《电机与变压器》课件 第8章 微特电机

第八章微特电机教学目标：1．了解微特电机概况2．掌握单相串励电动机的结构、工作原理及机械特性；3．掌握伺服电动机的分类、结构、工作原理及应用范围；4．掌握测速发电机的分类、结构、工作原理及应用范围；5．掌握自整角角机的结构、分类、工作原理及应用；6．掌握旋转变压器的分类、结构、工作原理及应用；7．掌握电磁调速异步电动机的结构、工作原理及特性；8．掌握电机扩大机的结构、工作原理及特性；9．掌握步进电动机的结构、分类、工作原理及特性；10．掌握微型同步电动机的分类、结构、工作原理及用途。教学重点：1．单相串励电动机的结构、工作原理及机械特性；2．掌握伺服电动机的分类、结构、工作原理及应用范围；3．测速发电机的分类、结构、工作原理及应用范围。教学难点：1．自整角角机的结构、分类、工作原理及应用；2．旋转变压器的分类、结构、工作原理及应用；3．步进电动机的结构、分类、工作原理及特性。学情分析：1．学生具有变压器知识、交、直流电机知识；2．学生具有学习现代高科技知识的兴趣与信心。微特电机概述：

微特电机通常指的是结构、性能、用途或原理与常规电机不同，且体积和输出功率较小的微型电机和特种精密电机。

一般其外径不大于130mm，输出功率从数百毫瓦到数百瓦。微特电机的体积和输出功率已突破这些范围，小到外径仅有0.8mm,轴长1.2mm,重量仅4mg的微型电动机,可以在人的血管中穿行。特种电机的功率已做到10kW,甚至更大。在现代的生产技术，空间技术和电子计算机技术中使用各种各样的微特电机。它们在自动控制系统中，计算装置中分别作为测量和比较元件、放大元件、执行和解算元件。

第八章微特电机第一节微特电机概述第二节单相串励电动机(手电钻)第三节伺服电动机第四节测速发电机第五节自整角机*第六节旋转变压器*第七节电磁调速异步电动机﹡第八节电机扩大机﹡第九节步进电动机第十节微型同步电动机

第一节微特电机概述微特电机概述若按电流分类：------直流和交流两种。直流微特电机------电机扩大机、伺服电动机、测速发电机交流微特电机------自整角机、伺服电动机、测速发电机和步进电动机等。微特电机与一般旋转电机无原则上的差别，特性也大致相同。但由于用途不同，一般旋转电机着重于启动和运行状态时输出机械转矩，而微特电机着重于输出量的大小，特性的精确度和快速反应。微特电机的容量一般从数百毫瓦到数百瓦，在大功率自动控制系统中，容量可达数千瓦。它们基本上可分为控制用微特电机和驱动用微特电机两大类。

一、作为控制用的微特电机1．交直流测速发电机2．自整角机3．旋转变压器

1．交直流测速发电机测速发电机的输出电压精确地与转速成正比，在系统中用来检测转速或进行速度反馈，也可以作为微分、积分的计算元件。

2．自整角机自整角机一般是两个以上元件对接使用，用于角度数据测量中，输出电压信号的属于信号元件，输出转矩的属于功率元件。自整角机的基本用途：是角度数据传输。作为信号元件时：输出电压是两个元件转子角差的正弦函数。作为功率元件时：输出转矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数。即在随动系统中作为自整步元件或实现角度传输、变换和接收。

3．旋转变压器普通旋转变压器：做成一对磁极其输出电压是转子转角的正弦、余弦或其它函数。主要用于坐标变换、三角运算、也可以作为角度数据传输和移相元件使用。多极旋转变压器：是在普通旋转变压器的基础上发展起来的一种多极的、精度可达角秒级的元件。在高精度解算装置和多通道系统中用作解算和检测元件或实现数—模传递。二、作为驱动用的微特电机1．交流和直流伺服电动机2．电机扩大机3．步进电动机4．微型同步电动机5．单相串励电动机（换向器电机）6．电磁调速电动机1．交流和直流伺服电动机交直流伺服电动机在系统中作执行元件，受输入信号控制并能做出快速响应。其启动转矩正比于控制电压，机械特性近于线性，即转速随转矩的增加近似线性下降。使用时，通常经齿轮减速后带动负载，所以又称为执行电动机。

2．电机扩大机电机扩大机可以利用较小的功率输入来控制较大的功率输出，在系统中作为功率放大元件。电机扩大机的控制绕组上所加电压一般不高，励磁电流不大，而输出电动势较高，电流较大。这个作用就是功率放大。放大倍数可达1000～10000倍，可作为自动调节系统中的调节元件用。3．步进电动机步进电动机是一种将脉冲信号转为相应的角位移或线位移的机电元件。当输入一个电脉冲信号时，它就前进一步，输出角位移或线位移量与输入脉冲数成正比，而转速与脉冲频率成正比。在数控机床、加工机械、仪表和办公自动化设备及家用电器等数控系统中作为执行元件而得到广泛应用。如BYJ系列减速永磁式步进电动机，应用于空调器产品中，作为出风导向驱动用的关键部件。4．微型同步电动机微型同步电动机具有转速恒定、结构简单、应用方便的特点。应用在自动控制和其他需要恒定转速的仪器上。

微型同步电动机5．单相串励电动机（换向器电机）

单相串励电动机单相串励电动机是交直流两用的，多数情况下使用交流电源。由于它具有较大的启动转矩和软的机械特性、广泛应用在电动工具中。如手电钻就采用这种电机。6．电磁调速电动机电磁调速电动机是采用电磁转差离合器调速的异步电动机。这种电机可以在较大范围内进行无级平滑调速，是交流无级调速设备中最简单适用的一种。在纺织、印染、造纸等轻工业机械中得到广泛应用。三、微特电机的发展概况

微特电机属于电机制造工业中一个新兴部门，它的历史虽短但发展迅速。其品种繁多用途各异，据不完全统计，竟达3000种以上，是普通电机所不可比拟的。在国外，从20世纪30年代开始，随着工业自动化、科学技术和军事装备的发展而迅速发展起来，其使用领域也日益扩大。美国交流伺服系统到了20世纪40年代以后，逐步形成了自整角机、旋转变压器、交直流伺服电动机、交直流测速发电机等一些基本系列。德国三相混合式步进系统20世纪60年代以后，由于电子技术、航天等科学技术的发展和自动控制系统的不断完善，对控制电机的精度和可靠性提出了更高的要求。控制电机的品种也日益增多。在原有的基础上又系列生产出多极自整角机、多极旋转变压器、感应同步器、无接触自整角机、无接触旋转变压器、永磁式直流力矩电动机、无刷直流伺服电动机、空心杯电枢永磁式直流伺服电动机，印制绕组直流伺服电动机等新机种。步进电机及驱动器

