自整角机的类型和用途自整角机属于...

第5章自整角机
5.1 自整角机的类型和用途
5.2 自整角机的基本结构
5.3 控制式自整角机的工作原理
5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机5.5 力矩式自整角机的运行
5.6 自整角机的选用和技术数据
5.1 自整角机的类型和用途
;自整角机属于自动控制系统中的测位用微特电机。

;测位用微特电机包括：自整角机、旋转变压器、微型同步器、编码器等七类。

;自整角机按使用要求不同可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两大类；若按结构、原理的特点又将自整角机分为控制式、力矩式、霍尔式、多极式、固态式、无刷式、四线式等七种，其中前两种为最常用运行方式。

自整角机的类型
无论自整角机作力矩式运行或者是控制式运行，每一种运行方式在自动控制系统中自整角机通常必须是两个（或两个以上）组合起来才能使用，不能单机使用。

若成对使用的自整角机按力矩式运行时，其中有一个是力矩式发送机（国内代号为ZLF，国际代号为TX），另一个则是力矩式接收机（国内代号为ZLJ，国际代号为TR）；
成双使用的自整角机按控制式运行时，其中必然有一个是控制式发送机（国内代号为ZKF，国际代号为CX），另一个则是控制式变压器（国内代号为
ZKB，国际代号为CT）。

自整角机的定子三相绕组为Y形接法，引出端符号
分别为D
1、D
2
、D
3
，转子单相绕组引出端用Z
1
和
Z2表示。

自整角机的类型
自整角机电路图
自整角机的类型
差动发送机（国内、国际代号分别为ZCF、TDX）和差动接收机（代号分别为ZCJ、TDR）
差动发送机串接于“ZLF”和“ZLJ”之间，是将发送机（即“ZLF”)转角及自身转角的和
（或差）转变为电信号，输至接收机（即
“ZLJ”)；
差动接收机串接于两个力矩式发送机(即“ZLF”)之间，接收其电信号，并使自身转子
转角为两发送机转角的和（或差）。

自整角机的类型
控制式差动发送机（国内、国际代号分别为ZKC、CDX）
控制式差动发送机串接于“ZKF”和“ZKB”之间，将发送机转角及其自身转角的和（或差）转变成电信号，输至自整角机变压器即“ZKB”。

差动式自整角机的定、转子绕组均为三相连接，而且均接成Y形，它们的定、转子绕组引出端分
别用D
1、D
2
、D
3
和Z
1
、Z
2
、Z
3
表示。

自整角机的类型
差动式自整角机电路图
自整角机的用途
力矩式自整角机的功用是直接达到转角随动的目的，即将机械角度变换为力矩输出，但无力矩放大作用，故接收误差稍大，负载能力较差，其静态误差范围为
0.5°∼2°。

因此，力矩式自整角机只适用于轻负载转矩
及精度要求不太高的开环控制的伺服系统里。

控制式自整角机的功用是作为角度和位置的检测元件，它将机械角度转换为电信号或将角度的数字量转变为电压模拟量，且精密程度较高，误差范围为
3′∼14′。

因此，控制式自整角机用于较精密的闭环控制的伺服系统中。

自整角机的应用举例1-浮子；2-平衡锤；3-滑轮4-变速器；5-发送机；6-接收机液面位置指示器
雷达俯仰角自动显示系统
5.2 自整角机的基本结构
结构：主要由定子和转子两大部分组成；定子铁心的内圆和转子铁心的外圆之间存在有很小的气隙。

　
1-定子铁心；2-三相整步绕组；3-转子铁心；4-转子绕组；5-滑环；6-电刷
自整角机的基本结构
定子和转子分别有各自的电磁部分和机械部分：¾定子铁心由冲有若干槽数的薄硅钢片叠压而成，
且铁心槽内布置有三相对称绕组；
¾转子铁心上布置有单相绕组（差动式自整角机为
三相绕组）。

　
a)转子凸极结构
b)定子凸极结构
c)隐极式结构
隐极式自整角机的定子
自整角机的基本结构——定子
¾沿定子内圆各槽内均匀分布有三个（也可称为三相）排列规律相同的绕组，每相绕组的匝数相等，线径和绕组形式均相同，三相空间位置依次落后120°，这种绕组就称之为三相对称绕组。

