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1、,直流测速发电机结构与普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。,其原理图如图，在恒定磁场中，电枢以转速n旋转时，电枢上的导体切割磁通0，在电刷间产生空载感应电动势E0。,在空载时，即电枢电流Ia=0,其输出电压就是空载感应电动势，即U0=E0，因而输出电压与转速成正比。,在负载时，因电枢电流Ia0，若不讲电枢反应的影响，直流测速发电机的输出电压为U=E0-IaRa,电枢电流为,以上三式整理得,第四部分 特种电机,4.1.1 直流测速发电机,在理想情况下，Ra、Rz和 均为常数，直流测速发电机的输出电压U与转速n仍成线性关系。对于不同的负载电阻，测速发电机的输出特性的斜率也有
2、所不同，它随负载电阻的减小而降低，如图。,4.1.2 交流异步测速发电机,空心杯形转子异步测速发电机结构和杯形转子伺服电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯，通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压，如图。,转子不动时 d轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电动势，这一变压器电动势将产生转子电流，此电流所产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上，阻碍1的变化，所以合成磁通仍为沿d轴的磁通d。而输出绕组的轴线和励磁绕组轴线空间位置相关90电角
3、度，它与d轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。,当电机的励磁绕组外施电压U1时，便有电流I1流过绕组，在电机气隙中沿励磁绕组轴线（d轴）产生一频率为f的脉动磁通1。,4.1.3 选择时应注意的问题,在选用时，应根据系统的频率电压、工作转速和具体用途夹选择交流测速发电机的规格，用作解元件的应着重考虑精度要高，输出电压稳定性好；用于一般转速检测或作阻尼元件时，应着重考虑输出斜率要大。,与直流测速发电机比较，交流异步测速发电机 优点：结构简单，维护容易，运行可靠；没有电刷和换向器，因而无滑动接触，输出特性稳定、精度高；摩擦力矩小，转动惯量小；正反转输电压对称。 缺点：存在相位误差和
4、剩余电压；输出斜率小；输出特性随负载性质（电阻、电感、电容）而有不同。,当使用直流或交流测速发电机都能满足系统要求时,则需考虑到它们的优缺点,全面权衡,合理选用。,4.2.1 直流伺服电动机,4.2.1.1 结构和分类,直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。按结构可分成传统型和低惯量型两大类。,2低惯量型直流伺服电动机,一般有杯形电枢、圆盘电枢、无槽电枢等结构形式。,低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻，转动惯量小，响应快速。,4.2.1.2 控制方式,把电枢电压作为控制信号，对电动机的转速进行控制,这种控制方式称为电枢控制式，电枢绕组称为控制绕组，电枢电压称为控制电压。,直流伺服电动
5、机也可以采用磁场控制方式，即磁极绕组作为控制绕组，接受控制电压，而加在电枢绕组上的电压恒定。 电枢控制较磁场控制具有较多的优点，因此自动控制系统中大多采用电枢控制，磁场控制只用于小功率电动机中。,4.2.1.3 运行特性,电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图。为分析简便，作如下假设： 电机磁路不饱和，即认为电机的磁化曲线为一直线。 略去负载时电枢反应的影响。,以上三式可得直流伺服电动机的转速公式,由直流电动机可得,一、机械特性,机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩的关系，即UK=常数时，n=f(T)。,由转速公式或机械特性都可以看出，随着控制电压UK增大，电动机的机械特性曲线平
6、行地向转速和转矩增加的方向移动，但是它的斜率保持不变，所以电枢控制时直流伺服电动机的机械特性是一组平行的直线。,电枢控制式直流伺服电动机的机械特性如图。机械特性与纵轴的交点为电动机的理想转速n0，即,与横轴的交点为电动机的堵转转矩TK,二、调节特性,调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速与控制电压的关系，即T=常数时， n=f(UK)。,从图中看出这些调节特性曲线与横轴的交点，表示在一定负载转矩时电动机的始动电压，若负载转矩一定时，电动机的控制电压大于相对应的始动电压，它,调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区，显然，失灵区的大小是与负载转矩成正比
