船舶电机与拖动 第2版 课件 6 特殊电机

第六章特种电机

主要内容

1、伺服电动机

2、测速发电机及电动转速表

3、自整角机及其应用

前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。

各种控制电机有各自的控制任务：如:伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传递到输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。

本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。

控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种:伺服电机、测速电机、自整角机、步进电机。

对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。

1、交流伺服电动机的结构：交流伺服机的结构与普通电流分相的单相异步电动机相同似，定子为两个互差90°电角度的两相交流绕组。一个为励磁绕组，工作时在气隙产生脉振磁场。另一个为工作绕组，工作时通入与励磁电流相差90°的交流控制信号，产生另一脉振磁场，两磁场叠加后得到旋转磁场。无控制信号时气隙为脉振磁场，有控制信号后，气隙为旋转磁场。为使转角与控制信号有唯一对应关系，交流伺服机的极对数为p=1。

第一节伺服电动机

（1）交流伺服电动机的结构交流伺服机的转子为鼠笼绕组，为使满足快速起、停的需要，转子一般为细长形，或空心杯转子(可看成具有无数导条的鼠笼转子)。为进一步减小惯量，空心杯转子还将原来转子铁心变成内定子铁心。设置内定子的目的是，使气隙较小，保证足够的磁通。

伺服电动机外定子转子内定子(2)工作原理控制电压U2的相位不同，电机的转向不同不同控制电压下的机械特性曲线n=f(T),

U1=常数

交流伺服电动机的机械特性如图所示。

在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。TU20.8U20.6

U20.4U2On

交流伺服机自转问题：伺服机转动原理和单相异步机一样，当控制信号不为零时，伺服机转动。但转动后，去除控制信号，若不采取措施，伺服电动机将不能停止。这就是交流伺服电动机的“自转”问题。“自转”对于单相异步电动机是有利的，能够保证单相异步机起动后的继续运转。但对交流伺服电动机却是不利的。因为，对伺服电动机要求是：控制信号为零时，应该迅速停止转动。而出现“自转”后，伺服电动机将变成失控。

伺服电动机

自转的克服：克服自转的方法是，在制造时使伺服电动机转子绕组(鼠笼导条或杯形转子导体)电阻足够大，使临界转差率发生在sm＞1的地方。这样一来，控制信号消失后，在脉振磁场分解的机械特性中，可见：当转速为正值时，转矩为负，而转速为负时，转矩为正。转矩总是阻止转子转动的，起制动作用，合成的T与n方向相反，也就是合成转矩为制动转矩。因此，控制信号为0时可迅速停转。即满足快速停止可控的要求。

伺服电动机

结论：

①.交流伺服电动机转子绕组电阻比较大，根据临界转差率公式应满足：r’m≥2x20，使得其机械特性的sm≥1。

②.只要伺服电动机定子励磁绕组和控制绕组同时通入不同相位的交流电流时，交流伺服电动机就能产生电磁转矩，驱动负载运行。

③.当励磁绕组通电，但控制信号电压为零，伺服电动机产生的是制动电磁转矩，将使其转子因制动转矩而迅速停止转动。

伺服电动机2.

直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。

直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。U1为励磁电压，U2为电枢电压MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服电动机的接线图由机械特性可知：(1)一定负载转矩下，当磁通不变时，U2

n

。(2)U2=0时，电机立即停转。电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。

直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示机械特性曲线如图所示。直流伺服电动机的n=f(T)曲线(U1=常数)U20.8U20.6U20.4U2nTO3．伺服电动机的控制

直流伺服电动机有两种基本控制方式：（1）电枢控制—改变电枢电压来控制转速，适用于电励磁和永磁励磁直流伺服电动机。（2）磁极控制—调节磁通来控制转速，仅适用于电励磁直流伺服电动机。

伺服电动机比较：交流伺服电动机，尤其是空心杯形转子的交流伺服电动机，结构简单，工作可靠，反应迅速。但特性的线性程度较差，误差也较大。

直流伺服电动机的优点主要是线性程度较好，但转动惯量较大，而且在低速运转时，由于电刷和换向器为滑动接触，存在接触压降不稳定导致转速不稳定或较大误差等缺点，此外价格相对也较贵。为了减小转动惯量，目前已有电枢绕组采用印刷绕组的直流伺服电动机，但其容量一般很小。

伺服电动机索引

第二节测速发电机及电动转速表

测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。测速发电机分为交流和直流两种类型。1.

交流测速发电机

交流测速发电机又分为同步式和异步式两种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作原理。••••

1转子定子励磁绕组输出绕组

异步式交流测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是输出绕组。输出绕组+–励磁绕组+–

工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电源U1，由U14.44f1N1

1可知：

当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转子切割

1产生转子感应电势Er和转子电流Ir，它们的大小与

1和转子转速n

成正比：

转子电流Ir也产生磁通

r，

r在输出绕组中感应出电压U2，U2的大小与

r成正比：

综合上述分析可知：

当U1恒定不变时，U2与n成正比，这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。

由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测速发电机的输出电压U2与n间存在着一定的非线性误差，使用时要注意加以修正。2.

