控制电机(第四版) 第5章 自整角机
控制电机(第四版)陈隆昌 阎治安 课后参考答案
第二章1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电精心整理精心整理机转速越高，元件的换向周期越短；eL 正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL 必正比转速的平方，即eL ∝n2。
同样可以证明ea ∝n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。
为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。
自整角机原理和应用
控制电机5 章章第第 5自整角机5.1 自整角机概述5.2 自整角机的基本结构5.3 自整角机的工作原理和基本特点5.5 自整角机的应用举例5.4 自整角机主要性能指标和技术数据5.6 力矩式自整角机本章要求：熟练掌握控制式自整角机的工作原理及其工作特点。
掌握控制式自整角机接收机输出绕组的位置、输出绕组电势与失调角的关系。
掌握力矩式自整角机的工作特点、静态整步转矩与失调角的关系、比整步转矩等。
掌握自整角发送机与接收机成对使用的特点，了解自整角机的应用。
5.1 概概 述述自整角机是自动控制系统中的同步元件。
利用两台或多台自整角机在电路上的联系，可以使相隔一定距离、机械上互不连接的两根或多根转轴保持同步旋转或产生相同的转角变化。
与发送轴（即主动轴）耦合的自整角机称为发送机；与接收轴（即被动轴）耦合的自整角机称为接收机。
21变速器前置放大器信号处理直流放大器可控硅控制线路电源雷达雷达接收器测速发电机直流伺服电动机自整角机发送机手轮αβ功率变换器接收机自整角机按其使用要求不同，可分为控制式自整角机和力矩式自整角机。
控制式自整角接收机输出的是与两轴转角差成一定关系的电压，该电压控制交流伺服电动机去带动被动轴旋转，故能带动较大负载。
由于接收机工作在变压器状态，故通常称为自整角变压器。
力矩式接收机直接输出力矩并带动负载，但带载能力差，只能带动指针、刻度盘等轻负载，常用于角度传输精度要求不很高的指示系统中。
自整角机按结构形式不同可分为接触式和无接触式两大类。
雷达高低角自动显示系统原理图1. 自整角接收机2. 自整角发送机3. 交流伺服电动机4. 放大器5. 刻度盘6. 减速器<U~U j ~123456αβE 2雷达高低角系统是如何进行工作的？思考：自整角机工作录象控制电机θ1 ~U jZ 1 Z 2 D 1 D 2D 3 5.2 自整角机的基本结构自整角机的基本结构定子：铁心，三相对称绕组；接成Y 。
转子：铁心，单相绕组。
第5章-自整角机(力矩式自整角机讲)
失调角也是随动系统中常用术语之一)。 由图 5 - 18 明
显可见δ=90°-γ, 代入式(5 - 11)得
第5章 自整角机
E2=E2max cos(90°-γ)=E2max sinγ
(5 - 12)
上式说明自整角机变压器 (ZKB)的输出电势与失调 角γ的正弦成正比, 其相应曲线形状如图 5 - 21 所示。 图上若在0°<γ<90°的范围内, 失调角γ增加输出电势 E2也增大； 若90°<γ<180° 时, 输出电势E2将随失调 角 γ增大而减小； γ=180°时 , 输出电势E2 又变为零。 但是, 当失调角γ变负时, 输出电势E2的相位将变反。
也就是失调同样的角度所获得的信号电压大, 因此系统
的灵敏度就高。
第5章 自整角机
图 5 - 23 输出电压在γ=0时的切线
第5章 自整角机
5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机
自整角机除了作成对 (ZKF 和 ZKB) 运行外 , 还可在 ZKF 和 ZKB 之间再接入控制式差动发送机即 ZKC 作控 制式运行。 其目的是用来传递两个发送轴的角度和或 角度差。 第 5.2 节已说明差动式自整角机的结构特点: 转子采用隐极式结构, 而且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, 参考图 5 - 9； 定子和普通自整角机完全相同, 属三相对称绕组, 参考图 5 - 7(a)和图 5- 8。
第5章 自整角机
(4) ZKB的输出电势的有效值E2=E2max sinγ, 其中γ叫
失调角。 失调角γ=90°-δ,γ角 是实际ZKB转子绕组轴 线(从Z2′到Z1′方向)偏移(超前)协调位置( 方向)的角 X t 度(取正号)(图 5 - 20 所示)。 协调位置为输出电势等于 零的位置。 在失调角比较小时, U 2=U 2max γ, 这里γ的 单位取弧度(rad)。
控制电机第5章 自整角机
图5 - 18 定子磁场的合成和分解 (Superposition and Decomposition)
