第六篇 微控电机 第20章 微 控 电 机

微控电机:由驱动微电机和控制电机构成，简称为微控电机 . 微控电机：对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，要求反应快、精度高、运行可靠等等。在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。

1、驱动微电机:用来拖动各种小型负载,功率一般都在750W以下,最小的不到1W,因此外形尺寸较小,相应的功率也小,本章主要介绍单相异步电动机,微型同步电动机,直线电动机、无刷直流电动机 。

2、控制电机:在自动控制系统中对信号进行传递和变换,用做执行元件或信号元件. 要求有较高的控制性能,如:反应快,精度高,运行可靠等等 2、控制电机:在自动控制系统中对信号进行传递和变换,用做执行元件或信号元件.要求有较高的控制性能,如:反应快,精度高,运行可靠等等.本章主要介绍伺服电动机,步进电动机,旋转变压器,自整角机和测速发电机、开关磁阻电动机 。

20.1单相异步电动机 20.2伺服电动机 20.3力矩电动机 20.4微型同步电动机 20.5步进电动机 20.6旋转变压器 第20章 微控电机 20.1单相异步电动机 20.2伺服电动机 20.3力矩电动机 20.4微型同步电动机 20.5步进电动机 20.6旋转变压器 20.7自整角机 20.8测速发电机 20.9直线电动机 20.10无刷直流电动机 20.11开关磁阻电动机

20.1 单相异步电动机 20.1.1 简介 定义：单相异步电动机仅需单相电源即可工作，在快速发展的家电、医疗器械中得到非常广泛的应用。 20.1 单相异步电动机 20.1.1 简介 定义：单相异步电动机仅需单相电源即可工作，在快速发展的家电、医疗器械中得到非常广泛的应用。 结构：单相异步电动机有两个绕组：一个叫工作绕组，产生脉振磁场，但不能产生起动力矩；另一个叫起动绕组，与主绕组一起使用时共同产生起动力矩。 返回

起动完毕之后，工作绕组继续工作，而起动绕组通过离心开关断开电源。两个绕组均装在定子上，并且相差90°电角度。单相异步电动机的转子是呈鼠笼型的。 20.1.2 工作原理 单相异步电动机各物理情况如图20.1所示。

图20.1单相异步电动机的磁场和转矩

图20.2单相异步电动机的T-S曲线

但电机转子一旦借外力旋转以后，它对两个相反旋转的旋转磁场有了不同的转差率，对正向磁场的转差率为： 对反转旋转磁场而言，电动机转差率为：

结论： 1>当n>0时，转矩T>0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行。

3>当n=0时，转矩T=0，电机将无法起动！ 由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题。

起动的必要条件是： 1）定子具有空间不同相位的两个绕组； 2）两相绕组中要通入不同时间相位的交流电流。 第一个条件显然是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：

1）单相电阻分相起动异步电动机； 2）单相电容分相起动异步电动机； 3）单相电容运转异步电动机； 4）单相罩极式异步电动机。

1.单相电阻分相起动异步电动机 在起动绕组中串入电阻R，然后与工作绕组共同接到同一单相电源上，如图20.3所示。 起动绕组中的电流超前于工作绕组中的电流，如图20.4所示，两个电流有相位差，形成椭圆旋转磁场，从而产生起动转矩。

图20.3单相异步电动机的电阻分相起动

图20.4电阻分相起动的向量图

这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆度较大的旋转磁场，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。 改变电阻分相式电动机的转向，只要把工作绕组与起动绕组相并联的引出线对调即可实现。

2、单相电容分相起动异步电动机： 在起动绕组中串接电容C，然后与主绕组（工作绕组）共同接到同一单相电源上，如图20.5所示 。

图20.5 电容分相起动接线图和向量图

既想得到较好的起动性能，又使在正常工作时形成近似圆形的旋转磁场，那么可以把与起动绕组串联的电容采用二个电容并联的方式，如图20.7所示。 与电阻分相一样，若要改变电机转向只需把起动绕组与主绕组相并联的出线对调即可实现。

如果起动绕组是按长期工作设计，起动电容也是按长期工作选取，那么起动绕组不仅在单相异步电动机起动时用，而且还与工作绕组一起长期工作，这种电动机叫做电容电动。

图20.7 电容电机的一种接线方式及其T-S 曲线

3、单相罩极式异步电动机 罩极起动电动机的定子铁心通常做成凸极式，每个极上装有主绕组，即工作绕组，每个磁极极靴的一边开一个小槽，用短路铜环K把部分极靴罩起来，如图20.8所示。

图20.8罩极式电动机结构示意图

当主绕组接入单相交流电源时，产生磁通可分为两部分，一部分不穿过短路环K为 ；另一部分穿过短路环K；则在短路环中感应电势并产生电流，也产生一个磁通。所以穿过短路铜环K的总磁通应是主绕组产生通过短路环的磁通与短路环产生的磁通所合成，即 。

图20.9罩极式电动机向量图

由上面分析可知，电动机气隙中未罩部分的磁通与罩住部分的磁通在空间上处于不同位置，在时间上又有一定的相位差，因此其合成的磁场是一个沿着一方向推移的磁场。

这磁场是一种椭圆度很大的旋转磁场，电动机可产生一定的起动转矩，但起动转矩很小。 由于 超前于 ，故合成磁场从 转向 。 这磁场是一种椭圆度很大的旋转磁场，电动机可产生一定的起动转矩，但起动转矩很小。 返回

20.2 伺服电动机 伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 返回

根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。

20.2.1 直流伺服电动机 1、简介：直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。

输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。 电枢控制：把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向。 磁场控制：把控制信号加到励磁绕组上进行控制。（较少使用）

图20.10 直流伺服电动机电枢控制接线图

电枢式励磁方式则有两种： 1）、 一种用励磁绕组通过直流电流进行励磁，称为电磁式直流伺服电动机 2）、另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组，称为永磁式直流伺服电动机