目前在自动化系统中，常用数字计算机进行控制，而它的输出设备中又要将数字信号转换成角位移或线位移，即实现数—模转换。步进电动机的工作特性完全适合这种要求，因此得到较快发展。在数字计算机输入设备中，采用自整角机或旋转变压器进行模—数转换，出现了多相自整角机和多相旋转变压器，以适应这一技术要求。由于新原理、新技术、新材料、新工艺的发展，使电机在很多方面突破了传统的观念，已研制出一些新原理、新结构的电机。片809德国热敏电阻及热保护器如研制成霍尔效应的自整角机及旋转变压器、霍尔无刷直流测速发电机；利用“压电逆效应”研制出压电直线步进电动机，其步距可达到0.01-5μm；利用“介质极化”研制出驻极体电机；利用“磁性体的自旋再排列”研制出光电机；开关磁阻电机，以及在此基础上发展起来的双凸极永磁电机；此外还有电介质电动机、静电电动机、磁致伸缩电机、仿生电机；集成电路电动机等。微特电机的进一步发展，已经不限于一般的电磁理论，而将与其它学科相互结合、相互促进。成为一门多种学科相互渗透的边缘学科。研究微特电机的原理、结构与应用，对21世纪自动化技术、电脑技术的开发与应用将具有光辉的前景。第二节单相串励电动机(手电钻)一、工作原理二、机械特性三、电枢绕组四、励磁绕组单相串励电动机是交直流两用的，由于交流电源易于获得，大多数情况下都使用交流电源，称为交流串励整流子式电动机。片810交流串励整流子式电动机其原理是建立在直流串励电动机的基础上的。在电动工具中广泛应用着。

单相手电钻就采用这种电动机，如图8－1所示。单相手电钻主要由交直流两用串励电动机、减速箱、快速切断自动复位手揿式开关、钻轧头等部分组成。

手电钻电枢及定子一、工作原理

单相串励电动机原理和直流串励电动机一样，原理线路如图8-2(a)所示。励磁绕组和电枢绕组串联，接到直流电源上，根据主磁通Ф的方向和电枢电流Ia的方向，利用左手定则不难判断转子将在电磁转矩作用下，沿逆时针旋转，这就是直流串励电动机。

如果将电源极性反过来，由于是串励，励磁电流和电枢电流同时改变了方向，因此，主磁通和电枢电流方向同时改变，这时转矩方向不变，仍使转子逆时针旋转，这仍然是直流电动机。如图8-2(b)所示。当电源极性周期性变化时，主磁通和电枢电流也随之周期性变化，转矩方向仍不变，所以串励直流电动机也可在交流电源上使用。串励式整流子电动机是交直流两用电动机。如图8-2(c)所示。二、机械特性单相串励电动机的特性机械，不论采用直流电源或交流电源，与普通直流串励电动机特性相似，有大的启动转矩和软的机械特性。其特性曲线如图8-2(d)所示。因为励磁电流的大小与电枢电流相同，主磁通在磁极磁通未饱和时与电枢电流成正比增加(

)，转矩与电枢电流的平方成正比(

)。当负载增大时，转速降低，转矩很快增大。

单相串励电动机的机械特性最适用于电钻等电动工具的要求。钻小孔时，转矩可以小些，但转速可高一些；钻大孔时，转矩要求大一些，但转速可以低一些。

这种电机由于使用交流电源，磁极铁心将受到交变磁通的作用，铁心中将产生涡流损耗和磁滞损耗。为减少这种损耗，铁心采用硅钢片叠成。定子铁心及励磁绕组及电枢

交直流两用串励电动机有较高的转速，而且不受电源频率的限制，但转速也如直流电动机一样是可以调节的，通常采用双向晶闸管控制其导通角进行调节电源电压调速。轻载时，转速可达

20000r／min，实用中转速一般在400～1000r／min。所以电钻的电机维修后，要带减速机构一同试车，以防转子高速“飞车“。

交直流两用串励电动机的缺点是：由于有换向器和电刷，使结构复杂，运行可靠性差，易发生故障，维护检修较难，运行时有火花产生，对广播通讯会产生影响。

三、电枢绕组手电钻用串励电动机的电枢铁心槽数Z通常为7-16不等，一般是两个磁极，电枢绕组采用双层，节距由下式确定，即

Z为双数时一般采用短节距，电枢绕组可采用叠绕式和对绕式，叠绕式单数槽和双数槽绕法完全一样。如槽数Z=7，节距y=(7-1)/2=3，绕法如图8-3所示。首先在第1号槽和第4号槽之间绕第一个元件，再在第2号槽和第5号槽间绕第二个元件，如此下去，最后在第7号槽和第3号槽间绕第七个元件。

Z为单数时

对绕式如图8-4所示。仍以Z=7为例。首先在第1号槽与第4号槽间绕第一个元件，然后在第4号槽和第7号槽之间绕第二个元件，接着在第7号槽和第3号槽之间绕第三个元件，如此下去，最后在第5号槽和第1号槽之间绕第七个元件。

叠绕式绕法简单，但端线长度不一致，转子绕组端部分布不均匀，必须校正动平衡。否则转动时振动严重。由于端线长度不一致，由电刷短路的两条并联支路的电流也不平衡。对绕式可以克服上述缺点，但工艺要求较高。四、励磁绕组

手电钻一般为两极，定子有两个励磁绕组，如图8-5(a)所示。励磁绕组是绕制成型后套在．铁心上的，如图8-5(b)所示。电枢有两条并联支路，励磁绕组同电枢相串联，因而当保持电流密度相同时，励磁绕组导线的截面要比电枢绕组的导线截面大，励磁绕组导线截面一般是电枢绕组导线截面的2倍。

第三节伺服电动机一、交流伺服电动机二、直流伺服电动机

伺服电动机：伺服电动机是应用较广的一种驱动用微电机。它是自动控制系统中的执行元件。它的作用是将电信号(如电压的大小)转换成轴上的角位移或角速度。其最大特点是：①快速响应，有控制信号就旋转，无控制信号就停转。②有较大的调速范围，转速的大小与控制信号成正比。伺服电动机可分为交流和直流两种。小功率的自动控制系统多采用交流伺服电动机，一般功率在30W以下，并且多制成两极；稍大功率的自动控制系统多采用直流伺服电动机。

一、交流伺服电动机1．结构和分类2．工作原理3．控制方式1．结构和分类交流伺服电动机的结构与一般单相电容式异步电动机相似。定子绕组绕制成两相，两相绕组在空间相差90°电角度。一个称为励磁绕组L1，另一个称为控制绕组LK，如图8-6所示。励磁绕组L1与励磁电源联接，控制绕组LK

与控制信号电压相联接。其转子结构有笼型和非磁性杯形两种。笼型转子结构与一般笼型异步电动机转子相同，只是转子导体用高电阻率的黄铜、青铜或铸铝做成。非磁性杯形转子是用高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜制成，形状如茶杯，薄壁，如图8-7所示。有时也将其称为两相伺服电动机。两相伺服电动机输出功率为0.1～100W，其中最常用的是30W以下的伺服电动机。

为了使两相伺服电动机对控制电压的变化快速响应，要求它有尽量小的转动惯量和尽量大的堵转转矩，并能在控制电压消除后，处于单相运行状态下的电机能迅速停转，克服两相伺服电动机“自转”现象。

