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《控制电机》辅导提纲

控制电机

课程辅导提纲

军区空军自考办

目录

第1章伺服电动机1

§1-1内容提要1

§1-2基本要求3

§1-3重点内容3

§1-4典型例题3

第2章测速发电机5

§2-1内容提要5

§2-2基本要求6

§2-3重点内容7

§2-4典型例题7

第3章磁滞电动机8

§3-1内容提要8

§3-2基本要求8

§3-3重点内容8

§3-4典型例题9

第4章单相同位器10

§4-1内容提要10

§4-2基本要求11

§4-3重点内容11

§4-4典型例题11

第5章旋转变压器14

§5-1内容提要14

§5-2基本要求14

§5-3重点内容14

§5-4典型例题14

第6章步进电动机16

§6-1内容提要16

§6-2基本要求16

§6-3重点内容17

§6-4典型例题17

第1章伺服电动机

§1-1内容提要

伺服电动机又称为执行电动机。

按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

一、直流伺服电动机

1.电枢控制直流电动机

（1）结构

与直流电动机相同，都有定子和转子两部分组成。

（2）工作原理

激磁绕组接于不变的直流电压

，或其激磁磁场由永久磁铁产生，而加于电枢的电压

是可以改变的，其原理图见教材P2图1-1。

（3）特性

a.机械特性：

是指对于一定的信号系数，即对于一定的控制电压，电机的转矩随转速变化的特性

。

公式如下：

（1-1）

式中：

机械特性是一条直线。

见教材P3图1-2。

b.调节特性：

对于一定的负载力矩，电机的转速随信号系数变化的特性

。

公式如下：

（1-2）

调节特性也是一条直线。

见教材P3图1-3。

2.磁场控制直流电动机

（1）结构

与直流电动机相同，都有定子和转子两部分组成。

（2）工作原理

将电枢接于不变的电源电压

，改变激磁绕组所接的直流电压

，其原理图见教材P3图1-4。

（3）特性

a.机械特性：

是指对于一定的信号系数，即对于一定的控制电压，电机的转矩随转速变化的特性

。

公式如下：

（1-3）

机械特性是一条直线。

见教材P4图1-5。

b.调节特性：

对于一定的负载力矩，电机的转速随信号系数变化的特性

。

公式如下：

（1-4）

调节特性是非线性的。

见教材P4图1-6。

3.低惯量直流伺服电动机无刷直流电动机

为减小电动机的时间常数，改善电动机的动态特性，必须减小电动机的转动惯量。

为此，研制了杯形转子、无槽电枢、印刷绕组电枢等低惯量直流伺服电动机。

为克服换向器和电刷所带来的缺点，研制了各种型式的无刷直流电动机。

（1）杯形转子直流伺服电动机

结构特点：

杯形转子电枢绕组，见教材P10图1-10。

性能特点：

转动惯量低；灵敏度高；运转平稳；换向性能好；损耗小、效率高。

（2）印刷绕组电枢

结构特点：

在绝缘材料做成的圆盘上，用印刷电路的方法制成电枢绕组。

见教材P11图1-12。

性能特点：

具有杯形转子直流伺服电动机相同的优点。

但性能不如杯形转子优越。

（3）无槽电枢

这种电机是将电枢绕组用环氧树脂粘在光滑的电枢铁芯表面。

其某些性能类似于杯形转子电枢，但远不如杯形转子电枢好。

4.无刷直流电动机

组成：

电动机、转子位置传感器和晶体管开关电路三部分组成。

二、直流力矩电动机

1.结构

与直流电动机相似，所不同的是力矩电动机做成扁圆形不是细长形，其极数、槽数、换向片数和导体数较多。

见教材P14图1-16。

2.工作原理

与直流电动机相同。

3.特点

力矩大，转速低。

三、两相交流伺服电动机

1.结构

转子：

杯形和鼠笼形两种短路式转子。

定子：

内定子和外定子，内定子上有两个在空间互隔

的控制绕组。

见教材P15图1-17。

2.工作原理

（1）磁场的产生

两相绕组通入两相交流电会产生旋转磁场。

（2）工作原理

静止的转子在旋转磁场中就会产生电磁转矩，在电磁转矩的作用下转子就会转动。

但是旋转磁场的转速和转子的转速必须存在一个转速差，否则就不能正常工作。

（3）改变转向

只要改变旋转磁场的旋转方向即可。

（4）控制方式

幅值控制、相位控制和幅相控制。

3.特点

转子电阻大和转动惯量小的特点，从而伺服电动机无“自转”现象。

4.特性

（1）机械特性

：

对于采用不同的控制方式，其机械特性不同。

（2）调节特性

：

对于采用不同的控制方式，其调节特性不同。

四、两相力矩马达

1.结构

转子：

鼠笼形转子。

定子：

绕有线圈的部分。

结构特点：

电机做成扁平形的；采用“蛇形”定子绕组和鼠笼转子齿数多，笼条细并采用斜槽。

见教材P39图1-37和P40图1-38。

2.工作原理

（1）磁场的产生

两相绕组通入两相交流电会产生旋转磁场。

（2）工作原理

电机中的电磁力矩，是大小相等、方向相反、分别作用在定子及转子上的。

如陀螺磁罗盘中，电机的定子和转子都不能自由转动，则定子及转子上仍然作用着电磁力矩。

作用在转子上的电磁力矩传递到表壳上，对陀螺仪不起作用，作用在定子上的电磁力矩，加在陀螺仪的外框轴上，使陀螺的自转轴沿陀螺仪的内框轴进动，对陀螺的自转轴起修正作用。

