自整角机
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第5章 自整角机
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。
第5章 自整角机
图 5 - 1 自整角机电路图
第5章 自整角机
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。
第5章 自整角机
过电流：
ห้องสมุดไป่ตู้i f I fm sin t
(5 - 1)
第5章 自整角机
图 5 - 12 隐极转子励磁磁场分布
第5章 自整角机
图 5 - 13 隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线
第5章 自整角机
图 5 - 14 励磁电流和磁通密度分布曲线
第5章 自整角机
单相基波脉振磁场(或磁密)的物理意义可归纳为如 下两点：
第5章 自整角机
图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图
第5章 自整角机
5.3.1 转子励磁绕组产生的脉振磁场及其作用
单相绕组通过单相交流电流， 在电机内部就会产 生一个脉振磁场， 这是一般交流电机的共性问题。
在这里结合自整角机的励磁磁场进行分析和讨论。
ZKF转子励磁绕组接通单相电压 U1后， 励磁绕组将流
第5章 自整角机
图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子
第5章 自整角机
5.3 控制式自整角机的工作原理
据前述， 自动控制系统中的自整角机运行时必须 是两个或两个以上组合使用。 以下我们以控制式自整 角机“ZKF”和“ZKB”成对运行为例来分析其工作原 理。 图 5 - 11 为它的工作原理电路图。 图中左边为自 整角机发送机(ZKF)， 右边为自整角机变压器(ZKB)。 ZKF和ZKB的定子绕组引线端D1, D2, D3和D′1, D′2, D′3 对应联接， 被称为同步绕组或整步绕组。
第5章 自整角机
ZKF的转子绕组Z1, Z2端接交流电压Uj产生励磁磁通密 度， 故称之为励磁绕组； ZKB的转子绕组通过Z′1, Z′2 端输出感应电势， 故被称之为输出绕组。 图 5 - 11 的 自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件 下可以输出电势? 为便于分析起见， ZKF的转子单相 绕 组 轴 线 相 对 定 子 D1 相 绕 组 轴 线 的 夹 角 用 θ1 表 示 ， ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D′1相绕组轴线的 夹角用θ2表示， 而且设图中的θ2>θ1。 以下通过分析 ZKF的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就 能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理。
第5章 自整角机
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。
向的空间弧度值。
第5章 自整角机
图 5 - 16 定子绕组中的电流
第5章 自整角机
由于发送机转子磁密轴线在空间的位置不变, 且其长 度(即模值)是时间的正弦(或余弦)函数, 故发送机定子合 成磁场也是一个脉振磁场。
脉振磁场可以分解为两个大小相同、方向相反的圆 形旋转磁场，分别在定子绕组中产生两组三相对称的感 应电动势，从而在接收机定子产生同样的两组三相对称 电压 （发送机和接收机定子绕组中点电位相同，都为 零）。发送机和接收机各对应相的定子电流大小相等、 方向相反。
第5章 自整角机
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
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。
第5章 自整角机
图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图
(1) 对某瞬时来说， 磁场的大小沿定子内圆周长方 向作余弦(或正弦)分布；
(2) 对气隙中某一点而言， 磁场的大小随时间作 正弦(或余弦)变化(或脉动)。若把符合上述特点的单相 脉振磁场写成瞬时值表达式， 则
bp1 =Bm1sinωt cosX
(5 - 2)
式中, bp1 为基波每相磁密瞬时值； Bm1 为基波 每相电流达最大值时产生的磁密幅值； X为沿周长方
接收机定子绕组产生的磁场必然也是脉振磁场，磁 场轴线方向与发送机的相反。接收机转子绕组感应电动 势与其转角有关。
第5章 自整角机
5.3.2 ZKB转子输出绕组的电势
若ZKF的转子绕组轴线与定子D1相绕组轴线空间夹 角为θ1时, 励磁磁通在D1相绕组中感应的变压器电势为： E1=E cosθ1(由式(5 - 4)得)。 同理, 当ZKB的定子合成磁 场的轴线与输出绕组轴线空间夹角为δ=θ2-θ1时, 合成磁 场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为
