《微特电机及系统》复习题及参考答案.pdf

1 / 9 微特电机及微特电机及系统系统复习题及参考答案复习题及参考答案 题目后面的页码参照微特电机及系统(第二版) 程明 主编 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 航空航天航空航天 、现代军事装备现代军事装备、现现 代工业代工业、信息与电子产品信息与电子产品、现代交通运输现代交通运输、现代农业现代农业 及 日常牛活日常牛活 等方面。P1 2.根据微特电机的用途，可以将其分为 驱动驱动 用和 控制控制 用微特电机两大类。P2 3.伺服电动机也称为执行执行电动机，它将电压信号转变为电机转轴的角速度角速度或角位移角位移输出。P8 4.按转子结构的不同，同步伺服电动机可分为永磁式永磁式、磁阻式磁阻式、磁滞式磁滞式三种。P35 5.自动控制系统对测速发电机的要求主要有精确度高精确度高、灵敏度高灵敏度高、可靠性好可靠性好。P49 6.步进电机的矩角特性是指：步进步进电机的静转矩与转子失调角的关系电机的静转矩与转子失调角的关系 。 )(=fT P77 7.自整角机中的接收机的阻尼装置有两种：电气阻尼电气阻尼和机械阻尼机械阻尼。P108 8.旋转变压器按其在控制系统的不同用途可分为计算用计算用和数据传输用数据传输用旋转变压器两类。P123 9.单相交流串励电动机具有使用方便使用方便、转速高转速高、体积小体积小、质量质量轻和起动轻和起动转矩转矩大大、过载能力强过载能力强 等优点。P175 10.双凸极电机主要包括开关磁阻开关磁阻和双凸极永磁无刷双凸极永磁无刷电机。 11.伺服电动机的功能是 将将输入的电信号输入的电信号转变转变为机械信号为机械信号( (转速转速或转角或转角) )输出。输出。 P3 12.测速发电机的功能是 将将机械转速变为电信号输出机械转速变为电信号输出。P3 13.旋转变压器的功能是 将将机械转角信号变为电压信号输出。机械转角信号变为电压信号输出。P3 14.自整角机的功能是 对对机械信号进行传递、测量和机械信号进行传递、测量和指示指示。 P3 15.步讲电动机的功能是 将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。 P3 16.永磁同步电动机的转矩包括永磁转矩永磁转矩 和 磁阻转矩磁阻转矩 。P36 17.磁阻同步电动机又称为反应式反应式同步电动机，是利用转子上直轴和交轴方向磁阻不等产牛转子上直轴和交轴方向磁阻不等产牛 的磁阻转矩的磁阻转矩 而工作的同步电动机。P37 18.按转子结构分，磁阻式同步电动机可分为凸极式凸极式、分块式分块式、内反应式内反应式和磁各向异性转子磁各向异性转子 式式等。P37 19.测速发电机按输出信号的形式，可分为交流交流测速发电机和直流直流测速发电机两大类。P49 20.同步测速发电机可分为永磁式永磁式、感应子式感应子式、脉冲式脉冲式三种。P55 21.异步测速发电机按其结构可分为鼠笼转子鼠笼转子 和空心杯形转子空心杯形转子两种。P55 22.根据控制用微特电机在自动控制系统的功能，可分为伺服电动机伺服电动机、测速发电机测速发电机、旋转变旋转变 压器压器、自整角机自整角机及步进步进电动机电动机五大类。P3 23.驱动用微特电机的主要任务是能量转能量转换换，控制用微特电机的主要任务是完成完成信号的传递信号的传递 和转换和转换。 P4 24.交流异步伺服电动机有幅值幅值控制控制、相位控制相位控制、幅相控制幅相控制及双相控制双相控制四种控制方法。P28 25.自整角机按其输出量不同可分为力矩式力矩式和控制式控制式自整角机两类。P100 26.直流测速发电机产牛误差的原因主要有电枢反应的影响电枢反应的影响、电刷接触电阻的影响电刷接触电阻的影响、电刷位电刷位 置置的影响的影响、温度的影响温度的影响及纹波的影响纹波的影响。P51 27.步进电动机的种类很多，主要有反应式反应式、永磁式永磁式、混合式混合式三种。P127 28.永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体永磁电动机本体、转子位置转子位置传感器传感器、功率电子开关功率电子开关三部分组 2 / 9 成.P152 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 调速范围宽 机械特性和调节特性为曲线 无“自转现象 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？ P50 答：按励磁方式分，直流测速发电机主要有电励磁电励磁和永磁式永磁式两种。 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， 所以其磁场稳定。其缺点是电源结构复杂，体积大，质量重。 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。 P61-P62 剩 余 电 压 分量种类 原因 固定分量 励磁绕组和输出绕组不正交，磁路不对称，绕组匝间短路， 绕组端部电磁耦合，励磁绕组于输出绕组之间存在分布电容 等。 交变分量 转子电路的不对称。如转子杯材料不均匀，杯壁厚度不一致 等。 减小剩余电压措施： 1)改进制造材料和工艺 2)采用四级电机 3)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。P132-P133 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)采用正弦绕组和短距绕组 3)选择合理的 齿槽配合 4)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 33.简述永磁同步电动机直接起动比较困难的原因。P37 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 3 / 9 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。P39-P40 答：磁滞电动机的工作原理工作原理是：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。 优点优点：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。 缺点缺点：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増大，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 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线性误差、相位误差相位误差及剩余电压剩余电压。 产生误差的原因及减小误差的主要措施： 误差的原因 减小误差的主要措施 气隙磁通 d 的变化 减小励磁绕组漏阻抗或増大转子电阻 减小电机的相对转速 * n 励磁电源的影响 保持电源的幅值、频率稳定，滤除电源 中的高次谐波分量 温度的影响 采用温度补偿措施 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？P77 答：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。 4 )()( 2 max qdr WIZ KT 它与转子齿数)( r Z、控制绕组的磁动势平方、直轴交轴磁导差值)( qd 成正比，同时还 与同时通电相数)(K有关，可以通过増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？P101 答：转子凸极式是定子铁芯上放置三相整步绕组，转子凸极铁芯上放置单相励磁绕组； 4 / 9 定子凸极式是单相励磁绕组放在定子凸极铁芯上，三相整步绕组放在转子铁芯上。两种结构 从工作原理上看是没有区别的，但它们的运行性能不同。前者有两组滑环和电刷，摩擦转矩 较小，精度较高，可靠性也高，但转子重量不易平衡，要引起附加误差，而且即使转子处在 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。