1、第第5章章 自整角机自整角机 5.1 自整角机的类型和用途自整角机的类型和用途 5.2 自整角机的基本结构自整角机的基本结构 5.3 控制式自整角机的工作原理控制式自整角机的工作原理 5.4 带有控制式差动发送机的控制式自整角机带有控制式差动发送机的控制式自整角机 5.5 力矩式自整角机的运行力矩式自整角机的运行 5.6 自整角机的选用和技术数据自整角机的选用和技术数据 思考题与习题思考题与习题 5.1 自整角机的类型和用途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
2、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。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(
3、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 所示。图 5-1 自整角机电路图 图 5-2 差动式自整角机电路图 有时力矩式自整角机还用到差动发送机(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”)；而差动接收机是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)。有关详情见
4、5.5 节。有时控制式自整角机还用到控制式差动发送机(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”。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，如图 5-2 所示。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314。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。力矩式自整角机的功用
5、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 0.52。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。图 5-3 雷达俯仰角自动显示系统原理图5.2 自整角机的基本结构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
6、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(差动式自整角机为三相绕组)。图 5-4 自整角机结构简图 图 5-5 定子铁心冲片 图 5 6 自整角机转子 图 5-7 隐极式自整角机的定子和转子 隐极式自整角机的定子和转子示意图如图 5-7 所示，其中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。三相对称绕组可用图 5-8 的示意图来简单解释。设每相绕组集中成一个线圈，该线圈首、末端用D1-D4表示，另两个线圈的首末端也就分别用D2-D5 和 D3-
7、D6表示。为构成星形联接，将D4,D5,D6短接在一起，首端D1,2,D3则引出(到接线板)，如图 5-7 中的定子上的三根悬空线。图 5-8 三相对称绕组示意图 自整角机的转子型式有隐极式和凸极式两种结构。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。图 5-7(b)为控制式自整角机变压器(ZKB)的转子结构图，它仅有一个绕组，称为自整角机的转子绕组；图 5-9 所示是差动式自整角机的转子结构，该电机转子绕组也有三相星接的对称绕组。为了使转子绕组与外电路相联接，在转子上装有集电环和电刷装置，集电环(或叫滑环)就是安装在轴(图上右端处)上的两个
8、(差动式自整角机为三个)导电铜环。图 5-9 差动式自整角机的转子结构 当然两个(或三个)滑环之间，以及转轴和滑环之间都应绝缘。单相(或三相)转子绕组的两个(或三个)引线端分别焊接在两个(或三个)滑环上。电刷和滑环摩擦接触，通过电刷滑环将转子绕组出线端可靠地引接到接线板上，图 5-4 中的Z1和 Z2就是接线板上的转子绕组的出线端。实际的接线板如图5-10中的第 9 号零件。图 5-10 所示的是自整角机的基本结构。由于这种自整角机的定、转子都装在一个机壳里，故也称为整体式结构。为了表示内部结构，本图拆开画出。还有一种分装式结构的自整角机，也就是定、转子是分开的，它们分别是在现场安装固定。分装
9、式自整角机的结构特点是电机外径较大、轴向长度较短，呈环状而非筒柱状。这种分装式结构习惯上不直接将转子装在轴上，而是内孔较大，以便在现场与转轴装配。但是，无论是整体式或是分装式，也无论是隐极转子或是凸极转子，它们的工作原理都是一致的。图 5-10 整体式自整角机的基本结构(此图转子为凸极式)5.3 控制式自整角机的工作原理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)。ZK
