自整角机

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4-6 差动自整角机的结构和运行原理
在随动系统中，有时需要两台发送机来控制同一台接收机，后者可以指 示前二者转子偏转角的和或者差。这种情况下就要使用差动自整角机。 它主要有三种类型：控制式差动发送机，力矩式差动发送机和力矩式差 动接收机 一、 差动自整角机的结构 差动自整角机皆为隐极式结构，与绕线式异步电动机相似。在定、转子 铁心的槽中放置两极、三相分布绕组，并结成星形。转子绕组通过三组 滑环和电刷引出。 二、 差动自整角机的运行原理 系统1： 当要求自整角接收机所指示的角度为两个已知转角之和或差时，可以在 两台力矩式自整角发送机之间接入一台力矩式差动接收机，如图3-18。
sm
相同型号成对的自整角机中，因 采用同一励磁电源，所以直轴磁 通 d 相同。又合成磁势交轴分 量 F1q 和 F2 q，它们大小相等方 向相反。因此可知，这时发送机 和接收机的静态整步转矩大小相 等方向相反。在整步转矩的作用 下，失调角逐渐减小，直至协调 位置。
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4-4 力矩式自整角机的主要技术指标
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2. 控制式自整角机的运行性能 其工作原理图如图3-15，控制式自整角发送机的励磁绕组由单相交流 电源励磁，其三相整步绕组和自整角变压器的整步绕组对应相接。 而自整角变压器的输出常接至 放大器的输入端，放大器的输 出再接伺服电机的控制绕组。 这样，由伺服电机驱动负载转 动，并同时通过减速器带动自 整角变压器转子构成机械反馈 连接。 下面进一步对自整角机系统整步 绕组回路的电势，电流及自整角 变压器的合成磁势和输出电势进 行分析。
由以上分析可知：
1. 发送机和接收机中的直轴磁势分量，交轴磁势分量和合成磁势大小， 与发送机和接收机位置角无关，仅为失调角 的函数。
2. 发送机和接收机整步绕组磁势的直轴分量均为负值，说明为去磁作 用。 3.发送机和接收机整步绕组磁势的直轴分量大小相等，方向相同；交 轴分量大小相等，方向相反。 ４.发送机和接收机整步绕组的合成磁势，当失调角很小时，它的空间 位置几乎和交轴重合，因此式(3-6)中每相等效阻抗应 Z a 是交轴阻抗。 又因合成磁势是脉振磁势，则阻抗 Z a 应为交轴短路阻抗 Z q ，则 (3-6)应 ' 为：
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图4-2 自整角机的装配式结构
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3-2
力矩式自整角机的结构和运行性能
一、力矩式自整角机的结构 •两极凸极结构 •单相绕组－－－激磁绕组－－－集中绕组 •三相绕组－－－整步绕组－－－分布绕组
图3-3 力矩式自整角机的结构图
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3-2
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(三) 转矩 力矩式 自整角机工作在同步回转状态时，作用在轴上的电磁转矩 即为整步转矩，又称为静态整步转矩。 图b表示直轴磁通和产生直轴磁势的线圈，不会有转矩产生。图c表 示交轴磁通和产生交轴磁势的线圈，也不会有转矩产生。图d所示的是 直轴磁通和产生正向交轴磁势的线圈，它们之间作用将使线圈产生反 向转矩。图e表示交轴磁通和产生正向直轴磁势的线圈，将使线圈产生 正向转矩。
E 4.44 fNK wm
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假如发送机与接收机的结构完全一样，励磁电压相同，则各相整 步绕组中所感应的变压器电势有效值为：
发送机和接收机的整步绕组是星型连接的三相对称绕组，各相回 路合成电势为：
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设整步绕组每相等效阻抗为 Z a ，则各相回路电流的有效值为：
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力矩式自整角接收机的指示精度主要取决于失调角很小时的整步转矩 值，通常用发送机和接收机在协调位置附近失调角为1度时所产生的整 步转矩值来衡量，这一指标被称为比整步转矩
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通过以上分析可知，力矩式自整角机在指示状态工作时，失调角很小， 整步转矩主要由交轴磁势与直轴磁通相互作用产生。因此交轴磁势的 存在是产生整步转矩的必要条件。 整步转矩的大小与失调角成正弦函数关系，如图3-8所示。由图可知， 当失调角 90 时，静态整步转矩将有最大值 T 。