为了满足上述要求，两相伺服电动机的转子通常有以下两种结构形式。

(1)非磁性空心杯形转子结构这种转子结构如图8-7所示。通常它的外定子铁心是由硅钢片冲制后叠压而成，在铁心的内圆上开有均匀的齿槽，在定子铁心槽中嵌放空间相距90°电角度的两相分布绕组。内定子铁心也是由硅钢片叠压而成，一般不放绕组，仅作为磁路的一部分，作用是减少主磁通磁路的磁阻。在内定子铁心的中心处开有内孔，转轴从内孔中穿过。空心杯转子位于内、外定子铁心之间的气隙中，并靠其杯底与转轴固定，轴随空心杯而转动。当功率不大于1～1.5W时，因外定子铁心内径太小，不易嵌线，两相绕组就不放在外定子上，而是嵌放在内定子铁心的槽中。为使内定子铁心有足够的空间放置绕组，相应要增大其直径，这样又会使转子的直径加大，转动惯量增大。为了克服这一不足，有时将两相绕组分别嵌放在内、外定子铁心上。由于非磁性杯形转子的壁很薄，一般只有0.2～0.8mm，因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量，又因为转子上无齿槽，所以，其运行平稳，噪音小。但是这种结构的电机空气隙较大，励磁电流也较大，约占额定电流的80%～90%，致使电动机的功率因数较低，效率也较低，它的体积和重量都要比同容量的笼型伺服电动机大得多。在同样体积情况下，杯形转子伺服电动机的堵转转矩要比笼型小得多，因此，采用杯形转子虽然能减小其转动惯量，但是它的快速响应性能并不一定优于笼型绕组伺服电动机。因为笼型伺服电动机在低转速时有抖动现象，所以非磁性空心杯转子两相伺服电动机主要用于要求低噪音及低速平稳运行的某些系统中。目前我国生产的这种伺服电动机的型号为ADP系列。(2)高电阻率笼型转子结构这种转子结构如图8-8所示。其结构与普通笼型感应电动机一样，但为了减小转子的转动惯量，将转子做成细而长的形状。转子笼的导条和端环采用高电阻率的导电材料黄铜、青铜等制成，或铸铝制成。由于转子回路电阻增大，其特性曲线变软，如图8-9中曲线2所示。目前我国生产的SL系列两相伺服电动机就采用笼型结构转子这种形式。

2．工作原理

交流伺服电动机的工作原理与单相电容式异步电动机相同。

其原理线路图如图8-10所示。励磁绕组Lr，由励磁电压UL．供电，控制绕组LK由伺服放大器供电。这两绕组分别通过相位差为90°电角度的电流时，产生旋转磁场，旋转磁场使转子转动。3．控制方式对于两相伺服电动机，若在两相对称绕组中外加两相对称电压，便可得到圆形旋转磁场。若两相电压因幅值不同，或者相位差不是90°电角度，所得到的便是椭圆形旋转磁场。两相伺服电动机运行时，控制绕组所加的控制电压UK是变化的。一般说来，得到的是椭圆形旋转磁场，并由此产生电磁转矩而使电机旋转。若改变控制电压的大小或改变它与励磁电压UL之间的相位角，都能使电机气隙中旋转磁场的椭圆度发生变化，从而影响到电磁转矩。当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位差来达到随时改变电机转速的目的。交流伺服电动机的控制方式有以下三种。

(1)幅值控制方式这种控制方式是通过调节控制电压的大小来改变电机的转速。而控制电压UK与励磁电压UL。之间的相位差始终保持90°电角度。当控制电压UK=0时，电机停转，即n=0。其接线原理图如图8-11所示。(2)相位控制方式这种控制方式是通过调节控制电压的相位，即调节控制电压与励磁电压之间的相位角β来改变电机的转速。

控制电压的幅值保持不变。当β=0时，电机停转，即n=0，接线同上，这种控制方式一般很少采用。(3)幅值—相位控制(或称电容控制)方式这种控制方式是将励磁绕组串联电容C以后，接到稳压电源U1上，其接线图如图8-12所示。这时励磁绕组上的电压UL=U1-UC，而控制绕组上仍外加控制电压UK,UK的相位始终与U1相同。当调节控制电压UK幅值来改变电动机转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组的电流IL亦发生变化，致使励磁绕组的电压UL及电容C上的电压UC也随之变化。这就是说，电压UK和UL的大小及它们之间的相位角β也都随之改变。所以这是-种幅值和相位的复合控制方式。

若控制电压UK=0时，电机便停转。这种控制方式实质是利用串联电容器来分相，它不需要复杂的移相装置，所以其设备简单、成本较低，成为最常用的一种控制方式。自动控制系统对伺服电动机的要求是，不允许有自转现象，灵敏度要高，只要有较小的信号就启动，信号消失就立即停转。上述两种结构均能达到要求。笼型转子功率可大些，80～100W不等。空心杯转子转动惯量小，灵敏度高，准确可靠，但功率不大，一般只有几瓦到十几瓦。二、直流伺服电动机1．结构和分类2．工作原理3．控制方式4．运行特性1．结构和分类(1)传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机的结构与普通直流电动机相同。实质上是一种体积和容量都很小的直流电动机。所不同的是伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此，不装换向磁极，并且转子做得细些，使其容易启动和停止。转子与定子间气隙较小。

分为永磁式和电磁式两类。如图

8-13、8-14所示。永磁式的定子磁极是由永久磁铁做成。目前国产SY系列即属此类。电磁式的定子由硅钢片冲制叠压而成，定子冲片如图8-15所示。磁极和磁轭整体相连，电枢绕组和磁极绕组由两个独立电源供电，它实质是一台他励直流电动机。目前国产SZ系列属于此类。电磁式的定子由硅钢片冲制叠压而成(2)低惯量型直流伺服电动机①盘形电枢直流伺服电动机结构如图8-16所示。

它的定子是由永久磁钢和前后磁轭所组成。磁钢可在圆盘的一侧放置，也可以在两侧同时放置。印制电机

电机的气隙位于圆盘的两侧，圆盘上有电枢绕组，绕组可分为印制绕组和绕线式绕组两种形式。

印制绕组是采用制造印制电路板相类似的工艺制成的，它可以是单片双面的，也可以是多片重叠的。

绕线式绕组则是先绕成单个线圈，然后将绕好的全部线圈沿径向圆周排列起来，再用环氧树脂浇注成圆盘形。盘形电枢上电枢绕组中的电流是沿径向流过圆盘表面，并与轴向磁通相互作用而产生转矩。因此，绕组的径向段为绕组有效部分，弯曲段为端接部分。

在这种电机中，也常用电枢绕组有效部分的裸体表面兼作换向器，电刷与它直接接触。②空心杯电枢永磁式直流伺服电动机空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的结构如图8-17所示。它是由一个外定子和一个内定子构成定子磁路。通常外定子是由两个半圆形的永久磁钢所组成，内定子则为圆形的软磁材料制成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路磁阻。但也有内定子由永久磁钢做成，而外定子采用软磁材料制成的结构形式。空心杯上的绕组可采用印制式绕组，也可以先绕制成单个成型线圈，然后将它们沿圆周的轴向排列成空心杯形，再用环氧树脂固化成型。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内外定子之间的空气隙中旋转。电枢绕组接到换向器上，由电刷引入电流。这种型式的电机，目前我国生产的型号为SYK。空心杯转子电机③无槽电枢直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心上不开槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将绕组与电枢铁心固化在一起，成为一个整体。如图8-18所示。定子磁极可以用永久磁钢做成，也可以采用电磁式结构。这种电机的转动惯量和电枢绕组的电感均比前面介绍的两种无铁心转子的伺服电机要大些，因而它的动态性能不如前两种。目前我国生产的这种电机的型号为SWC。

2．工作原理直流电动机的转速，可以改变电枢电压Ua或改变励磁电压UE，进行调节。直流伺服电动机也是根据这个原理制成的。直流伺服电动机，其基本工作原理都是一样的。其实质是一台他励直流电动机，励磁绕组形成的磁场，与永久磁钢形成的磁场性质是一样的，即与电枢绕组没有直接电的联系。在给电枢绕组通人直流电时，电枢绕组中的通电导体在磁场中受到电磁力的作用而产生转矩，转矩的大小与通电电流大小成正比。当励磁电压UL恒定，负载转矩一定时，转速与电枢电压成正比。伺服电动机的转速是受电枢电压控制的，这种特性使其成为自动控制中的执行元件。3．控制方式图8-19是直流伺服电动机的控制原理图。直流伺服电动机的控制方式有两种，一种是电枢控制，一种是磁极控制。把电枢电压作为控制信号即采用改变电枢电压控制转速的方法称为电枢控制，如图8-19(a)所示。把励磁绕组电压作为控制信号即改变励磁绕组电压控制转速的方法称为磁场控制或磁极控制，如图8-19(b)所示。磁场控制只用于功率很小的伺服电动机。