（3）改变转向

只要改变旋转磁场的旋转方向即可。

见教材P41图1-39。

§1-2基本要求

1.了解直流力矩电动机和两相力矩马达的结构特点及工作原理。

2.理解电枢控制直流电动机的机械特性和调节特性。

3.理解两相交流伺服电动机的结构、原理、控制方式和特性。

§1-3重点内容

1.电枢控制直流电动机的机械特性和调节特性。

2.两相交流伺服电动机的结构、原理、控制方式和特性。

§1-4典型例题

一、填空题

1.两相伺服电动机（SF-2）的转子是由___________材料制成的杯形转子。

（高电阻率的铝合金）

2.直流伺服电动机分____________式和磁极控制式两种。

（电枢控制式）

3.两相椭圆形旋转磁场产生的条件是两相对称绕组通入____________________，旋转磁场的同步转速为___________。

（两相不对称电流或两相磁势不相等的电流，

）

4.两相伺服电动机转速控制方式有___________、__________和_________三种。

（幅值控制、相位控制、幅值－相位控制）

5.电枢控制式伺服电动机的传递函数为__________________。

（

）

6.伺服电动机在控制电压为零时无_____________现象。

（自转）

7.SF-2两相定子绕组是用来_____________________的。

（产生旋转磁场）

8.为减小直流伺服电动机的________________改善电动机的动态特性，必须减小电动机的转动惯量。

（时间常数）

9.两相力矩马达为了能_____________________，定子绕组采用蛇形绕法。

（产生较多的磁极）

10.对于一定的负载力矩，直流伺服电动机的转速随_____________________变化的特性称为调节特性。

（控制信号或信号系数）

11.伺服电动机应具有转子电阻大和_____________________这两个特点。

（转动惯量小）

12.伺服电动机应具有__________的机械特性，在整个转速范围内都能稳定的工作。

（线性）

13.SF-2电动机的定子包括_____________________。

（内定子、外定子）

14.直流力矩电动机的导体数较_____________________。

（多）

15.伺服电动机应具有__________的机械特性，在整个转速范围内都能稳定的工作。

（线性）

16.力矩电动机在结构上成_______________形。

（扁平）

17.伺服电动机在自动控制系统中,用来把电信号变成_____________信号。

（角位移或角速度）

18.改变_____________________，就可以改变两相力矩马达转矩的大小和方向。

（控制电流的大小）

19.力矩电动机在速度控制方式的伺服系统中，可以工作于______________状态。

（低速）

20.力矩电动机工作是其力矩大，_____________________低。

（转速）

21.直流伺服电动机的磁路一般设计为___________________（饱和或不饱和）状态（不饱和状态）

22.两相鼠笼型转子伺服电动机转子在结构上类似三相鼠笼型转子电动机，但其转子是由电阻率________的材料制成。

（高）

23.SF型杯型转子电动机定子分为内定子和外定子，其定子绕组装在________________内部空间。

（内定子）

24.SF型电动机定子槽内装有控制绕组，它们的轴线在空间相差90，且励磁绕组导线__________（较细）

25.伺服型电动机应在小信号系数和相对___________（低或高）的转速下运行。

（低）

26.力矩电动机转子做成粗而短的扁平形是为了增加________________，降低速度。

（力矩）

27.无刷直流电动机通常由__________、__________和__________三部分组成。

（电动机、转子位置传感器、晶体管开关电路）

二、选择题

1.改变两相伺服电动机控制电压的幅值，则两相旋转磁场（B）。

A改变转向B改变椭圆程度C改变转速D不变

