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，且精密程度较高，误差范围为 3′∼14′。因此，控制式自整角机用于较精密的闭环控 制的伺服系统中。
第5章 自整角机
自整角机的应用举例
雷达俯仰角自动显示系统
液面位置指示器
1-浮子 ；2-平衡锤；3-滑轮 4-变速器；5-发送机；6-接收机
自整角机气隙各点磁密总是与产生它的电流大小成正 比；电机内部磁通密度某瞬时分布曲线中各点大小也
与电流瞬时值大小成正比，即磁密空间矢量的长度 （即模值）正比于电流的瞬时值大小。
⎪⎨⎧BB12
= =
Ki1 Ki2
= =
Bm cosθ1 sin ωt Bm cos(θ1 +120°)
sin
ωt
⎪⎩B3 = Ki3 = Bm cos(θ1 + 240°) sin ωt
K为比例常数，Bm= 2 KI。
第5章 自整角机
定子电流产生的磁场
综上，定子绕组各相电流均产生两极的脉振磁场，该 磁场的幅值位置就在各相绕组的轴线上，脉振磁通的 交变频率等于定子绕组电流的频率（即电网频率）， 并且各相脉振磁场在时间上是同相位的，但各相脉振
发送机 ZKF CX 同力矩发送机
控 制
变压器
ZKB
CT
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
式 差动发 ZK CD 串接于发送机与变压器之间，将发送机转角及其自
送机 C X 身转角的和（或差）转变为电信号，输送到变压器
第5章 自整角机
自整角机的用途
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， 故接收误差稍大，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。
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定子绕组的感应电流
由于定子三相绕组是对称的，D2相绕组超前D1相绕 组 120°，D3相超前D1相绕组240°，所以分别和Bf轴
线的夹角为(θ1+120°)、(θ1+240°)，则三相定子绕组
所匝链励磁磁通的幅值应为
⎪⎨⎧ΦΦ12
=Φm =Φm
cosθ1 cos(θ1
+
120°)
考虑定子绕组三相电流在时间上是同相位的，则三相 电流的瞬时值
⎪⎪⎨⎧ii12
= =
2I cosθ1 sin ωt 2I cos(θ1 +120°) sin ωt
⎪⎪⎩i3 = 2I cos(θ1 + 240°) sin ωt
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定子电流产生的磁场
定子每相脉振磁场的振幅位置在该相绕组轴线上，每 相脉振磁场可以用磁密空间矢量 B&1、B&2 、B&3 表示。
中线没有电流，因此不必接中线。
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定子电流产生的磁场
自整角机发送机三相定子绕组中流过的电流 I&1、I&2、I&3 共同产生一个定子合成磁场。
实际的旋转电机（含自整角机）应为分布绕组, 并非 每相只一个线圈。
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定子电流产生的磁场
定子每相绕组感生电流所产生的磁场也是一个空间上 作余（或正）弦分布、时间上作正（或余）弦脉动的 两极脉振磁场；
: 缺点：结构复杂，电气性能指标较差。
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5.3 控制式自整角机的工作原理
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；
ZKF的转子绕组Z1、 Z2端接交流电压Uf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。
⎪⎩Φ3 = Φm cos(θ1 + 240°)
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定子绕组的感应电流
线圈中的交变磁通必然在定子三相绕组中感应产生 电势，为变压器电势。
自整角机定子绕组中各相变压器电势的有效值为
⎪⎨⎧EE12
= =
4.44 4.44
fWsΦ1 fWsΦ 2
= E cosθ1 = E cos(θ1
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转子励磁绕组产生的脉振磁场
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。
ZKF转子励磁绕组接通单相电压 U&f 后， 励磁绕组将
流过电流： if = Ifm sin ωt
它将产生交变磁通。 励磁磁场为两极磁场，其
轴线就是励磁绕组的轴线。
¾ 定子铁心由冲有若干槽数的薄硅钢片叠压而成， 且铁心槽内布置有三相对称绕组；
¾ 转子铁心上布置有单相绕组（差动式自整角机为
三相绕组）。
a)转子凸极结构 b)定子凸极结构 c)隐极式结构
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自整角机的基本结构——定子
¾ 沿定子内圆各槽内均匀分布有三个（也可称为三相） 排列规律相同的绕组，每相绕组的匝数相等，线径和 绕组形式均相同，三相空间位置依次落后 120°，这种 绕组就称之为三相对称绕组。
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自整角机的类型
自整角机的定子三相绕组为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。
自整角机电路图
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自整角机的类型
差动发送机（国内、国际代号分别为ZCF、TDX） 和差动接收机（代号分别为ZCJ、TDR）
差动发送机串接于“ZLF”和“ZLJ”之间，是 将发送机（即“ZLF”)转角及自身转角的和 （或差）转变为电信号，输至接收机（即 “ZLJ”)；
¾ 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；
¾ 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）。
单相脉振磁场的瞬时值表达式
bp1= Bm1sinωt cosX
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为沿周长方向的空间
ZZ
=
I
cos(θ1
+120o )
⎪
⎪ ⎪⎩
I
3
=
E3 ZZ
=
E cos(θ1 + 240o )
ZZ
=
I
cos(θ1
+ 240o )
式中，I = E/ZZ为励磁磁通轴线和定子绕组轴线重合 时定子某相电流的有效值， 每相的最大电流有效值。
IO′O = Icosθ1+ Icos(θ1+120°)+ Icos(θ1+240°) = 0，表明
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转子励磁绕组产生的脉振磁场
隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线
转子励磁绕组所产生的气隙基波磁密Bf(X)对某瞬间 来说，沿定子内圆周长方向作余弦分布。
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转子励磁绕组产生的脉振磁场
实际励磁绕组所通过的电流if是随时间作正（或余） 弦变化的，即if的振幅在随时间改变，它所产生的磁 密也跟着变化。
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）；
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）。
弧度值。
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定子绕组的感应电流
自整角机发送机转子上的励磁绕 组通过电流 if 后，将产生脉振磁 通，该磁通匝链定子各相绕组并 在其中感应电势。
转子处于某一位置上时，定子三 相绕组的感应电势在时间上的相 位彼此相同，而感应电势的大小 则与转子绕组在空间的位置有关。
在任意θ1角时，D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为 Φ1=Φm cosθ1
微型同步器、编码器等七类。 ; 自整角机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，其中 前两种为最常用运行方式。
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自整角机的类型
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。
第5章 自整角机
第5章 自整角机
5.1 自整角机的类型和用途 5.2 自整角机的基本结构 5.3 控制式自整角机的工作原理 5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机 5.5 力矩式自整角机的运行 5.6 自整角机的选用和技术数据
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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、
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5.2 自整角机的基本结构
结构：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。
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
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自整角机的基本结构
定子和转子分别有各自的电磁部分和机械部分：
差动接收机串接于两个力矩式发送机(即 “ZLF”)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）。
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自整角机的类型
控制式差动发送机（国内、国际代号分别为ZKC、 CDX）
控制式差动发送机串接于“ZKF”和“ZKB”之 间，将发送机转角及其自身转角的和（或差）转 变成电信号，输至自整角机变压器即“ZKB”。
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自整角机的类型
差动式自整角机的定、转子绕组均为三相连接， 而且均接成Y形，它们的定、转子绕组引出端分 别用D1、D2、D3和Z1、Z2、Z3表示。
差动式自整角机电路图
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自整角机的分类和功用
分类
国内 国际 代号 代号
功用
发送机 ZLF TX 将转子转角变换成电信号输出
隐极式自整角机的定子
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自整角机的基本结构——转子 仅有一个绕组
¾自整角机的转子型式 有隐极式和凸极式两 种结构。
¾ 通常“ZKB”和 “ZKC”采用隐极式 转子，而“ZLF”和 “ZLJ”及“ZKF” 则采用凸极式转子。
隐极式自整角机的转子
三相星接的 对称绕组
差动式自整角机的转子结构
接收机 ZLJ
TR
接收力矩发送机的电信号，变换成转子的机械能输 出
力
矩 差动发 式 送机
ZCF
TD X
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
差动接 收机
ZCJ
TD R
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）
+
120°)
⎪⎩Φ3 = 4.44 fWsΦ3 = E cos(θ1 + 240°)
式中，Ws为定子绕组每一相的有效匝数；E为定子绕 组轴线和转子励磁绕组轴线重合时该相电势的有效
值，也是定子绕组的最大相电势， E = 4.44fＷsΦm。
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定子绕组的感应电流
由于ZKF和ZKB的定子绕组对应联结，ZKF的定子 三相电势必然在两定子形成的回路中产生电流。
隐极转子励磁磁场分布
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转子励磁绕组产生的脉振磁场
假设定、转子气隙δ 处处相等，为均匀气隙，铁心内
磁阻较空气隙的磁阻小得多而忽略。 据磁路的欧姆定律和安培环路定理，得到阶梯状的磁
路分布线，用傅立叶级数分解为基波和一系列高次谐 波，其中基波中幅值较各次谐波要大得多，对电机起 决定性作用。
第5章 自整角机
自整角机的结构——非接触结构
用环形变压器代替接触式自整角机的滑环和电刷，变 压器的一次侧在定子上，二次侧在转子上，通过一、 二次侧的电磁耦合，使转子励磁绕组获得励磁电压， 其余部分与接触式结构相同。
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自整角机的结构——非接触结构
; 优点：可靠性高，寿命长，稳定性好，不会产生无线 电干扰等。
励磁电流和磁通密度分布曲线
第5章 自整角机
转子励磁绕组产生的脉振磁场
单相绕组通入单相交流电流后所产生的磁场常称为脉 振（或叫脉动）磁场。
脉振磁场的磁密幅值位置在空间永远固定于对应绕组 的轴线上，其振幅也永远随时间交变。
励磁电流和磁通密度分布曲线
第5章 自整角机
转子励磁绕组产生的脉振磁场
单相基波脉振磁场（或磁密）的物理意义：
回路电流有效值
⎧ ⎪ ⎨
I1 Hale Waihona Puke Baidu2
= =
E1 E2
/ Zz / Zz
⎪⎩I3 = E3 / Zz
其中，Zz为回路总阻抗， 包括定子绕组阻抗和各联
接线阻抗。
第5章 自整角机
定子绕组的感应电流
⎧ ⎪I1 ⎪
=
E1 ZZ
=
E cosθ1
ZZ
=
I
cosθ1
⎪⎪ ⎨
I
2
⎪
=
E2 ZZ
=
E cos(θ1 +120o )