隐极式自整角机的转子三相星接的
对称绕组
差动式自整角机的转子结构
自整角机的结构——非接触结构
用环形变压器代替接触式自整角机的滑环和电刷，变压器的一次侧在定子上，二次侧在转子上，通过一、二次侧的电磁耦合，使转子励磁绕组获得励磁电压，其余部分与接触式结构相同。

自整角机的结构——非接触结构
;优点：可靠性高，寿命长，稳定性好，不会产生无线电干扰等。

:缺点：结构复杂，电气性能指标较差。

5.3 控制式自整角机的工作原理
ZKF 和ZKB 的定子绕组引线端D 1、D 2、D 3和D ′1、D ′2、D ′3对应联接，被称为同步绕组或整步绕组；
ZKF 的转子绕组Z 1、
Z 2端接交流电压U f 产
生励磁磁通密度，故
称之为励磁绕组；
ZKB 的转子绕组通过
Z ′1、Z ′2端输出感应电
势，故被称之为输出
绕组。

单相绕组通过单相交流电流，在电机内部就会产生一个脉振磁场，这是一般交流电机的共性问题。

ZKF 转子励磁绕组接通单相电压后，励磁绕组将流过电流：它将产生交变磁通。

励磁磁场为两极磁场，其
轴线就是励磁绕组的轴线。

f
U
&t
I i ωsin fm f =转子励磁绕组产生的脉振磁场
隐极转子励磁磁场分布
转子励磁绕组产生的脉振磁场
假设定、转子气隙δ处处相等，为均匀气隙，铁心内磁阻较空气隙的磁阻小得多而忽略。

据磁路的欧姆定律和安培环路定理，得到阶梯状的磁路分布线，用傅立叶级数分解为基波和一系列高次谐波，其中基波中幅值较各次谐波要大得多，对电机起决定性作用。

转子励磁绕组产生的脉振磁场
转子励磁绕组所产生的气隙基波磁密B f (X )对某瞬间来说，沿定子内圆周长方向作余弦分布。

隐极转子励磁磁场展开图及B f (X )分布曲线
转子励磁绕组产生的脉振磁场
实际励磁绕组所通过的电流i
是随时间作正（或余）
f
的振幅在随时间改变，它所产生的磁弦变化的，即i
f
密也跟着变化。

励磁电流和磁通密度分布曲线
转子励磁绕组产生的脉振磁场
单相绕组通入单相交流电流后所产生的磁场常称为脉振（或叫脉动）磁场。

脉振磁场的磁密幅值位置在空间永远固定于对应绕组的轴线上，其振幅也永远随时间交变。

励磁电流和磁通密度分布曲线
单相基波脉振磁场（或磁密）的物理意义：¾对某瞬时来说，磁场的大小沿定子内圆周长方向作余弦（或正弦）分布；
¾对气隙中某一点而言，磁场的大小随时间作正弦（或余弦）变化（或脉动）。

单相脉振磁场的瞬时值表达式
b
p1= B
m1
sinωt cos X
式中, b
p1为基波每相磁密瞬时值；B
m1
为基波每相电
流达最大值时产生的磁密幅值；X为沿周长方向的空间弧度值。

转子励磁绕组产生的脉振磁场
自整角机发送机转子上的励磁绕
组通过电流i f 后，将产生脉振磁
通，该磁通匝链定子各相绕组并
在其中感应电势。

转子处于某一位置上时，定子三
相绕组的感应电势在时间上的相
位彼此相同，而感应电势的大小
则与转子绕组在空间的位置有关。

定子绕组的感应电流
在任意θ1角时，D 1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为
Φ1=Φm cos θ1
由于定子三相绕组是对称的，D 2相绕组超前D 1相绕组120°，D 3相超前D 1相绕组240°，所以分别和B f 轴线的夹角为(θ1+120°)、(θ1+240°)，则三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为
定子绕组的感应电流
⎪⎩⎪⎨⎧°+=°+==)240cos()
120cos(cos 1m 3
1m 21m 1θΦΦθΦΦθΦΦ
线圈中的交变磁通必然在定子三相绕组中感应产生电势，为变压器电势。