Bx B1x B2 x B3x B1 cos1 B2 cos(1 120 ) B3 cos(1 240 )
处的切线近似地代替该曲线，如图5 - 23 所示。这条切线的斜率称为比电 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/(°) 。目前国产自整角变压器的比电压的数值范围为 0.3 ～ 1
V/(°)。由图 5 - 23 可见，比电压大，就是上述的切线的斜率大，也就是 失调同样的角度所获得的信号电压大，因此系统的灵敏度就高。
图 5 - 4 自整角机结构简图
图5 – 5 自整角机定子转子结构形式
图5 - 7 隐极式自整角机的定 子和转子
图5–8 三相对称绕组示意图
力矩式自整角机的应用
图5-3是雷达俯仰角自动显示系统示意图。
E2 k ( ) k
1—自整角接收机（Receiver）； 2—自整角发送机（Transmitter）； 3—交流伺服电动机（AC Serve Motor）； 4—放大器（Amplifier）； 5—刻度盘（Dial）； 6—减速器（Reducer）
B1 Ki1 Bm cos1 sin t B2 Ki2 Bm cos(1 120 ) sin t B Ki B cos( 240 ) sin t 3 3 m 1
B1x B1 cos1 B2 x B2 cos(1 120 ) B B cos( 240 ) 3 1 3x
控制电机 第四版 陈隆昌 阎治安 课后答案
第二章1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B 电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd 中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。
同样可以证明ea∝n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。
为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。
5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图 2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。
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第二章1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。
同样可以证明ea∝n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。
为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。
5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图 2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。
自整角机结构及原理
第二节
力矩式自整角机
力矩式自整角机结构
力矩式自整角发送机和接收机大都采用两极的凸极机 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。选用两极电机是为了保证在 整个圆周范围内只有唯一的转子对应位置，从而达到 准确指示。选用凸极式结构是为了能获得较好的参数 配合关系，以提高运行性能。
送机：主要与力矩式差动发送机、力矩式接收机一起工作，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。 ✓ 力矩式接收机：主要与力矩式发送机、力矩式差动发送机一起工作。其 作用是，接收了力矩式发送机或力矩式差动发送机的电信号后，使其转 子自动地转到对应于发送机转子的位置，或使转于转动的角度对应子发 送机转子和差动发送机转于转角变化的和或差)。目前，我国生产的力矩 式自整角接收机其型号为ZLJ。 ✓ 力矩式差动发送机：串接于力矩式发送机与接收机之间，将发送机的转 子转角及其自身的转子转角之和(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 ✓ 力矩式差动接收机：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)。日前，我国生产 的力矩式差动自整角接收机其型号为ZCJ。
采用控制式自整角机和伺服机构组成的随动系统中，其驱动负载能力取决于系统 中的伺服电动机的容量，故能带动较大的负载。又控制式自整角机组成的闭环系 统，精度较高。
控制式自整角机分类