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。
第5章 自整角机
图 5 - 1 自整角机电路图
第5章 自整角机
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。
第5章 自整角机
过电流：
ห้องสมุดไป่ตู้i f I fm sin t
(5 - 1)
第5章 自整角机
图 5 - 12 隐极转子励磁磁场分布
第5章 自整角机
图 5 - 13 隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线
第5章 自整角机
图 5 - 14 励磁电流和磁通密度分布曲线
第5章 自整角机
单相基波脉振磁场(或磁密)的物理意义可归纳为如 下两点：
第5章 自整角机
图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图
第5章 自整角机
5.3.1 转子励磁绕组产生的脉振磁场及其作用
单相绕组通过单相交流电流， 在电机内部就会产 生一个脉振磁场， 这是一般交流电机的共性问题。
在这里结合自整角机的励磁磁场进行分析和讨论。
ZKF转子励磁绕组接通单相电压 U1后， 励磁绕组将流
第5章 自整角机
图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子
第5章 自整角机
5.3 控制式自整角机的工作原理
据前述， 自动控制系统中的自整角机运行时必须 是两个或两个以上组合使用。 以下我们以控制式自整 角机“ZKF”和“ZKB”成对运行为例来分析其工作原 理。 图 5 - 11 为它的工作原理电路图。 图中左边为自 整角机发送机(ZKF)， 右边为自整角机变压器(ZKB)。 ZKF和ZKB的定子绕组引线端D1, D2, D3和D′1, D′2, D′3 对应联接， 被称为同步绕组或整步绕组。
第5章 自整角机
ZKF的转子绕组Z1, Z2端接交流电压Uj产生励磁磁通密 度， 故称之为励磁绕组； ZKB的转子绕组通过Z′1, Z′2 端输出感应电势， 故被称之为输出绕组。 图 5 - 11 的 自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件 下可以输出电势? 为便于分析起见， ZKF的转子单相 绕 组 轴 线 相 对 定 子 D1 相 绕 组 轴 线 的 夹 角 用 θ1 表 示 ， ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D′1相绕组轴线的 夹角用θ2表示， 而且设图中的θ2>θ1。 以下通过分析 ZKF的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就 能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理。
第5章 自整角机
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。
向的空间弧度值。
第5章 自整角机
图 5 - 16 定子绕组中的电流
第5章 自整角机
由于发送机转子磁密轴线在空间的位置不变, 且其长 度(即模值)是时间的正弦(或余弦)函数, 故发送机定子合 成磁场也是一个脉振磁场。
脉振磁场可以分解为两个大小相同、方向相反的圆 形旋转磁场，分别在定子绕组中产生两组三相对称的感 应电动势，从而在接收机定子产生同样的两组三相对称 电压 （发送机和接收机定子绕组中点电位相同，都为 零）。发送机和接收机各对应相的定子电流大小相等、 方向相反。
第5章 自整角机
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
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。
第5章 自整角机
图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图
(1) 对某瞬时来说， 磁场的大小沿定子内圆周长方 向作余弦(或正弦)分布；
(2) 对气隙中某一点而言， 磁场的大小随时间作 正弦(或余弦)变化(或脉动)。若把符合上述特点的单相 脉振磁场写成瞬时值表达式， 则
bp1 =Bm1sinωt cosX
(5 - 2)
式中, bp1 为基波每相磁密瞬时值； Bm1 为基波 每相电流达最大值时产生的磁密幅值； X为沿周长方
接收机定子绕组产生的磁场必然也是脉振磁场，磁 场轴线方向与发送机的相反。接收机转子绕组感应电动 势与其转角有关。
第5章 自整角机
5.3.2 ZKB转子输出绕组的电势
若ZKF的转子绕组轴线与定子D1相绕组轴线空间夹 角为θ1时, 励磁磁通在D1相绕组中感应的变压器电势为： E1=E cosθ1(由式(5 - 4)得)。 同理, 当ZKB的定子合成磁 场的轴线与输出绕组轴线空间夹角为δ=θ2-θ1时, 合成磁 场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为