1、第第12章章 其他微特电机其他微特电机 12.1测速发电机测速发电机12.2 直线电动机直线电动机12.3自整角机自整角机12.4超声波电动机超声波电动机12.1测速发电机测速发电机12.1.1 直流测速发电机直流测速发电机 测速发电机是一种测速装置，它将输入的机械转速转换为测速发电机是一种测速装置，它将输入的机械转速转换为电压信号输出电压信号输出 直流测速发电机实质上是一种微型直流发电机。直流测速发电机实质上是一种微型直流发电机。根据励磁方式，直流测速发电机有他励式和永根据励磁方式，直流测速发电机有他励式和永磁式两种。他励式与直流伺服电动机在结构上磁式两种。他励式与直流伺服电动机在结构上基本
2、相同；永磁式也只是磁极为永久磁铁，其基本相同；永磁式也只是磁极为永久磁铁，其余部分与他励式相同余部分与他励式相同 1直流测速发电机的结构直流测速发电机的结构12.1测速发电机测速发电机12.1.1 直流测速发电机直流测速发电机 2直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理E0CenC1 n 只要测出相应的信号电压值（即发电机的只要测出相应的信号电压值（即发电机的E0），），便可间接地知道与测速发电机作机械连接的被测便可间接地知道与测速发电机作机械连接的被测机构的转速。机构的转速。12.1测速发电机测速发电机12.1.1 直流测速发电机直流测速发电机 1）由于有电刷和换向器，所以结构比较复
3、杂，维护较）由于有电刷和换向器，所以结构比较复杂，维护较麻烦；麻烦；2）电刷的接触电阻不恒定使输出电压有波动；）电刷的接触电阻不恒定使输出电压有波动；3）电刷下的火花对无线电有干扰。）电刷下的火花对无线电有干扰。3直流测速发电机的特点直流测速发电机的特点（1）直流测速发电机的）直流测速发电机的优点优点1）不存在输出电压相位移问题；）不存在输出电压相位移问题；2）转速为零时，无零位电压；）转速为零时，无零位电压；3）输出特性曲线的斜率较大，负载电阻较小。）输出特性曲线的斜率较大，负载电阻较小。（2）直流测速发电机的）直流测速发电机的缺点缺点12.1测速发电机测速发电机12.1.2交流测速发电机交
4、流测速发电机交流异步测速发电机结构与杯形转子伺服电动机相同。交流异步测速发电机结构与杯形转子伺服电动机相同。在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差900电角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组；电角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组；另一相作为输出绕组。在机座号较大的测速发电机中，另一相作为输出绕组。在机座号较大的测速发电机中，常将励磁绕组嵌放在外定子上，而把输出绕组嵌放在内常将励磁绕组嵌放在外定子上，而把输出绕组嵌放在内定子上。定子上。交流异步测速发电机主要采用空心杯形转子交流异步测速发电机主要采用空心杯形转子 1交流测速发电机
5、的结构交流测速发电机的结构交流测速发电机有交流测速发电机有异步式异步式和和同步式同步式两类两类12.1测速发电机测速发电机12.1.2交流测速发电机交流测速发电机两相交流测速发电机的外定子有两个在空间互差两相交流测速发电机的外定子有两个在空间互差90电角度的绕组，即励磁绕组电角度的绕组，即励磁绕组Wf和输出绕组和输出绕组Wex。励磁绕。励磁绕组接到电压大小及频率均为恒定的交流电源上，输出绕组接到电压大小及频率均为恒定的交流电源上，输出绕组接到自动控制或测量回路。组接到自动控制或测量回路。2交流测速发电机的原理交流测速发电机的原理12.1测速发电机测速发电机12.1.2交流测速发电机交流测速发电
6、机（1）转子不动）转子不动 2交流测速发电机的原理交流测速发电机的原理当励磁绕组通过交流电流时，当励磁绕组通过交流电流时，产生的脉动磁通产生的脉动磁通ad，叫作直，叫作直轴磁通，穿过转子而在转子导轴磁通，穿过转子而在转子导体中感生电动势，由于输出绕体中感生电动势，由于输出绕组的轴线与励磁绕组的轴线互组的轴线与励磁绕组的轴线互相垂直，亦即输出绕组的轴线相垂直，亦即输出绕组的轴线与与ad方向垂直，因而方向垂直，因而ad在在输出绕组中不感应电动势，所输出绕组中不感应电动势，所以当转子不动时，没有输出电以当转子不动时，没有输出电压。压。12.1测速发电机测速发电机12.1.2交流测速发电机交流测速发电