2.改变有效信号系数，就可以改变两相异步电动机的（D）。

A磁势B转矩C转速D上述三者都发生变化

3.为使交流伺服电动机无自转现象，应（B）。

A减小转子电阻B增大转子电阻C增大定子电阻D减小定子电阻

4.电枢控制式直流伺服电动机在过渡过程中转速变化的规律为（A）。

A指数B直线C振荡

三、判断题

1.改善电动机的动态特性，通常增大电动机的转动惯量。

（）

2.电枢控制式直流伺服电动机具有线性的机械特性和调节特性，并且当控制电压为零时无自转现象，故非常适用于控制系统中。

（）

3.交流伺服电动机具有结构简单，无换向器和电刷，体积较小，工作可靠等优点。

（）

4.两相鼠笼型转子伺服电动机转子在结构上类似三相鼠笼型转子电动机，但是由电阻率较高的材料制成。

（）

5.SF型杯型转子电动机定子分为内定子和外定子，其定子绕组装在外定子内部空间。

（）

6.对同一台电枢控制式伺服电动机，在控制电压不变的情况下，对应的转子转速高则电机带动的负载越大。

（）

7.磁控式电动机的机械特性是非线性的，但其调节特性是线性的。

（）

8.直流伺服电动机的磁路一般设计为饱和状态。

（）

9.力矩电动机转子做成粗而短的扁平形是为了增加力矩提高速度。

（）

10.力矩电动机在速度控制方式的伺服系统中，可以工作于低速状态。

（）

11.SF型电动机定子槽内装有控制绕组，它们的轴线在空间相差

，且励磁绕组导线较细，电阻大。

（）

四、论述题

1.什么是直流伺服电动机的机电时间常数?

它与哪些因素有关？

答：

机电时间常数是指：

电机空载，额定电压时，加阶跃定控制电压后，转速从零

上升到理想空载转速的

63.％所需的时间。

机电时间常数与转动惯量、电枢电路电阻、电机结构常数、磁通、阻尼系数、机械特性的硬度、力矩－惯量比有关。

2.两相力矩电动机的定子绕组为什么采用蛇形绕法？

答：

磁极越多,力矩电动机的转速越大;

定子绕组采用蛇形绕组可产生较多的磁极。

3.为什么SF-2电动机在控制信号消失后会产生制动转矩？

答：

（1）SF-2电动机转子电阻大，（即r2大）

（2）控制信号消失后，电机内存在脉振磁场

（3）脉振磁场在转子电阻较大时，产生的转矩与原转向相反，即为制动转矩

第2章测速发电机

§2-1内容提要

一、直流测速发电机

1.结构

直流测速发电机是一种微型直流发电机，其结构与直流发电机相同，都有定子和转子组成。

2.输出特性

输出特性：

测速发电机的输出电压U随转速n变化。

是一条通过坐标原点的直线。

3.输出特性的误差

在以下几种因素的影响下将会使输出特性产生误差：

（1）电枢电阻和负载电阻。

（2）电枢反应和换向。

（3）温度。

4.消除误差的方法

（1）在激磁回路中加温度补偿电阻。

（2）采用热稳定性好的永久磁铁。

（3）将电机设计在工作于磁化曲线的饱和段。

（4）在极间加装热敏磁分流片。

二、两相异步测速发电机

1.结构

定子：

定子上有一个激磁绕组及一个输出绕组。

激磁绕组接激磁电源，输出绕组输出电信号。

转子：

杯形转子

2.工作原理

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，脉振磁动势D在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场D，也为d轴，都与处于q轴的输出绕组无磁通交链。

（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Er，其大小正比于转子转速n，并以励磁磁场D的脉振频率f交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势Er在杯型转子中产生交流短路电流Ir，其大小正比于Er，其频率为Er的交变频率f，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流Ir所产生的脉振磁通q的大小正比于Er，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，根据上述分析有：

