自整角机与旋转变压器

Uf
～
θ
1
θ
2
Ff a F1
θ
1
Ff a F2 θ
E1a
2
b
θ
1
θ
2
θ
F2'
Ff
c
b
θ
1
θ
θ
2
F1'
c
Ff
1.直轴、交轴磁势是如何产生转矩的： （1）在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产 生的也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁 力F的方向如图所示，显然不会产生转矩。 同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通 （磁势）下也不会产生转矩。 （2）在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产 生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使 线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在水平 位置，两磁势的轴线重合，同样的，图是产 生直轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受 到逆时针的转矩。


直流测速机 交流测速机
自整角机

同步式
异步式
控制式 力矩式 正余弦旋转变压器
旋转变压器
光电编码器
பைடு நூலகம்
光栅

绝对式 透视光栅 直线光栅 反射光栅 园光栅

线性旋转变压器 增量式

第九章自整角机与 旋转变压器
一、本章教学要求：
• 掌握自整角机结构、分类和作用等概念 • 掌握旋转变压器结构、分类和作用等概念 • 了解力矩式自整角机、控制式自整角机和正 余弦旋转变压器工作原理 • 理解力矩式自整角机和控制式自整角机区别 • 了解正余弦旋转变压器产生畸变的原因及补 偿方法
交轴分量的磁通势为 F1q=F1asin1+F1bsin(1-120)+F1csim(1240) =Fmcos1sin1+Fmcos(1-120)sin(1120)+Fmcos(1-240)sin(1-240) =0 控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没 有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势是 一个直轴磁势，与励磁绕组同轴，与 1 无关。
三、正，余弦旋转变压器
D3 D1
D4 θ Z4 ФD Ф Z12 Ф Z34 θ Z3 b
UD
D2 Z1 Z2
1、工作原理： 1）空载运行时：旋转变压器的定子铁芯槽 中装有两套完全相同的绕组D1D2 和D3D4 ， 但在空间上相差90。转子铁芯槽中也装 有两套完全相同的绕组Z1Z2 和Z3Z4 ，在 空间上也相差90，每套绕组的有效匝数 为NZ。 转角：转子上的输出绕组Z1Z2 的轴线与定 子的直轴之间的角度叫做转子的转角。
2.自整角变压器的输出电势： 如果 2=1 ，转子输出绕组中感应电动势 Em的值最大，如果21，自整角变压器定 子合成磁势与转子输出绕组轴线夹角为失 调角=1-2 ，转子输出绕组感生的电动势 为： E2 = Emcos(1 － 2) = Emcos 自整角变压器输出电压（电势）为失调角 的余弦函数，实际控制中会带来问题。
U2 U2m -180° 0 180° θ
三、力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动 机的配合，两台力矩式自整角机就可进行 角度传递，因而常用以转角指示。其工作 原理如图 ： 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流 电源上，三相整步绕组对应相接。假设三 相整步绕组产生的磁势在空间按正弦规律 分布，磁路不饱和，并忽略电枢反应，那 么在分析时便可用迭加原理。
4 4 F1b 2 Ib Nk N 2INk N cos(1 120 ) Fm cos(1 120 ) 4 4 F1c 2 I c Nk N 2 INk N cos(1 240 ) Fm cos(1 240 )


