第9章特種電機

前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。特種電機的主要任務(wù)是在控制系統(tǒng)中，完成控制信號的傳遞、轉(zhuǎn)換、放大和執(zhí)行功能。能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

特點：輸出功率小

具有特殊性能的微電機。伺服電動機可分為兩類：

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號（電壓的幅值和相位）轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動控制對象。

可控制柴油發(fā)電機油門開度。交流伺服電動機直流伺服電動機9.1

伺服電動機伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。9.1.1

交流伺服電動機一、結(jié)構(gòu)：交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子與單相電容分相式異步電動機相似，裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子采用鼠籠型或杯型轉(zhuǎn)子（杯型轉(zhuǎn)子為了減少轉(zhuǎn)動慣量）。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。接線圖勵磁繞組和控制繞組，它們分別接入兩個不同的交流電源（同頻率）二、工作原理交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當(dāng)控制電壓為零時，電機無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。在電動機運行時控制電壓變?yōu)榱悖妱訖C立即停轉(zhuǎn)。控制電壓增加，轉(zhuǎn)矩增大控制電壓反向，轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)但如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉(zhuǎn)動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？

正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)時也同樣為電動轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1當(dāng)單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時也同樣為制動轉(zhuǎn)矩。加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。不同控制電壓下的機械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服電動機的機械特性如下圖所示。在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時，電動機轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:9.1.2

直流伺服電動機一：結(jié)構(gòu)直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與他勵直流電動機基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動慣量，電機做得細(xì)長一些。二：工作原理直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機相同。勵磁方式：他勵。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。永磁式。U1為勵磁電壓，直流U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動機的接線圖由機械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時，U2n。(2)U2=0時，電機立即停轉(zhuǎn)。電動機反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動機反轉(zhuǎn)。直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。

應(yīng)用：9.2

測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號電壓。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。9.2.1

交流異步測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩種，只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作原理。????1轉(zhuǎn)子定子勵磁繞組輸出繞組一、結(jié)構(gòu)異步式交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動機相似，轉(zhuǎn)子有鼠籠型和杯形轉(zhuǎn)子（常用），定子上有兩個繞組（空間互差90），一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出繞組+–勵磁繞組+–靜止時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源U1，輸出繞組在空間勵磁繞組互差90，無感應(yīng)電動勢。二、工作原理：工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11可知：當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子切割1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢Er和轉(zhuǎn)子電流Ir，它們的大小與1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

成正比：轉(zhuǎn)子電流Ir也產(chǎn)生磁通r，r在輸出繞組中感應(yīng)出電壓U2，U2的大小與r成正比：當(dāng)U1恒定不變時，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。綜上分析可知：轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，輸出電壓反向9.2.2

直流測速發(fā)電機一、結(jié)構(gòu)直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。他勵式直流測速發(fā)電機接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–當(dāng)被測裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：發(fā)電機的輸出電壓為：上式中代入：于是當(dāng)勵磁電壓U1保持恒定時（亦恒定），若Ra、RL不變，輸出電壓U2與電樞轉(zhuǎn)速n成正比。發(fā)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1由于直流電機中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。使用中應(yīng)使RL和n的大小符合直流測速發(fā)電機的技術(shù)要求。9.2.3

電動轉(zhuǎn)速表測速發(fā)電機的應(yīng)用組成：測速發(fā)電機、轉(zhuǎn)速指示器（電壓表）、接線箱連接：測速發(fā)電機接主機凸輪軸或尾軸轉(zhuǎn)速指示器接測速發(fā)電機的輸出端應(yīng)用：主機轉(zhuǎn)速、計程儀

1、定義自整角機是一種能對角位移或角速度的偏差自動整步的感應(yīng)式控制電機。

2、作用將轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角變換成電氣信號，或?qū)㈦姎庑盘栕儞Q成轉(zhuǎn)角，使機械上互不相聯(lián)的兩根或幾根轉(zhuǎn)軸能夠自動地保持同步偏移或旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)角度的傳輸、轉(zhuǎn)換和接收。9.3