7、机（2）转子旋转）转子旋转2交流测速发电机的原理交流测速发电机的原理转子导线中感应的电势并没有改变，只是这时又出现了转子导线切割磁通ad而产生的称之为旋转电动势 ErC1adnK1 n 由Er引起电流Ir产生的磁通r，与励磁绕组轴线相垂直，因此叫做交轴磁通,这个交轴脉动磁通r穿过输出绕组，就会在其中感应出频率为f的电动势Eex UexEex Kn 12.1测速发电机测速发电机12.1.2交流测速发电机交流测速发电机（1）幅值及相位误差）幅值及相位误差3交流测速发电机的误差交流测速发电机的误差（2）零位温差）零位温差12.1测速发电机测速发电机12.1.312.1.3测速发电机的应用测速发电机的
8、应用1.作为测速元件作为测速元件 直流测速发电机作为控制系统中的测速元件应用很普遍，直流测速发电机作为控制系统中的测速元件应用很普遍，能直接测出拖动电动机和执行机构的转速，以便进行速度控制能直接测出拖动电动机和执行机构的转速，以便进行速度控制和速度显示。和速度显示。12.1测速发电机测速发电机12.1.3测速发电机的应用测速发电机的应用2.作为运算元件作为运算元件 在自动能控制系统中，利用测速发电机可以实现对输入量在自动能控制系统中，利用测速发电机可以实现对输入量的积分和微分运算。的积分和微分运算。12.2 12.2 直线电动机直线电动机12.2.112.2.1概述概述 直线电动机是一种直接将
9、电能转换为直线运动的驱动机械。直线电动机是一种直接将电能转换为直线运动的驱动机械。省去了中间转换机构，并具有速度范围宽、推力大、精度高等省去了中间转换机构，并具有速度范围宽、推力大、精度高等特点。特点。直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：（1）在有限长度内往复运动，可以水平或垂直运动）在有限长度内往复运动，可以水平或垂直运动12.2 直线电动机直线电动机12.2 直线电动机直线电动机直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：（2）无限制直线运动）无限制直线运动12.2 12.2 直线电动机直线电动机直线电动机的结
10、构和他的运动规律密切相关：直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：（3）振荡式直线运动）振荡式直线运动12.2 12.2 直线电动机直线电动机直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：12.2 12.2 直线电动机直线电动机直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：直线电动机的结构和他的运动规律密切相关：12.2 12.2 直线电动机直线电动机12.2.2直线步进电动机 直线步进电动机与普通步进直线步进电动机与普通步进电动机一样，接受一个脉冲，动电动机一样，接受一个脉冲，动子就直线走过一步。鉴于他可由子就直线走过一步。鉴于他可由数字控制器和微处理机提供信号，
11、数字控制器和微处理机提供信号，实现一定精度的位置和速度控制，实现一定精度的位置和速度控制，所以广泛地应用于精密设备、计所以广泛地应用于精密设备、计算机外围设备及智能仪器等领域。算机外围设备及智能仪器等领域。12.2 12.2 直线电动机直线电动机12.2.2直线步进电动机 12.3自整角机自整角机自整角机（又称同步器）是一种能对角位移或角速度的偏差自整角机（又称同步器）是一种能对角位移或角速度的偏差进行指示、传输及自动整步的感应式控制电机，被广泛用于进行指示、传输及自动整步的感应式控制电机，被广泛用于随动控制系统中。随动控制系统中。自整角机按其作用不同，可分为自整角机按其作用不同，可分为力矩式