控制式自整角机按其用途可分为三种： 控制式发送机：主要用来与控制式自整角变压器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 产的控制式自镑角发送机其型号为ZKF。 控制式自整角变压器：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发送来的电 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 的控制式自锭角变压器其型号为ZKB。 控制式差动发送机：串接于控制式发送机与控制式自整角变压器之间， 将发送机转子转角及其自身转子转角的和(或差)变换成电信号送人自整角 变压器。目前，我国生产的控制式差动自整角发送机其型号为ZKC。
自整角机
自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两 台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自 动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特 性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信
号一方所用自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位 置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。
接收机整步绕组的各相感应电势为eecos2婞ecos2120o由于二者转角不同在整步绕组各相绕组中有均衡电流流过它产生脉动磁场在转子上产生电磁转矩mmmsinmm为与自整角机结构有关的最大电磁转矩
自整角机
自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由交流电压变为转角 的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整 角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或 多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地 保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。 在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一 方所用自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和 方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。
目录
1分类 1.1 力矩式自整角机 1.2 控制式自整角机
2应用
1分类
自整角机按用途分为力矩式和控制式(变压器式)两种。力矩式用于同步 指示系统；控制式用作测角元件。[1]
力矩式自整角机
大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式 结构（图1）。定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕 组。三相整步绕组为分布式星形接线,各相轴心线在空间相差120°。转子 绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通过电磁耦合方法 引出接线的为无接触式自整角机，后者无接触摩擦和无线电干扰,但结 构复杂,性能指标和利用率低。用两台相同型号的力矩式自整角机可组 成角度同步指示系统。其中一台为发送机,另一台为接收机（图2）。二 者用同一电源激磁。整步绕组各相对应相接。当主令轴带动发送机转过 角度为θ1，接收机所处位置为θ2角时，发送机整步绕组的各相感应电) Ec=Ecos(θ1+120o) 式中E 为一相绕组中最大感应电势。接收机整步绕组的各相感应电势为 Eá=Ecosθ2 E娔=Ecos(θ2-120o) E婞=Ecos(θ2+120o) 由于二者转角不同，在整步绕组各相绕组中有均衡电流流过，它产生脉 动磁场，在转子上产生电磁转矩M=Mmsin δ(Mm为与自整角机结构有关 的最大电磁转矩；δ=θ1-θ2)，促使接收机转动，直到与发送机转角相同 为止。自整角机电磁转矩较小,一般M=(2.94～108)×10-3牛·厘米/度,只能 带动指针或刻度盘等轻负载。力矩式自整角机可组成差动工作方式。这 时有两台发送机，一台差动式接收机。接收机转角为两台发送机转角的 代数和。在一定条件下一台发送机可带动多台接收机，称为力矩式自整 角机的并联运行。
微特电机参考答案
