生的？它与哪些因素有关？（p104） 答：当力矩式自整角机系统的失调角产生后，在电动机的转子上形成的转矩称为整步转矩，凸极 式自整角机的整步转矩由两个不同性质的分量所组成， 一个是整步绕组中的电流和励磁绕组建立 的主磁通相互作用而产生的电磁整步转矩； 另一个是由于直轴和交轴磁阻不同而引起的反应整步 转矩。隐极式自整角机无反应整步转矩，只有电磁整步转矩。 整步转矩与励磁电压、励磁电源频率、失调角、交轴阻抗等因素有关。 40. 为什么力矩式自整角机采用凸极式结构，而自整角变压器采用隐极式结构？ 答：采用凸极式结构，有利于提高力矩式自整角机的比整步转矩，因为凸极结构会产生一个附加的磁 阻整步转矩，它将增大比整步转矩约 20%。而自整角变压器不直接驱动机械负载，并且把单相输出绕 组设计成高精度的正弦绕组以降低零位电压。 41. 正余弦旋转变压器在负载时输出电压为什么会发生畸变？消除输出特性曲线畸变的方法有 哪些？（p125 最后一段开始） 答：正余弦旋转变压器负载后之所以输出特性曲线产生畸变，是由于转子磁势的交轴分量得不到 补偿所引起的。因此，为了消除畸变，不仅转子的交轴磁势必须补偿，转子的交轴磁势也必须完 全予以补偿。补偿的方法有两种：二次侧和一次侧补偿。 42. 微特电机的发展趋势大致有哪几个方面？ 4 答：无刷化微型化集成化永磁化智能化新原理，新结构电机 43. 为什么异步测速发电机的转子都用非磁性空心杯结构，而不用鼠笼结构？（p55） 答：异步测速发电机按其结构可分为鼠笼转子和空心杯转子两种。它的结构与交流伺服电动机相 同。鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但线性度差，相位误差大，剩余电压高，一般只用在 精度要求不高的控制系统中。空心杯转子异步测速发电机的精度较高，转子转动惯量也小，性能 稳定，是目前在自动控制系统中广泛应用的一种测速发电机。 44. 如何控制步进电动机输出的角位移或线性位移量？步进电机有哪些优点？（p71) 答：步进电动机不需要变换，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此很适合作为数 字控制系统的伺服元件，改变输入的脉冲数，即能控制步进电动机输出的角位移或线性位移量。 步进电机具有以下一些优点：输出角位移量或线位移量与输入的脉冲数成正比，而转速或线 速度与脉冲的频率成分正比， 在电机的负载能力范围内， 这些关系不受电压的大小、 负载的大小、 环境条件等外界各种因素的影响，因而适用在开环中作执行元件，使控制系统大为简化；步 进电机每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步矩角不会长期积 累；控制性能好，它可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够 快速启动、制动和反转；有些形式的步进电机在停止供电的状态下还有定位转矩，有些形式 在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置 。 45. 简述直流力矩电动机的性能特点。(p18) 答：1、响应迅速，动态特性好。 2、力矩波动小，低速下运行稳定 3、机械特性和调节特性的线性度好 4、电机的连续堵转转矩和峰值堵转转矩大 46. 如何改变开关磁阻电机的转矩方向？改变电机绕组电流的极性能够改变转矩方向吗？ 答案一： d dL iT 2 2 1 e 转矩方向与电流的方向无关，仅取决于电感随转角的变化情况，通过控制 绕组电流导通的时刻电流脉冲的幅度和宽度，就可以控制 SR 电机转矩的方向和大小。不能 答案二：开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩方向与电流方向无关，故可以采 用单极性电流供电，转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比。因此，只有当绕组电感随转 子位置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，如绕组 中仍有电流，则将产生制动转矩。 47. 无刷直流电动机与普通直流电动机相比有何区别？(p148) 答：普通直流电动机起动和调速性能好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动和伺服系统 中，但直流电动机具有电刷和换向器组成的机械换向装置，其间的滑动接触，严重的影响电机的 精度和可靠性，缩短电机寿命，需要经常性的维护，所产生的火花会引起无线电干扰，且电刷换 向器装置又使普通直流电动机结构复杂，工作噪声大。