12、力矩式自整角机和自整角机和控制式控制式自整角机两种自整角机两种12.3自整角机自整角机12.3.1力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机为在整个圆周范围内能够准确定位，力矩式自整角机为在整个圆周范围内能够准确定位，通常通常采用两极的采用两极的凸极式凸极式结构。只有在频率较高而尺寸又较大的结构。只有在频率较高而尺寸又较大的力矩式自整角机中才采用隐极式结构。力矩式自整角机中才采用隐极式结构。12.3自整角机自整角机12.3.1力矩式自整角机力矩式自整角机力矩式自整角机在随动系统中用作转角指示力矩式自整角机在随动系统中用作转角指示 力矩式自力矩式自整角机工整角机工作原理作原理12.3自整角机自整
13、角机12.3.1力矩式自整角机力矩式自整角机设发送机转子位置角为设发送机转子位置角为1，接收机转子位置角为，接收机转子位置角为2，=1-2，称，称为失调角为失调角 当发送机和接收机的定、转子绕组的相对位置相同时，当发送机和接收机的定、转子绕组的相对位置相同时，就称发送机和接收机是处于协调位置。这时发送机和就称发送机和接收机是处于协调位置。这时发送机和接收机中都不会产生电磁转矩，转子不会自行转动。接收机中都不会产生电磁转矩，转子不会自行转动。12.3自整角机自整角机12.3.1力矩式自整角机力矩式自整角机倘若发送机转子在外施转矩的作用下，顺时针偏转倘若发送机转子在外施转矩的作用下，顺时针偏转1，
14、而而不为零时，即发送机和接收机之间不处于协调位不为零时，即发送机和接收机之间不处于协调位置时，对应相电动势不等。定子电路中就会有电流，置时，对应相电动势不等。定子电路中就会有电流，发送机和接收机中都会产生电磁转矩。发送机和接收机中都会产生电磁转矩。这时发送机相当于一台发电机，接收机则相当于一台电动这时发送机相当于一台发电机，接收机则相当于一台电动机，其电磁转矩的方向使得转子也向机，其电磁转矩的方向使得转子也向1角度的方向转动，角度的方向转动，直到重新转到新的协调位置，即与发送机的偏转角直到重新转到新的协调位置，即与发送机的偏转角2=1为止。于是接收机转子便准确地指示出发送机的转角。为止。于是接
15、收机转子便准确地指示出发送机的转角。12.3自整角机自整角机12.3.2控制式自整角机控制式自整角机控制式自整角机中的接收机并不直接带负载转动，转子绕控制式自整角机中的接收机并不直接带负载转动，转子绕组用来输出电压，故又称输出绕组。由于该接收机是从定组用来输出电压，故又称输出绕组。由于该接收机是从定子绕组输入电压，从转子绕组输出电压，它工作在变压器子绕组输入电压，从转子绕组输出电压，它工作在变压器状态，故称自整角变压器状态，故称自整角变压器 12.3自整角机自整角机12.3.2控制式自整角机控制式自整角机当自整角机发送机的转子处在垂直位置时当自整角机发送机的转子处在垂直位置时 转子脉振磁场在定
16、子三相绕组中产生的转子脉振磁场在定子三相绕组中产生的感应电动势和电流。定子电流通过三相感应电动势和电流。定子电流通过三相绕组所产生的合成磁通势仍为脉振磁通绕组所产生的合成磁通势仍为脉振磁通势，而且其方位也是在垂直位置，不会势，而且其方位也是在垂直位置，不会在输出绕组中产生感应电动势，输出绕在输出绕组中产生感应电动势，输出绕组的输出电压为零。组的输出电压为零。12.3自整角机自整角机12.3.2控制式自整角机控制式自整角机倘若在外施转矩的作用下，自整角机发送机的励磁绕组顺倘若在外施转矩的作用下，自整角机发送机的励磁绕组顺时针偏转了时针偏转了角角 定子电流产生的脉冲磁通势的方位也随转定子电流产生的
17、脉冲磁通势的方位也随转子一起偏转了子一起偏转了角，仍然与励磁绕组的轴角，仍然与励磁绕组的轴线一致。因此与之方位相同的自整角机变线一致。因此与之方位相同的自整角机变压器中，定子脉振磁场便与输出绕组不再压器中，定子脉振磁场便与输出绕组不再垂直，两者的夹角为（垂直，两者的夹角为（900），将在输），将在输出绕组中产生一个正比于出绕组中产生一个正比于cos（900）=sin的感应电动势和输出电压。可见，的感应电动势和输出电压。可见，控制式自整角机可将远处的转角信号变换控制式自整角机可将远处的转角信号变换称成近处的电压信号。称成近处的电压信号。12.3自整角机自整角机12.3.3自整角机的应用自整角机的