一般直流伺服电动机多采用电枢控制。工作时，则励磁绕组接以恒定励磁电压，电枢与控制信号电压UK相接。有控制电压电枢就转动，转速与控制电压成正比。没有控制电压，电枢就停转，控制电压反向时，电枢就反转。

永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极励磁，控制也只有电枢控制方式。4．运行特性电枢控制式直流伺服电动机原理图如图8-20所示。将条件理想化：假设直流伺服电动机的磁路是不饱和的，电枢反应的去磁作用忽略不计，其电刷又位于几何中心线，电机的每相气隙磁通Φ保持恒定。直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方程式为Ua

＝Ea+IaRa

(8—1)

式中Ra—电动机电枢回路总电阻(包括电刷接触电阻)当磁通恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，即有

(8—2)

依据直流电动机电磁转矩与各量关系得

将(8-1)式，(8-2)式，(8-3)式联立解之：直流伺服电动机的机械特性方程

由转速公式便可得到直流伺服电动机的机械特性和调节特性。(8—3)

(8—4)(8-2)直流电动机电磁转矩与各量关系得叫作电动机理想空载转速，它相当于无损耗时的空载转速，即T为0时的转速。用n0表示Ua/Ce，用α表示Ra/CeCtФ2(1)机械特性机械特性是指控制电压恒定时，电机的转速随转矩变化的关系，即Ua＝常数时，转速n与转矩T间的关系，即n＝f(T)。由转速公式可画出直流伺服电动机的机械特性。将(8-4)式进行简化，式Ua/CeФ则上式可以写成

n＝n0-α•T

据此可以画出机械特性曲线如图8-21所示。机械特性曲线与横轴交点为电机堵转时(n＝0)时的转矩，称为电动机的堵转转矩Td。它表示了直流伺服电动机的最大转矩。特性曲线的斜率表示伺服电动机机械特性的硬度。斜率大，硬度软。如果控制电压Ua发生变化，机械特性曲线将平行移动，如图8-22所示。但是它的斜率保持不变，所以，电枢控制式直流伺服电动机的机械特性曲线是一组平行的直线族。

(2)调节特性调节特性是指电磁转矩恒定时，电机的转速随控制电压变化的关系，即T＝常数时，n＝f(Ua

)。由(8-4)式便可画出直流伺服电动机的调节特性曲线，如图8-23所示。它们也是一组平行的直线。这些调节特性曲线与横轴的交点，就表示在某一电磁转矩(略去电动机的空载损耗时的负载转矩)时的始动电压。

若转矩一定时，电机的控制电压大于相应的始动电压，电动机便能启动并能达到一定转速；

反之控制电压小于相应的始动电压，则这时电动机所能产生的最大电磁转矩仍小于所需要的转矩值，伺服电动机不能启动。

所以，在调节特性曲线上，从坐标原点到始动电压点的这一段横坐标所示的范围，称为在某一电磁转矩时伺服电动机的失灵区。显然，失灵区的大小与电磁转矩的大小成正比。电枢控制式直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是一组平行的直线。这是直流伺服电动机的突出的优点，也是交流伺服电动机所不及的。实际的直流伺服电动机的特性曲线是一组接近直线的曲线族。直流伺服电动机的优点是:机械性能是线性的，调速范围宽广而平滑，利用电枢控制方式可有直线性的调速特性，启动转矩大，无自转现象，反应也相当灵敏。与同容量的交流伺服电动机相比较，体积和重量可减少到1／2～1／4。直流伺服电动机的缺点是:有换向器和电刷的滑动接触，常因接触不良而影响运行的稳定性，电刷火花会产生干扰。

第四节测速发电机一、交流测速发电机二、直流测速发电机测速发电机：测速发电机就是测量转速的信号元件，它能把转速变为相应的电压信号，在应用中，要求它的输出电压必须精确地与其转速成正比。测速发电机在自动控制系统和计算装置中，通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件。测速发电机可分为两大类：一类是交流测速发电机；一类是直流测速发电机。近年来，已出现采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。

一、交流测速发电机

交流测速发电机分为同步和异步两类。

(1)同步测速发电机可再分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。①永磁式交流测速发电机其实质上是一台单相永磁转子同步发电机，定子绕组感应的和频率和交变电动势大小都随输入信号(转速)大小而变化。即

（8—6）

永磁式交流测速发电机，感应电动势的频率随转速而变化，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化。因此，这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系。尽管其结果简单，又没有滑动接触，但不适用于自动控制系统，通常只是作为指示用转速计。（8—7）②感应子式测速发电机它是利用定子、转子齿槽位置相对变化而使输出绕组中的磁通发生变化，从而感应出电动势，这就是感应子测速发电机的原理。其结构图如图8-24所示。定、转子铁心均由高硅钢片冲压成型再叠压而成。定子内圆上有大槽和小槽，大槽与小槽之间放置励磁绕组，如图中A、B所示。在12个定子齿上分别放置输出绕组，并将输出绕组联接成三相对称绕组。转子外圆周上为24个均匀齿槽。

当励磁绕组通人直流电流时，使定子铁心磁化为N、S相间的四极磁场。转子不动时，定子齿中的磁通不随时间变化，定子输出绕组中没有感应电动势。

转子转动后，定、转子齿的相对位置发生周期性变化，则使定子齿中的磁通也发生周期性变化，输出绕组中便产生交变电动势。从其结构可以看出，每当转子转过一个齿，输出绕组的感应电动势就变化一个周期，故输出电动势的频率为式中Z—转子的齿轮；

n—电机转速；f—频率。由(8-8)式可知，其感应电动势的频率和转子的转速之间有着严格的关系，所以它属于同步电机。其感应电动势的大小和转速成正比，可以作为测速发电机使用。

(8—8)

但其电动势的频率随转速而变化，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速而变化。如同永磁式交流测速发电机一样，也不宜在自动控制系统中用作交流测速发电机。

通常采用二极管对这种测速发电机的三相输出电流进行桥式整流后，取其直流输出电压作为速度信号而用于自动控制系统。

这种电机因为转子齿数较多，所以输出电压的频率甚高，再经过三相桥式整流，使直流输出电压中的波纹频率很高，再配以适当的滤波措施后，其直流输出电压相当平稳。

这样，将感应子式测速发电机和整流滤波电路结合后，可作为一台性能良好的直流测速发电机使用。但这种测速发电机的直流输出电压极性是由整流电路所决定的，与电机转子的转向无关，实际使用中的缺点是不能测旋转方向。

③脉冲式测速发电机脉冲式测速发电机与感应子式测速发电机基本原理相同。它是以脉冲频率作为输出信号的。这种发电机因输出电压的频率与转子转速保持严格的正比关系，所以也属于同步电机类型。其特点是输出信号的频率相当高，即使在较低的转速下，也能输出较多的脉冲数。因此，以脉冲个数表示的速度分辨率就比较高，它适用于速度较低的调节系统。(2)异步测速发电机有笼型转子和杯形转子两种。①异步测速发电机的结构目前使用最广泛的一种是杯形转子异步测速发电机。这种发电机的基本结构如图8-25所示。其结构与杯形转子的交流异步伺服电动机相似。测速发电机的杯形转子也是用高电阻率材料制成的(如磷青铜，硅锰青铜或锡锌青铜)。杯的壁厚为0.2～0.3mm。杯形转子可在内外两定子间旋转。定子用导磁材料做成，定子上嵌有在空间相差90°电角度的两组绕组。一组为励磁绕组，另一组为输出绕组。

