第六章 自整角机

6.1.2自整角机的结构
自整角机大都采用两极凸极或隐极结构
(a)转子凸极结构
( b)定子凸极结构
(c)隐极式结构
图6-1自整角机定、转子结构搭配
6.1.2自整角机的结构
图6-2自整角机的结构简图 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
6.2 控制式自整角机的工作原理
分 类
发送机 接收机 力矩式
国内 代号
ZLF ZLJ
国际 代号
TX TR
功 用
将转子转角变换成电信号输出 接收力矩发送机的电信号，变换成转子的机 械能输出 串接于力矩发送机与接收机之间，将发送机 转角及自身转角的和(或差)转变为电信号,输 送到接收机 串接于两个力矩发送机之间，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)
6.3控制式自整角机的差动运行
在随动系统中，有时需要传递两个转轴的角度和或者角度差，这就要在上述
控制式自整角机对ZKF和ZKB之间串入一台差动发送机ZKC，作差动运行 。
图6-10带有ZKC的控制式自整角机原理图
6.3.1工作原理
在图6-10中 ZKB输出绕组轴线与其 S1 相轴线相互垂直，ZKF转轴输入 1 ZKC转轴输入 2
出现的端电压叫零位电压一般
有50～180 mV的残余电压。
6.4.2控制式自整角机的主要技术指标
3．比电压U θ ZKB在协调位置附近单位失调角（取 1）时的输出电压称为比电压U θ 比电压大同样大小的失调角所获得的信号电压也大，因此系统的灵敏度高 4．输出相位移 输出相位移是指ZKB输出电压的基波分量对ZKF励磁电压基波分量 的时间相位差。目前，国产ZKB的输出相位移为2°～20°。 5．速度误差 Δ v 当转子转速较高时产生一定的速度误差 Δ v 转速越高，速度电动势越大，速度误差 Δ v 也越大
送轴角度和的传送。
6.3.2控制式差动发送机的应用
图6-11火炮相对于罗盘方位角的控制原理图 上述系统中尽管舰艇的航向不断变化，但火炮始终能自动对准某一目标。
6.4 控制式自整角机的性能指标
6.4.1误差概述
当控制式自整角机的失调角很小时，ZKB的输出电压为
U 2 E 2 E 2max
图6-6定子磁场的分解与合成 x轴方向总磁通密度为
Bx B1x B2 x B3 x B1 cos1 B2 cos( 1 120 ) B3 cos( 1 120 )
Bx Bm cos2 1 cos2 (1 120 ) cos2 (1 120 ) sin t


6.2.1发送机ZKF的定子磁场
利用三角公式 cos2

3 cos 1 cos (1 120 ) cos (1 120 ) 2
2 2 2
1 cos(2 ) 2

3 B x Bm sin t 2
同理得y轴方向总磁通密度为
B y B1 y B2 y B3 y B1 sin 1 B2 sin(1 120 ) B3 sin(1 120 ) Bm sin(21 ) sin 2(1 120 ) sin 2(1 120 ) sin t 2
则ZKC转子绕组产生的磁场 B 必定与转子绕组 R C1 的夹角为180 (1 2 )
因ZKC转子三相绕组和ZKB定子三相绕组对应连接，所以它们对应相的 电流大小相等、方向相反，该电流在ZKB定子绕组中产生的磁场 B 与 S1

相轴线的夹角为 (1 2 ) 。
大小相等、方向相反。
(3) 在自整角机控制式运行时，将ZKB起始协调位置规定为与 S1绕组轴线
垂直的位置，协调时输出电动势 E2 0 。输出绕组轴线相对协调位置
的转角 称为失调角。
(4) 输出绕组的电压为 U 2 E2 max sin ，在失调角很小时， U 2 E2max ， 当出现失调 时，自整角机输出电压经放大后带动伺服机转动直至失 调 角 为零。
在ZKB输出绕组中感应电动势为
E 2 E 2max cos 90 (1 2 ) E 2max sin(1 2 )
该电动势经放大器放大后，加到交流伺服电动机的控制绕组，交流伺服电动 机就带动ZKB按顺时针方向转动至输出电动势E2 0


