自整角机结构、工作原理

第3章步进电动机1自整角机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)。自整角机若按使用要求不同可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两大类。第3章步进电动机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3′～14′。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。第3章步进电动机力矩式自整角机的功用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0.5°～2°。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。第3章步进电动机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。力矩式运行时：发送机和接收机控制式运行时：发送机和变压器第3章步进电动机雷达俯仰角自动显示系统原理图第3章步进电动机2自整角机的基本结构第3章步进电动机自整角机定、转子绕组第3章步进电动机差动式自整角机定、转子绕组第3章步进电动机自整角机结构简图第3章步进电动机定子铁心冲片第3章步进电动机自整角机转子第3章步进电动机隐极式自整角机的定子和转子第3章步进电动机三相对称绕组示意图第3章步进电动机差动式自整角机的转子结构第3章步进电动机3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)。ZKF和ZKB的定子绕组引线端D1,D2,D3和D′1,D′2,D′3对应联接，被称为同步绕组或整步绕组。第3章步进电动机控制式自整角机的原理电路图第3章步进电动机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：1UtIifmfsin第3章步进电动机隐极转子励磁磁场分布第3章步进电动机隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线第3章步进电动机励磁电流和磁通密度分布曲线第3章步进电动机单相基波脉振磁场(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(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=Bm1sinωtcosX(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。第3章步进电动机3.2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，将产生相位彼此相同，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“ＺKＦ”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。第3章步进电动机图5–15定子绕组的感应电流第3章步进电动机Φ1=Φmcosθ1Φ2=Φmcos(θ1+120°)Φ3=Φmcos(θ1+240°)(5-3)第3章步进电动机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，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=4.44fWsΦ1=Ecosθ1E2=4.44fWsΦ2=Ecos(θ1+120°)E3=4.44fWsΦ3=Ecos(θ1+240°)(5-4)第3章步进电动机图5-16定子绕组中的电流第3章步进电动机以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)则为第3章步进电动机式中,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(coscos113311221111IZEZEIIZEZEIIZEZEIZZZZZZ(5-6)第3章步进电动机由图5-16看出流出中线的电流IO′O应该为I1,I2,I3之和，代入式(5-6)后为:IO′O=Icosθ1+Icos(θ1+120°)+Icos(θ1+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因。第3章步进电动机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。21II3I第3章步进电动机图5-18定子磁场的合成和分解第3章步进电动机由以上分析结果,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θ1,因此定子合成磁场的轴线超前D1相轴线(180°-θ1)。(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,它的大小与转子相对定子的位置角θ1无关。BfBB第3章步进电动机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。第3章步进电动机图5-19控制式自整角发送机、变压器的定子合成磁场第3章步进电动机3.4ZKB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θ1时,励磁磁通在D1相绕组中感应的变压器电势为：E1=Ecosθ1(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δ=θ2-θ1时,合成磁场在输出绕组中感应的变压器电势有效值为E2=E2maxcosδ(5-11)第3章步进电动机式中,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。第3章步进电动机图5-22随动系统中的ZKF-ZKB第3章步进电动机以上所分析的内容就是控制式自整角机的工作原理。简单归纳如下：(1)ZKF的转子绕组产生的励磁磁场是一个脉振磁场,它在发送机定子绕组中感应变压器电势。定子各相电势时间上同相位,其有效值与定、转子间的相对位置有关。(2)ZKF定子合成磁场的轴线与转子励磁磁场的轴线重合,但方向恰好相反。(3)ZKF和ZKB的定子三相绕组对应联接,两机定子绕组的相电流大小相等、方向相反,因而两机定子合成磁场相对自己定子绕组位置的方向也应相反。第3章步进电动机(4)ZKB的输出电势的有效值E2=E2maxsinγ,其中γ叫失调角。失调角γ=90°-δ,γ角是实际ZKB转子绕组轴线(从Z2′到Z1′方向)偏移(超前)协调位置(方向)的角度(取正号)(图5-20所示)。协调位置为输出电势等于零的位置。在失调角比较小时,U2=U2maxγ,这里γ的单位取弧度(rad)。tX