对机座外壳直径小于28mm的电机，两绕组均放在内定子上。外定子是一个无槽的铁心。对机座的外壳须等于或大于36mm的电机，常把励磁绕组放在外定子上，把输出绕组放在内定子上。在内定子上装有转动调节装置，可调节内、外定子的相对位置，以使剩余电压为最小。目前，我国生产的这种测速发电机，其型号为CK。还有S-C系列交流伺服—交流测速发动机组。②工作原理图8-26是杯形转子异步测速发电机工作原理图。励磁绕组LE和输出绕组LY安放在定子上。当转子静止时，励磁绕组通人单相交流电，产生一个轴线与LY所在平面重合的脉动磁通ΦE，见图8-26(a)。脉动磁通ΦE在转子中引起感应电动势和电流(电磁感应原理)，转子电流产生磁通ΦN，ΦN的轴线与ΦE的轴线重合。ΦE、ΦN两个磁场的轴线都在绕组LY的平面内，没有磁通穿过绕组LY，所以LY不产生感应电动势，没有电压输出。异步测速发电机感应电动势：

当转子被测量对象拖转之后，转子与脉动磁场ΦE有相对运动，转子切割ΦE而产生感应电流，转子的感应电流产生磁通ΦN，这时的ΦN轴线不再与ΦE的轴线相重合，而是互相垂直，如图8-26(b)所示。这时ΦN垂直穿过输出绕组LY，因此LY有感应电动势产生，也就有信号电压输出。输出电压的大小与转速n基本成正比。其感应电动势的大小为式中Ce—电机常数；

ΦN—转子电流产生磁通的幅值；

n—转子的转速。(8—9)异步测速发电机输出特性曲线：如输出端接有负载Z，用电压表测出负载电压就可以知道相应的转速值。负载Z的性质变化(如容性、阻性、感性)将引起测量误差，实际中选用适当的阻容性负载可以使输出电压与转速保持线性关系。转子反转时，输出电压的相位也相反，反映输出电压与转速n之间关系的曲线称为输出特性曲线，如图8-27所示。这就是异步测速发电机的基本工作原理。输出电动势E与正比于转子的速n：当电机的励磁绕组外施恒频恒压的交流电源Uf时，便有电流If通过励磁绕组，产生以电源频率f变化的脉振磁通。当转子转动后，转子切割此脉振磁通，在转子杯中产生同频率的脉振电动势与电流，于是输出绕组也产生同频率的脉振电动势和脉振电流。异步测速发电机的输出电动势E的频率即为励磁电源的频率f，而与转子转速的大小无关，但输出电动势E的大小却正比于转子的转速n。异步测速发电机克服了同步测速发电机的缺点，使负载阻抗Z不会因转子转速的变化而发生变化。因此，空心杯转子异步测速发电机在自动控制系统中得到了广泛的应用。二、直流测速发电机1．分类和结构2．工作原理3．直流测速发电机的运行特性2．工作原理直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同。转子上有电枢绕组和换向器，用电刷与测量仪表相联。转子被所要测量的机械拖动。电枢中产生电动势的大小与转速成正比。从电动势的大小就可知转速。如图8-28所示。电枢绕组在恒定磁场中旋转，切割磁通，并产生感应电动势。由两电刷引出的电枢感应电动势为

空载时，电枢电流Ia=0，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，由(8-10)式可知，输出电压与转速成正比。(8—10)负载时，电枢电流，直流测发发电机的输出电压为式中Ra—电枢回路总电阻。负载时，电枢电流

式中Rf—测速发电机的负载电阻。将(8-12)式代入(8-11)式可得则测速发电机的输出电压

又因为

得当Ra、Φ、Ce及负载电阻Rf均为常数时，则比值用C表示，C为测速发电机输出特性的斜率。（8—12）(8—11)(8—13)(8—14)固定。直流测速发电机输出特性

由此可知，直流测速发电机输出特性仍是一组直线，如图8-29所示。从(8-14)式和图中可以看出，对于不同的负载电阻Rf，测速发电机的输出特性的斜率与就不相同，它将随负载电阻Rf的减小而减小。：3．直流测速发电机的运行特性实际上直流测速发电机的输出电压与转速之间并不是保持严格的正比关系。其输出特性如图8-29中虚线所示。产生这种非线性误差原因有三：(1)电枢反应直流测速发电机的电枢与普通直流发电机一样；当其有负载时，具有电枢反应的去磁作用，电机的气隙磁通不再是常数，它将随负载的大小(电枢电流Ia的大小)而改变。实际上气隙合成磁通是减少的，因而使输出电压呈下降趋势。

为了改善输出特性，必须减少或削弱电枢反应的去磁作用，尽量使电机的气隙磁通保持不变。通常采取以下三条措施：第一、对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组；第二，在设计时，选取较小的线负荷，并适当加大电机的气隙；第三，使用时，负载电阻不应小于规定值，使电枢电流不致过大。(2)电刷接触压降由于电刷接触电阻的非线性，当电机转速较低，电枢电流也较小时，电刷接触电阻较大，这时，测速发电机的输出电压变小。只有当电机转速较高，电枢电流较大时，电刷接触压降才可以认为是常数。考虑到电刷接触压降的影响，直流测速发电机的输出特性曲线如图8-30所示。在转速较低时，电机的输出特性曲线初始端出现一曲线区域，在这一转速范围内，测速发电机虽然有输入信号(转速)，但输出电压甚低，不成正比例，将此区域称为不灵敏区。由于电枢反应和电刷接触压降对直流测速发电机输出电压的影响，它在低速时，存在着不灵敏区，在转速较高时，又向下弯曲。转速不应超过产品的最大线性工作转速。

为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，采用接触压降小的铜―石墨电刷、铜电刷，或在电刷与换向器接触的表面上镀有银层。

(3)温度的影响在电磁式直流测速发电机中，因励磁绕组中长期通过电流而发热，绕组阻值随之增大，致使励磁电流减小，由此而引起电机气隙磁通Ф下降，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减小。经计算表明，铜绕组温度每升高25℃，其电阻值相应增大10%。为了减小温度对励磁电流的影响，实际使用时可在直流测速发电机励磁绕组回路中串联一个较大电阻值的，且温度系数低的附加电阻。可用康铜或锰铜材料绕制而成。这样，当励磁绕组温度升高时，它的电阻值虽然有所增加，但励磁回路总阻值却变化很小，励磁电流几乎不变。缺点是，采用附加电阻，相应励磁电源的电压升高，励磁功率随之增大。转速值的读出与测量的准确性：当负载电流小时，内部电压降也小，电枢反应也小，输出端电压与电动势基本相等。输出端电压与转速成正比，可将转速值直接刻在电压表上读出。如果通过仪表的电流过大，即发电机的负载电流大，则内电压降增大，电枢反应也增大，这时电压与转速不能严格地成正比，测量将产生误差。所以测量仪表必须是高阻抗的，使电流尽量减小，保证测量的准确性。直流测速发电机主要缺点是电刷与换向器的接触问题。往往因为接触不良而影响测量的准确度。优点是灵敏度高，比交流测速发电机高约20倍，没有相位误差；正负极能够反映出转动方向。因此，直流测速发电机多在要求较高的测速系统中采用。*第五节自整角机一、自整角机的分类和结构二、自整角机的工作原理及应用自整角机概述：