1. 比整步转矩 它是指力矩式自整角机系统中，接受机与发送机的失调角为1°时轴上 的输出转矩。在接收机中，它与摩擦力矩的大小决定了静态误差，也 就决定了接收机的精度。 2. 阻尼时间 它是指力矩式接收机与相同电磁性能的标准发送机同步连接后，失调 角为177 °±2°时，力矩式接收机由失调位置稳定到协调位置所需时 间。 3. 零位误差 发送机励磁后，从基准电气零位开始，转子每过60，在理论上整步绕 组中有一组线间电势为零，此位置称作理论电气零位。由于设计工艺 的影响，实际电气零位与理论电气零位有差异，此差值即为零位误差。 4. 静态误差 在自整角机系统静态协调时，接收机与发送机转子转角之差，以角度 表示。
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假如差动接收机的定、转子绕组轴线位置一致，它的定子绕组和第一台 发送机构成自整角发送机和变压器系统；同样，它的转子绕组和第二台 发送机也构成一个自整角发送机和变压器系统。分析可知，第一台发送 机在差动接收机定子绕组回路中产生合成磁势 Fs ，它相对第一台发送 机转子的空间位置角为 11。而第二台发送机在接收机转子绕组中产生 合成磁势 Fr，它与第二台发送机转子的空间位置角为 12 。则差动接收 机中定子合成磁势与转子合成磁势之间的位置角差为：
图3-6 dq磁场和dq轴磁势相互作用产生电磁力
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由于力矩式自整角机是将整步绕组放在定子上，则作用在转子上的转 矩与作用在定子的转矩大小相等而方向相反。因此作用在转子上的整 步转矩可表示为： 失调角很小时：
T K1 (d Fq q Fd )
T K1d Fq
若输出绕组的轴线与直轴脉振磁场方向一致，则直轴脉振磁场在输出绕 组中的感应电势，略去高次谐波，其输出电压U 2为：
U 2 E2 4.44 fN 2 K 2 d 4.44 fN 2 K U 2 m cos
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3 Fm cos 2
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由前式可知，输出电压为失调角的余弦函数，这样当失调角为零时，输 出电压反而最大；此外，当发送机由协调位置向不同方向偏转时，无法 由输出电压来判断转子偏转方向，为了消除这个缺点，在实际使用自整 角变压器时，总是先把转子由协调位置转动90 °电角度，此时输出电 压为：
当磁通与磁势在空间按正弦分布，又随时间呈正弦变化，但两者相位 不同，则上式可写为下式，其中 为磁通与磁势之间时间相位差。

若转矩单位为 N m ，则系数 K1 ，上式又可表述为： 8
T K1 d Fq cos

d Fq cos
T
式中， 的单位为
d
Wb
，
8
Fq 的单位为 A
其中I为绕组各相回路中最大电流的有效值。
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(二) 磁势 由交流电机的基本原理可知，每相，每极对整步绕组基波磁势的幅值 为：
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发送机的直轴磁势分量和交轴磁势分量为：
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合成磁势为：
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力矩式自整角机的结构和运行性能
为了提高自整角机的精度，在结构上采取措施： •整步绕组采用分布短距或同心式不等匝绕组； •适当选取极弧形状和长度，使气隙磁密接近正旋分布； •低的磁通密度； •斜槽； •加交轴阻尼绕组。 二、力矩式自整角机的运行性能
图3-4 力矩式自整角机的工作原理图（指示运行方式）
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U 2 U 2m cos( 90 ) U 2m sin
自整角变压器在协调位置附近，当 失调角为1 °时的输出电压值，称为 比电压 u ，其单位为V /( ) ，则：
u U2m sin1 0.01745 U 2m
比电压值较大，可以提高系统的灵 敏度，同时也直接影响到对伺服电 机放大器的要求。
微特电机
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第三章
3-1 3-2 概 述
自整角机
力矩式自整角机的结构和运行性能
3-3 控制式自整角机的结构、运行原理和 运行分析 3-4 3-5 差动式自整角机的结构、运行原理 自整角机的应用举例
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3-1
概 述
