自整角机与旋转变压器

旋转变压器结构示意图 1—转子轴， 2—外壳，3—分解器定子， 4—分解器定子绕组， 5—变压器一次线圈， 6—变压器转子，7—分解器转子绕组， 8—分解器转子，9—变压器二次线圈， 10—定子线轴
分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正、余弦规 律分布。防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组，因此，当转子旋 转时，转子绕组内产生感应电势随转子偏转角θ 机呈正弦规律变化。
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：输出的函数关系 正余弦旋转变压器 线性旋转变压器
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
U kU s sin 机 或 即：
U kUc cos 机
其中，Us ，Uc 为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k为变压比。
三、正，余弦旋转变压器

D3 D1
D4 θ
Z4
ФD Ф Z12 Ф Z34 θ
UD Z3 D2 Z1 Z2 b
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 Baidu NhomakorabeaNZ。 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。
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
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


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
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
1
c F1'
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。
～
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
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
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)sim(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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
（ 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.
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：