10、F和ZKB的定子绕组引线端D1,D2,D3和D1,D2,D3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Z1,Z2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1表示，ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D1相绕组轴线的夹角用2表示，而且设图中的21。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。图 5-11 控制式自
11、整角机的原理电路图 5.3.1 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。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 后，励磁绕组将流过电流：1UtIifmfsin(5-1)图 5-12 隐极转子励磁磁场分布图 5-13 隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线 图 5-14 励磁电流和磁通密度分布曲线 单相基波脉振磁场(或磁密)的物理意义可归纳为如下两点：(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(
12、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=Bm1sint 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为沿周长方向的空间弧度值。5.3.2 定子绕组的感应电流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。为便于分析，将图 5-11 中的“K”画成图 5-15，用以求出D1相绕组所匝链的磁通。而且仅用一匝线圈Z1-Z2表示在转子上的励磁绕组，用另一匝线圈D1-D4 表示在定子上的D1相绕组。图 5 15 定子绕组的感应电
13、流 设此瞬时脉振磁通达到最大值。现把磁密空间矢量Bf分解成相互垂直的两个分量：第一分量是在定子绕组D1-D4的轴线方向，其值用Bf cos1表示；第二分量是与D1-D4 线圈的轴线方向垂直，其值用Bf sin1表示。设 向量的方向与定子绕组D1-D4的轴线重合时。定子绕组D1-D4匝链全部的磁通m，即一个极的磁通量，但现在D1-D4绕组轴线方向的磁密为Bf cos1，故绕组D1-D4所匝链的磁通必定为m cos1。Bf的第二个分量所对应的磁通是不匝链绕组D1-D4的，因此，在任意1角时，D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为：1=m cos1 由于定子三相绕组是对称的，D2相绕组在此图中超前D1相绕
14、组 120，D3相超前D1相绕组240，所以它们分别和Bf轴线的夹角为(1+120)、(1+240)。这样三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为1=m cos12=m cos(1+120)3=m cos(1+240)(5-3)以上磁通必然在定子三相绕组中感应电势，而且这种电势也是由于线圈中磁通的交变所引起的，所以也称为变压器电势，据第 4 章公式(4-9)，可得出自整角机定子绕组中各相变压器电势的有效值应为(并代入(5-3)式)E1=4.44fWs1=E cos1 E2=4.44fWs2=E cos(1+120)E3=4.44fWs3=E cos(1+240)(5-4)式中,Ws为定子绕组每一相
15、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。由式(5-4)知 E=4.44fsm。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。为了计算各相电流，暂设两电机定子绕组Y接的中点O、O之间有连接线，如图5-16所示的虚线。这样，各相回路就显而易见了。图 5-16 定子绕组中的电流 以D1相回路为例，设回路的总阻抗ZZ为ZKF和ZKB的每相定子绕组阻抗ZF、ZB及各联接线阻抗Zi(由于实用中联接线较长)之和，即 ZZ=ZF+ZB+Zi (5-5)故流过D1相回路中的电流有效值为：I1=E1/ZZ。同理流
16、过D2,D3相回路中的电流有效值为：I2=E2/ZZ,I3=E3/ZZ。代入式(5-4)则为 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。)240cos()240cos()120cos()120cos(coscos113311221111IZEZEIIZEZEIIZEZEIZZZZZZ(5-6)由图 5-16 看出流出中线的电流IOO应该为I1,I2,I3之和，代入式(5-6)后为:IOO=I cos1+I cos(1+120)+I cos(1+240)=0上式表明，中线没有电流，因此就不必接中线，这也就是自整角机的定子绕组只有三根引出线的原