自整角机是一种感应式电机元件。

是一种对角位移或角速度的偏差能自动整步的控制电机。

它被广泛应用于随动系统中，作为角度的传输、变换和指示。

自整角机的作用是通过两台或多台电机在电路上的联系，使机械上互不相联的两根或多根转轴能够自动地保持同步转动。

在自动控制系统中，主令轴上装的自整角机称为发送机，产生信号。

从动轴上装的自整角机称为接收机，接受信号。一、自整角机的分类和结构1．自整角机的分类2．自整角机的结构产品名称新代号老代号产品名称新代号控制式自整角发送机ZKFKF,ZK控制无接触自整角变压器ZBW控制式差动发送机ZKCKCF,ZD力矩式无接触自整角发送机ZFW控制式自整角变压器ZKBKB,ZB力矩式无接触自整角接收机ZJW力矩式自整角发送机ZLFLF,ZF多极自整角发送机ZFD力矩式差动发送机ZCFLCF,ZC多极自整角变压器ZBD力矩式自整角接收机ZLJLJ,ZJ双通道自整角发送机ZFS控制力矩式自整角机ZKLLK双通道自整角变压器ZBS控制无接触自整角发送机ZKW力矩式自整角接收机ZCJ1．自整角机的分类自整角机按其使用的要求：可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。表8—1自整角机的种类及其代号(1)力矩式自整角机力矩式自整角机主要用于指示系统中。这类自整角机的特点是：本身不能放大力矩，要带动接收机轴上的机械负载，必须由自整角发送机一方的驱动装置供给转矩。力矩式自整角机只适用于：接收机轴上负载很轻(如指针、刻度盘)，角度转换精度要求不很高的控制系统中，如远距离指示液面的高度、阀门的开度、电梯和矿井提升机的位置、变压器的分接开关的位置等。力矩式自整角机按其用途可分为四种。①力矩式发送机

它主要与力矩式接收机和力矩式差动接收机一起工作。其作用是将转子转角的变化转变为电信号输出。目前我国生产的力矩式自整角发送机其型号为ZLF。②力矩式接收机

它主要与力矩式发送机和力矩式差动发送机一起工作。其作用是将发送机的电信号接收后，使其转子自动地转到对应于发送机转子的位置，或使转子转动的角度对应于发送机转子和差动发送机转子转角变化的和(或差)。目前，我国生产的力矩式自整角接收机其型号为ZLJ。③力矩式差动发送机

它串接于力矩式发送机与接收机之间，将发送机的转子转角及其自身转子转角之和(或差)变换成电信号，传输给接收机。目前，我国生产的力矩式差动自整角发送机其型号为ZCF。④力矩式差动接收机

它串接于两台力矩式发送机之间，接收它们输出的电信号，使其转子转角为两台发送机转子转角之和(或差)。目前，我国生产的力矩式差动自整角接收机型号为ZCJ。(2)控制式自整角机控制式自整角机主要应用于：由自整角机和伺服机构组成的随动系统中。这类自整角机的特点是：其接收机转轴不直接带动负载，即没有力矩输出。而当发送机和接收机转子之间存在角位差(即失调角)时，在接收机上将有与此失调角呈正弦函数关系的电压输出。此电压经放大器放大后再加到伺服电动机的控制绕组中，使伺服电动机转动，从而使失调角减小，直到失调角为零，使接收机上的输出电压为0，伺服电动机立即停转。控制式自整角机其驱动负载能力取决于系统中的伺服电动机的容量，与自整角机无关。控制式自整角机组成的是闭环系统，因此精度较高。控制式自整角机按其用途可分为三种。①控制式自整角发送机它主要用来与控制式自整角接收机或控制式差动发送机一起工作。其作用是将转子转角的变化转变为电信号输出。目前，我国生产的控制式自整角发送机其型号为

ZKF。②控制式自整角接收机

它主要用来与控制式发送机及控制式差动发送机一起工作。其作用是接收从控制式发送机或控制式差动发送机送来的电信号，使之变成与失调角呈正弦函数关系的输出电压。目前，我国生产的控制式自整角接收机其型号为ZKB。③控制式差动发送机

它串接于控制式发送机与控制式自整角接收机之间，将发送机转子转角及其自身转子转角之和(或差)变换成电信号，送入自整角接收机。目前，我国生产的控制式差动自整角发送机其型号为ZKC。2．自整角机的结构自整角机按结构形式不同：可分为无接触式和接触式两大类。

(1)无接触式无接触式没有电刷与滑环间的滑动接触，具有可靠性高、寿命长、不产生无线电干扰等优点。其缺点是结构复杂、电气性能较差。

(2)接触式接触式自整角机的结构比较简单，性能较好，使用较为广泛。我国自行设计的自整角机系列均为接触式自整角机，并为封闭式，单轴伸。该系列共有12，20，28，36，45，55，70，90，110，130十个机座号。除12号机座外径为12.5mm外，其余各机座号均以外径尺寸(mm)表示。20号机座以下电机采用“一刀通”结构，如图8-31所示，即定子铁心内圆与轴承孔为同一尺寸。

20号以上的电机采用装配式结构，如图8-32所示。

(1)力矩式自整角机的结构力矩式自整角发送机和接收机大都采用两极的凸极式结构，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。如图8-33所示。力矩式自整角机的定子、转子铁心均由高磁导率、低损耗的薄硅钢片冲制后，经涂漆、涂胶，叠装而成。其单相绕组作为励磁绕组，做成集中绕组的形式，直接套在凸极铁心上。工作时，接入单相交流电源励磁。三相绕组称为整步绕组。将其做成分布绕组的形式并接成星形，放置在铁心的槽内。力矩式自整角机可以在定子铁心上放置三相整步绕组，转子凸极铁心上放置单相励磁绕组，并由两组滑环和电刷引出。如图8-33(a)所示。我国现在生产的ZLF、ZLJ系列力矩式发送机、接收机大都采用这种结构。

这种结构形式优点是：转子重量轻、转动惯量小、滑环数少、摩擦力矩小、精度较高、可靠性也较高。这种结构的缺点是：电刷、滑环通过励磁电流，特别是停转时，容易造成电刷和滑环固定接触处长期有电流流过，导致发热，使滑环损坏。所以这种结构适用于较小容量的指示式远距离角度传输系统中。

同样，也可将单相励磁绕组放置在定子凸极铁心上，三相整步绕组放置在转子隐极铁心上，并由三组滑环和电刷引出。如图8-33(b)所示。我国生产的DI、SS系列自整角机(老产品)中的力矩式发送机、接收机都采用这种结构。这种结构形式，转子的滑环与电刷仅当系统中存在失调角时，即自整角机转子处于转动状态时才有电流通过，滑环的工作条件较好。此外，转子采用隐极铁心，上面放置三相整步绕组，其平衡状态好。这种结构的缺点是转子重量大，滑环数目增为三组，摩擦力矩大，因而影响精度。这种构造适用于容量较大的力矩式自整角机中。

/

力矩式自整角机的全隐极式结构，如图8-33(c)所示。通常将三相整步绕组放置在定子铁心上，而将励磁绕组放置在转子铁心上，并由两组电刷、滑环引出。为了提高整步转矩，力矩式自整角机在转子上通常装设交轴阻尼绕组。对接收机来说，阻尼绕组还可以消除转子的振荡、减少阻尼时间。(2)控制式自整角机的结构控制式自整角机分为发送机和接收机两大类。其接收机与力矩式接收机不同，它不直接驱动机械负载，而只是输出电压信号，其工作情况如同变压器，通常称其为自整角变压器。①控制式自整角发送机