1. 什么是自整角机？ 自整角机是一种感应式的机电测位元件。在随动系统中作角度 的传输、变换和指示。一般成对或多台组合使用。 2. 自整角机的应用举例 3. 自整角机的分类 自整角机按照使用要求的不同可以分为： 力矩式自整角机和控制式自整角机。 力矩式自整角机按照用途可以分为： 控制式自整角机按照用途可以分为三种： • 控制式发送机
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4-5 控制式自整角机的工作原理与运行性能
1. 控制式自整角机的原理 在力矩式自整角系统中，没有力矩的放大作用，因此克服负载所需要 的转矩必须由发送及来施加。当多台接收机并联工作时，每台接收机 的比整步转矩将随接收机台数增多而降低。如有一台接收机意外被卡， 将影响系统中其他接收机工作。 为克服上述缺点，在随动系统中广泛采用了由伺服机构和控制式自整 角机组合的系统。由于具有放大气，这种系统不会受更多机械上的限 制。 控制式自整角发送机： 结构型式与力矩式自整角发送机很相近，为提高电机精度有时也在交 轴位置装设短路绕组，作为补偿绕组。励磁绕组匝数较多，磁密较低。 控制式自整角接收机： 不直接驱动机械负载，而只是输出电压信号，通常称为自整角变压器。 为提高电气精度，降低电气零位电压，自整角变压器均采用隐极式转 子结构，并在转子上装设单相高精度的正弦绕组作为输出绕组。
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简化假定： • • • • 忽略电枢反应； 气隙磁密正旋分布； 磁路不饱和，忽略高次谐波。（可以使用重叠原理和矢量运算） 图中电势、电流的正方向如图。
重要概念： 失调角：a相整步绕组与激磁绕组轴线间的夹角，转子位置角
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(一)整步绕组的电势、电流
以a相整步绕组与激磁绕组轴线一致作为转子的起始位置。此时a相绕 组有最大感应电势，有效值为：
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Hale Waihona Puke 若自整角变压器的整步绕组和发送机的整步绕 组空间位置一致，参看图3-16，其合成磁势空间 位置，可由位置角 和失调角 两者决定，即
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(三) 自整角变压器的输出电压 因自整角变压器整步绕组所产生的直轴磁势 和交轴磁势 ，均为空 间脉振磁势，所以它们将分别产生直轴脉振磁场和交轴脉振磁场，即：
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3. 控制式自整角机的主要技术指标 (一) 电气误差 由于设计、工艺、材料等因素的影响，实际转子转角与理论值是有差异 的，此差值即为电气误差。 (二) 零位电压 它是指控制式自整角机处于电气零位时的输出电压。它由基波分量和谐 波分量组成。它们可能会使伺服电机放大器饱和，并引起伺服电机损耗 增大而发热。 (三) 比电压 它指自整角变压器与发送机处于协调位置附近，失调角为1 °时的输出 电压，其单位为 (四) 输出相位移 它是指控制式自整角机系统中，自整角变压器输出电压的基波分量与励 磁电压的基波分量之间的时间相位差。
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(一) 整步绕组回路的电势、电流 同样，以a相轴线和励磁绕组轴线一致时作为转子起始位置，此时有最 大感应电动势，参看3-3
励磁感应的电动势如式3-4，设等效阻抗为Z后，各相回路电流同式3-5：
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(二) 自整角变压器整步绕组的磁势 因控制式自整角发送机和变压器阻抗相同，所以各相回路电流在时间上 同相位，三相整步绕组的合成磁势为空间脉振磁势。每相，每极对整步 绕组基波磁势的幅值如右： 同样，也可将整步绕组中 三个空间脉振磁势分解为 直轴分量和交轴分量。直 轴即输出绕组的轴线方向， 亦即d轴；交轴为输出绕 组轴线在空间前移90°电 角度方向，亦即q轴。合 成磁势的直轴分量和交轴 分量可由整步绕组各相空 间磁势在直轴和交轴投影 之和来求得
•
• • •
力矩式发送机
力矩式接收机 力矩式差动发送机 力矩式差动接收机
•
•
控制式自整角变压器
控制式差动发送机
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自整角机的应用举例
雷达扫描示意图
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自整角机的应用举例
雷达天线和显示管偏转线圈的随动装置图
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自整角机的应用举例
自整角机作液面指示举例