7、的。,便能转动起来并达到某一转速；反之，控制电压小于相对应的始动电压，由电动机的最大电磁转矩小于负载转矩，它就不能起动。,以上特性曲线是在两个假设的前提下得到的，实际的直流伺服电动机的特性曲线只是一组接近直线的曲线。,4.2.2 交流伺服电动机,4.2.2.1 基本结构,交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距90电角度，它们可以有相同或不同的匝数。定子绕组的一相作为励磁绕组，运行时接到电压为Uf的交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制电压UK。电压UK与Uf同频率，一般采用50HZ或400HZ。,常用的转子结构有两种形式： 一种为笼型转子，这种转子结构如同普通笼型
8、感应电动机一样，但是为了减小转子的转动惯量而做成细而长。 另一种为非磁性空心杯转子,这种结构电动机中除了和一般感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。,12.2.2 工作原理,一量控制绕组有信号电压，一般情况下，两相绕组中电流产生的磁动势Ff和Ff是不对称的，则电动机内部便建立起椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场分解为两个速度相等、转向相反的圆形旋转磁场，但它们大小不等，因此转子上两个电磁转矩也大小不等，方向相反，合成转矩不为零，这样转子就不再保持静止状态，而随着正转磁场的方向转动起来。,两相交流伺服电动机在转子转动后，当控制信号电压UK消失时，按照可控性的要求，伺服电动机应立即停转，但此时电
9、动机内部建立的是单相脉振磁场，根据单相异步电动机工作原理，电动机将继续旋转，这种现象称之“自转”。,“自转”现象在自动控制系统中是不允许存在的，解决的办法是增大转子电阻。,由图中曲线中知，随着转子电阻增大，机械特性更接近线性关系。因此，为了使两相并流伺服电动机达到调速范围大和机械特性线性的要求，也必须使其转子具有足够大的电阻值。,一般的异步电动机，其机械特性如图中曲线1所示它的稳定运行区仅在转差率S从0到Sm这一区间，因Sm约为0.10.2，所以电动机的转速可调范围很小。,如果增大转子电阻，使其产生最大转矩的转差率Sm1，这样，电动机的机械特性就如图中,曲线2所示，相应于电动机的转速由零到同步
10、转速的全部范围内均能稳定运行。,4.2.2.3 控制方式,一、幅值控制 调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压UK与励磁电压Uf之间的相位角保持90电角度，通常UK滞后于Uf。当控制电压UK=0时，电动机停转，即n=0。,二、相位控制 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）来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变，当=0时，电动机停转。,三、幅值一相位控制（或称电容移相控制） 将励磁绕组上仍外施励磁电压Uf=U1-Uca，控制绕组上仍外施控制电压UK，而UK的相位始终与U1同相。当调节控制电压UK的幅值来改变电动机的转速时，使励磁绕组的电流If也发生变,化，致
11、使励磁绕组的电压Uf及电容C上的电压Uca也随之改变。这就是说，电压UK及Uf的大小及它们之间的相位角也都随之改变。所以这是一种幅值和相位的复合控制方式。若控制电压UK=0，电动机就停转。 这种控制方式是利用串联电容器来分相的，它不需要复杂的移相装置，所以设备简单，成本较低，成为最常用的一种控制方式。,12.2.4 运行特性,一、机械特性 机械特性是控制电压UK不变时，电磁转矩与转速的关系。,交流伺服电动机的机械特性,上图中m为输出转矩对起动转矩的相对值，v为转速对同步转速的相对值。 从机械特性看出，不论哪种控制方式，控制电信号越小，机械特性就越下移，理想空载转速也随之减小。,12.2.4 调
12、节特性,两相交流伺服电动机的调节特性是指电磁转矩不变时，转速随控制电压大小变化的关系。,12.3 交、直流伺服电动机的性能比较,一、机械特性 直流伺服电动机的机械特性是线性的，转矩随着转速的增加而均匀下降，在不同控制电压影响很小。 交流伺服电动机机械特性是非线性的，电容移相时机械特性非线性度更加严重，而且特性的斜率是随着控制电压的不同而变化的，机械特性很软，转矩的变化对转速的影响很大，特别低速段更是如此。机械特性软会削弱内阻能力（即阻尼系数减少），增大时常数，因而降低系统的品质，而机械特性斜率的变化，会给系统的稳定和校正带来困难。,二、体积质量和效率,为了满足控制系统对电动机要求，交流伺服电动
13、机转子电阻就得相当大，这样损耗就大，效率低，电动机利用程度差，而且电动机通常是运行在椭圆磁场的情况下，负序磁场产生的制动转矩使电动机的有效转矩减小。交流伺服电动机只适用小功率系统，而对于功率较大的控制系统，则普遍采用直流伺服电动机。,三、“自转”现象 直流伺服电动机无“自转”现象，而交流伺服电动机若参数选择不适当，或制造工艺不良，在单相状态下会产生“自转”。,交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，适宜在不易检修的场合使用。 直流伺服电动机由于有电刷和换向，因而结构复杂、制造麻烦。电刷与换向器之间存在滑动接触，电刷的接触电阻也不稳定，这些都会影响到电动机的稳定运行。,四、结构,五、放大器装
