特种电机的介绍电子教案
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3
第13章 特种电机
13.1.1 基本结构
励磁绕组
D1
来自百度文库Z1
余弦 输出 绕组
•
D
•
U S1
D3
D4
补偿绕组
D2
Z3
a)
b)
图13-1 旋转变压器的绕组结构 a) 定子绕组 b) 转子绕组
Z4
正弦 输出 绕组
Z2
4
第13章 特种电机
13.1.2 工作原理
首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组D1—D2施 加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。 显然，励磁绕组将 在气隙中产生一个脉振磁场， 这个脉振磁场将在正、余弦输出 绕组中分别感应出电动势，即
13
第13章 特种电机
13.3.1 基本结构 励磁绕组
•
F n1
•
• IF EF
发送机
•
F
n1
•
•
IJ
EJ
接收机
整步绕组
•
•
EF
EJ
a)
•
ΔE
•
•
IJ •
EJ J
EF
F
•
IF
b)
图13-6 三相自整角机的接线图与工作原理
14
第13章 特种电机
13.3.2 工作原理
T F
T
J
3EF 3EJ
对测速发电机的基本要求是： 1）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度 的要求； 2）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大， 以达到高灵敏度的要求。
测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下 面分别加以介绍。
10
第13章 特种电机
13.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机有两种： 一种是电励磁式直流测速发电机，
2
第13章 特种电机
13.1 旋转变压器
旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。
按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传输等。
EERR21
ER cos ER sin
（13-1）
5
第13章 特种电机
13.1.3 畸变补偿
当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、
余弦函数。
D1
直轴
Z1
分量
Z4
•
D
•
U S1 D3
D2 a)
D4 Z3
d
交轴 分量
•
I R2 b)
•
L
q
ZL
Z2
图13-2 旋转变压器的负载情况
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第13章 特种电机
U R2
空载
ΔU
Um
负载
O
图13-3 输出特性的畸变
直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要 原因应该是交轴分量。
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第13章 特种电机
为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的 方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。
1）一次侧补偿： 在图13-2中，如果将定子上的补偿绕组 D3—D4短路，则绕组D3—D4能消除输出电压的畸变。因为交轴 磁通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流 所产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制 作用，可以起到畸变补偿的作用。
I F cos
1 I J cos
1
F J
（13-3）
根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，TF和TJ 都是倾向于使δ=0。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将 沿着旋转磁场的方向转动，直至δ=0 。如果发送机的转子不停 地旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。
电机及拖动基础
第13章 特种电机*
13.1 旋转变压器
13.6 磁滞电动机
13.2 测速发电机 13.3 自整角机
13.7 步进电动机 13.8 直线电动机
13.4 伺服电动机 13.5 磁阻电动机
13.9 超导电动机 13.10 超声波电动机
1
第13章 特种电机
引言
前面介绍的直流电机、异步电机和同步电机统称为普通电 机。在日常生活和生产实际中还广泛使用着各种特殊结构和特 殊用途的电机，特别是随着新技术的不断发展和新材料的不断 涌现，新型特种电机的研究和应用还处在继续发展之中。由于 特种电机大都用于控制系统，且功率较小，所以又称为控制电 机或微特电机。从本质上讲，特种电机的基本理论和分析方法 与普通电机是一致的，但又有其特殊性。本章主要介绍目前基 本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。
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第13章 特种电机
2）二次侧补偿：如图13-4所示。
D1
Z1
Z4
•
D
•
U S1
D3
•
I 12
D4
•
F 12
Z3
•
F 34
•
I 34
Z2
D2
Z12
Z 34
a)
b)
图13-4 二次侧补偿的旋转变压器
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第13章 特种电机
13.2 测速发电机
测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压 信号， 例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测， 构成转速负反馈闭环调速系统， 达到改善系统调速性能的目 的。
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第13章 特种电机
13.3.3 单相自整角机
11
第13章 特种电机
13.2.1 交流测速发电机 交流测速发电机的定
子上嵌有两相绕组，一相 是励磁绕组，另一相是输 出绕组，它们在空间互差 90º电角度， 如图13-5所 示。交流测速发电机的转 子有两种结构，一种是笼 型转子， 一种是杯型转 子。
笼型 转子
励磁绕组
N1
•
• IR ER
•
•
R
1
•
U1
输出绕组
N2
•
n
U2
图13-5 异步测速发电机的绕组结构
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第13章 特种电机 13.3 自整角机
自整角机是用于同步传动系统中的一种特种电机，它通过 电的方式在两个或两个以上无机械联系的转轴之间传递角位移 或使之同步旋转。自整角机有三相和单相之分，三相自整角机 常常用于大功率传动系统中，也称为“电轴”；单相自整角机 则主要用于控制系统中。这里主要介绍三相自整角机的基本结 构和工作原理。
另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与普 通直流发电机相同。
U Ea Ce nCn
1Ra 1Ra
R
R
（13-2）
为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比 较大的负载电阻R， 并保证转速范围不要太大。 对于电励磁式 直流测速发电机， 可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁通 的影响，减小误差。
第13章 特种电机
13.1.1 基本结构
励磁绕组
D1
来自百度文库Z1
余弦 输出 绕组
•
D
•
U S1
D3
D4
补偿绕组
D2
Z3
a)
b)
图13-1 旋转变压器的绕组结构 a) 定子绕组 b) 转子绕组
Z4
正弦 输出 绕组
Z2
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第13章 特种电机
13.1.2 工作原理
首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组D1—D2施 加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。 显然，励磁绕组将 在气隙中产生一个脉振磁场， 这个脉振磁场将在正、余弦输出 绕组中分别感应出电动势，即