第二章 伺服电动机与伺服系统（P.47）2-2 若直流伺服电动机的励磁电压下降，对电动机机械特性和调节特性会有哪些影响？ 答：不考虑电机磁路饱和并忽略带负载时电枢反应的影响时，励磁磁通正比于励磁电压，则励磁电压下降将使励磁磁通同步下降。
所以，根据理想空载转速、堵转转矩和机械特性斜率表达式Φ=e a C U n 0、aa T d R U C T Φ=、20tan Φ===T e a d C C R T n k α可知，伴随励磁电压下降，机械特性理想空载转速将变大，堵转转矩将变小，机械特性斜率将变大，特性将变软；同理，根据调节特性和始动电压表达式l T e a e a T C C R C U n 2Φ-Φ=、l T a a T C R U Φ=可知，伴随励磁电压下降，调节特性的斜率和始动电压都将变大。
2-4 为什么两相伺服电动机的转子电阻要设计的相当大？若转子电阻过大，对电机的性能会产生哪些不利影响？答：两相伺服电动机的转子电阻要设计的相当大的原因：1) 可以增大电机调速范围；2) 可以使电机的机械特性更接近线性；3) 可以消除电机自转现象，因为转子电阻足够大时，电动机转子在脉振磁场作用下的合成电磁转矩始终是制动转矩。
若转子电阻过大，会降低起动转矩，并导致机械特性变软；使更多的能量消耗在电阻上，电机发热大，且响应快速性变差。
2-6若已知一台直流伺服电动机的转动惯量J ，如何根据电机的机械特性估算出电机的机电时间常数？ 答：da a T e a T e a m T Jn R U C C JU C C JR 602/60)/(260202πππτ=ΦΦ=Φ=。
可见，已知电动机的转动惯量J 时，再根据机械特性求得n 0和T d 之比即可求得机电时间常数m τ。
2-7 一台直流伺服电动机,其电磁转矩为0.2倍额定电磁转矩时，测得始动电压为4V ，并当电枢电压U a =49V 时，电机转速为1500r/min 。
自动控制元件部分课后题答案
自动控制元件 部分课后题答案第一章 直流伺服电动机1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。
b ：由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决定。
1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？答：a ：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩也不变。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKtRaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。
1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。
试问该电动机额定负载转矩是多少？答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90VEa=Ce Φn, Ce=0.105Cm Cm Φ=0.23836000.10590n 105.0=⨯=⨯Ea T em =T 0 +T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa -T 0 =0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。
答：磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea= Ua- IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=Ce Φn 知Ea↑知n ↑第二章 直流测速发电机2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。
自整角机
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＼ ／ —Ｉ 。 。 一