14、置,直流伺服电动机的控制绕组通常是由放大器供电，而直流放大器有零点漂移现象，这将影响到系统的工作精度和稳定性。,4.3 自整角机,自整角机是一种感应式机电元件。在系统中通常是两台或两台以上组合使用。其任务是将转轴上的转角变换为电气信号，或将电气信号变换为转轴的转角，使机械上互不相联的两根或几根转轴同步偏转或旋转，以实现角度的传输、变换和接收。它广泛应用于运距离指示装置和伺服系统。,1-定子 2-转子 3-阻尼绕组 4-电刷 5-接线柱 6-滑环,4.3.1 基本结构,自整角机的定子结构与一般小型绕线转子感应电动机相似。 定子铁心上嵌有三相星形联结对称分布绕组，通常称为整步绕组。 转子结构则按不
15、同类型采用凸极式或隐极式，放置单相或三相励磁绕组。转子绕组通过滑环、电刷装置与外电路联接，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。接触式自整角机结构如图。,一、力矩式自整角机,4.3.2 工作原理,力矩式自整角机的接线图如图，两台自整角机结构完全相同，一台作为发送机，另一台作为接收机。它们的转子励磁绕组接到同一单相交流电源，定子整步绕组则按相序对应联接。,当发送机和接收机的转子位置一致时，大小相等，方向相反，所以回路中无电流流过，因而不产生整步转矩，此时两机处于稳定的平衡位置。,当发送机的转子从一致位置转一角度1时，则在整步绕组回路中将出现电动势，从而引起均衡电流。此均衡电流与
16、励磁绕组所建立的磁场相互作用产生转矩，使接收机也偏转相同角度。,通过以上分析可知，对力矩式自整角机，整步转矩T系由交轴磁动势Fq与直轴磁通d的相互作用所产生。 在相同型号成对工作的力矩式自整角发送机和接收机中，因采用同一励磁电源，所以直轴磁通d相同；又合成磁动势的交轴分量FFq和FJq大小相等方向相反，由此可知，这时发送机和接收机中的整步转矩大小相等而方向相反。 如以外力强制发送机转子逆时针方向转动角时，发送机为了保持转子原来的位置，所产生的整步转矩方向将是顺时针的；接收机中所产生的转矩则相反，即为逆时针方向，使转子向逆时针方向转动，以达到和发送机转子有同一位置的目的，从而实现了转角的传递任务
17、。,二、 控制式自整角机,为了提高同步随动系统的精度和负载能力，常把力矩式接收机的转子绕组从电源断开，使其在变压器状态下运行。这时接收机将角度传递变为电信号输出，然后通过放大去控制一台伺服电动机，并将接收机转子经减速器与机械负载联系在一起。这种间接通过伺服电动机来达到同步联系的系统称为同步随动系统，在这种系统中，用来输出电信号的自整角接收机称为自整角变压器。,控制式自整角机与力矩式自整角机接线图有两点不同： 1)、上图接收机转子绕组从单相电源断开，并能输出讯号电压。 2)、转子绕组的轴线位置预先转过了90。,电压经放大器放大后，接到伺服电动机的控制绕组，使伺服电动机转动。伺服电动机一方面拖动负
18、载，另一方面在机械上也有自整角变压器转子相连，这样就可以使得负载跟随发送机偏转，直到负载偏转的角度与发送机偏转的角度相等为止。,自整角变压器转子绕组输出电压信号,式中Em接收机转子绕组感应电动势最大 值，即发送机转子与接收机转子位置相 一致时感应电动势的有效值。,4.3.3 选用时应注意的问题及应用举例,力矩式自整角机常应用于精度较低的指示系统。如液面的高低，阐门的开启度，液压电磁阀的开闭，船舶的舵角、方位和船体倾斜的指示等等。下面通过一个实例来加以说明。,控制式自整角机适用于精度较高、负载较大的伺服系统。现以雷达高低角自动显示系统(如图)来加以说明。,自整角发送机转轴直接与雷达天线的高低角（
19、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转轴与由交流伺服电动机驱动的系统负载（刻度盘或火炮等负载）的轴相连，其转角用表示。接收机转子绕组输出电动势E2（有效值）与两轴的差角即近似成正比，即 E2K（）=K 式中K为常数。,E2经放大器放大后送至交流伺服电动机的控制绕组，使电动机转动。可见，只要 ，即0，就有E20，伺服电动机便要转动，使减小，直至=0。,4.3 旋转变压器,旋转变压器是一种精密的二次绕组（转子绕组）可转动的特殊变压器，当它的一次绕组（定子绕组）外接单相交流电源励磁时，其二次绕组的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。,旋转变压器的结构与
20、普通绕线转子感应电动机类似。为了获得更好的电气对称性，以提高旋转变压器的精度，定转子绕组均为两个在空间互隔90电角度的高精度正弦绕组。 有限转角的无接触式旋转变压器将转子绕组的引出线做成弹性卷带状，这种转子只能在一定的转角范围内（一般为12周）转动。 无限转角的无接触式旋转变压器将两套绕组中的一套自行短接，而另一套则通过环形变压器从定子边引出，它的转子转角不受限制。,选用自整角机还应注意以下问题： 自整角机的励磁电压和频率必须与使用的电源符合，若电源可任意选择时，应选用电压较高、频率较高（一般是400Hz）的自整角机，其性能较好，体积较小。 相互联接使用的自整角机，其对应绕组的额定电压和频率必