永磁无刷直流电动机是集永磁电动机，微 处理器，功率变换器，检测元件、控制软件和硬件于一体的新型机电一体化产品，它采用功率电 子开关和位置传感器代替电刷和换向器，既保留了普通直流电动机良好的运行性能，又具有交流 电动机结构更简单，维护方便和运行可靠等特点，在航空航天，数控装置，机器人，计算机外设， 汽车电器，电动车辆和家用电器的驱动中获得了越来越广泛的应用。 48. 如图 1 所示为直流伺服电动机的工作原理图，略去电刷接触压降，假设电机转速为 n、电枢 电压为 Ua、励磁磁通为、电枢电流为 Ia，电枢绕组电阻为 Ra，试分析阐述此电机调速原 理，若直流伺服电动机的励磁电压 Uf下降，对电机的机械特性和调节特性会有哪些影响？ 5 n f U c U c I 图 1 直流伺服电动机工作原理图 49. 直流测速发电机带负载工作原理图见图 2，请问直流测速发电机的输出特性在什么条件下是 线性特性？产生误差的原因和改进的方法是什么？(p50-51) G a E c W R L R n f U f I a I 图 2 直流测速发电机带负载工作原理图 原因： 1.电枢反应的影响： （1） 对电磁式直流测速发电机， 在定子磁极上安装补偿绕组 Wc。（2） 在设计电机时，选择较小的线负荷和较大的空气隙。 （3）在使用时，转速不应超过最大线性工 作转速，所以负载电阻不应小于最小负载电阻。 6 2.电刷接触电阻的影响，为了减小电刷接触电压的影响，缩小不灵敏区，在直流测速发电机中， 常常采用导电性能好的黄铜-石墨电刷或含银金属电刷。实际使用时，选用较大的负载电阻和适 当的转子转速。 3.电刷位置的影响生产制造时尽可能将电刷放到几何中性线上。 4.温度的影响：1 设计电机时，磁路比较饱和，使励磁电流的变化所引起磁通的变化较小 2 在励 磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流；对测试精度要求比较高的场 合，可在励磁回路中串联具有负温度系数的热敏电阻并联网络 3 励磁回路由恒流源供电 5.纹波的影响：增加每条支路中串联的元件数，可以减小纹波；电枢采用斜槽结构 50. 图 3 给出了单相串励电动机的电磁关系， 试分析单相串励电动机中有哪几种感应电动势？它 们分别是由什么磁通感应产生的？ 答：旋转电动势 e：电枢旋转切割主磁通d 产生旋转电动势 e 主磁通d 在励磁绕组中产生的变压器电动势 ed 交轴脉冲q 在电枢绕组中感应的变压器电动势 eq U I f I a I dm qm 图 3 单相串励电动机的电磁关系图 51. 如图所示为 8/6 极开关磁阻电机与驱动电路，试阐述其工作原理。(p183) A A B C D B C D Es S1 S2 VD1 VD2 1 2 31 2 3 图 4 8/6 极开关磁阻电机 答：A 和 A极上的绕组构成了 A 相绕组。转子上没有绕组。当 A 相绕组电流控制开关 S1，S2 闭合 时，A 相绕组通电励磁，所产生的刺痛将由励磁相定子极通过气隙进入转子极，在经过转子轭和定子 7 轭形成闭合磁路。当转子极接近定子极时，在磁阻距的作用下，转子将转动并趋向使转子极中心线 1-1与励磁相定子极 A-A相重合。当这一过程接近完成时，适时切断原励磁相电流，并以相同方 式给定子下一相励磁，则将开始第二个完全相似的作用过程。 52. 如图所示为两台直流力矩电动机，假设两台电机电枢体积、电枢电流和气隙磁密均相同，且 电枢直径 D2=2D1，试说明电枢外形尺寸变化对转矩和转速的影响。 D2 l1 D1 S S N N l2 53. 如图（a）所示为霍尔无刷直流测速发电机的原理图，图（b）所示为其接线图，在定子铁心 上放置两个空间位置相差 90 电角度的绕组 WA和 WB， 并在绕组的轴线上放置有霍尔元件 HB 和 HA，试分析此电机的工作原理。(p64-65） 8 WA WB S N 霍尔元 件 HB 霍尔元 件 HA HBHA RA RB WA WB 输出电压 图（a）图（b） 54. 试分析控制式自整角机的工作原理。（p101) R 1 2 a R b R c R a I b I c I T a T b T c T 图 2 控制式自整角机工作原理图 答：发送机的励磁绕组由单相交流电源供电，发送机和自整角变压器的三相整步绕组按顺序对应 相接，自整角变压器输出绕组向外输出电压。 55. 对于如图 3(a)所示的三相三状态无刷直流电动机，试分析利用原位置传感器进行反转控制的 原理，其中图(b)给出了 C 相通电情况下反转时遮光板位置与通电相关系。(p151) A Y C X B Z N S n 1 H 2 H 3 H (a) 无刷直流电动机瞬时转子位置(b) C 相通电 图 3 无刷直流电动机 9 答： 56. 图 4 所示为单相串励电动机原理图，试阐述其工作原理。 N S u 图 4 单相串励电动机 答：将单相串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，当在其端部施加直流电压时，便有直流电流通过 励磁绕组和电枢绕组，励磁电流 If 与电枢电流 Ia