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１ ． １ 力矩式 白整角机基本结构 。 自整角机 的定 子结构与一般小 型绕线转 子电动机 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 同类 型采用 凸极 式或隐极 Ｗ Ｉ Ｖ ｌ １ Ｗ Ｉ ｖ Ｉ Ｊ 式， 通常采用凸极式 ， 只有在频率较高 而尺 寸又较大时 ， 才采用 隐极 ｌ ｝ 式结构 。 转 子磁极上放置单相或三相励磁绕组 。 转子绕组通过滑环 、 发避帆 接收讥 电刷 装置与外 电路连接 ， 滑环是 由银铜 合金制成 ， 电刷采 用焊银触 图 １ 控 制 式 自整 角机 的接 线 图 点， 以保 证可靠接 触。 １ ． ２力矩 式 自整角机工作原理 。 两 台 自整角机结构完全相 同， 一 并带动可调电位器的滑 动触点 ，使执行机构 的定值 电 玉发生 变化 ， 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 转速也将 随之 升高或 降低 ， 从 而远距离调节执行机构的转速 。 单相交流电源上 ， 定子整步绕组则按相序 对应 连接。当两机的励磁 ２ 控 制 式 自整 角 机 绕组 中通 人单相交流 电流时 ， 在两机 的气 隙中产生脉动磁 场 ， 该磁 ２ ． １ 控制式 自整角机基本结构 。控制式 自整角机 的结构 和力矩 场将 在整 步绕组 中感应 出变压器 电动势 。 当发送机和接收机的转子 式类 似。 只是其接收机和力矩式不同 ， 它不直接驱动机 ６ 戎 负载 ， ＝ 而只 位置 一致 时 ，由于双方 的整 步绕组 回路中的感 应电动势大小相等 ， 是输出 电压信号 ， 其工作情况 如同变压器 ， 因此也称 ； 为 自整角变 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 压器 。它采用隐极式转子结构 ， 并在转子上装设单相 高精度 的正 弦 处于稳定 的平衡位置 。 绕组作为输 出绕组 。图 １为控制式 自整角机的接线 图 如果发送机 的转子从一致位置转一角度 ０时 ， 则在 整步绕组 回 ２ ． ２控制式 自整角机工作原理 。接收机 的转 子绕组已从电源断 路 中将 出现 电动势 ， 从 而引起均衡 电流。此均衡 电流与励磁绕组所 开 ， 它将角度传递 变为电信号输 出 ， 然后通过放 大器甚 控 制 一台伺 建立 的磁场相互作用而产生转矩 ， 使接收机也偏转相 同角度 。 服 电机 。 而且转子轴线位置预先转过 了 ９ ０ ｏ。 如果接 收机转子仍按 １ ． ３力矩 式 自整角机 的特点及应 用。力矩式 自整角机在接收机 图 １的起 始位置 ，则 当发送机 转子从起始位 置逆 时针方 向转 ０角 转子空转 时 ， 有较大的静态误 差 ， 并 且随着负载转 矩或转速 的增高 时 ，转子输 出绕组中感应 的变压器 电动势将为失 调角 ０的余 弦函 而加大 ， 存在振荡现象 ， 当很快 转动发送机时 ， 接收机不能立刻达到 数 ， 当 ＝０ 。 时， 输 出电压为最大 。当 ０增大时 ， 输出电压按余弦规 协调位置 ， 而是 围绕着新 的协调位置作衰减 的振荡。为 了克服这种 律减小 ， 这就给使用带来 不便 ， 因随动系统总希望当失 周角为 ０时 ， 振荡现象 ， 接收机 中均设有阻尼装置 。力矩式 自整 角机能直接达到 输出电压为 ０ ， 只有存在失调角时 ， 才有输 出电压 ， 并 恫 服 电机 运 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 转。 此外 ， 当发送机 由起 始位 置向不 同方 向偏转时 ， 失调角虽有正负 用， 带负载 能力较 差。因此 ， 力矩式 自整角机只适用 于负载很轻限日 之分 ， 但因 Ｃ Ｏ Ｓ ０＝ｃ ｏ ｓ （ － ａ ） ， 输出电压都一样 ， 便无法从 自整角变压 仪 表的指针等） 及精 度要 求不高的开环控制 的随动 系统 中。力矩 式 器的输 出电压来判别发送机转子 的实 际偏转方 向。 为丁消除上述不 自整角机被广泛用作示位器 ： 首先将被指示 的物理量转换成 发送 机 便 ， 将接收机转子预先转过 了 ９ ０ 。， 这样 自整 角变 压 转子绕组输 轴 的转 角 ， 用 指针或刻 度盘作为接 收机 的负载 ， 由于发送 机和接 收 出电压信号为 ： Ｅ＝ ｓ ｉ ｎ ０， 式 中 表示接收机转子绕组感应 电动 机是 同步转动 的， 所 以接收机指 针准确地反应 了发送机所转过 的角 势最大值 。 该 电压经放大器放大后 ， 接到伺服 电机 的控 割绕组 ， 使伺 度。 如果把角位移换算成线位移 ， 就可知道液面 的高度 ， 实 现了远距 服 电机转动。伺服 电机一方 面拖 动负 载 ， 另一方面在机械上也与 自 离液面位置 的传递 。这种示位器不仅可 以指示液 面的位置 ， 也可 以 整角变压器转 子相连 ， 这样就可 以使得 负载跟随发送， 叽偏 转 ， 直到 用来指 示阀 门的位 置 ， 电梯 和矿井提升机位 置 、 变压器分接 开关位 负载的角度与发送机偏转 的角度相等为止。 置等。 ２ ． ３控制式 自整角机 的特点及应用 。控制式 自整角机 只输 出信 此外 ，力矩 式 自整角机还 可以作为调 节执行机 构转速 的定值 号 ， 负载能力取决于 系统 中的伺服 电机及放 大器的功率 ， 它 的系统 器 。