电路第15次课件

第5章

同步电机与控制电机

同步电机电动机伺服电动机测速发电机步进电动机概述

控制电机是在普通电动机的基础上发展起来的，具有特殊功能的电机。按作用分为执行驱动类与信号检测类。上一节讲过的单相异步电动机就是驱动类，另外伺服电动机、步进电机、无刷直流电动机、开关磁阻电机、直线电机属于主要的驱动类电机。

测速发电机、自整角机等属于信号检测类电机。近些年来随着稀土永磁材料以及电力电子功率器件的迅猛发展，控制电机在工业生产、医疗卫生、国防军事以及人民群众的日常生活中发挥着越来越大的作用。1、家用电器凡家庭用转动件，均由中小功率电机驱动，如空调用电机等。目前此类电机需求量正以超过30%的速度增长。2、汽车

汽车用小功率电机数量不断增多，如窗口升降电机、空调风扇电机、风挡洗涤器用电机、天线驱动电机、后视镜电机、ABS系统电机等，并正向永磁化、无刷化方向发展。高级轿车每辆使用达40～50台。电动自行车和摩托车正向电动型发展，预计3年后我国电动自行车年需求量将超过1000万辆。3、办公自动化及PC外围设备需用到无刷直流电动机、步进电动机等，到2008年整个市场规模将超过2000亿元人民币。因每台PC机中的电机数不下10台，每部打印机不下4~5台，每部复印机不下5～6台小功率电机。4、数控机床用电机、电动工具我国数控机床世界排名第六。电动工具在我国为外销为主的商品，外销量占总量的85%。5、信息产业专用加工机械

在“十一五”期间，国家计划投入近70亿美元用于生产元器件、IC电路的装备用小功率电机。（一）直流伺服电动机1.结构和分类直流伺服电动机分传统型和低惯量型两大类。传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机。低惯量型直流伺服电动机的特点：转子轻，转动惯量小，快速响应好。按照电枢形式的不同，分为盘形电枢、空心杯电枢永磁式及无槽电枢直流伺服电动机。①盘形电枢直流伺服电动机的结构如图所示。定子是由永久磁钢和前后磁轭组成，转轴上装有圆盘。电机的气隙位于圆盘的两侧，圆盘上有电枢绕组。盘形电枢上电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，并与轴向磁通相互作用而产生转矩。②空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的结构如图所示定子有内外两部分。外定子由两个半圆形的永久磁铁组成，而内定子则由圆柱形的软磁材料制成。电枢是非磁性材料制成的空心杯形圆筒，直接装在电机轴上，表面附有绕组。当流过一定电流时，空心杯电枢能在内、外定子间的气隙中旋转，并带动电机轴旋转。

2.控制方式电枢控制：励磁电压恒定，负载转矩也一定时，升高（减小）电枢电压，电动机的转速随之升高（减小）；若电枢电压为零，则电动机停转。改变电枢电压极性，电动机的旋转方向也随之改变，即为采用改变电枢电压控制转速的方法。自动控制系统中大多采用此类方法。磁极控制：同上原理，此为改变励磁绕组电压控制转速的方法，只用于小功率电动机中。

①机械特性指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩的关系，即n=f(T)。电枢控制方式的机械特性如图所示。3、运行特性②调节特性指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系，即T=常数时，n=f(U)。实际中，直流伺服电动机的运行特性曲线是一组接近直线的曲线，这也是它的突出优点。除此之外，还包括速度调节范围宽而且平滑，起动转矩大，无自转现象，反应也相当灵敏，与同容量的交流伺服电动机相比，体积和重量可减少到1/2～1/4。其缺点是由于存在换向器和电刷的滑动接触，常因接触不良而影响运行的稳定性，电刷火花会产生干扰。高电阻笼型转子的结构和普通笼型感应电动机一样，但为了减小转子的转动惯量，常将转子做成细而长的形状。转子的导条和端环采用高电阻率的材料（如黄铜、铝等）。由于转子电阻增大，使得交流伺服电动机的特性曲线变软，这主要是为了消除自转现象。非磁性空心杯转子的结构和对应的直流伺服电动机类似。杯形转子通常用非磁性材料铝或铜制成，壁很薄，一般只有0.2～0.8mm，因而具有较大的转子电阻和很小的转动惯量。杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组这种电动机的优点为转动惯量小，摩擦转矩小，快速响应好；运行平稳，噪声小。缺点是气隙大，励磁电流也较大，功率因数和效率较低，它的体积和容量要比同容量的笼型伺服电动机大得多。主要用于要求低噪声及低速平稳运行的某些系统中。2.工作原理两相绕组轴线位置在空间相差90°电角度，当两相绕组分别加以交流电压后，就会在气隙中产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电动势，产生电流，转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。“自转”现象在自动控制系统中是不允许存在的，解决的办法是增大转子电阻。无自转现象是交流伺服电动机的基本特性之一，也是自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求。所以，为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的机械特性曲线必须如上右图所示，这就要求伺服电动机有相当大的转子电阻，最理想的是使sm＞1，可以完全消除自转现象。前面讲到的转子的两种特殊结构形式正是为了满足这种要求。