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。

3.产生误差的因素

（1）绕组漏阻抗的影响。

（2）电机中各种电势的影响。

（3）制造工艺的影响。

4.消除误差的方法

（1）在激磁电路及输出电路中加装电容。

（2）采用电阻性负载，并加大负载电阻。

（3）增大转子电阻。

（4）在绕组中串入负温度系数的电阻，以补偿温度对于绕组电阻的影响。

（5）减小零位误差的方法：

a采用不对称内定子。

b挤压定子。

c将激磁绕组和输出绕组分别装在内定子和外定子上，这样可以调整输出绕组在空间的位置，使其与激磁绕组产生的磁通的轴线垂直。

d刮削转杯，使其厚度均匀。

§2-2基本要求

1.了解直流测速发电机结构、误差及消除方法。

2.理解直流测速发电机的输出特性及用途。

3.理解两相异步测速发电机的结构、工作原理、误差及消除方法。

§2-3重点内容

1.直流测速发电机的输出特性及用途。

2.两相异步测速发电机的结构、工作原理、误差及消除方法。

§2-4典型例题

一、填空题

1.交流测速发电机输出电压的频率取决于_____________。

（励磁电源频率）

2.测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变为______。

（电信号）

3.交流测速发电机输出电压的频率与_____________________无关。

（转速）

4.交流测速发电机的相位_____________________于激磁磁通

电角度。

（滞后）

5.直流测速发电机的输出特性是指_____________________________________________。

（输出电压与转速间的关系）

二、判断题

1.交流测速发电机的转子转速越快，输出电压的频率越高。

（）

2.两相异步发电机是直流测速发电机的一种，它的主要用途是把某个机件的转速转化为电压。

（）

3.交流测速发电机的转子转速越快，输出电压越高。

（）

4.为了减小负载阻抗对交流测速发电机输出电压的影响应尽量采用电阻和电容的复合负载。

（）

5.减小交流测速发电机的“剩余电压”，应该从提高材料的质量和工艺水平着手，也可采用加补偿绕组的方法。

（）

6.直流测速发电机受其电枢反应的影响，其输出电压将增大。

（）

三、选择题

1.交流测速发电机输出电压的频率（A）。

A与励磁电压频率相同

B与其转子转速成正比

C与励磁电压成正比

D与励磁电压和转子转速都无关

2.测速发电机在自动控制系统中通常作为（D）。

A阻尼元件B积分元件C反馈元件D以上都对

四、简答题

1.如何消除温度对两相测速发电机输出电压的影响？

答：

（1）在激磁回路中加温度补偿电阻；

（2）将电机设计在磁饱和段；

（3）在极间加热磁敏磁分流片。

2.如何消除绕组漏阻抗对两相测速发电机输出电压的影响？

答：

在激磁电路中加装电容；

在输出电路中加装电容。

第3章磁滞电动机

§3-1内容提要

一、结构

定子：

三相绕组

转子：

转子是由电阻较大、矫顽磁力很强的硬磁材料制成

二、工作原理

磁滞电动机凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞转矩的大小是由磁滞角决定的，而磁滞角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，转子的硬磁材料在旋转磁化下，磁滞角是恒定的，始终保持最大。

起动完毕后，当电机进入同步转速运行时，转子和旋转磁场间没有相对运动，转子不再被反复磁化，而是被恒定磁化，转子磁场和定子磁场轴线间的夹角，即磁滞角不是固定不变的，而是随负载的大小而变。