直流测速发电机

直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–

当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势E，其大小为：发电机的输出电压为：上式中代入：于是

可见，当励磁电压U1保持恒定时（

亦恒定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与电枢转速n成正比。这样，发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制系统。0nU2RL2<RL1RL=

RL2RL1

值得注意的是，由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压U2与转速n有一定的线性误差。RL越小、n越大，误差越大。因此，在使用中应使RL和n的大小符合直流测速发电机的技术要求。

用途：

自整角机的作用是将轴上转角变换为电信号，广泛应用在同步传动系统中，进行远距离指示，或在随动系统中，进行角度检测。如船上的舵角指示器、电车钟和自动操舵仪。

自整角机常成对使用，一个发送机，一个接收机。发送机将其轴上的转角变换成为电信号，由连接线送给接收机；接收机接收电信号，并将其转换成转角信号，带动其他机械按要求转动；或转换成反应转角大小与方向的电信号。索引

第三节自整角机及其应用

自整角机及其应用

结构：转子为单相交流绕组，定子为三相整步绕组。根据转子绕组的不同，有接触式(通过滑环与电刷)和外部电路连接和非接触式(通过特殊结构提供磁的通路)两种。定子整步绕组A-X，B-Y和C-Z，在空间互差120°电角度。为了保证转角的对应关系，自整角机绕组一般采用p=1。自整角机系统有力矩式和控制式两种。截面图

自整角机及其应用

力矩式自整角机：力矩式自整角机工作时，发送机与接收机的定子三相整步绕组对应连接，转子励磁绕组则接同一相交流励磁电源。若设：发送机转子绕组与A1-X1相绕组夹角为θ1，接收机转子绕组与A2-X2绕组相夹角为θ2，θ=θ1-θ2称为失调角。当θ=0时称两机处于协调位置。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1、B1、C1分别与A2、B2、C2对应连接。转子励磁绕组则接同一相交流电源。处于协调位置时，两机定子三相整步绕组感应的电势对应相等，三相整步绕组之间没有电流流过。两机的转子绕组不受力，继续保持两机转子处于协调位置。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1、B1、C1分别与A2、B2、C2对应连接。转子励磁绕组则接同一相交流电源。发送机转子逆时针转过90°，两机整步绕组感应电势不相等，整步绕组之间有电流流过。整步绕组也将产生磁场，并与励磁磁场叠加，得到气隙合成磁场。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1、B1、C1分别与A2、B2、C2对应连接。转子励磁绕组则接同一相交流电源。两机整步绕组磁场与励磁叠加后分别合成磁场为Ф1和Ф2，在合成磁场作用下，两机转子绕组都将受力，∵发送机转子被发送机构卡住，∴只有接受机可转动。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1、B1、C1分别与A2、B2、C2对应连接。转子励磁绕组则接同一相交流电源。接收机转子受力方向是减少失调的方向，即逆时针方向。当接收机转子逆时针转到与发送机转子相同位置时，两机转子再次协调，整步绕组无电流，接收机停转。

自整角机及其应用

说明：

由于工作时发送机和接收机气隙只有单相脉振磁场，三相整步绕组感应的电势是三个幅值不相等但相位一样的交流电势(同时达到最大，同时过0，同时变反方向)。

因此，三相整步绕组感应的电势是三个单相电势，整步绕组流过的电流是三个幅值等、相位相等的单相电流。

三相整步绕组之所以称为“三相”，只是∵它们在空间互差120°电角而已。

自整角机及其应用

控制式自整角机：控制式自整角机工作时，发送机与接收机定子三相整步绕组对应连接，发送机转子励磁绕组接一单相交流励磁电源，接收机转子绕组为输出绕组。控制式自整角机协调位置与力矩式不同，应事先将两机转子转过90°电角度。协调时，控制式自整角接收机输出电压为0，失调时，u0反映θ大小与方向。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1B1C1分别与A2B2C2对应连接。发送机转子绕组接交流电源，接收机转子绕组为输出绕组。两几转子错开90°时，为协调位置。协调时，三相整步绕组间有电流流过。但在接收机产生的磁场方向与输出绕组的平面平行，输出绕组无输出。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1B1C1分别与A2B2C2对应连接。发送机转子绕组接交流电源，接收机转子绕组为输出绕组。两几转子错开90°时，为协调位置。失调时，三相整步绕组电流产生的磁场与输出绕组交链，输出绕组感应电势，向执行机构输出电压u0。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1B1C1分别与A2B2C2对应连接。发送机转子绕组接交流电源，接收机转子绕组为输出绕组。两几转子错开90°时，为协调位置。执行机构根据u0的极性和大小，带动接收机转子朝发送机转子转动方向转，直到两机转子重新回到协调位置。

自整角机及其应用

工作原理：如示意图所示，三相整步绕组接成Y连接后，A1B1C1分别与A2B2C2对应连接。发送机转子绕组接交流电源，接收机转子绕组为输出绕组。两几转子错开90°时，为协调位置。若发送机失调方向变反，由于整步绕组电流方向及与接收机输出绕组交链方向都变反，输出电压极性也变反。

自整角机及其应用

自整角机的应用：力矩式自整角机输出的是机械转矩，可直接带动对转矩要求较小的设备转动，如船上的舵角指示器等，即用接收机转轴直接与指示仪表连接。控制式自整角机输出的是交流电压信号，其相位反映失调角的方向，大小反映失调角的大小。输出电压再经过适当处理，就可通过伺服电动机等执行机构驱动对转矩要求较大的设备，使其根据失调角的大小和方向进行转动，或经过对输出电压进