自整角机定子绕组中各相变压器电势的有效值为
定子绕组的感应电流
⎪⎩⎪⎨⎧°+==°+====)240cos(44.4)
120cos(44.4cos 44.413s 3
12s 211s 1θΦΦθΦθΦE fW E fW E E fW E 式中，W s 为定子绕组每一相的有效匝数；E 为定子绕组轴线和转子励磁绕组轴线重合时该相电势的有效值，也是定子绕组的最大相电势，E = 4.44f Ｗs Φm 。

由于ZKF 和Z KB 的定子绕组对应联结，ZKF 的定子三相电势必然在两定子形成的回路中产生电流。

定子绕组的感应电流
回路电流有效值
⎪⎩⎪⎨⎧===z 33
z 22z 11///Z E I Z E I Z E I 其中，Z z 为回路总阻抗，
包括定子绕组阻抗和各联
接线阻抗。

自整角机发送机三相定子绕组中流过的电流、、共同产生一个定子合成磁场。

实际的旋转电机（含自整角机）应为分布绕组, 并非每相只一个线圈。

2I &3
I &定子电流产生的磁场
1I
&
定子电流产生的磁场
综上，定子绕组各相电流均产生两极的脉振磁场，该磁场的幅值位置就在各相绕组的轴线上，脉振磁通的交变频率等于定子绕组电流的频率（即电网频率），并且各相脉振磁场在时间上是同相位的，但各相脉振
有关。

磁场的幅值与转子转角θ
1
定子电流产生的磁场
设发送机转子相对定子D 1相的夹角为θ1 ，沿着转子励磁绕组的轴线作x
轴，则
定子磁场的合成和分解
⎪⎩⎪⎨⎧°+=°+==)240cos()
120cos(cos 13x
312x 211x 1θθθB B B B B B ⎪⎩⎪⎨⎧°+−=°+−=−=)240sin()
120sin(sin 13y 312y 211y 1θθθB B B B B B
定子电流产生的磁场
¾y轴方向总的磁通密度矢量的长度为
B y =B
1y
+B
2y
+B
3y
= −B
1
sinθ1−B2sin(θ1+120°)−B3sin(θ1+240°)　
= −B
m
[sinθ1cosθ1+sin(θ1+120°) cos(θ1+120°)
　+sin(θ
1
+240°)cos(θ1+240°)]sinωt = 0
;定子三相合成磁场为
B = B
x +B
y
= B
x
=3/2B
m
sinωt
定子电流产生的磁场——结论
1）定子三相合成磁密相量在x 轴方向，即和励磁绕组轴线重合，但和反向。

由于励磁绕组轴线和定子绕组D 1相轴线的夹角为θ1，因此定子合成磁场的轴线超前D 1相轴线(180°−θ1)。

2）由于合成磁密在空间的幅值位置不变，且其长度（即模值）是时间的正弦（或余弦）函数，故定子合成磁场也是一个脉振磁场。

3）定子三相合成脉振磁场的幅值恒为一相磁密最大值
的3/2倍，它的大小与转子相对定子的位置角θ1无关。

B &f
B &B
&
定子电流产生的磁场——结论
由于定子三相是对称的，
故定子三相合成磁场轴线
在励磁绕组轴线上。

据变压器磁势平衡理论，
ZKF的定子合成磁场必然
对转子励磁磁场起去磁作
用。

因此，自整角机发送
机的定子合成磁场的方向
必定与转子励磁磁场方向
相反。

控制式自整角发送机、变压器
的定子合成磁场
定子电流产生的磁场——结论
由于ZKB和ZKF的三相整
步绕组是对应联接的，故
ZKB定子合成磁场轴线与
D
′相夹θ1角，其方向与
1
ZKF定子合成磁场方向相
反。

若ZKB输出绕组轴线对D
′
1
，
相绕组轴线的夹角为θ
2
−θ1直接影响自整
则δ=θ
2
角机系统输出电势的大小。

控制式自整角发送机、变压器
的定子合成磁场
ZKB转子输出绕组的电势
若ZKF 的转子绕组轴线与定子D 1相绕组轴线空间夹角为θ1时, 励磁磁通在D 1相绕组中感应的变压器电势为：E 1 = E cos θ1。

同理，当ZKB 的定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线空间夹角为δ= θ2−θ1时，合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为：E 2 = E 2max cos δ。