2：特性分析： 1）机械特性： 故其机械特性是一组平行的直线，如图20.11所示。

图20.11直流伺服电动机的机械特性

2）调节特性： 图20.12 直流伺服电动机的调节特性

始动电压：要使电机能够转动，控制信号Uc必须大于U1才行，故U1始动电压。 失灵区：原点到始动电压之间的区段。由图可知，当T越大，始动电压也越大，反之亦然；当为理想空载时，T=0，始动电压为0V。

从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，很理想，不存在“自转”现象（控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象叫“自转”现象），是一种很好的执行元件。

20.2.2 交流伺服电动机 1. 工作原理 交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。 2.结构：定子、转子。

1—定子绕组； 2—定子铁心； 3—鼠笼转子 

转子冲片

鼠笼式转子绕组

（2）非磁性空心杯转子 非磁性空心杯转子交流伺服电动机有两个定子：外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分. 空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，在电机旋转磁场作用下，杯形转子内感应产生涡流，涡流再与主磁场作用产生电磁转矩，使杯形转子转动起来。

图20.15 非磁性空心杯转子结构图 1. 空心杯转子 2. 外定子 3. 内定子 4. 机壳

杯形转子与鼠笼转子相似

杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。 因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。

工作原理：交流伺服电动机使用时， 励磁绕组两端施加恒定的励磁电压UfN， 控制绕组两端施加控制电压Uk，当定子绕组加上电压后，会根据条件的不同形成相应的圆形、椭圆形磁场，产生起动转矩， 伺服电动机就会很快转动起来， 将电信号转换成转轴的机械转动。

图20.13 交流伺服电动机原理图

图 7 - 27 不同转子电阻的机械特性(RR4 ＞RR3 ＞RR2 ＞RR1 )

在伺服电动机运行范围内(即0＜s＜1)， 不同转子电阻的机械特性的形状有很大差异。 应该指出， 对于伺服电动机来说， 必须具有这种下垂的机械特性， 这是因为自动控制系统对伺服电动机有一个重要要求， 就是在整个运行范围内应保证其工作的稳定性， 而这个要求只有下垂的机械特性才能达到。

转子回路串电阻。只要交流伺服电动机要有足够大的转子电阻， 使临界转差率 解决办法： 转子回路串电阻。只要交流伺服电动机要有足够大的转子电阻， 使临界转差率 sm＞1。

圆磁场时的机械特性

零信号时

零信号时的机械特性

1、自转现象： 如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。

2、如何克服： 如果交流伺服电动机的电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么转子电阻较小，其机械特性如图20.14a所示。

图20.14 交流伺服电动机自转的消除

增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的Sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；从而消除“自转”现象，如图20.14b所示。

增大转子电阻不仅可以消除“自转”现象，还可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。

3、交流伺服电动机的控制方式有三种： （１）幅值控制 如图20.16所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，在实际使用中， 为了方便起见， 常将控制电压用其相对值来表示.

控制电压与励磁电压在相位上差始终保持90°电角度。 若控制绕组的额定电压 ，那么控制信号的大小可表示

用表幺值表示：

式中， Uc为实际控制电压； UcN 为额定控制电压，大小和UfN 相等。

值得注意的是： 采用有效信号系数α，不但可以表示控制电压的值， 而且也可表示电机不对称运行的程度。 （1）当有效信号系数＝１时，所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；

（2）当<１时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。 （3）越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机停转。

幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示，图中的转矩和转速都采用标么值。

返回 图20.16幅值控制接线图及向量图

图20.17 幅值控制时的向量图

2）相位控制: 这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。

如下图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，控制电压与励磁电压的频率相同。而相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差。

图20.18相位控制接线图

Sin称为相位控制的信号系数。改变控制电压与励磁电压的相位差的大小，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。

（3）幅值—相位控制: 交流伺服电动机的幅值—相位线路图如图20.19所示。励磁绕组串接电容C后再接到交流电源上，控制电压与电源同相位，但幅值可以调节。

当控制电压的幅值改变时，转子绕组的耦合作用，使励磁绕组的电流也变化，从而使励磁绕组上的电压及电容C上的电压也跟随改变，控制电压与励磁电压的相位差也随之改变。

图20.19 幅值---相位控制接线图

幅度—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。 返回

20.3 力矩电动机 伺服电动机转速较高而转矩较小。在控制统系中伺服电动机往往需要经过齿轮减速才能拖动负载，而齿轮装置的误差，往往使整个控制系统的精度大为降低，响应变慢，调节性能变差。在控制要求高的系统中，需要一种力矩较大的伺服电机来直接拖动负载，这种电机就叫力矩电动机。 返回

力矩电动机是一种特殊的伺服电机。其转速低，转矩较大，可以不经减速机构直接拖动负载，响应快，精度高，调节性能好，调速范围很大，运行可靠。 力矩电动机为能产生较大的转矩，通常把电机做成扁平式结构，外形轴向长度短，径向长度大，极数较多。力矩电动机分为直流力矩电动机和交流力矩电动机两大类。

图20.20 直流力矩电动机的结构示意图 返回

20.4 微型同步电动机 微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单相的，但转子结构不同。 20.4 微型同步电动机 微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单相的，但转子结构不同。 根据转子结构的不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、磁滞式等，另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。 下面主要介绍永磁式和磁滞式微型同步电动机。 返回