由力矩式 自整角机的发送 机和接收机组成随动系统 ， 将接收机 结构 比较复杂 ， 需要伺服 电机 、 放 大器 、 减速 齿轮等设 蚤， 因此适 用 安装在执行 机构中 ，通过它 带动可调 电位 器的滑动 触点或其他 触 于精度较高 、 负载较大 的伺服系统 。 点， 而发送机可装设在远距离的操纵盘上 。可调 电位器 的一个定 点 参 考 文献 与滑动触点 之间的电压便作为执行 机构的定 值 ， 再 经过放 大器放 大 『 １ １ 杨 宗豹 ． 电机 及 拖 动 基 础ｆ Ｍ１ ． 北京： 冶金 工 业 出版 社 ２ ０ ０ ３ ． 后 用来 调节执行机构 的转速 。当需要改 变执 行机构的转速时 ， 只需 【 ２ 】 许晓峰 ． 电机及拖 动基础【 Ｍ ］ ． 北京 ： 高等教 育出版社 ， ２ ０ ￣ ０ ０ ． 要 调整操纵 盘上发送机转子 的位置角 ， 接收机转子就 自动跟 随偏转
微特电机第五章 自整角机
sin
2
2IWk
w
sin
1
2
2
120 sin
2
F1d F1ad F1bd F1cd
发送机整步绕组磁势
F1a cos1 F1b cos 1 120 F1c cos 1 120
3 4
4
2IWkw 1 cos
5.自整角机
ห้องสมุดไป่ตู้
3 4
Fm
1
cos
F1q
F1aq
F1bq
F1cq
3 4
5.自整角机
Ea
E2 A
E1A
2E sin 1
2
2
sin
2
Eb
E2 B
E1B
2
E
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2
2
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2
2
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sin
2
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Ea 2Z
E sin 1 Z
2 2
sin 2
I sin
1
2 2
sin
2
I
b
Eb 2Z
I
sin 1
2 2
绕组： 单相(励磁绕组)和 三相绕组(整步绕 组)
5.自整角机
力矩式自整角机 一、结构特点
a)转子凸极式
b)定子凸极式
c) 隐极式
5.自整角机
二、力矩式自整角机工作原理（以转子凸极式为例 讨论）
定义a相整步绕组和 励磁绕组轴线间的 夹角为转子位置角
1和 2 分别为发送
机和接收机的转子 位置角。
1 1 失调角
05自整角机(第5章)00
令 E = 4.44fWDm ，则 E1 = E cos1 o E2 = Ecos (1 +120 ) o E3 = E cos (1 +240 )
D1
1
Z2
D2
激磁磁通对 定子绕组的匝链
控制电机
由于发送机定子和接收机定子相互连 接，这些电势必定在定子绕组中产生电流。
~Uj 1 Z1 E0 2 Z’2
I1 = I cos1 I2 = I cos (1 +120 ) I3 = I cos (1 +240 )
o o
Z2 D1
Z’1
I1
D3
D’1
思考：
定子电流表 达式如何得来？
D2
I2
D’2
I3
控制电机
三、定子绕组电流产生的磁场
定子绕组流过电流时，也要产生磁场。 由于三相对称绕组中产生的电流是同相的 （为什么？），因此，定子三相电流产生 的合成磁场是脉振的，但其脉振磁场的幅 D 轴线 值在空间的什么位置？
控制式自整角机的工作原理小结：
1 发送机激磁磁场是一个脉振磁场，它在 发送机定子绕组中感应出变压器电势。 2 发送机定子绕组各相的感应电势，在时 间上是同相的，其有效值与定、转子的相对 位置有关。 3 发送机、接收机定子的三相绕组是对应 连接的，在发送机定子绕组感应电势作用下， 两绕组中的相电流大小相等、方向相反。
控制电机
第 5 章 自 整 角 机
中国矿大信电学院
第5章
5.1 自整角机概述
自整角机
5.2 自整角机的基本结构 5.3 自整角机的工作原理和基本特点 5.4 自整角机主要性能指标和技术数据
5.5 自整角机的应用举例
5.6 力矩式自整角机
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图 5 - 10 所示的是自整角机的基本结构。 由于这 种自整角机的定、 转子都装在一个机壳里， 故也称为 整体式结构。 为了表示内部结构， 本图拆开画出。 还 有一种分装式结构的自整角机， 也就是定、 转子是分 开的， 它们分别是在现场安装固定。 分装式自整角机 的结构特点是电机外径较大、 轴向长度较短， 呈环状 而非筒柱状。 这种分装式结构习惯上不直接将转子装 在轴上， 而是内孔较大， 以便在现场与转轴装配。 但 是， 无论是整体式或是分装式， 也无论是隐极转子或 是凸极转子， 它们的工作原理都是一致的。
三根悬空线。
图 5 - 8 三相对称绕组示意图