17、因。5.3.3 定子电流产生的磁场 自整角机发送机定子绕组流过电流时,也要产生定子磁场。由于存在三相绕组,分别流过电流 、和 ,它们共同产生一个定子合成磁场。我们先从某一相定子绕组感生电流所产生的磁场讲起,然后再将三个磁场合成,就得出了合成磁场的结论。21II3I 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。也就是说,自整角机的定子每相有若干个线圈均匀地嵌放于若干槽中,例如图 5-17(a)中的D1相绕组中,每相每对极有三个线圈串联,每个线圈(此例中)仅为一匝(也可以多匝而且一般都是多匝),导体号为1,2,3,10,11,12位置的直线部分称之为有效边,有效边部分是嵌在定子铁
18、心的槽内,如图 5-17(b)所示的对应位置。线圈在定子铁心之外的部分是过渡线或引接线被称为端部。图中1-10、2-11、3-12分别是一个线圈,亦即图中每对极每相中有三个元件(线圈是组成绕组的元件)组成了一个线圈组。每个线圈组感生电势、电流之后就要产生磁场。根据右螺旋定则,作出相应的磁力线,每条磁力线回路穿过定子和转子铁心以及两部分气隙,其方向如图 5-17(b)的虚线所示。现将图 5-17(b)和图 5-12 比较,虽然图 5-12 是讨论转子槽内导体,图 5-17(b)是讨论定子槽内导体,但两图都是一相绕组流过一相电流,其结论应该相同,即定子D1相绕组感生电流所产生的磁场也是一个空间上作
19、余(或正)弦分布、时间上作正(或余)弦脉动的两极脉振磁场；定子D1相脉振磁场的振幅位置在该相绕组轴线上；D1相脉振磁场可以用磁密空间矢量 表示。同理,定子的D2、D3相绕组感生电流 、后,也产生各自的脉振磁场或用磁密空间矢量 、来表示。以下用公式来作基本推导。1B32II32BB图 5-17 一相定子绕组及其所产生的磁场 据前述,定子绕组三相电流在时间上是同相位的,假设电流初相角为0,各相电流有效值已经用式 5-6 确定,则三相电流的瞬时值如下：tIitIitIisin)240cos(2sin)120cos(2sincos2131211(5-7)自整角机气隙各点磁密总是与产生它的电流大小成正比
20、。电机内部磁通密度某瞬时分布曲线中各点大小也应与电流瞬时值大小成正比,亦即磁密空间矢量的长度(即模值)正比于电流的瞬时值大小。因此三相定子磁密空间矢量 、的长度应为(代入式(5-7)321BBBtBKiBtBKiBtBKiBmmmsin)240cos(sin)120cos(sincos133122111(5-8)图 5-18 定子磁场的合成和分解 B1x=B1 cos1 B2x=B2 cos(1+120)B3x=B3 cos(1+240)B1y=-B1 sin1 B2y=-B2 sin(1+120)B3y=-B3 sin(1+240)x轴方向总的磁通密度矢量的长度为 Bx=B1x+B2x+B3
21、x =B1 cos1+B2 cos(1+120)+B3 cos(1+240)把式(5-8)代入上式,则得 Bx=Bmcos 21+cos 2(1+120)+cos 2(1+240)sint利用三角函数中的倍角公式:22cos1cos112计算得 cos 21+cos 2(1+120)+cos 2(1+240)=23tBBmxsin23故 (5-9)y轴方向总的磁通密度矢量的长度为By=B1y+B2y+B3y =-B1 sin1-B2 sin(1+120)-B3 sin(1+240)=-Bmsin1 cos1+sin(1+120)cos(1+120)+sin(1+240)cos(1+240)si
22、nt 利用三角函数中的倍角公式sin1cos1=,便可以计算出上式方括号内三项之和等于零,故 By=0 因此,定子三相合成磁场为 B=Bx+By=Bx=3/2 Bm sint (5-10)22sin1 由以上分析结果,概括如下结论：(1)定子三相合成磁密相量 在x轴方向,即和励磁绕组轴线重合,但和 反向。由于励磁绕组轴线和定子绕组D1相轴线的夹角为1,因此定子合成磁场的轴线超前D1相轴线(180-1)。(2)由于合成磁密 在空间的幅值位置不变,且其长度(即模值)是时间的正弦(或余弦)函数,故定子合成磁场也是一个脉振磁场。(3)定子三相合成脉振磁场的幅值恒为一相磁密最大值的3/2倍,它的大小与转
23、子相对定子的位置角1无关。BfBB 定子三相合成磁场轴线之所以在励磁绕组轴线上,是由于定子三相是对称的。可以认为ZKF的励磁绕组属于变压器的原边(因接电源),ZKF定子三相绕组作为变压器的副边,与它相联结形成回路的ZKB定子三相绕组可作为ZKF的对称电阻电感性负载。据变压器磁势平衡的理论,ZKF的定子合成磁场必然对转子励磁磁场起去磁作用。因此,自整角机发送机的定子合成磁场的方向必定与转子励磁磁场方向相反,如图 5-19所示。图 5-19 控制式自整角发送机、变压器的定子合成磁场 5.3.4 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1时,励磁磁通在D1相绕组
24、中感应的变压器电势为：E1=E cos1(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=2-1时,合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为 E2=E2max cos (5-11)式中,E2max 为ZKB输出绕组感应电势有效值达到最大时的值,即输出绕组轴线与定子合成磁场轴线重合时的电势大小。由于ZKF的励磁绕组外加电压Uf一般为固定值,成对运行的自整角机的参数也不变,所以E2max 是一个常数。由式(5-11)可以看出,变压器输出绕组电势的有效值与两转轴之间的差角的余弦成正比。当转角差=0,cos=1时,ZKB的转子输出电势E2达最大；而当=90时,cos