20.4.1 永磁式微型同步电动机： 永磁式微型同步电动机的转子由永久磁铁制成，如图20.21所示。 图20.21 永磁式微型同步电动机的转子

当电动机正常运行时，定子绕组产生的旋转磁场以同步转速n1旋转，转子也以同步转速n1旋转。 永磁式同步电动机功率小，结构简单，在电气仪表中应用较多。

20.4.2 反应式微型同步电动机 反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。

转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大。 20.4.3 磁滞式微型同步电动机 转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大。 当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发生相应的改变，他会有一个时间上的落后。

a) 转子结构 b) 非磁性套筒转子 c) 磁性套筒转子 1. 套筒 2. 磁滞材料层 3. 挡环 图20.22 磁滞式微型同步电动机的转子

如图20.23a所示，由硬磁材料制成的转子若处在大小不变方向不变的定子磁通势下，那么转子的硬磁材料的磁分子便按照定子磁通势的方向排列，电动机产生旋转转矩为零。 当定子磁极顺时针转动时，如果转子为软磁材料，无磁滞现象，那么转子的因磁化而产生的磁通势仍与定子磁通势的方向一致，如图20.23b，仍然不会产生旋转转矩；

a） b） c） 图20.23 磁滞转矩的产生

如果转子由硬磁材料制成，十分显著的磁滞作用阻碍磁分子之间的相对运动，即力图保持原先被磁化的方向，从而使转子的磁通势的方向落后于定子磁通势一个角度c，这个c 角叫做磁滞角，如图20.23c）所示。定子与转子间的电磁切拉力使电机转子受到一个旋转转矩，从而转动起来。这个使转子转动起来的转矩因硬磁材料的磁滞作用而产生，故称之为磁滞转矩。

磁滞同步电动机凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞角c 的大小仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与旋转磁通势和转子转速无关，磁滞角c 是恒定的。

当转子转速达到同步转速时，旋转磁通势和转子之间无相对运动，此时的磁滞电动机相当于 一台永磁式同步电动机，定、转子磁通势之间的角度由负载的大小决定。 磁滞式同步电动机具有很多优点：结构简单，运行可靠，能够自行起动，而且起动电流小，运行稳定等等。

除了磁滞转矩以外， 当转子低于同步速运行时， 转子和旋转磁场之间存在相对运动，这时， 磁滞转子也要切割旋转磁场而产生涡流；转子涡流与旋转磁场互相作用就产生涡流转矩。 这种涡流转矩的性质与交流伺服电动机产生的转矩完全相同。 涡流转矩随着转子转速的增加而减小； 当转子以同步速旋转时，涡流转矩为0， 其机械特性如下图所示。

从图中可以看出， 磁滞同步电动机不但在同步状态运行时能产生转矩， 而且在异步状态运行时， 也能产生转矩，因而它既可在同步状态下运行， 又可在异步状态下运行。 但磁滞同步电动机在异步状态运行的情况极少， 这是因为在异步状态运行时， 转子铁心被交变磁化，会产生很大的磁滞损耗(由硬磁材料磁分子之间的摩擦力引起的)和涡流损耗。

磁滞式同步电动机具有很多优点：结构简单，运行可靠，能够自行起动，而且起动电流小，运行稳定等等。 磁滞式同步电动机因具有上述的诸多优点，在恒速装置、传动装置和测量仪器中应用广泛 返回

20.5 步 进 电 动 机 步进电动机是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对于模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。 返回

根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多，下面以此为例来阐述步进电动机的原理。 20.5.1 工作原理 图20.24为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。

当A相控制绕组通电，B相和C相断电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，如图20.24a所示。

a） b） c） 图20.24 三相反应式步进电动机的工作原理图

如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极B、B‘对齐，如图20 如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极B、B‘对齐，如图20.24b所示，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角为30，即前进了一步，转过这个角叫做步距角。 同样的，如果C相通电，A相B相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极C，C’对齐，如图20.24c所示。(动画)

相关概念： 1、步距角 ：在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，用角度来表示，叫做步距角。 2、拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用有三拍、四拍等。 3、通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环。通过分析可以发现，每经过一个通电循环，（即对应一个2π的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，因此，转子一个齿距对应一个2π的空间电角度。

4、单、双：每次改变通电方式只有一个绕组通电或有两个绕组通电。 如：三相单三拍,它的通电顺序为A-B-C-A,如果反向,即为A-C-B-A。 若按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序通电，每次循环需换接6次，称为三相单双六拍。

当A相通电时，转子齿1、3和定子磁极A、A'对齐，如图20 当A相通电时，转子齿1、3和定子磁极A、A'对齐，如图20.25a所示。当控制绕组A相B相同时通电时，转子齿2、4受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3也受到一个顺时针的反应转矩，当这两个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动，如图20.25b所示。此时，转子在空间转过15

a） b） c） 图20.25 步进电机的三相单双六拍运行方式

(动画）另外还有一种运行方式，按AB-BC-CA-AB顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，故称为三相双三拍。 由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单双拍通电方式，其步矩角S是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。

上述结构的步进电动机步距角要么为30，要么为15，都太大，无法满足生产中对精度的要求。由于一个通电循环转子转过一个转子齿距角，在实践中一般采用转子齿数很多，定子磁极上带有小齿的反应式结构，因而可以使步距角很小。

图20.26 三相反应式步进电动机

转子齿数根据步距角的要求初步决定，但准确的转子齿数还要满足自动错位的条件。即每个定子磁极下的转子齿数不能为正整数，而应相差1/m个转子距齿，那么每个定子磁极下的转子齿数应为： 式中m为相数，2p为一相绕组通电时在气隙圆围上形成的磁极数，K为正整数。

例如转子齿数为4和40， m=3，2p=2，则K分别等于1和7，可满足上式条件。 那么转子总的齿数为 例如转子齿数为4和40， m=3，2p=2，则K分别等于1和7，可满足上式条件。 当转子齿数满足上式时，当电机的每个通电循环（N拍）转子转过一个转子齿距，则步距角用机械角度表示则为

举例： 一台三相六极转子40个齿得到反应式步进电动机，求N为3和6时的步距角。 N=3时， θS=3600/Zr3=30 N=6时， θS=3600 /Zr6=1.50 常见的步进电动机的步距角有：1.20/0.60，1.50/0.750，1.80/0.90等。

20.5.2 运行特性： T = - C sin 1、静态运行特性：步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。 失调角：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。这样，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。 经分析，静转矩T与失调角的关系近似为： T = - C sin