控制式自整角发送机的结构形式和力矩式自整角发送机很相近，可以采用凸极式转子结构，也可以采用隐极式转子结构。在转子上放置单相励磁绕组。但励磁绕组的匝数较多。控制式自整角发送机比力矩式发送机有较高的空载输入阻抗，因此，控制式发送机绕组的阻抗较大，当有较大电流通过时，绕组容易发热，而使发送机温度升高。②控制式自整角变压器

自整角变压器采用隐极式转子结构，并在转子上装设单相高精度的正弦绕组作为输出绕组。自整角变压器的定子铁心上，同样放置三相整步绕组。因三相整步绕组匝数较多，选取的磁感应强度又较低，所以它具有较高的空载输入阻抗。自整角变压器工作时，输出绕组必须接有高阻抗负载，以避免输出绕组的电枢反应磁动势引起输出电动势的变化。二、自整角机的工作原理及应用1．力矩式自整角机的工作原理及应用2．控制式自整角机的原理及应用1．力矩式自整角机的工作原理及应用图8-34所示的是力矩式自整角机系统的工作原理图。它是两台完全相同的力矩式自整角机的接线图。右方一台为接收机，左方一台为发送机。它们转子上的单相励磁绕组接到同一单相电源上。定子上的三相整步绕组出线端按序依次联接。

当发送机转子逆时针转过Θ2则失调角Θ不为零，在自整角机中出现整步力矩，力图使失调角机的转子与主令轴刚性联接，不能任意转动，所以，整步力矩迫使接收机转过Θ2角，则失调角趋于零。在主令轴与从动轴之间，犹如有一根无形的轴，使从动轴跟着主令轴旋转，保持角时，而接收机的转子尚未转动(

=0)，整角机一旦出现失调角，便有自整步的能力。自整角机的工作原理：在自整角机中，通常以U相整步绕组和励磁绕组两轴线间的夹角作为转子的位置角。这时发送机转子的位置角为Θ1，接收机转子的位置角为Θ2，则失调角为Θ=Θ1-Θ2=0，即保持同步。力矩式自趋于发送自整步能力的物理过程：

简要说明这种自整步能力的物理过程，假定自整角机磁路不饱和。

由于发送机和接收机的励磁绕组接在同一单相脉振电源上励磁，它们各自产生脉振磁动势。若发送机的主令轴带动发送机转子旋转时，便在三相整步绕组中产生感应电动势。

此三相感应电动势与接收机的三相整步绕组对应接通，在接收机的三相绕组中便产生一个旋转磁场，这一磁场与转子绕组磁场互相作用，使接收机转子旋转。转子旋转时，在整步绕组中也产生感应电动势，其感应电动势的大小、方向与发送机的相反，起到反电动势的作用。若不相等，则出现环流，有环流，接收机的转子就旋转，到无环流为止。这时接收机的位置角与发送机的位置角相等，失调角为零，从而实现了角度的传输。

究其实质，发送机为以单相电源为励磁的同步发电机，发出与单相电源相适应的三相电动势供给接收机，接收机是以单相电源为励磁的，以发送机三相电动势为电源的同步电动机。因此两电机保持同步运转，完成了角度传输的任务。自整角机的电磁关系如图8—35(a)(b)所示。

力矩式自整角机主要用于角度传输的指示系统：

作为位置指示器，如图8-35（c）所示，表示液面位置指示器，浮子随着液面的上升或下降，通过绳索带动自整角发送机转子转动，将液面位置转换成发送机转子的转角。自整角发送机和接收机之间再通过导线远距离联接起来，于是自整角接收机的转子就带动指针准确地随着发送机转子的转角变化而偏转，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。由力矩式自整角发送机和接收机组成的随动系统：若将接收机安装在执行机构的控制系统中，而发送机可装设在远距离的操纵盘上，作为调节执行机构进行远距离操作。2．控制式自整角机的原理及应用控制式自整角机的接线图如图8-36所示。发送机转子以单相交流电源励磁，定子上三相同步绕组分别与接收机的三相同步绕组对应联接，而接收机转子单相绕组---即输出绕组通常接至放大器的输入端，放大器的输出端再接到交流伺服电动机的控制绕组(或直流伺服电动机的电枢绕组)。

当发送机转子与单相励磁电源接通时，产生脉振磁场，按变压器原理，定子三相对称绕组都将产生感应电动势，这三相电动势频率相同，相位相同，但由于与转子绕组耦合的位置不同，三相电动势的幅值不同。三相电动势分别产生三相电流流经发送机和接收机的定子三相绕组。

在接收机定子三相绕组中产生三相脉振磁动势，并合成一个脉振磁动势。此时接收机转子磁场轴线基准位置与定子同步绕组合成的脉振磁动势的轴线成90°电角度。因此，合成的脉振磁动势不会使转子绕组产生感应电动势，即转子绕组输出电压为零。

当发送机转子被主令轴驱动而转了一个角度时，转子的脉振磁动势的方向发生了变化。在发送机三相绕组中的感应电动势也发生了变化，使接收机定子三相绕组中的合成磁动势方向也发生了变化。

使接收机转子绕组中有电流流过，转子绕组产生了感应电动势。由于产生了感应电动势，有了输出电压，通过放大装置，使伺服电动机转动，使转子失调角减小。达到接收机无输出电压，达到与发送机的位置协调，称为协调位置。

接收机的输出绕组有输出电压时，称为失调状态。处于失调状态时，伺服电动机便动作，使之达到协调位置，保持与发送机同步动作。

控制式自整角机在自动跟踪系统中应用的一个例子，如图8-37所示。它将接收机输出绕组的输出电压经放大器3放大后，加到两相可调伺服电动机4的控制绕组C上，使伺服电动机转动，通过减速器5使接收机及调节对象6一起转动，直至使失调角为零，输出电压为零，伺服电动机停转，系统达到新的平衡位置。从动轴就能自动跟踪主令轴偏转或旋转(火炮自动跟踪系统就是采用控制式自整角变压器的同步系统应用的一例)。采用控制式自整角变压器的同步系统：其优点在于：输出电压可通过放大器得到功率放大，从而控制功率较大的伺服电动机来拖动阻力矩相当大的从动轴或调节对象，它广泛地应用于遥测、遥控系统中。它的缺点是：增加放大和伺服环节，使整个系统复杂化。*第六节旋转变压器一、旋转变压器的分类及结构特点二、正余弦旋转变压器的工作原理三、线性旋转变压器旋转变压器概述：旋转变压器是自动控制系统中的一种精密控制微电机。当在旋转变压器一次侧外施单相交流电压励磁时，其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中，它可以作为解算元件，用于坐标变换，三角运算，实现加、减、乘、除、乘方和开方等数学运算；在随动系统中，它可代替控制式自整角机，作为信号元件传输与机械角度有关的电信号；在数—码变换装置中，它可以作为电感移相器来使用。一、旋转变压器的分类及结构特点1．旋转变压器的分类2．旋转变压器的结构特点1．旋转变压器的分类若按有无电刷和滑环的滑动接触来分：可分为接触式和无接触式两种。在无接触式中可再分为：有限转角和无限转角两种。通常在无特别说明时，均指接触式旋转变压器。若按电机的磁极对数多少来分：可分为单极对和多极对两种。通常在无特别说明时，均指单极对旋转变压器。在高精度双通道系统中则采用电气变速的双通道旋转变压器。若按它的使用要求来分：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。通常以此分类居多。(1)用于解算装置中的旋转变压器可分为以下四种基本形式：①正余弦旋转变压器当它的一次侧外施单相交流电源励磁时，其二次侧的两个输出电压分别与转子转角呈正弦和余弦函数关系。我国现在生产的有XZ系列。②线性旋转变压器

