第5章 控制电机及其他用途电动机总结

数据传输用旋转变压器的工作原理和用途与控制式自整 角机相同，但精确度要比控制式自整角机高。电路如图 5-21所示。左边的旋转变压器称为旋变发送机，右边的 旋转变压器称为旋变变压器。它们的定子绕组对应相接， 旋变发送机的转子绕组Z1Z2加上交流励磁电压Uf， Z3Z4绕组短路作补偿用。旋变变压器的转子绕组Z3Z4 作输出绕组，Z1Z2绕组短路作补偿用。与控制式自整 角机一样，当旋变发送机的励磁绕组Z1Z2与旋变变压 器的输出绕组Z3Z4处于垂直的协调位置时，输出绕组 没有输出电压。当旋变发送机的转子转过一个θ角时， 旋变变压器的输出绕组便有电压输出。
5.6 单相异步电动机

由单相电源供电的异步电动机称为单相异 步电动机。其基本原理是建立在三相异步 电动机的基础上，但在结构、特性等方面 与三相异步电动机有很大的差别。
单相异步电动机原理 和三相异步电动机类似，但单相异步电动 机无起动转矩，所以首先必须解决它的起 动问题。单相异步电动机的起动方法通常 有分相起动和罩极起动两种。这里主要介 绍电容分相式电动机。
第5章 控制电机及他用途电动机
范国伟
安徽工业大学
5.1 测速发电机

测速发电机是用来测量转速的电磁装置。 测速发电机能够把机械旋转量转变为相应 的电压信号，也可以将其输出电压传递到 输入端作为反馈信号以稳定转速。测速发 电机有两种类型，即交流的测速发电机和 直流测速发电机。
5.1.1. 交流测速发电机
② 圆筒型直线异步电动机

若将平板型直线异步电动机沿着与移动方 向相垂直的方向卷成圆筒，即成圆筒型直 线异步电动机。
③ 圆盘型直线异步电动机

若将平板型直线异步电动机的次级制成圆 盘型结构，并能绕经过圆心的轴自由转动。 使初级放在圆盘的两侧，使圆盘在电磁力 作用下自由转动，便成为圆盘型直线异步 电动机。
5.2.2. 直流伺服电动机

在直流伺服系统中常用的是电磁式（他励 式）和永磁式直流伺服电动机。其结构与 普通他励式和永磁式直流电动机没有根本 区别。所不同的是，伺服电动机电枢电流 很小，换向并不困难，因此，都不装换向 极，并且转子做得细长，气隙较小。
5.3 步进电动机
步进电动机是一种把电脉冲信号转变 成角位移或直线位移的装置。每输入一个 脉冲，步进电动机就前进一步。因此，其 位移与脉冲数成正比；线或转速与脉冲频 率成正比。它们用于数控机床、绘图机、 轧钢机的自动控制及自动记录仪表中。 步进电动机的种类很多。按运动方式 可分为旋转运动、直线运动和平面运动等 几种；按工作原理可分反应式、永磁式和 永磁感应式等几种。

控制式自整角机电路如图5-13所示。它与 力矩式自整角机系统不同之处是：控制式 自整角机中的接收机并不直接带负载转动， 转子绕组不是接在交流电源上．而是用来 输出电压．故又称输出绕组。由于该接收 机是从定于绕组输入电压，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。当自整角发送机与自整角变压 器的定、转子绕组处于图5-14所示位置， 即它们的转子绕线互相垂直时，它们所处 的位置称为控制式自整角肌的协调位置。
（1）电容分相式电动机的基本结构

在单相异步电动机的定子槽中，除嵌有一 套主绕组外，还增加了一套起动绕组。图 5-24表示一台最简单的带有起动绕组的单 相异步电动机结构，在起动绕组中串联的 电容器称分相电容。
（2）电容分相式电动机的工作原理

由于起动绕组中串接了电容器，所以在同 一单相交流电源中，起动绕组中通过的电 流与主绕组通过的电流是不同相位的。起 动绕组的电流超前于主绕组电流某一角度。 若电容器的容量合适，则起动绕组的电流 超前于主绕组电流约 90°相位角，如图 5-25所示。因为这种电动机将单相电流分 为两相电流，故称为分相式电动机。 因 此，在两相电流作用下，这种电动机便可 产生两相旋转磁场，如图5-26所示，原理 分析同三相异步电动机。
5.5.2. 线性旋转变压器

这种旋转变压器的特点是在一定的转角范围内，输出电 压与转子转角成正比。 由于θ很小，且用弧度为单位时，θ≈sinθ。因此，一般 的正余弦旋转变压器在转子转角很小时即为线性旋转变 压器。但是当θ=14°＝0.244.35 rad时， sinl4°=0.241 92，误差已达1％。因此，若要求在更 大的转角范围内得到与转角成线性关系的输出电压时， 简单地直接使用正余弦旋转变压器就不能满足要求了。 为此，线性旋转变压器采用了图5-19所示的接线方式。 定子D1D2绕组与转子Z1Z2绕组串联后加上交流励磁电 压Uf。转子正弦输出绕组Z3Z4接负载ZL，作输出绕组。 定子D3D4绕组短路作补偿绕组。