后者有三组滑环和电刷，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？P105 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，它将増大比整步转矩约 20%。而自整角变压器不是直接驱动机械 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？P127 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：二次侧补偿和一次侧补偿。 42.微特电机的发展趋势大致有哪几个方面？P6 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：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。而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。 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？P72 5 / 9 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。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，其步距误差不会长期积累；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：响应迅速，动态特性好。 力矩波动小，低速下运行稳定 机械特性和调节特性的线性度好 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？ P205 答：由公式 d dL iTe 2 2 1 可知，开关磁阻电机的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，故可以采用单极性电流供电。通过控制绕组电流导通的时刻、电流脉 冲的幅值和宽度，就可以控制 SR 电机转矩的大小和方向。改变电机绕组电流的极性不能够 改变转矩方向。 47. 无刷直流电动机与普通直流电动机相比有何区别？P152 答：普通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。 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 a U、励磁磁通为、电枢电流为 a I，电枢绕组电阻为 a R，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 f U下降，对电机的机械特性和调节特性会有哪些影 响？P10 6 / 9 答：由公式 e eT a e a T CC R C U n 2 可知，在电磁转矩 不变的情况下，改变电枢电压 a U或励磁磁通，都可 以控制电机的转速。 电机的机械特性是指控制电压保持不变时，电机的 转速随电磁转矩变化的关系。电机的调节特性是指负 载转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。当励磁电压 f U下降时，电机的励磁 磁通也将减小，由式 e eT a e a T CC R C U n 2 可知，电机的机械特性的斜率 2 Te a CC R k 将真 大，所以，当励磁电压 f U下降时，电机的机械特性将变软。调节特性的斜 图 1 直流伺服 电动机工作原理图 率也如此。 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？ P51 答：测速发电机输出电压和转速的关系称为 输出特征性即)(ufUa，当不考虑电枢反应，且 认为、 a R和 1 R都能保持为常数，斜率 L a e R R K C 1 也是常数，输出特性便有线性关系。 产生误差的原因及改进方法： 误差产生的原因 改进方法 电枢反应的影响 对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组 C W。 在设计电机时，选择较小的线负荷和较大的空气隙。 在使用时，转速不应超过最大线性工作转速，所接负载电阻不应小于最小负载 电阻。 电刷接触电阻的 影响 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。 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。 温度的影响 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。 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。 励磁回路由恒流源供电 纹波的影响 増加每条支路中串联的元件数；电枢采用斜槽结构 图 2 直流测速发电机带负载工作原理图 7 / 9 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？P178 答：旋转电动势e：电枢旋转时电枢绕组切割主磁通 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 d E 。 交轴脉冲 q 在电枢绕组中感应的变压器电动势 q E 51. 如图 4 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。P203 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1S,2S闭合时， A相绕组通电励磁，所产生的磁通将由励磁相定子 极通过气隙进入转子极，再经过转子轭和定子轭形 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 11与 励磁相定子极 AA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 5 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 12 2DD ，试说明电枢外形尺寸变化对转矩和转速的影响。 图 5 两台直流力矩电动机 答：在转子体积、电枢电流、电流密度和气隙磁通密度相同的条件下，电枢直径增大一 倍，电磁转矩也增大 1 倍，即电磁转矩基本上与直径成正比。 2 D LNBT e DNlB U n a 1120 0 图 3 单相串励电动机的电磁关系图 图 4 8/6 极开关磁阻电机 8 / 9 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 芯上放置两个空间位置相差 90 电角度的绕组 A W和 B W并在绕组的轴线上放置有霍尔元件 A H 和 B H，试分析此电机的工作原理。P65-P66 答： 转子为两极永磁钢，霍尔元件 A H和 B H的控制电流分别由定子绕组 A W和 B W供给。将 霍尔元件的输出端串联，总的输出电压为两个霍尔元件电动势的代数和。当转子不转时，定 子绕组 A W和 B W中都没有感应电动势， 霍尔元件的控制电流都为零， 所以霍尔电动势也为零。 当转子以w的角速度旋转时，将在定子绕组 A W和 B W中产生感应电动势 HA E和 HB E，若将两个 霍尔元件反向串联，则总的输出电压为KwEEU HBHA 54. 试分析控制式自整角机的工作原理。P109 答：如图 6 所示为控制式自整角机工作原理图，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 7(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。P162 图 7 无刷直流电动机 图 6 控制式自整角机的工作原理图 9 / 9 答：图 7 所示为光电式位置传感器在反转时遮光板位置与通电相的关系。 （b）图中，遮 光板遮住光敏接受元件 H2,而使 H1 选光。这时，如果按原来正转控制电路应该使 A 相通 电，但在反转时，应使 C 相通电；转子反转 120 度后，遮光板遮住 H1,使 H3 透光。