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
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
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
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
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
分 类
发送机 接收机 力矩式
国内 代号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)
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
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
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。
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
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
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 ) 。
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
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
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


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
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
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
3.2.1 控制式自整角机的工作原理
假定：
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

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
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
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