25、=0,则E2=0。随动系统常用到协调位置这一术语。规定输出电势E2为零时的转子绕组轴线为控制式自整角机的协调位置,即图 5-20 中落后于ZKB定子合成磁场 90的位置为协调位置(用 相量表示之)；并把转子偏离此位置的角度定义为失调角(注：失调角也是随动系统中常用术语之一)。由图 5-18 明显可见=90-,代入式(5-11)得BtX E2=E2max cos(90-)=E2max sin (5-12)上式说明自整角机变压器(ZKB)的输出电势与失调角的正弦成正比,其相应曲线形状如图 5-21 所示。图上若在090的范围内,失调角增加输出电势E2也增大；若901,其值为负值,因此接收机ZLJ转
26、子应顺时针转过1-2角度。也可以在两台力矩式发送机ZLF之间接一台力矩式差动接收机ZCJ,显示两个输入角的和或差,如图 5-31所示。类似前述分析方法,将图中1角取“正”,2角取“负”值,则力矩式差动接收机ZCJ指示角度为 1-(-2)=1+2,即ZCJ转子将逆时针方向转过1+2角。图 5-31 ZLF-ZCJ-ZLF的工作原理 5.6 自整角机的选用和技术数据自整角机的选用和技术数据 在自动控制系统中,如果遇到要求能够“自动跟随”(或同步随动)、远距离测量、伺服机构的远距离控制等情况时,理所当然应选用自整角机。在选择自整角机时,必然牵扯到自整角机本身的技术数据以及在选用中应注意的一些问题,以
27、下分别介绍。5.6.1 自整角机的型号和技术数据自整角机的型号和技术数据 1.型号型号 选择某自整角机时,一定要注意到该电机铭牌上的型号,根据型号就可大体了解这台电机的运行方式和尺寸大小。例如：某一自整角机型号为“36ZKF01”；另一自整角机型号为“28ZKB02”；再一自整角机型号为“70ZLJ01”。以上三个型号中前两位数字(由左向右排列)表示机座号,数据大者电机直径大,反之直径小；中间三个字母(例如ZKB)表示产品名称代号,本章第1节中已经介绍过,每一种国内代号的含义,这里不再重复；后两位数字表示性能参数序号。2.励磁电压励磁电压 它是加在励磁绕组上的电压。对于ZKF、ZLF、ZLJ而
28、言,励磁绕组就是转子绕组；而对于ZKB,励磁绕组是相当于这里的定子绕组,则励磁电压是指加在定子绕组上的最大线电压,其数值与所对接的ZKF定子绕组的最大线电压一致,例如“36ZKF01”的励磁电压为115 V。3.最大输出电压最大输出电压 它是指额定励磁时自整角机副边的最大线电压。例如“36ZKF01”的最大输出电压为90 V。对于发送机和接收机均指定子绕组的最大线电势；对于ZKB,则指转子输出绕组的最大电势,此时它的定子绕组连接如图 5-32或图 5-33所示。图 5-32 求自整角变压器最大输出电压时 定子绕组的一种接线图 图 5-33 求自整角变压器最大输出电压时 定子绕组的另一种接线图
29、4.空载电流和空载功率空载电流和空载功率 空载电流和空载功率是指副边空载时,励磁绕组的电流和消耗的功率。例如“36ZKF01”的空载电流为92 mA；空载功率不大于2 W。5.开路输入阻抗开路输入阻抗 它是指副边开路,从原边(即励磁端)看进去的等效阻抗。对于发送机和接收机是指定子绕组开路,从励磁绕组两端看进去的阻抗；对于ZKB是指输出绕组开路,从定子绕组两端看进去的阻抗。例如“36ZKF01”的开路输入阻抗为1.25 k。6.短路输出阻抗短路输出阻抗 它是指原边(励磁端)短路,从副边绕组两端看进去的阻抗值。例如“36ZKF01”的短路输出阻抗为不大于150。7.开路输出阻抗开路输出阻抗 它是指
30、原边(即励磁端)开路,从副边绕组两端看进去的阻抗。例如“12ZKF02”的开路输出阻抗为60。5.6.2 选用中注意的问题选用中注意的问题 (1)具体是选择控制式或者选择力矩式自整角机,要根据实际需要和两种运行方式所具有的不同特点合理选择。表 5-1 对两种运行方式进行了比较。由表上分析可知,控制式自整角机适用于精度较高、负载较大的伺服系统。力矩式自整角机适用于精度较低的测位系统。(2)自整角机的励磁电压和频率必须与使用的电源符合。若电源可任意选择时,应选用电压较高、频率为400 Hz的自整角机(因其性能较好,故体积较小)。表 5-1 控制式自整角机和力矩式自整角机的比较 (3)相互联接使用的
31、自整角机,其对接绕组的额定电压和频率必须相同。(4)在电源容量允许的情况下,应选用输入阻抗较低的发送机,以便获得较大的负载能力。(5)选用自整角变压器和差动发送机时,应选输入阻抗较高的产品,以减轻发送机的负载。(6)当随动系统中自整角机在测位时,通常在调整以前,ZLF和ZLJ的刻度盘上的读数是不一致的,因此需要进行零位调整。调零的方法是：转动ZLF转子使其刻度盘上的读数为0；然后固定ZLF转子,再转动ZLJ定子,使ZLJ在协调位置时,刻度盘上的读数为0,再固定ZLJ定子。(7)发送机和接收机切勿调错。这是因为结构上,两者是有差异的;而且二者的参数也不尽相同,故二者也就不能互换。尤其是力矩式接收机本身装有阻尼装置,发送机则没装阻尼,这样如果两者接错,必然使自整角机产生振荡现象,影响正常运行。