21、须相同。 在电源容量允许的情况下，应选用输入阻抗较低的发送机，以便获得较大的负载能力。 选用自整角变压器时，应选输入阻抗较高的产品，以减轻发送机的负载。,4.4 旋转变压器,旋转变压器的结构与普通绕线转子感应电动机类似。为了获得更好的电气对称性，以提高旋转变压器的精度，定转子绕组均为两个在空间互隔90电角度的高精度正弦绕组。 旋转变压器的定转子铁心均是采用高磁导率的铁镍磁合金片或硅钢片经冲制、绝缘、叠装而成。为了使铁心的导磁性能各方向均匀一致，在铁心叠片时采用每片错过一齿槽的旋转形叠片法。 有限转角的无接触式旋转变压器将转子绕组的引出线做成弹性卷带状，这种转子只能在一定的转角范围内（一般为12
22、周）转动。 无限转角的无接触式旋转变压器将两套绕组中的一套自行短接，而另一套则通过环形变压器从定子边引出，它的转子转角不受限制。,直轴脉动磁通在励绕组中产生的感应电动势,4.4.2 工作原理,4.4.2.1 正余弦旋转变压器,式中 N1绕组串联匝数； K1绕组因数； f直轴脉动磁通的幅值,正弦输出绕组A的空载电压为,式中N2转子A、B绕组串联匝数；Kw2转子A、B绕组因数。,正余弦旋转变压器原理图,4.4.2.2 线性旋转变压器,线性旋转变压器指其输出电压的大小随转子转角成正比关系的旋转变压器。,即,式中,由上式推出输出电压,4.4.3 旋转变压器的应用,旋转变压器被广泛用于高精度的角度传输系
23、统和解算装置中。,旋转变压器在计算机中作为解算元件，可以用来进行坐标变换（直角坐标换为极坐标）、代数运算（加、减、乘、除、乘方、开方）、三角运算（正弦、余弦、反正弦、反余弦）。,4.5 步进电机工作原理,右图是一个三相反应式步进电动机，定、转子铁心由硅钢片叠成。定子有六个磁极，每两个相对的极绕有一相控制绕组，转子只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽，上面没有绕组。,如图a所示,当U相控制绕组通电，而V相、W相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。,如图b所示,U相断电、V相通电时，转子便逆时针方向转过30，使转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐。
24、,如图c所示,V相断电、接通W相，转子再过30，转子齿1和3的轴线与W极轴线对齐。,三相单三拍运行时反应式 步进电动机工作原理图,如此按U-V-W-U顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。,步进电动机转速取决于控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，若步进电动机通电次序改为U-W-V-U则步进电动机反向转动。,上述通电方式，称为三相单三拍。 “单”是指每次只有一相控制绕组通电， “三拍”是指三次切换通电状况为一个循环， 第四拍就反复第一拍通电的情况。,步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角。 三相单三拍通电方式时，步距角
25、为30。,如图a所示,当U相控制绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。,如图c所示，当断开U相使V相单独接通时，在磁拉力作用下，转子继续逆时针方向转动，直到转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐为止，这时转子又转过15角度。,如图b所示,当U、V相控制绕组同时接通时，转子的位置，应兼顾到使U、V两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时相邻两个U、V磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡。这样，当U相通电转到U、V两相通电时，转子只能逆时针方向转过15。,单、双六拍运行时三相反应式步进电动机,如通电顺序改为U-U
26、W-W-WV-V-VU-U时，电动机将按顺时针方向转动。,对这种通电方式，定子三相控制绕组需经过六次换接才能完成一个循环，故称为“六拍”。同时这种通电，有时是单个控制绕组接通，有时又是两个控制绕组同时接通，因此称为单、双六拍。,采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减小一半（即=15）。,上述简单的三相反应式步进电动机的步距角太大，即每一步转过的角度太大，很难满足生产中所提出位移量要小的要求。 下面介绍三相反应式步进电动机的一种典型结构。,5.2 驱动电源,步进电动机是由专用的驱动电源来供电的，驱动电源和步进电动机是一个有机的整体。,步进电动机的驱动电源，基本上包括变频信号源，脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，如图所示。,