三、机械特性

磁滞电动机的转矩与转速的关系如下图所示：

四、运行情况

同步运行状态：

负载阻转矩小于最大磁滞转矩时，电机工作于同步状态。

此时，磁滞转矩是可变化的。

异步运行状态：

负载阻转矩大于最大磁滞转矩时，电机工作于异步状态。

此时，磁滞转矩始终为最大。

§3-2基本要求

1.了解磁滞电动机的用途、磁滞角与磁性材料的性质关系、涡流转矩。

2.理解磁滞电动机的原理、磁滞角及其产生的转矩、电磁转矩、机械特性及运行情况。

§3-3重点内容

1.磁滞电动机的原理、磁滞角及其产生的转矩、电磁转矩、机械特性及运行情况。

§3-4典型例题

一、填空题

1.磁滞电动机转子上所有磁分子产生的合成磁场的轴线，________________定子旋转磁场一个磁滞角。

（落后于）

2.磁滞电动机的磁滞转矩与磁滞角成_______________关系。

（正弦）

3.磁滞电动机在_____________________工作时，始终保持最大磁滞角。

（在异步状态下工作时）

4.磁滞电动机的最大磁滞角与转子转速大小___________（填有关或无关）（无关）

5.磁滞电动机在起动时，涡流转矩为_________________。

（最大值）

6.磁滞电动机在起动时，磁滞转矩为_________________。

（最大值）

7.当反转矩大于最大磁滞转矩，而小于总转矩的最大值时，磁滞电动机运行于_________________状态。

（异步工作状态）

8.当反转矩等于或小于最大磁滞转矩时，磁滞电动机工作于_____________________。

（同步运行状态）

9.磁滞电动机转子是由_________材料制成的。

（硬磁）

10.当_____________________时，磁滯电动机工作于异步状态。

（阻转矩大于磁滞转矩）

11.磁滞电动机产生磁滞转矩的根本原因是磁分子轴线落后于________________一个磁滞角。

（磁极轴线）

12.磁滞电动机的___________越大，转子产生的磁滞转矩越大。

（磁滞角）

13.磁滞电动机的最大磁滞角决定于_____________________。

（硬磁材料的性质）

14.磁滞电动机同步运行时，磁滞角的大小取决于_____________________。

（阻转矩大小（负载大小）

15.当_____________________时，磁滞电动机工作于同步状态。

（阻转矩小于磁滞转矩）

二、判断题

1.磁滞电动机既可以在异步状态下工作，又可以在同步状态下工作。

（）

2.磁滞电动机转子是由电阻较小，矫顽磁力很强的硬磁材料制成。

（）

3.磁滞电动机转子是由软磁材料制成。

（）

4.磁滞电动机转子上所有磁分子产生的合成磁场的轴线，落后于定子旋转磁场一个磁滞角。

（）

5.磁滞电动机的磁滞转矩与磁滞角成正比。

（）

6.磁滞电动机在同步状态下工作时，始终保持最大磁滞角。

（）

7.磁滞电动机的最大磁滞角与转子转速N2大小无关。

（）

8.磁滞电动机在起动是，涡流转矩为最大值，而磁滞转矩为0。

（）

9.当反转矩大于最大磁滞转矩，而小于总转矩的最大值时，磁滞电动机工作于同步工作状态。

（）

10.当反转矩等于或小于最大磁滞转矩时，磁滞电动机工作于同步运行状态。

（）

11.当反转矩等于或小于最大磁滞转矩时，磁滞电动机工作于异运行状态。

（）

三、简答题

1.磁滞电动机在工作性能上有哪些特点？

答：

（1）能同步运行；

（2）也能异步运行；

（3）能自行起动。

2.为什么磁滞电动机的转子必须采用硬磁材料?

答：

硬磁材料磁分子的摩擦力大;

硬磁材料磁分子轴线落后磁极轴线一个磁滞角；

有了磁滞角才能产生磁滞转矩。

第4章单相同位器

§4-1内容提要

一、基本结构

定子：

三个互隔120度的绕组。

转子：

转子铁心上有单相绕组或三相绕组，转子铁心有凸极式和隐极式两种。

二、变压器式同位器

变压器式同位器是由两个构造上基本相同的发送机和接收机组成。

发送机和接收机的三相定子绕组一一对应地连接起来，发送机的转子绕组接于单相交流电源，而接收机的转子绕组用来输出电势，接收机转子绕组输出的电势的大小，与发送机转子在空间的位置有关。

因而，变压器式同位器可以用来测量和传输发送机转子在空间的角位置。

通过分析同位器中的磁通，可得如下结论：

（1）发送机及接收机定子各相绕组的电流产生的磁势及磁通是在时间上同相的脉振磁势及磁通；

（2）当发送机转子绕组轴线相对于发送机定子A相绕组轴线在空间转过

角时，发送机及接收机定子绕组中的电流产生的磁势及磁通也相对于定子A相绕组轴线在空间转过

角。

（3）发送机定子各相绕组中的电流产生的磁势及磁通的方向于发送机转子绕组中的电流产生的磁势及磁通的方向相反；接收机定子各相绕组中的电流产生的磁势及磁通的方向于发送机转子绕组中的电流产生的磁势及磁通的方向相同。

（4）当发送机转子绕组的轴线相对于发送机定子A相绕组的轴线在空间转过

角时，发送机转子绕组中的磁通在接收机中产生的磁通也跟着沿同一方向相对于接收机定子A相绕组轴线转过同样的角度

。

应用：

在远读地平仪BDP－4中，变压器式同位器用来测量飞机的俯仰角或倾斜角。

三、差动式同位器

差动同位器可以用来测量和传递两个转子角位置的差或和。

差动同位器同步传输系统最少由三个同位器组成。

差动同位器的转子和定子上都绕有三相绕组。

定子三相绕组对应地和发送机定子三相绕组连接起来。

转子三相绕组对应地和接收机定子三相绕组连接起来，差动同位器的转子，可以被另外的机械带动转动。

1.工作原理

当差动同位器的转子转动时，接收机中的磁通也相对于定子A相绕组轴线转动。

接收机中的磁通在空间转过的角度，与差动同位器转子转动的角度大小相等，而方向相反。

当差动同位器转子沿顺时针方向转过一定角度时，接收机中的磁通沿反时针方向转过相同的角度。

反之亦然。

因而，接收机中的磁通在空间的位置角，是发送机转子位置角和差动同位器转子位置角的差或和。

接