(a) =0，T=0 (b) >0，T<0 (c) =，T=0 (a) (b) (c) (a) =0，T=0 (b) >0，T<0 (c) =，T=0 图20.27 步进电动机的转矩和转角

图20.28 步进电动机的矩角特性

步进电机的稳定平衡点： 如果为空载即TL=0，那么转子在失调角=0处稳定，即在通电相定子齿转子齿对齐的位置稳定。如有外力使转子齿偏离定子齿，0<<，则在外力消除后，转子仍能回到原来的稳定平衡位置。 步进电机的不稳定平衡点： 当=时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，静转矩T=0，但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子将失去平衡，故=是不稳定平衡点。

由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程. 在两个不稳定平衡点之间的区域构成静稳定区，即-<<，如图20.28所示。 2、步进运行状态：当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态，如图20.30所示。 1）空载运行情况：如图20.31所示。

图20.30具有步进特征的运行

图20.31 步进电动机空载运行状态

当A相通电时，A相的稳定平衡点a。 A相通电时，-<<为静稳定区。 当A相断电，B相通电时，矩角特性转为曲线B，曲线B落后曲线A一个步距角S=2/3，转子处在B相的静稳定区内，为矩角特性曲线B上的b1点，此处T>0，转子继续转动，停在稳定平衡点b处，此处T又为0。对应于它的静稳定区为- +b<<+ b, 在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-+ b ，+ b ）称为动稳定区。

转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，这样，下一步就可继续沿着原来的旋转方向前进。 显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。

2）负载运行情况：如图下所示 图20.32步进电动机负载运行状态

分析： 负载运行时，转子除了每一步必须停留在动稳定区内，还必须满足，在每一步的平衡点处，下一相通电的静转矩T>TL 。这样，转子就可以一步一步的沿着原来的方向继续进行，步进电机能够带负载作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩。

3、连续运行状态： 当脉冲的频率f增高，前一个脉冲还未结束，下一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频率升高，电机转速增加。我们同样可以作出相应的矩频特性。如图（步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性）

注意：电机绕组是一个电感线圈，具有抵抗电流变化的现象，使得控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。电机的带载能力就有所下降。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流增加很快，也使电机的输出转矩下降。

总之步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小，步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性，如图20.33所示。

图20.33 步进电机的运行矩频特性

20.5.3 驱动电源 步进电动机的控制绕组中需要一系列的有一定规律的电脉冲信号，从而使电机按照生产要求运行。这个产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。 步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，其方框图如图20.34所示。

图20.34 步进电机驱动电源方框图

20.5.4 步进电机的应用 步进电动机是用脉冲信号控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、反转； 

而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行；它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况。 步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。 返回

20.6 旋转变压器 当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。 20.6 旋转变压器 当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。 旋转变压器结构与绕线式异步电动机类似，其定子、转子铁芯通常采用高磁导率的铁镍硅钢片冲叠而成，在定子铁芯和转子铁芯上分别安装有两个在空间上互相垂直的绕组，通常设计为2极，转子绕组经电刷和集电环引出。 返回

1. 定子 2. 转子 3. 电刷 4. 集电环 图20.34 正余弦旋转变压器结构图

1）空载运行：旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组D1D2和D3D4，但在空间上相差90。每套绕组的有效匝数为 根据输出的函数关系的不同，旋转变压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。 20.6.1 正余弦旋转变压器 1、正余弦旋转变压器的工作原理 1）空载运行：旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组D1D2和D3D4，但在空间上相差90。每套绕组的有效匝数为

ND，其中D1D2绕组为直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套完全相同的绕组Z1Z2和Z3Z4，在空间上也相差90，每套绕组的有效匝数为NZ。

图20.35 正余弦旋转变压器的空载运行

励磁绕组D1D2通过交流电流ID12在气隙中建立一个正弦分布的脉振磁场ΦD，其轴线就是励磁绕组（即直轴绕组） D1D2 的轴线即直轴。 而输出绕组Z1Z2与磁场的轴线（直轴）的夹角为，故气隙磁场ΦD与输出绕组Z1Z2 交链的磁通ΦZ12= ΦD cos。

ΦD与另一输出绕组Z3Z4相交链的磁通 ΦZ34= ΦD cos（90-）= ΦD sin， 如图20.35b所示。

ED12 = 4.44fNDΦD 相对应的在输出绕组感应的电动势为： EZ12 = 4.44fNZΦDcos EZ34 = 4.44fNZΦDsin 输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为：

UZ12 = KUDcos UZ34 = KUDsin 如果忽略励磁绕组和输出绕组的漏阻抗，则Z1Z2和Z3Z4的端电压分别为：

2）负载运行： 在实际应用中，输出绕组都接有负载，输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。 如图20.36所示，输出绕组Z1Z2 接上负载，产生的负载电流建立一个按正弦规律分布的脉振磁势FZ12，其幅值轴线就是Z1Z2 绕组轴线， FZ12 在直轴和交轴两个方向上分为两个分量：

图20.36 正余弦旋转变压器的负载运行

直轴分量 FZ12d= FZ12cos 交轴分量 FZ12q= FZ12sin 直轴分量磁势与励磁绕组轴线都是直轴，其影响象普通变压器的二次侧负载电流的影响一样，负载电流增大，励磁绕组D1D2 的电流也增大，从而保持直轴方向的磁势平衡，以维持气隙磁通D不变。

而交轴分量磁势存在的结果是输出电压产生畸变，使输出电压不再按余弦规律变化。 2、负载运行的正余弦旋转变压器的补偿 补偿的方法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手。

FZ12q=FZ12cos=FZsincos。 FZ34q=FZ34sin=FZcossin。 1）二次侧（转子）补偿 方法： 如图20.37所示，余弦输出绕组Z1Z2 接负载，正弦输出绕组作为补偿绕组也接入负载Z'L。又两绕组Z1Z2 与Z3Z4 完全一样，如果接入的负载相等（ZL= Z'L ）。 FZ12q=FZ12cos=FZsincos。 FZ34q=FZ34sin=FZcossin。