把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴 分量和交轴分量，励磁绕组为直轴(d轴)，交 轴(q轴)与直轴在空间相差90。 控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量 磁势为 F1d=F1acos1+F1bcos(1-120)+F1ccos(1240) = Fmcos21+Fmcos2(1-120)+Fmcos2(1240) = Fm
～
θ
1
θ
2
接收机 J
发送机 F a
Ia E1a Ia Ia
a
b
Ib
c
b
Ic
c
原理分析： 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流 电流时，产生的是正弦分布的脉振磁场， 与发送机三相整步绕组相交链而感应产 生电动势。如果发送机三相整步绕组的 某相（如A相）与磁励绕组的轴线重合作 为起始位置，那么此时该相的感应电动 势，其有效值为
四、自整角机的应用： 自整角机的应用越来越广泛，常用于位置 和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之中 常用于角度位置、高度的指示，雷达系统中 用于无线定位等等；另一方面常用于远距离 控制系统中，如轧钢机轧辊控制和指示系统、 核反应堆的控制棒指示等等。
炮瞄雷达控制系统应用:
第二节 旋转变压器
一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单 相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子 转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。 二、分类：根据输出的函 数关系的不同，旋转变压 器可分为很多类，其中正 余弦旋转变压器，线性旋 转变压器较为常用。
E = 4.44 f N kNΦm
如果发送机转子的位置角为1，如图所示，那 么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整 步绕组中感应的电势的有效值分别为

E1a = Ecos1
E1b = Ecos(1－120)
E1c = Ecos(1－240)
设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z1， 自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2，为了 便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的 星点连接起来，那么三相整步绕组的回路电流 分别为
（1）当随动系统处于协调位置（即失调角 =0）时，希望输出电压为0，当0时，才有 电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺 服电动机旋转以清除，但如按图工作，在失 调角为0时，自整角变压器输出电压反而最大， 增大，输出电压反而减小，与实际需要相反。 （2）失调角是有方向的，是顺时针还是反时 针是必须明确的，即的正负值是表明方向的， 但上述系统中不管为正还是为负，其输出的 电压都是正的，因为Ecos(-)=Ecos.
三相整步绕组星点连线中的电流为 I0 = Ia+Ib+Ic = Icos1+Icos(-120)+Icos(240) = 0
由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉 振磁通感应产生，那么其合成磁势为空间分 布的脉振磁势。 自整角发送机每相磁势幅值为 4 4 F1a 2 I a Nk N 2 INk N cos 1 Fm cos 1
二、教学时间安排：5学时 三、教学主要内容：
• 第一节 自整角机 • 第二节 旋转变压器
本章重点：力矩式自整角机和控制式自整角机区别 本章难点：自整角机工作原理
四、教学过程：
第一节 自整角机
一、自整角机结构和分类 1.自整角机:是一种对角位移或角速度的偏差 能自动地整步的一种控制电机,即用来实现 自动指示角度和同步传输角度的一类控制电 机。 自整角机必须成对或成组使用. 发送机:产生信号的自整角机，它将轴上的转 角变换为电信号。 接收机:接收信号的自整角机，它将发送机发 送的电信号变换为转轴的转角，从而实现角 度的传输、变换和接收。
角存在而产生的转距下使转子转动，以减 小失调角，换言之，是接收机跟随发送机 旋转。失调角与静态整步转矩T的关系曲 线如图所示，当失调角=1时的静态整步 转矩称比整步转矩，其值愈 大，则系统灵敏度愈高。
T Tm -180° 0 180° θ
自整角机控制系统中，当失调角产生时，
力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系 的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载， 直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不 大，如果机械负载较大，则采用控制式自整 角机系统。 控制式自整角机把失调角转换为正弦关系 的电压输出，经过电压放大器放大后送到交 流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转 动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直 到消除失调角。
A ： 气 隙 磁 场 ΦD 与 输 出 绕 组 Z1Z2 相 交 链 的磁通 ΦZ12=ΦDcos。 B：另一输出绕组Z3Z4 的轴线与磁场轴线 （直轴）的夹角为90-，那么气隙磁场 ΦD与Z3Z4相交链的磁通 ΦZ34=ΦDcos（90-）=ΦDsin， 据上述分析，气隙磁场Φ D在励磁绕组中所 感生的电动势为 ： ED12 = 4.44fNDΦD 相对应的在输出绕组感应的电动势为：
自整角发送机的a相定子绕组线作直轴，其 转子绕组以直轴作起始位置，而把自整角 变压器转子输出绕组放在交轴上，事实上， 把自整角变压器的转子由原来的协调位置 （=0）处旋转90作为起始位置，那么输 出绕组感应电动势
E2 = Em(-90) =Emsin
空载时，输出电压U2=E2，负载时，输出电压 下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载， 则自整角变压器输出电压下降不大。 自整角变压器的输出电压U2随失调角变化的 曲线如图所示。 自整角变压器在协调位置即=0时，输出电压 为0，当=1时输出的电压值叫比电压U0，比 电压越大，控制系统越灵敏。
当失调角越大，自整角接收机产生的整步 转矩越大，转矩的方向是使Ff和F1'靠拢， 即转子往失调角减小的方向旋转，如为空 载，最终会消除失调角，此时，两个力矩 式自整角机的转子转角相等1=2，=12=0，随动系统处于协调位置。但实际上， 由于机械摩擦等原因的影响，使空载时失 调角并不为0，而存在着一个较小的Δ，误 差Δ叫做静态误差，即自整角发送机和接 受机转子停止不转时的失调角。
2.结构： 定子:定子铁芯 定子绕组：星接三相绕组（整步绕组） 转子:转子铁芯：凸极结构，隐极结构 转子绕组：单相励磁绕组，经集电环 和电刷后接励磁电源。 也可定子、转子反装。转子（三相绕组） 定子（单相励磁绕组） 3.分类：按输出量不同可分为力矩式自整角机和 控制式自整角机两种。