5.8 直流力矩电动机

直流力矩电动机是一种能够长期处于堵转 状态下工作的低转速、大转矩的电动机。 目前主要采用永磁式电枢控制方式。在结 构尺寸和比例上与直流伺服电动机不同， 后者为了减小转动惯量．大多做成细长圆 筒形，而直流力矩电动机为了能在相同的 体积和电枢电压下产生较大的转矩和较低 的转速．一般都做成扁平形。
5.5.3. 比例式旋转变压器
从原理上说，比例式旋转变压器与正余弦 旋转变压器一样，不同之处是比例式旋转 变压器的转轴上装有调整齿轮和调整后可 以固定转子的机构，使用时，可将转子转 到需要的角度后加以固定。 比例式旋转变压器可以用来求解三角函数、 调节电压和实现阻抗匹配等。

5.5.4. 数据传输用旋转变压器
交流测速发电机分为同步和异步两类。异 步测速发电机又有笼型转子和杯形转子两 种。 目前用得最广泛的一种是杯形转子异步测 速发电机。

5.1.2. 直流测速发电机

直流测速发电机在结构上与普通小型直流 发电机相同。按励磁方式可分为他励式和 永磁式两种。永磁式的定子用永磁钢制成。 按电枢结构又可分为有槽式电枢和无槽式 电枢等。常用的为有槽式我结构。
5.5 旋转变压器
旋转变压器(rotary transformer)的功能 是将转子转角变换成与之有函数关系的电 压信号。 旋转变压器从原理上说，相当于一台二次 绕组可以转动的变压器。从结构上说，相 当于一台两相绕线型异步电动机。旋转变 压器的定、转子铁心由优质硅钢片或高镍 合金片叠成。

5.5.1. 正余弦旋转变压器
①平板型直线异步电动机

平板型直线异步电动机可以看成是从旋转 电动机演变而来的。可以设想，有一台极 数很多的三相异步电动机，其定子半径相 当大，定子表面的某一段可以认为是直线， 则这一段便是直线电动机。也可以认为把 旋转电动机的定子和转子沿径剖开，并展 开成平面，就得到了最简单的平板型直线 异步电动机，

5.4.1. 力矩式自整角机

利用力矩式自整角机组成的同步联接 系统的电路如图5-12所示。其中自整角机 a放在需要发送转角的地方，称为自整角 发送机；自整角机b放在接受转角的地方， 称为自整角接收机。它们的定子绕组又称 同步绕组，用导线对接起来．转子绕组又 称励磁绕组，接在同一交流电源上。
5.4.2. 控制式自整角机
5.9 直线电动机

直线电动机就是把电能直接转换成直线运 动的机械能的电动机。当然旋转电动机也 可以通过转换装置，将旋转运动转变为直 线运动，带动负载作直线运动。但由于有 中间转换装置，使得这种拖动系统效率低、 体积大、成本高。而直线电动机不需要转 换装置，自身能产生直线作用力，直接带 动负载作直线运动，因而使系统结构简单， 运行效率和传动精度均较高。
5.2 伺服电动机

伺服电动机的作用是将输入电压信号转换 为轴上的角位移或角速度输出。在自动控 制系统中伺服电动机常作为执行元件使用。 伺服电动机有两种类型，即交流伺服电动 机和直流伺服电动机。
5.2.1. 交流伺服电动机

交流伺服电动机的定子与一般单相异步电 动机的定子相似。定子绕组多制成两相， 两相绕组在空间相差90电角度。其转子结 构有笼型和非磁性杯形两种。笼型转子的 结构与一般笼型异步电动机的转子相同； 非磁性杯形转子与杯形转子异步测速发电 机的转子相似。笼型伺服电动机应用最为 广泛。
5.7 无刷直流电动机
无刷直流电动机克服了普通直流电动机设 置换向器的缺点，在现代的空调器普遍采 用，达到降低电能损耗的目的。 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子 产生固定不动的磁场。为了使直流电动机 旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电 枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向 始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩 驱动电动机不断旋转。

5.4 自整角机
自整角机（selsyn）的功能是将转角 变换成电压信号，或将电压信号变换成转 角，通过两台或两台以上的组合使用，实 现角度的传输、变换和接收。 例如，要使两根相距很远的轴同步偏 转或旋转，很难用机械联结的方式来实现。 若是利用自整角机来完成这一任务，就很 方便。这种利用自整角机使两根或两根以 上无机械联系的轴保持同步偏转或旋转的 系统称为同步联接系统。

种旋转变压器的特点是：输出电压是转子转角的正 弦和余弦函数。 电路如图5-15所示，D1D2和D3D4是定子绕组，它 们的有效匝数为kw1N1。Z1Z2和Z3Z4是转子绕组，它 们的有效匝数为kw2N2。定子绕组D1D2称为励磁绕组， 工作时，加上大小和频率一定的交流励磁电压Uf以产生 工作时所需要的磁场。定子绕组D3D4称为补偿绕组， 其作用稍后再讨沦。转子绕组Z1Z2为余弦输出绕组， Z3Z4为正弦输出绕组。当定子绕组D1D2与转子绕组 Z1Z2轴线一致时，称为旋转变压器的基准位置。下面 逐步来分析正余弦旋转变压器的工作原理。