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第13章 特种电机
13.3.1 基本结构 励磁绕组
•
F n1
•
• IF EF
发送机
•
F
n1
•
•
IJ
EJ
接收机
整步绕组
•
•
EF
EJ
a)
•
ΔE
•
•
IJ •
EJ J
EF
F
•
IF
b)
图13-6 三相自整角机的接线图与工作原理
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第13章 特种电机
13.3.2 工作原理
T F
T
J
3EF 3EJ
对测速发电机的基本要求是： 1）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度 的要求； 2）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大， 以达到高灵敏度的要求。
测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下 面分别加以介绍。
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第13章 特种电机
13.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机有两种： 一种是电励磁式直流测速发电机，
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第13章 特种电机
13.1 旋转变压器
旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。
按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传输等。
EERR21
ER cos ER sin
（13-1）
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第13章 特种电机
13.1.3 畸变补偿
当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、
余弦函数。
D1
直轴
Z1
分量
Z4
•
D
•
U S1 D3
D2 a)
D4 Z3
d
交轴 分量
•
I R2 b)
•
L
q
ZL
Z2
图13-2 旋转变压器的负载情况
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第13章 特种电机
U R2
空载
ΔU
Um
负载
O
图13-3 输出特性的畸变
直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要 原因应该是交轴分量。
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第13章 特种电机
为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的 方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。
1）一次侧补偿： 在图13-2中，如果将定子上的补偿绕组 D3—D4短路，则绕组D3—D4能消除输出电压的畸变。因为交轴 磁通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流 所产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制 作用，可以起到畸变补偿的作用。
I F cos
1 I J cos
1
F J
（13-3）
根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，TF和TJ 都是倾向于使δ=0。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将 沿着旋转磁场的方向转动，直至δ=0 。如果发送机的转子不停 地旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。
电机及拖动基础
第13章 特种电机*
13.1 旋转变压器
13.6 磁滞电动机
13.2 测速发电机 13.3 自整角机
13.7 步进电动机 13.8 直线电动机
13.4 伺服电动机 13.5 磁阻电动机
13.9 超导电动机 13.10 超声波电动机
1
第13章 特种电机
引言
前面介绍的直流电机、异步电机和同步电机统称为普通电 机。在日常生活和生产实际中还广泛使用着各种特殊结构和特 殊用途的电机，特别是随着新技术的不断发展和新材料的不断 涌现，新型特种电机的研究和应用还处在继续发展之中。由于 特种电机大都用于控制系统，且功率较小，所以又称为控制电 机或微特电机。从本质上讲，特种电机的基本理论和分析方法 与普通电机是一致的，但又有其特殊性。本章主要介绍目前基 本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。
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第13章 特种电机
2）二次侧补偿：如图13-4所示。
D1
Z1
Z4
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D
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U S1
D3
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I 12
D4
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F 12
Z3
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F 34
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I 34
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D2
Z12
Z 34
a)
b)
图13-4 二次侧补偿的旋转变压器
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第13章 特种电机
13.2 测速发电机
测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压 信号， 例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测， 构成转速负反馈闭环调速系统， 达到改善系统调速性能的目 的。
15
第13章 特种电机
13.3.3 单相自整角机
11
第13章 特种电机
13.2.1 交流测速发电机 交流测速发电机的定
子上嵌有两相绕组，一相 是励磁绕组，另一相是输 出绕组，它们在空间互差 90º电角度， 如图13-5所 示。交流测速发电机的转 子有两种结构，一种是笼 型转子， 一种是杯型转 子。
笼型 转子
励磁绕组
N1
•
• IR ER
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1
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U1
输出绕组
N2
•
n
U2
图13-5 异步测速发电机的绕组结构
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第13章 特种电机 13.3 自整角机
自整角机是用于同步传动系统中的一种特种电机，它通过 电的方式在两个或两个以上无机械联系的转轴之间传递角位移 或使之同步旋转。自整角机有三相和单相之分，三相自整角机 常常用于大功率传动系统中，也称为“电轴”；单相自整角机 则主要用于控制系统中。这里主要介绍三相自整角机的基本结 构和工作原理。
另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与普 通直流发电机相同。
U Ea Ce nCn
1Ra 1Ra
R
R
（13-2）
为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比 较大的负载电阻R， 并保证转速范围不要太大。 对于电励磁式 直流测速发电机， 可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁通 的影响，减小误差。