式中，E 2max 为ZKB 输出绕组感应电势有效值达到最大时的值，即输出绕组轴线与定子合成磁场轴线重合时的电势大小。

由于ZKF 的励磁绕组外加电压U f 一般为固定值，成对运行的自整角机的参数也不变，故E 2max 是一个常数。

ZKB转子输出绕组的电势
在随动系统中，规定输出电势E
2
= 0时的转子绕组轴线为控制式自整角机的协调位置，即落后于ZKB定子合成磁场90°的位置为协调位置（用相量表示）；
把转子偏离此位置的角度定义为失调角γ。

E 2= E
2max
cos(90°−γ)
= E
2max
sinγ
B′&t X
&
ZKB转子输出绕组的电势
若γ角用弧度作单位且γ角很小时，数学上可以令sinγ≈γ，则可近似认为公式E2 = E2maxγ成立，即认为输出电势与失调角成正比。

由此，输出电势的大小就直接反映了发送机转轴和变压器转轴之间差值的大小。

控制式自整角机工作原理
¾ZKF的转子绕组产生的励磁磁场是一个脉振磁场，它在发送机定子绕组中感应变压器电势。

定子各相电势时间上同相位，其有效值与定、转子间的相对位置有关。

¾ZKF定子合成磁场的轴线与转子励磁磁场的轴线重合，但方向恰好相反。

¾ZKF和ZKB的定子三相绕组对应联接，两机定子绕组的相电流大小相等、方向相反，因而两机定子合成磁场相对自己定子绕组位置的方向也应相反。

¾ZKB输出电势的有效值E
2=E
2max
sinγ，γ称作失调
角，单位rad。

控制式自整角机的主要技术指标之一——比电压
输出电压和失调角的关系为E
2=E
2max
sinγ，在γ角很小
时E
2=E
2ma x
γ，即此时可以用正弦曲线在γ=0处的切线
近似地代替该曲线，切线的斜率即称为比电压或电压陡度, 其值等于在协调位置附近失调角变化1°时输出电压的增量，单位为V/(°)。

比电压大，即切线的斜率
大，则系统的灵敏度就高。

目前国产自整角变压器的
比电压的数值范围为0.3∼1
V/(°)。

5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机
在ZKF和ZKB之间接入控制式差动发送机ZKC，目的是用来传递两个发送轴的角度和或角度差。

差动式自整角机的结构特点：转子采用隐极式结构，转子铁心的槽中放置有三相对称分布绕组，并通过三组集电环和电刷引出；定子和普通自整角机完全相同，属三相对称绕组。

带有“ZKC”的控制式自整角机
发送机：自整角发送机(ZKF)、控制式差动发送机(ZKC)自整角变压器(ZKB)用来输出电压。

ZKF-ZKC-ZKB的工作原理
ZKF-ZKC-ZKB的工作原理
¾
考虑ZKF 转轴输入θ1角，ZKC 转轴输入θ2角，则ZKB 输出电势为
E 2 = E 2max cos[90°−(θ1−θ2)]
= E 2max sin(θ1−θ2)
示例——舰艇上火炮自动瞄准系统
¾θ
1是火炮目标相对于正北方向的方位角，θ
1
取45°作
为自整角发送机ZKF的输入角；
¾θ
2是罗盘指针相对于舰头方向的角度，θ
2
取15°作为
ZKC的输入角。

¾ZKB的输出电势为E
2max
sin(θ1−θ2) =E2max sin30°
5.5 力矩式自整角机的运行
力矩式自整角机的工作原理
ZLF和ZLJ的结构参数、尺寸等完全一样。

两机同时加励磁后，发
送机和接收机定子绕组
B&B′&
同时产生磁密和。

把接收机中由ZLF 励磁产生的磁密沿方向分解成两个分量：
B
&B ′&力矩式自整角机的工作原理
①分量：和转子绕组轴线一致，其长度用
B cos δ表示。

②分量：和转子绕组轴线垂直，其长度用
B sin δ表示。

d
B &q
B &
力矩式自整角机的工作原理
在转子绕组轴线方向
上，定子合成磁密矢量的长度为
载流线圈在合成磁场中所受到的力矩δcos d
B B B −′=′由于B = B ′，则的实际方向与接收机励磁磁密相反，起去磁作用，但它不会使ZLJ 的转
子旋转。

在转子绕组轴线垂直方向
上，和之间作用产生转矩，使角δ趋向于0°。

)cos 1(d
δ−=′B B d
B ′&f
B ′&q
B &f B ′&。