图20.37 二次侧补偿的正余弦旋转变压器

由上可知，两个完全一样的正余弦输出绕组如果接的负载一样，那么两绕组产生的交轴方向的磁势大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁场；而在直轴方向上磁势为两绕组直轴分量磁势之和

2）一次侧补偿： 上述的二次侧补偿是有条件的，即ZL=Z'L，但如有偏差，交轴方向的磁势不能完全抵消，输出还是有畸变的，为此可以采用一次侧补偿来消除交轴磁场。 而D3D4作为补偿绕组通过阻抗Z（等于电源内阻）或直接短接，在绕组D3D4中产生感应电流，从而产生交轴磁势，该磁势有强烈的去磁效应，以补偿转子绕组的交轴磁势。

为了减小误差，使用时常常把一次侧、二次侧补偿同时使用，如图20.38所示。 图20.38 一次侧、二次侧补偿的正余弦旋转变压器

20.6.2 线性旋转变压器： 线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角θ很小的时候近似有Sin=，此时就可看作一台线旋转变压器。在转角不超过4.5时，线性度在0.1%以内。 若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进行改接，定子绕组D1D2与转子绕组Z1Z2串联后接到交流电源。

图20.39 线性旋转变压器接线图

EZ12 = 4.44fNZΦdcos EZ34 = 4.44fNZΦdsin ED12 = 4.44fNDΦd EZ12 = 4.44fNZΦdcos EZ34 = 4.44fNZΦdsin 经过化减整理后：

用数学推导可证明，当K=0.52，=60的范围内，输出电压UZ和转角成线性关系，线性误差不超过0.1%。 图20.40 线性旋转变压器的输出电压曲线

20.6.3 旋转变压器的应用： 转变压器常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘除运算微分积分运算，也可在角度传输系统中作自整角机使用。 返回

20.7 自整角机 一、引言 1、定义：对角位移或角速度的偏差进行自动地整步。 20.7 自整角机 一、引言 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，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。 1、定义：对角位移或角速度的偏差进行自动地整步。 返回

自整角机通常是两台或两台以上组合使用。 2、自整角机发送机：产生信号的自整角机，它将轴上的转角变换为电信号。 3、自整角机接收机：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。

4、主令轴和从动轴： 在随动系统中 主令轴只有一根 安装发送机 从动轴可以是一根（或多根） 接受机 故而一台发送机带一台或多台接受机。 主令轴只有一根 安装发送机 从动轴可以是一根（或多根） 接受机 故而一台发送机带一台或多台接受机。 失调角：主令轴与从动轴之间的角位差，称为失调角。

5、结构： 自整角机通常做成两极电机，包括定子、转子。 1）定子：定子铁芯，绕组。定子铁芯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， 2）转子：转子铁芯，绕组。转子铁芯上放置单相励磁绕组，接单相交流电源，可以做成凸极结构，也可做成隐极结构，励磁绕组经集电环和电刷后接励磁电源。

图20.41 自整角机的基本结构

图20.42 自整角机定子、转子结构形式

6、分类： 自整角机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。 20.7.1 控制式自整角机 1、工作原理分析：

图20.43 控制式自整角机工作原理图

自整角变压器：自整角接收机工作在变压器状态，故又称为自整角变压器，其输出绕组接交流伺服电动机的控制绕组。 协调位置：自整角发送机的转子转角1等于自整角变压器的转子转角2时，失调角=1-2=0，自整角机此时的位置叫协调位置。 1. 三相整步绕组的电势和电流

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。在这里我们把发送机励磁绕组的轴线定为d 轴，与其垂直的的方向是q 轴。

原理分析： 当发送机转子上的励磁绕组接入单相交流电流时，产生的是正弦分布的脉振磁场，与发送机三相整步绕组相交链而感应产生电动势。如果发送机三相整步绕组的某相（如A相）与磁励绕组的轴线重合作为起始位置，那么此时该相的感应电动势，其有效值为 E = 4.44 f N kNΦm

如果发送机转子的位置角为1，如图所示，那么由发送机励磁绕组产生的主磁场在其各相整步绕组中感应的电势的有效值分别为 E1a = Ecos1 E1b = Ecos(1－120) E1c = Ecos(1－240) 设自整角发送机的每相整步绕组的阻抗为Z1，自整角变压器每相整步绕组的阻抗为Z2，为了便于分析，把两台自整角机的三相整步绕组的星点连接起来，那么三相整步绕组的回路电流分别为

三相整步绕组星点连线中的电流为： I0 = Ia+Ib+Ic = Icos1+Icos(-120)+Icos(- 240) = 0

连线中并没有电流，实际线路中并不需要连接。 2. 三相整步绕组磁势 由于三相整步绕组的电势都是由同一个脉振磁通感应产生，又因控制式自整角发送机和自整角变压器的每相整步绕组回路的阻抗都相同，因而整步绕组的每一相绕组回路的电流是同频同相位的，那么其合成磁势为空间分布的脉振磁势。

F1d=F1acos1+F1bcos(1-120)+ +F1ccos(1-240) 为了分析的方便，通常把整步绕组中三个空间脉振磁势分解为直轴分量和交轴分量。 则控制式自整角发送机三相绕组的直轴分量磁势为： F1d=F1acos1+F1bcos(1-120)+ +F1ccos(1-240) = Fmcos21+Fmcos2(1-120)+ +Fmcos2(1-240) = 3Fm/2

F1q=F1asin1+F1bsin(1-120)+F1csim(1-240) 交轴分量的磁通势为： F1q=F1asin1+F1bsin(1-120)+F1csim(1-240) =Fmcos1sin1+Fmcos(1-120)sin(1- 120)+Fmcos(1-240)sim(1-240) =0 上式表明，控制式自整角发送机的三相绕组合成磁势没有交轴分量，只有直轴分量，即合成磁势与励磁绕组同轴，与1无关。