二、控制式自整角机工作原理： 1、发送机励磁绕组通电时自整角机的磁 动势： 主令轴安装发送机，从动轴安装接受机， 自整角机工作时，发送机的励磁绕组接 在单相交流电源上，发送机和接收机的 三相整步绕组中，同样相号的引出线接 在一起，F发送机(左边)，J接收机(右边), 把发送机励磁绕组的轴线定为d 轴，与 其垂直的的方向是q 轴，如图所示：
自整角变压器的三相绕组电流就是发送机 绕组电流，对发送机其电流是“流出”的， 对接收机（自整角变压器）其电流是“流 入”的，在接收机整步绕组中产生的磁通 势F1＇与F1大小相等，方向相反，也与1无 关。
Uf ～
θ
1
θ
2
a F1
θ
1
θ E1a Ia θ =θ 1-θ
2
a
1
θ
2
b
Ib
c
b
Ic
θ
1
c F1'
EZ12 = 4.44fNZΦDcos EZ34 = 4.44fNZΦDsin 另外输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为
综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与 交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使两磁 势磁轴线靠拢。 2.力矩自整角机的力矩及方向： 在接收机中，F2与励磁磁势Ff是同轴磁势，故 不会产生力矩，而F1'与Ff轴线的夹角即失调角 =1-2，不同轴的磁势则产生转矩：若把F2作 直轴，那么可把F1'分为直轴分量F1'cos交轴 分量F1'sin，如图所示。直轴分量与Ff同轴不 产生转矩，交轴分量F1'sin则与Ff产生转矩， 此转矩称为整步转矩。若=90时产生的最大 整步转矩为Tm，那接收机所产生的整步转矩可 以表达为 T=Tmsin
自动控制元件框架:
自动控制 元件

执行 元件

伺服 电机
同步式 直线步进电机 直线电机 直线直流电机 异步式 直线交流电机 同步式 步进 永磁式 电机 磁阻式(反应式) 混合式（永磁感应子式）

直流伺服电机 交流伺服电机



异步式

两相 三相

测量 元件
自动控制元件框架（补充）:
测速发电机
测量 元件
E1a E Ia cos1 I cos1 Z1 Z 2 Z1 Z 2
E1b E Ib cos(1 120 ) I cos(1 120 ) Z1 Z 2 Z1 Z 2
E1c E Ic cos(1 240) I cos(1 120) Z1 Z 2 Z1 Z 2