它是在一定的工作转角范围内，其输出电压与转子转角(通常单位为弧度rad)呈线性函数关系的一种旋转变压器。我国现在生产的有XX系列。③比例式旋转变压器

它除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置外，其它都与正余弦旋转变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件。我国现在生产的有XL系列。④特殊函数旋转变压器

它是在一定转角范围内，输出电压与转子转角呈某一给定的函数关系(如正割函数、倒数函数、弹道函数、圆函数及对数函数等)的一种旋转变压器。它的工作原理和结构与正余弦旋转变压器基本相同。

2．旋转变压器的结构特点

旋转变压器的结构类似于普通绕线型感应电动机。为了获得良好的电气对称性，以提高旋转变压器的精度，它们都设计成两极隐极式的四绕组旋转变压器。图8-38所示的是正余弦旋转变压器结构图。

图8-39所示为旋转变压器的接线原理图。旋转变压器的定子、转子铁心都是采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高硅钢片经冲制、绝缘，叠装而成。为使旋转变压器的导磁性能沿气隙圆周各处均匀一致，在定、转子铁心叠片时，采用每片错过一齿槽的旋转叠片法。在定子铁心的内圆周上和转子铁心的外圆周上都冲有均匀齿槽，里面各放置两套空间轴线互相垂直的绕组。其绕组通常采用高精度的正弦分布绕组。转子上的两套绕组分别通过滑环和电刷装置引出与外电路接通。

我国现在生产的XZ、XX、XL系列的旋转变压器均为接触式结构。它们和自整角机一样，也为封闭式。可以防止因机械撞击和环境恶劣所造成的接触不良而影响电机性能。小机座号的旋转变压器，通常设计成“一刀通”结构(见图8-31)。保证了电机的同心度，有利于电机精度的提高。机壳的材料在12号，20号小机座号的旋转变压器中通常采用不锈钢；

36，45，55号等较大机座号的旋转变压器中采用铸铝机座；而28号机座中则两者都有采用。

无接触式旋转变压器：

有一种是将转子绕组引出线做成弹簧卷带状，这种转子只能在一定转角范围内转动，称为有限转角的无接触式旋转变压器；

另一种是将两套绕组中的一套自行短接，而另一套通过环形变压器从定子边引出。这种无接触式旋转变压器的转子转角不受限制，因此，称其为无限转角的无接触式旋转变压器。

无接触式旋转变压器，由于没有电刷和滑环间的滑动接触，所以工作时更为可靠。二、正余弦旋转变压器的工作原理1.转子绕组开路――空载运行2．转子绕组接通负载---负载运行1.转子绕组开路――空载运行正余弦旋转变压器的两极结构：定子上放置两套完全相同的正弦分布绕组，它们的空间位置相差90°电角度。其中一套绕组为励磁绕组，另一套绕组为补偿绕组，在一般情况下，它们的匝数及绕组系数都相同，统称为定子绕组。在转子上也放置两套完全相同，空间位置相差90°电角度的绕组。其中一套绕组的输出电压与转子转角α成正弦函数关系，另一套绕组的输出电压与转子转角α成余弦函数关系，故称为正余弦旋转变压器。

若忽略漏磁通，则Ed=Ud，当交流励磁电压恒定时，直轴磁通的幅值Φd恒定。由于采用了正弦绕组，直轴磁场在空间成正弦分布。如图8-40(a)所示。转子上有两套绕组A和B，在定子励磁绕组形成的直轴磁场中，此时直轴磁通Φd与转子的正弦输出绕组B垂直交链，与余弦输出绕组A不交链。只在正弦输出绕组中产生感应电动势EB。与普通双绕组变压器比较，其励磁绕组L相当于变压器的一次绕组，正弦输出绕组B相当于变压器的二次绕组。而区别仅在于正弦输出绕组B所交链磁通的多少取决于它和励磁绕组之间的相对位置。

Φd1=Φdsinα(8—16)

Φd2＝Φdcosα正弦绕组B的开路电压则为UBO＝EBO＝4.44fNZKZΦd1＝4.44fNZKZΦdsinα(8—17)式中NZ—为转子绕组匝数；

KZ—转子绕组基波绕组系数。如图8-40(b)所示。设转子正弦输出绕组B的轴线和交轴的夹角α为转子转角，为了求得正弦输出绕组B的开路电压，可先将励磁绕组的直轴磁通Φd分解为两个分量，第一个分量为Φd1，它和正弦绕组B的轴线一致，能在该绕组中产生感应电动势，第二个分量为Φd2，它和正弦输出绕组B的轴线方向垂直，因此不会在该绕组B中产生感应电动势。这两个磁通分量的幅值大小为由8-15式得代入（8－17）得式中，

称为变比。

它为定子、转子绕组的有效匝数比，即空载二次侧最大输出电压与一次侧励磁电压之比。Ku是一个常数。由(8-18)式可以看出，在正余弦旋转变压器中，当转子正弦输出绕组空载，在励磁绕组电压恒定时，其输出电压UBO将与转子转角α呈正弦函数关系。(8—18)转子的余弦输出绕组和正弦输出绕组在空间位置相差90°电角度。同样道理，余弦输出绕组的开路电压为

UAO＝KuUdsin(α+90°)＝KuUd(8—19)由于定子补偿绕组C与定子励磁绕组L相互垂直，当正弦输出绕组B的轴线与定子励磁绕组L重合时，余弦输出绕组A也与定子励磁绕组垂直，则此时补偿绕组C和余弦绕组A的轴线均与脉振磁场Фd的轴线正交，绕组内都没有感应电动势产生。当转子转动离开此位置时，情况就如上所述了。2．转子绕组接通负载---负载运行转子绕组接有负载时的接线图如图8-41所示。假设转子正弦输出绕组B和交轴的夹角仍为转子转角α。此时，接入负载后(其负载阻抗为ZBN)，正弦输出绕组B中便有电流IB通过。余弦输出绕组A，其负载阻抗为ZAN，流过电流为IA。它们分别在各自绕组内产生磁通ФB和ФA。为便于分析，将ФB、ФA按绕组轴线方向分解为直轴和交轴磁通分量即ФBd＝ФBsinαФBq＝ФBcosα由此可得Фd＝ФBsinα+ФAcosα

Фq＝ФBcosα-ФAsinα(8—21)如果能使ФBcosα＝ФAsinα则Фq＝0，即交轴磁场为零。消除二次绕组对主磁场影响，得到完全补偿效果，称为二次绕组对称。ФAd＝ФAcosα(8—20)ФAq＝ФAsinα转子绕组直轴磁通分量Фd与定子励磁绕组直轴磁通ФdL方向相反，对主磁通来说起去磁作用。一般定子励磁绕组外加电压Ud为常数，在理想情况下，Ud＝Ed＝4.44fNdKdФd0不变，则合成磁场与空载时励磁磁场保持相等。于是励磁绕组L中电流增加，磁通ФdL增加，而保持ФdL-Фd＝Фd0不变。所以直轴合成磁场在转子绕组A、B中产生感应电动势也与空载时一样。仍可用(8-18)、(8-19)式表达。这和双绕组变压器空载和负载运行时原理是同样的。根据图8-41所示转子回路。在二次绕组对称的条件下，可以得到转子正、余弦绕组电动势平衡方程式EA＝IAZA＝IA(ZAL+ZAN)EB＝IBZB＝IB(ZBL+ZBN)

则转子电流IA和IB分别为

从而得到转子正、余弦输出绕组的输出电压分别为由此可见，正余弦旋转变压器在二次绕组对称条件下，输出电压分别与转子转角