实现了两发送轴角度差的传递。如ZKC按逆时针方向转 2 ，可实现两发
3.2.1 控制式自整角机的工作原理
假定：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1. 电机磁路不饱和；
3. 气隙磁密为空间的正弦函数；
2. 励磁电压为时间的正弦函数；
4. 发送机与接收机为完全相同的两台电机。
6.2.1发送机ZKF的定子磁场
当ZKF的励磁绕组接交流电源励磁后，便
产生一个在其轴线上脉振的磁场B f ，
该脉振磁场的磁通在定子各相绕组中感应 电势
E 2 E 2 max cos
若将转子由原先规定的起始协调位置转
过90°电角度
E2 E2 max cos( 90 ) E2 max sin
上式表明ZKB输出电动势与失调角 的正弦成正比 因失调角一般很小，可近似认为 sin
则ZKB的输出电压为
U 2 E2 E2 max
6.2.1发送机ZKF的定子磁场
B1x B1 cos 1 B1 y B1 sin 1 B2 x B2 cos( 1 120 ) B2 y B2 sin(1 120 ) B3 x B3 cos( 1 120 ) B3 y B3 sin( 1 120 )
图6-8 控制式自整角机的协 调位置
6.2.3 ZKB的输出电动势
图6-9ZKB的输出电动势
6.2.4小结
综合以上分析将控制式自整角机的工作原理归纳如下：
(1) ZKF励磁磁场是脉振磁场，ZKF定子各相绕组的感应电动势在时间上
同相位，其有效值与定、转子的相对位置有关。 (2) 在ZKF定子绕组感应电动势作用下，两自整角机绕组中的相电流总是
1 m cos1
2 m (cos1 120 ) 3 m (cos1 120 )
E1 E cos1 E 2 E (cos1 120 ) E3 E (cos1 120 )
图6-5控制式自整角机的工作原理图
6.2.1发送机ZKF的定子磁场
在ZKF与ZKB的整步绕组回路中产生电流 E E cos1 I1 1 I cos1 Z Z E2 E cos( 1 120 ) I2 I cos( 1 120 ) Z Z E3 E cos( 1 120 ) I3 I cos( 1 120 ) Z Z ， Z为ZKF相绕组的阻抗ZF、ZKB相绕组的阻抗ZB和连接线的阻抗ZL之和
6.2.2接收机ZKB的定子磁场
因ZKB的三相绕组与ZKF的三相绕组中流过的是同一
电流，故ZKB的定子合成磁场也是脉振磁场，其大小与ZKF 的定子合成磁场相等、轴线与相绕组轴线的夹角也为 1 ，但 由于电流方向相反，所以合成磁场 B 的方向与 B 的方向相 反，如图6-7所示。 很明显，ZKB的定子绕组为原边，转子单相绕组为副边。 由于ZKB的副边输出绕组轴线与定子相绕组轴线的夹角
在协调位置时 0
U2 0
实际上由于结构和工艺上的各种因素，
即使在协调位置，输出绕组中仍存在电压 U 2
图6-12输出电压相量图 第一个分量 U 2 称为同相分量，引起转角随动误差
第二个分量 U 2 称为正交分量，使系统工作恶化
U 2 分解成二个分量
6.4.2控制式自整角机的主要技术指标
差动发送机
ZCF
TDX
差动接收机
ZCJ
TDR
发送机
变压器 控制式 差动发送机
ZKF
ZKB
CX
CT
同力矩发送机
接收控制式发送机的信号，变换成与失调角 呈正弦关系的电信号 串接于发送机与变压器之间，将发送机转角 及其自身转角的和(或差)转变为电信号，输 送到变压器
ZKC
CDX
6.1.1自整角机的功能与分类


By 0
3 B Bx By Bm sin t 2
6.2.1发送机ZKF的定子磁场
由上面的分析结果，可得出结论：
（1）定子合成磁场仍为脉振磁场； (2) 合成磁场总是位于励磁绕组轴线上，即与励磁磁场在同一 轴线上,其幅值为
3 Bm ； 2
(3) 合成磁场磁通密度的幅值为，合成磁场空间位置不变，磁 场大小为时间的函数，所以定子合成磁场仍为脉振磁场。
1．电气误差 Δ e
静态时由U 2 所引起的误差称为ZKB的电气误差
Δ e
Δ m Δ m 2
2．零位电压 U 0 接收机转子与发送机转 子处于协调位置时输出绕组
控制式自整角机的零位电压
电压等 级/V 20 36 115 110 频率 /HZ 400 400 400 50 零位电压/mV 发送机 50 70 150 180 变压器 70 80 100 150
Z ZF ZB ZL
E I Z
为相电流幅值
定子三相电流在时间上同相位，各自在自己的相轴上产生一个脉振磁场，磁 场的幅值正比于各相电流，即 Bm K 2 I
，于是三个脉振磁场可分别写成
B1 Bm cos1 sin t B2 Bm cos( 1 120 ) sin t B3 Bm cos( 1 120 ) sin t
于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中
用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的 两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多 台组合使用。
6.1.1自整角机的功能与分类
根据在系统中的作用不同自整角机可分为控制式和力矩 式两大类 。
6.1.1自整角机的功能与分类
自整角机的分类与功用
在自动控制系统中，广泛采用控制式自整角机与伺服 机构组成的组合系统。ZKF为控制式自整角机的发送机， ZKB为控制式自整角机的接收机，也称为自整角变压器， ZKF和ZKB的整步绕组对应联接。ZKB的转子绕组向外输出
电压，该电压通常是接到放大器的输入端，经放大后再加到
伺服电动机的控制绕组，来驱动负载转动。同时伺服电动机 还经过减速装置带动ZKB的转子随同负载一起转动，使失调 角减小，ZKB的输出电压随之减小。当达到协调位置时， ZKB的输出电压为零，伺服电动机停止转动。
力矩式自整角机本身不能放大力矩，要带动接收机轴上的机械负载，
必须由自整角机一方的驱动装置供给转矩。力矩式自整角机系统为开环 系统，用在角度传输精度要求不高的系统，如远距离指示液面的高度、
阀门的开度、电梯和矿井提升机的位置、变压器的分接开关位置等。
控制式自整角机接收机的转轴不直接带动负载，即没有力矩输出， 当发送机和接收机转子之间存在角度差（即失调角）时，接收机将输出 与失调角呈正弦函数规律的电压，将此电压加给伺服放大器，用放大后 的电压来控制伺服电动机，再驱动负载。由于接收机是工作在变压器状 态，通常称其为自整角变压器。控制式自整角机系统为闭环系统，它应 用于负载较大及精度要求高的随动系统。
第6章 自整角机
6.1 概述 6.2 控制式自整角机的工作原理 6.3控制式自整角机的差动运行 6.4 控制式自整角机的性能指标
6.5 力矩式自整角机
6.6 直线自整角机 6.7 自整角机的选择和使用
6.1 概述
自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变 换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。它可以用

为 2 ，所以定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角
为(1 2 ) ，也就是发送轴与接收轴的转角差 。
图6-7 自整角机定、转子磁场关系
6.2.3 ZKB的输出电动势
当ZKB定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角 1 2 时，合 成磁场在输出绕组中感应电动势的有效值为