3.控制方式交流伺服电动机运行时，若改变控制绕组上所加的控制电压的大小或改变它与励磁电压之间的相位角，则能使电动机气隙中椭圆旋转磁场的椭圆度发生变化，从而影响到电磁转矩，进而达到改变电动机转速的目的。因此，交流伺服电动机的控制方式有以下三种：①幅值控制②相位控制③幅值-相位控制（电容移相控制）③幅值—相位控制（电容移相控制）。励磁绕组串联电容C后接到稳压电源上，控制绕组的控制电压与此稳压电源电压同相。当调节控制电压的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组与励磁绕组的耦合作用使励磁绕组的电流发生变化，使励磁电压及电容C上的电压也随之改变，进而控制电压与励磁电压的相位角β也改变。这种控制方式利用串联电容器来分相，不需要复杂的移相装置，所以设备简单，成本较低，是实际中最为常用的。§5-4测速发电机测速发电机是一种检测转速的信号元件，它将输入的机械转速变换成电压信号输出，即要求电机的输出电压与转速成正比关系，其输出电压可用下式表示：

或式中θ为测速发电机转子的转角（角位移）；K、K′比例常数。由上可知，测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，因此在计算装置中也可作微分或积分元件。测速发电机有直流测速发电机和交流测速发电机两大类。其中直流测速发电机又分为永磁式和电磁式两种，国产型号分别为CY和CD；交流测速发电机又分为同步和异步两种，国产型号分别为CG（感应子式）、CK（空心杯转子）、CL（笼型转子）。近年来还出现了采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。下面仅就常用的直流测速发电机和交流异步测速发电机作简要介绍。1.工作原理直流测速发电机的结构和普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。直流测速发电机的工作原理和一般直流发电机没有区别。在恒定磁场中，电枢以转速n旋转时，电枢上的导体切割空载主磁通，于是在电刷间产生空载感应电动势：（一）直流测速发电机空载时，电枢电流Ia=0，测速发电机的输出电压就是空载感应电动势，即U0=E0，则输出电压与转速成正比。带负载时，因电枢电流Ia≠0，若不计电枢反应的影响，测速发电机的输出电压应为：RL为测速发电机负载电阻。所以有下列式子：而Ra、RL和Φ一般均为常数，即测速发电机的输出电压U与转速n仍成线性关系。为了减小由温度变化而引起的磁通变化，一方面，在励磁回路中串联一个电阻值较大的附加电阻。附加电阻可用温度系数较低的康铜材料绕制而成。另一方面，设计时可使发电机磁路处于较饱和状态，即使由电阻值变化引起的励磁电流变化可能较大，发电机的气隙磁通变化也非常小。为了减小电枢反应的去磁作用，在设计时可在定子磁极上安装补偿绕组。适当加大发电机气隙，在使用时尽可能采用大的负载电阻并选用适当的电刷，以减小电刷接触压降。3、消除误差的方法1.工作原理

在自控系统中，目前应用的交流测速发电机主要是空心杯形转子异步测速发电机，其结构和杯形转子伺服电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯（杯厚为0.2～0.3mm），通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90°电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压U。（二）交流测速发电机当电机的励磁绕组外施电压U1时，便有电流I1流过绕组，在电机气隙中沿励磁绕组轴线（d轴）产生一频率为f的脉动磁通Φ1。转子不动时，d轴的脉振磁通在空心杯转子中的感应电流所产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上，阻碍Φ1的变化，所以合成磁通仍为沿d轴的磁通Φd。而输出绕组和励磁绕组轴线空间位置相差90°，即与d轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。···转子转动后，转子绕组感应一旋转电动势E，其有效值为

E=KqΦd

n式中，Kq为比例常数。在E的作用下，转子将产生电流I，而I所产生的磁通Φq也是交变的，其大小为：Φq=K1E式中，K1为比例常数。Φq的轴线与输出绕组轴线（q轴）重合，因而在定子的输出绕组中感应出电动势，其有效值为E2=4.44fN2Φq

考虑到Φq∝E，而E∝n，故输出电动势E2可写成E2=K2n式中，K2为比例常数。异步测速发电机就能将转速信号转变成电压信号输出，实现测速的目的。自动控制系统对异步测速发电机的要求是:(1)输出电压与转速成严格的线性关系。(2)输出电压与励磁电压（即电源电压）同相。(3)转速为零时，没有输出电压，即所谓剩余电压为零。实际上，测速发电机的定子绕组和转子杯的参数都会在不同程度上受温度变化、工艺等方面的影响，在输出线性度、相位、剩余电压等方面产生误差。

2.主要误差自整角机一、定义：在自动控制系统中，常常需要指示位置和角度的数值，或者需要远距离调节执行机构的速度，或者需要某一根或多根轴随着另外的与其无机械连接的轴同步转动，这样，就出现了自整角机，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。

自整角机通常是两台或两台以上组合使用，产生信号的自整角机称为发送机，它将轴上的转角变换为电信号，接收信号的自整角机称为接收机，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。在随动系统中主令轴只有一根，而从动轴可以是一根，也可以是多根，主令轴安装发送机，从动轴安装接受机，故而一台发送机带一台或多台接受机。主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角。二、结构：通常做成两极电机。自整角机的定子铁心嵌有三相对称分布绕组，称为整步绕组，也叫同步绕组，联结为星形接法。转子上放置单相励磁绕组，可以做成凸极或隐极结构，这两种方式都是励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源。另外，定子可做成凸极式，而转子做成隐极式，三相整步绕组嵌入转子铁芯槽内，并经集电环和电刷引出，而单相励磁绕组安装在定子凸极上。如图所示：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，在这里，为了表示清楚，我们把励磁绕组与整步绕组分开画，习惯上，励磁绕组画在上边，整步绕组画在下边，图中，发送机画在左边，接收机画右边。三、分类按自整角输出量可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两种。两者的区别在于：当失调角