自整角变压器的三相绕组电流就是发送机绕组电流，只不过对发送机而言，电流是“流出”的，对于接收机（自整角变压器）而言，电流是“流入”的，如图所示,因而在接收机整步绕组中产生的磁通势F1＇与F1大小相等，方向相反，也与1无关。

3. 自整角变压器的输出电势： 如果自整角变压器的转子转角2等于自整角发送机的转子转角1，则自整角变压器三相绕组合成磁势所产生的磁场与转子输出绕组同轴线，那么在转子输出绕组中感应电动势Em的值

最大，如果21，自整角变压器定子合成磁势与转子输出绕组轴线夹角为=1-2，如图所示。此时转子输出绕组感生的电动势为： E2 = Emcos(1 － 2) = Emcos 自整角变压器输出电压（电势）为失调角的余弦函数，在实际控制系统中会带来一些问题。

（1）当随动系统处于协调位置（即失调角=0）时，希望自整角变压器的输出电压为0，当0时，才有电压信号输出，送到交流伺服电动机中，使伺服电动机旋转以清除，但如按图工作，那么，在失调角为0时，自整角变压器输出电压反而最大，增大，输出电压反而减小，与实际需要相反。

（2）失调角是有方向的，是顺时针还是反时针是必须明确的，即的正负值是表明方向的，但上述系统中不管为正还是为负，其输出的电压都是正的，因为 Ecos(-)=Ecos.

为了解决上述问题，在实际使用的系统中，把自整角变压器的转子由原来的协调位置（=0）处旋转90作为起始位置，那么输出绕组感应电动势 E2 = Emcos(-90) =Emsin

图20.45 自整角变压器的输出特性

空载时，输出电压U2=E2，负载时，输出电压下降，若选择输入阻抗大的放大器作为负载，则自整角变压器输出电压下降不大。

20.7.2 力矩式自整角机： 在随动系统中，不需放大器和伺服电动机的配合，两台力矩式自整角机就可进行角度传递，因而常用以转角指示。 其工作原理如图 20-46： 两台电机的励磁绕组接到同一单相交流电源上，三相整步绕组对应相接。假设三相整步绕组产生的磁势在空间按正弦规律分布，磁路不饱和，并忽略电枢反应，那么在分析时便可用迭加原理。

图20.46 力矩式自整角机接线图及磁势图

当发送机的转子转角为1，接收机转子转角为2，在上述假设条件下，力矩式自整角机工作时电机内磁势情况可以看成发送机励磁绕组与接收机励磁绕组分别单独接电源时所产生的磁势的线性叠加。 力矩式自整角机的转矩是定子磁势与转子磁势相互作用而产生的。为分析自整角机的力矩，我们先来看看直轴、交轴磁势是如何产生转矩的。

1）直轴、交轴磁势是如何产生转矩的：

A：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的也是直轴磁势，此时线圈也受到的电磁力F的方向如图b）所示，显然不会产生转矩。同样的图是产生交轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下也不会产生转矩（如图 c）所示）。 B：在直轴磁通（磁势）下，通电线圈产生的是交轴磁势，线圈边受力方向相反，使线圈产生顺时针力矩，最终使线圈停在水平位置，两磁势的轴线重合，如图d）所示；同样的，图是产生直轴磁势的线圈在交轴磁通（磁势）下受到逆时针的转矩如图e）所示。

综上所述，同轴磁势不产生转矩，直轴磁势与交轴磁势能够产生转矩，转矩的方向是使两磁势磁轴线靠拢。

2）、力矩自整角机的力矩及方向： 在接收机中，F2与励磁磁势F‘f是同轴磁势，故不会产生力矩。而F'1与F'f轴线的夹角即失调角=1-2，若把F2作直轴，那么可把F1'分为直轴分量F1'cos，交轴分量F1'sin。直轴分量与F'f同轴不产生转矩，交轴分量F1'sin则与F'f产生转矩，此转矩称为整步转矩。

T=Tmsin 若=90时产生的最大整步转矩为Tm，那接收机所产生的整步转矩可以表达为 当失调角越大，自整角接收机产生的整步转矩越大，转矩的方向是使Ff和F1′靠拢，

即转子往失调角减小的方向旋转，如为空载，最终会消除失调角，此时，1=2，=1- 2=0，随动系统处于协调位置。但实际上，由于机械摩擦等原因的影响，使空载时失调角并不为0，而存在着一个较小的Δ，误差Δ叫做静态误差，即自整角发送机和接受机转子停止不转时的失调角。

角存在而产生的转距下使转子转动，以减小失调角，换言之，是接收机跟随发送机旋转。失调角与静态整步转矩T的关系曲线如图20

图20.45 自整角变压器的输出特性

力矩式和控制式自整角机的区别:当失调角产生时，力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角机系统。

自整角机控制系统中，当失调角产生时，力矩自整角接收机输出与失调角成正弦关系的转矩，直接带动接收机轴上的机械负载，直至消除失调角。但力矩式自整角机力矩不大，如果机械负载较大，则采用控制式自整角控制系统，自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。

自控式自整角机把失调角转换为正弦关系的电压输出，经过电压放大器放大后送到交流伺服电动机的控制绕组中，使伺服电机转动，再经齿轮减速后带动机械负载转动，直到消除失调角。

自整角机的应用： 自整角机的应用越来越广泛，常用于位置和角度的远距离指示，如在飞机、舰船之中常用于角度位置、高度的指示，雷达系统中用于无线定位等等；另一方面常用于远距离控制系统中，如轧钢机轧辊控制和指示系统、核反应堆的控制棒指示等等。 返回

20.8 测速发电机 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比： 20.8 测速发电机 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比： U2=Cn 测速发电机分直流和交流两大类。 返回