自整角機及舵角指示器、傳令鐘一、自整角機（自同步機）

3、使用注意一般成對或多臺組合使用。產(chǎn)生控制信號的主自整角機稱為發(fā)送機接收控制信號、執(zhí)行控制命令與發(fā)送自整角機保持同步的自整角機稱為接收機。

4、分類（根據(jù)功能）

力矩式自整角機控制式自整角機

5、結(jié)構(gòu)定子（三相繞組空間上互差120o，稱為整步繞組一般接成星形。）轉(zhuǎn)子（磁極繞單相繞組，作為勵磁繞組。通過電刷、滑環(huán)接到外電源。）

（一）力矩式自整角機接線：發(fā)送機與接收機的整步繞組對應(yīng)相連接，勵磁繞組接在同一單相交流電源。力矩式自整角機原理圖兩臺自整角機結(jié)構(gòu)完全相同原理：

兩機轉(zhuǎn)子位置一致時，整步繞組感應(yīng)電動勢大小相等，無感應(yīng)電流。無整步轉(zhuǎn)矩。發(fā)送機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，感應(yīng)電動勢不相等，整步繞組中有電流，發(fā)送機接收機整步繞組電流方向相反，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向也相反，發(fā)送機轉(zhuǎn)子固定，接收機轉(zhuǎn)子沿發(fā)送機轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動，直到兩個轉(zhuǎn)子位置一致。發(fā)送機轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，接收機的轉(zhuǎn)子也會也相同的速度轉(zhuǎn)起來，永遠(yuǎn)保持兩轉(zhuǎn)子位置的協(xié)調(diào)。

接收機輸出的為與發(fā)送機偏轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的隨動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的傳遞。應(yīng)用：接收機轉(zhuǎn)軸只能帶很輕負(fù)載，用在指示系統(tǒng)控制式自整角機原理圖二、控制式自整角機（變壓器式自整角機）接線：發(fā)送機與接收機的整步繞組對應(yīng)相連接，

發(fā)送機勵磁繞組接單相交流電源，接收機的轉(zhuǎn)子繞組作為輸出繞組。轉(zhuǎn)子繞組的軸線預(yù)先轉(zhuǎn)了90o當(dāng)發(fā)送機的勵磁繞組接通交流電源后，發(fā)送機中建立脈動磁場，三相整步繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。發(fā)送機側(cè)磁場:發(fā)送機側(cè)感應(yīng)電動勢:兩機的整步繞組回路中產(chǎn)生電流電流在接收機定子繞組建立磁場對其合成磁場進行正交分解，分為縱向分量與橫向分量。其縱向分量不與輸出繞組耦合，不產(chǎn)生感生電動勢；而橫向分量與輸出繞組耦合，產(chǎn)生感生電動勢（設(shè)接收轉(zhuǎn)子處于基準(zhǔn)零位）。輸出繞組中的感應(yīng)電動勢是一個隨發(fā)送機轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角改變而按正弦變化的交流量。應(yīng)用：用在隨動系統(tǒng)舵角指示器是用以反映舵葉偏轉(zhuǎn)角的裝置。是由力矩式自整角機組成的同步跟蹤系統(tǒng)。發(fā)送機安裝在舵機上，其轉(zhuǎn)子與舵柱機械聯(lián)接；多臺接收機安裝在駕駛室、機艙操縱室等處，轉(zhuǎn)子帶指針偏轉(zhuǎn)，在刻度盤顯示舵葉偏轉(zhuǎn)的角度。二、舵角指示器在自動操舵控制系統(tǒng)中采用控制式自整角機，將舵葉與設(shè)定航向的偏差轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電壓量，作為反饋信號，再去糾正舵葉的偏差。三、傳令鐘

由兩套力矩式自整角機組成。駕駛臺傳令鐘手柄與駕駛臺發(fā)送機