18、应用1力矩式自整角机的应用力矩式自整角机的应用当液面的高度发生改变当液面的高度发生改变时，带动浮子随着液面时，带动浮子随着液面的上升或下降，通过滑的上升或下降，通过滑索带动自整角发送机转索带动自整角发送机转轴转动，将液面位置的轴转动，将液面位置的直线变化转换成发送机直线变化转换成发送机转子的角度变化。转子的角度变化。12.3自整角机自整角机12.3.3自整角机的应用自整角机的应用2控制式自整角机的应用控制式自整角机的应用自整角发送机自整角发送机6转轴直接与雷达转轴直接与雷达天线的高低角天线的高低角耦合，控制式耦合，控制式自整角接收机自整角接收机4转轴与由交流伺转轴与由交流伺服电动机服电动机1驱
19、动的系统负载（刻驱动的系统负载（刻度盘度盘5或火炮等负载）的轴相连，或火炮等负载）的轴相连，其转角用其转角用表示。接收机转子表示。接收机转子绕组输出电动势绕组输出电动势E2与两轴的差与两轴的差角角（即（即-）近似成正比，即）近似成正比，即E2=k（-）=k 雷达高低角自动显示系统原理图雷达高低角自动显示系统原理图12.4超声波电动机超声波电动机（1）低速大转矩）低速大转矩（2）体积小、重量轻）体积小、重量轻（3）反应速度快，控制特性好）反应速度快，控制特性好（4）无电磁干扰）无电磁干扰（5）停止时具有保持力矩）停止时具有保持力矩（6）形式灵活，设计自由度大）形式灵活，设计自由度大超声波电动机特
20、点超声波电动机特点12.4超声波电动机超声波电动机由振动体（定子）和移动体由振动体（定子）和移动体（转子）两部分组成。（转子）两部分组成。其振动体由弹性体和压电陶其振动体由弹性体和压电陶瓷构成。瓷构成。移动体为一个金属板。移动体为一个金属板。12.3.1超声波电动机的结构超声波电动机的结构12.4超声波电动机超声波电动机超声波电机利用压电材料的超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，逆压电效应产生超声波振动，把电能转换为弹性体的超声把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过波振动，并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。回转或直线运动。1
21、2.3.2超声波电动机的工作原理超声波电动机的工作原理12.4超声波电动机超声波电动机1逆压电效应简介逆压电效应简介12.3.2超声波电动机的工作原理超声波电动机的工作原理由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应。电效应。超声电机就是利用逆压电效应进行工作的。当对压电体超声电机就是利用逆压电效应进行工作的。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振
22、状态，成为压电振子。一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。当振动频率在当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。以上时，就属于超声振动。12.4超声波电动机超声波电动机超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。驱动作用。2椭圆运动及其作用椭圆运动及其作用12.4超声波电动机超声波电动机3行波的形成及特点行波的形成及特点压电体在长度方向产生交替伸缩形变压电体在长度方向产生交替伸缩形变 12.4超声波电动机超声波电动机
23、3行波的形成及特点行波的形成及特点弹性体上产生的驻波弹性体上产生的驻波 两路幅值相等、频率相两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差同、时间和空问均相差2的两相驻波叠加后，的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波将形成一个合成行波 12.4超声波电动机超声波电动机3行波的形成及特点行波的形成及特点环形行波型超声电机的原理图环形行波型超声电机的原理图 12.4超声波电动机超声波电动机4工作特性工作特性超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。12.4超声波电动机超声波电动机由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。机械等领域已得到成功的应用。5超声波电动机的应用举例超声波电动机的应用举例