20.8.1 直流测速发电机： 返回

E0=CeΦ0n 1、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机一样，当磁通Φ=常数时，发电机的电动势为： 1）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：U0＝Ｅ0，显然输出电压U0与n成正比。

2）有负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为RL，不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为：

整理后得

C为直流测速发电机输出特性的斜率，当Φ0、Ra及RL都不变时，输出电压U与转速成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出特性的斜率C不同，负载电阻越小，斜率C也越小。

图20.52 直流测速发电机的输出特性

2、误差分析： 直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际的输出特性为图20.52中实线造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：电枢反应，温度的影响和接触电阻。

（1）电枢反应 直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通Φ0减小，根据输出电压与转速的关系式可知，当Φ0 减小，输出电压减小，从输出特性看，斜率C减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越显著，输出特性斜率C减小越明显，输出特性直线变为曲线。

（2）温度的影响 如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通Φ0减小，输出电压减小。温度越高，斜率C减小越明显，使特性向下弯曲。 为了减小温度变化带来的非线性误差，通常把直流测速发电机的磁路设计为饱和状态。当温度变化时引起励磁电流If变化减小，如图20.53所示，从而减小非线性误差。

图20.53 磁化曲线

（3）接触电阻 电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，而接触电阻总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。 另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。

20.8.2 交流测速发电机： 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。以下仅介绍异步测速发电机。 1、工作原理 交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。 空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组，如图20.54所示。

图20.54交流异步测速发电机原理图

工作时，励磁绕组接频率为f的单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势ΦD。 1）当转子不动时，脉振磁场D在空心杯转子中感应出变压器电势，产生与励磁电源同频率的脉振磁场，也在d轴，与处于q轴的输出绕组无磁通交链，输出电压为零。 2） 当转子运动时，转子切割直轴磁通D，

在杯型转子中感应产生旋转电势E r，其大小正比于转子转速n。E r在杯型转子中产生交流电流I r，其大小正比于E r 。 E r 和I r的频率均为D的脉振频率f。若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流I r所产生的脉振磁通q正比于E r，在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场q与输出绕组相交链而产生感应电势E：

输出绕组感应产生的电势E实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为励磁电源的频率f。当然，这里也不可避免地存在着误差。

（2）误差分析 交流异步测速发电机的误差主要有三种：非线性误差、剩余电压和相位误差。 ①非线性误差 只有严格保持直轴磁通d不变的前提下，交流异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比。

但在实际中直轴磁通d是变化的。原因主要有两个方面：一方面转子旋转时产生的q轴脉振磁场q，杯型转子也同时切割该磁场，从而产生d轴磁势并使d轴磁通产生变化；另一方面，杯型转子的漏抗是存在的，它产生的是直轴磁势，也使直轴磁通产生变化。

为了减小转子漏抗造成的线性误差，异步测速发电机都采用非磁性空心杯转子，常用电阻率大的磷青铜制成，以增大转子电阻，从而可以忽略转子漏抗，与此同时使杯型转子转动时切割交轴磁通Φq而产生的直轴磁势明显减弱。 另外，提高励磁电源频率，也就是提高电机的同步转速，也可提高线性度，减小线性误差。

②剩余电压 当转子静止时，交流测速发电机的输出电压应当为零，但实际上还会有一个很小的电压输出，此电压称为剩余电压。剩余电压虽然不大，但却使控制系统的准确度大为降低，影响系统的正常运行，甚至会产生误动作。

产生剩余电压的原因很多，最主要的原因是制造工艺不佳所致，如定子两相绕组并不完全垂直，从而使两输出绕组与励磁绕组之间存在耦合作用，气隙不均，磁路不对称，空心杯转子的壁厚不均以及制造杯型转子的材料不均等等都会造成剩余误差。 要减小剩余误差，根本方法无疑是提高制造和加工的精度；也可采用一些措施进行补偿，阻容电桥补偿法是常用的补偿方法，如图20.57所示 。

③相位误差 在自动控制系统中不仅要求异步测速发电机输出电压与转速成正比，而且还要求输出电压与励磁电压同相位。输出电压与励磁电压的相位误差是由励磁绕组的漏抗、杯型转子的漏抗产生的，可在励磁回路中串电容进行补偿。

测速发电机的应用 测速发电机的作用是将机械速度转换为电气信号，常用作测速无件、校正元件、解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。 返回

20.9 直线电动机 直线电机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一。它是一种不需要中间转换装置， 而能直接作直线运动的电动机械。 过去，在各种工程技术中需要直线运动时， 一般是用旋转电机通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。 但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大， 啮合精度差，且工作不可靠等缺点。 返回

直线电机有多种型式，原则上对于每一种旋转电机都有其相应的直线电机。一般，按照工作原理来区分，可分为直线感应电机、直线直流电机和直线同步电机(包括直线步进电机)三种。在伺服系统中，和传统元件相应，也可制成直线运动形式的信号和执行元件。 由于直线电机与旋转电机在原理上基本相同，所以下面不一一罗列各种电机，而只介绍直线感应电机，使大家对这类电机有个基本的了解。

20.9.1 直线感应电机的主要类型和结构 直线感应电机主要有两种型式，即平板型和管型。平板型电机可以看作是由普通的旋转感应(异步)电动机直接演变而来的。 图20-58(a)表示一台旋转的感应电动机， 设想将它沿径向剖开，并将定、 转子圆周展成直线，如图20-58(b)，这就得到了最简单的平板型直线感应电机。由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。直线电机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。

图 20-58 直线电机的形成 (a) 旋转电机； (b) 直线电机

图20-58中直线电机的初级和次级长度相等，这在实用中是行不通的。因为初、次级要作相对运动，因此，在实际应用中必须把初、次级做得长短不等。根据初、次级间相对长度，可把平板型直线电机分成短初级和短次级两类，如图20-59所示。由于短初级结构比较简单，制造和运行成本较低，故一般常用短初级，只有在特殊情况下才采用短次级。