自整角机的转子型式有隐极式和凸极式两种结构。 通常“ZKB”和“ZKC”采用隐极式转子， 而“ZLF” 和“ZLJ”及“ZKF”则采用凸极式转子。 图 5 - 7(b)为 控制式自整角机变压器(ZKB)的转子结构图， 它仅有 一个绕组， 称为自整角机的转子绕组； 图 5 - 9 所示 是差动式自整角机的转子结构， 该电机转子绕组也有 三相星接的对称绕组。 为了使转子绕组与外电路相联 接， 在转子上装有集电环和电刷装置， 集电环(或叫 滑环)就是安装在轴(图上右端处)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 带有控制式差动发送机的控制式自整角机 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 思考题与习题
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(下一 章讲)、 微型同步器、 编码器等七类。 自整角机若按 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。 而前两种是自整角机的最常用运 行方式。
图 5 - 9 差动式自整角机的转子结构
当然两个(或三个)滑环之间， 以及转轴和滑环之间都 应绝缘。 单相(或三相)转子绕组的两个(或三个)引线端 分别焊接在两个(或三个)滑环上。 电刷和滑环摩擦接触， 通过电刷滑环将转子绕组出线端可靠地引接到接线板上， 图 5 - 4 中的Z1和 Z2就是接线板上的转子绕组的出线端。 实际的接线板如图5-10中的第 9 号零件。
120°， 这种绕组就称之为三相对称绕组。 三相对称 绕组可用图 5 -8 的示意图来简单解释。 设每相绕组集 中成一个线圈， 该线圈首、 末端用D1-D4表示， 另两 个线圈的首末端也就分别用D2-D5 和 D3-D6表示。
为构成星形联接， 将D4, D5, D6短接在一起， 首端
D1, Ｄ2, D3则引出(到接线板)， 如图 5 - 7 中的定子上的
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)； 而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)。 前述电机定子三相绕组为 Y形接法， 引出端符号分别为D1, D2, D3， 转子单相绕 组引出端用Z1和Z2表示， 如图 5 - 1
图 5 - 1 自整角机电路图
图 5 - 2 差动式自整角机电路图
有时力矩式自整角机还用到差动发送机(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”)； 而差动接收 机是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)。 有关详情见 5.5 节。
图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图
5.2 自整角机的基本结构
自整角机的结构和一般旋转电机相似， 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。 定子和转子也分别有 各自的电磁部分和机械部分。 自整角机的结构简图如 图 5 - 4 所示。 定子铁心是由冲有若干槽数的簿硅钢片 叠压而成， 图 5 - 5 表示定子铁心冲片。 图 5 - 6 表示 转子(有隐极和凸极两种)剖视图。 定子铁心槽内布置 有三相对称绕组， 转子铁心上布置有单相绕组(差动式 自整角机为三相绕组)。
有时控制式自整角机还用到控制式差动发送机(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D1、 D2、 D3和Z1、 Z2、 Z3表示， 如图 5-2 所示。
图 5 - 4 自整角机结构简图
图 5 - 5 定子铁心冲片
图 5 – 6 自整角机转子
图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子
隐极式自整角机的定子和转子示意图如图 5 - 7 所 示， 其中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
控制式自整角机的功用是作为角度和位置的检测 元件， 它可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， 而且精密程度较高， 误差范围 仅有3′～14′。 因此，控制式自整角机用于精密的闭环 控制的伺服系统中是很适宜的。
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， 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。