图 20-59 平板型直线电动机 (a) 短初级； (b) 短次级

图20-59所示的平板型直线电机仅在次级的一边具有初级， 这种结构型式称单边型。单边型除了产生切向力外，还会在初、次级间产生较大的法向力，这在某些应用中是不希望的。为了更充分地利用次级和消除法向力，可以在次级的两侧都装上初级。这种结构型式称为双边型， 如图20-60所示。

图 20-60 双边型直线电机 除了上述的平板型直线感应电机外 还有管型直线感应电动机 如果将图20-61(a)所示的平板型直线电机的初级和次级依箭头方向卷曲，就成为管型直线感应电动机，如图20-61(b)所示。

图 20-61 管型直线感应电机的形成 (a) 平板型； (b) 管型

20.9.2 直线感应电机的工作原理 直线电机是由旋转电机演变而来的，因而当初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波是直线移动的，故称为行波磁场，如图20-64所示。 显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度，且 cm/s 式中，τ为极距(cm)，f为电源频率(Hz)。

图20-64 行波磁场

在行波磁场切割下， 次级导条将产生感应电势和电流， 所有导条的电流和气隙磁场相互作用， 便产生切向电磁力。 如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。 若次级移动的速度用v表示， 则滑差率 次级移动速度

上式表明直线感应电动机的速度与电机极距及电源频率成正比， 因此改变极距或电源频率都可改变电机的速度。 与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电相序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。 返回

20.10 无刷直流电动机 直流电动机主要优点是调速和起动性能好、堵转转矩大， 因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、 性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、 噪音大、 维护困难， 因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 返回

随着电力电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。 本节要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器， 使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

20.10.1 无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，它由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，它的原理框图如图20 - 65所示。 图中直流电源通过逆变器UI向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器BQ检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。

图20 –65 无刷直流电动机的原理框图

无刷直流电动机的基本结构如图20-66所示。 图中电动机结构与永磁式同步电动机相似，转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体，但不带鼠笼绕组或其它启动装置。

图 20-66 无刷直流电动机的基本结构

20.10.2 无刷直流电动机的工作原理 图20-68为无刷直流电动机的原理模型。转子磁极经专门设计，可获得梯形波的气隙磁场（见图20-68）。定子采用集中整距绕组，因而感应电动势也是梯形波。A、B、C三相各占600（电角度）相带。当电机处于图20-68（a）所示的位置时，给B、C两相绕组通如图示方向的恒定电流（A相绕组不通电），这些载流导体在气隙磁场中受电磁力作用（方向

为从右向左），则转子形成从左向右的电磁转矩，如图所示，使转子转动。 图20-68 无刷直流电动机的原理模型

当转子在600空间电角度内转动时，由于磁场大小和电枢电流基本不变，故电磁转矩不变。但当转子转过600空间电角度，处于图20-68（b）所示的位置时，如果仍按图20-68（a）的通电方式运行，则同一极下的电枢导体中将有部分导体的电流方向发生改变（见图20-68（b）），造成电磁转矩减小。因此，在这一位置时需要进行换流，即从B相换到A相，C相电流不变，如图20-68（c）所示，此时电流分布向前移动600 。

从上面的分析可知： 1）定子电流所产生的电枢磁动势是一个跃进式磁动势。在每个600区间内，载流相带中的电流不变，定子合成磁动势在空间静止不动；当转子转过600后，电流换相时，载流相带和定子合成磁动势将瞬间向前跃进600 。 2）由于永磁体的梯形波磁场比定子两相载流相带宽600 ，使载流相带内磁通密度恒定且最大，因而产生的电磁转矩恒定且最大。由此付出的代价是定子上仅有2/3的导体是有效的。

无刷直流电动机的转矩与电流成正比，和一般的直流电动机相当。其转速表达式也和一般的直流电动机相似。

无刷直流电动机的主要特点有： 1）由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体积小、重量轻，结构紧凑，运行可靠。 无刷直流电动机的主要特点有： 1）由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体积小、重量轻，结构紧凑，运行可靠。 2）转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高，一般比同容量异步电动机效率提高5%-12%。

3）无刷直流电动机无需从电网吸取励磁电流，故功率因数高，接近于1。 4）无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要起动绕组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。 5）转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好。 返回

20.11 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的机、电一体化高新技术。 返回

20.11.1 开关磁阻电动机系统的组成 开关磁阻电动机系统主要由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成，系统框图如图20-72。控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端，电动机与国产Y系列感应电动机同功率同机座号同外形。

图20-72 SRM系统框图

20.11. 开关磁阻电动机的工作原理 图20-73示出四相（8/6）结构开关磁阻电动机原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路。图20-73示出四相（8/6）结构开关磁阻电动机原理图电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。

图20-73中，当定子极励磁时，向定子轴线重合的位置转动，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B→A→D→C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。

图20-73 8/6型开关磁阻电动机原理图

20.11.3 气隙磁场的推进速度和转子转速 开关磁组电动机的气隙磁场也是一种跃进式磁场。从上面的分析可知，开关磁阻电动机定子绕组完成一个通电循环，气隙磁场向前跃进m（m为相数）次，共180°，即1/2转。故功率变换器开关频率（切换频率）为f1时，气隙磁场平均推进速度n1为

对转子而言，定子绕组完成一个通电循环，即气隙磁场转过1/2转，转子转过（1/Zr）转（与反应式步进电动机相似），故转子转速n为

开关磁组电动机的特点有： 1） 电动机结构简单、成本低、效率高，可用于高速运转。 2）起动转矩大，起动电流低。 3）可控参数多，调速性能好。 开关磁阻调速电动机的缺点是：

1）有一定的转矩脉动，转矩和转速的稳定性稍差； 2）燥声较大，容量较大时燥声问题可能变得十分严重。 作业：习题20-1，20-2，20-3，20-5，20-8，20-9， 20-10，20-11，20-12，20-15，20-16 返回

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