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控制电机论文

《控制电机》论文

指导老师：

__顾春雷__

学生姓名：

___周灵____

学号：

_1160601150_

班级：

__Z电气111_

专业：

电气工程及其自动化

电气工程学院

2014.5.1

引言

本篇论文是基于这一学期以来对《控制电机》这门学科学习与个人感悟而撰写的。

本篇论文选择的课题是力矩式自整角机。

全篇论文主要阐述了力矩式自整角机的原理、主要特性以及力矩式自整角机的应用，从这三个方面展示出个人对力矩式自整角机的学习及认识整角机作为精密旋转伺服元件广泛地应用在近代技术的各个领域。

随着科学的发展,自整角机面临着许多特殊要求和特殊应用,研讨这些新课题,有利于发展新品种。

七十年代以来,国内发展了控制-力矩式自整角机（ZKL）系列。

这种自整角机同时兼有控制式自整角变压器和力矩式自整角机的双重功能,既可以在控制式系统中作自整角变压器,经过线路换接,又可在力矩式系统中作自整角接收机。

其结构特征是定子（或转子）放置星形连接的三相整步绕组（和传统的自整角机三相绕组相同）,转子（或定子）放置两个空间垂直的单相绕组,其中一个绕组作为控制式自整角变压器的输出绕组,另一绕组作为力。

由于我国经济发展迅速，工农业生产和日常生活中使用的电动机种类和数量日益增加，且性能各异，因此，必须熟悉各类电动机和负载机械设备的类型、结构、性能及用途等，使其能安全、高效、经济地去拖动各种负载机械设备。

本篇论文对力矩式自整角机既有理论论述，又有实际应用介绍，具有全面性、系统性、实用性、可读性的特点，避免繁琐的数学运算和高深的理论，从实际出发，深入浅出，涉及的范围广，内容丰富，特别是有具体的实例介绍，对于学习力矩式自整角机的应用具有重要的参考价值。

力矩式自整角机的原理及应用

1160601150周灵

一、力矩式自整角机的工作原理：

力矩式自整角机的原理图如图1所示。

假定各相整步绕组参数相同，两台自整角机参数相同。

在自整角机中，以a相整步绕组轴线和励磁绕组轴线之间的夹角，作为转子的转角。

如图1所示，发送机转子的转角为θ1，接收机转子的转角为θ2，发送机和接收机转角的差值，称为失调角θ，定义为θ=θ1－θ2。

自整角机的整步绕组为星形连接，图1中特意画出中线，是为了分析方便，实际应用中并没有接这条线，这是有原因的，后面的分析将会说明这一点。

由于中线的存在，在两台自整角机之间就构成了三个回路。

它们分别是a相整步绕组回路，b相整步绕组回路，c相整步绕组回路。

由于各相整步绕组回路参数相同，先以a相整步绕组回路进行分析。

在a相整步绕组回路中，电流的有效值Ia应为两台自整角机的感应电势的有效值的差值与a相整步绕组回路阻抗2Za的比值，按图5-2的参考方向，有：

（5-1）

式中，

——接收机感应电势的有效值；

——发送机感应电势的有效值；

——a相整步绕组的阻抗。

根据和旋转变压器类似的分析，E2a这个感应电动势来源于接收机励磁绕组磁场的变化。

具体大小取决于接收机a相整步绕组和接收机励磁绕组轴线的角度。

假设该角度为θ2角，接收机励磁绕组磁场的幅值为Φd，在接收机a相整步绕组中，感应电动势的有效值为

E2a=4.44fNKΦdcosθ2=Ecosθ2

同理，在发送机a相整步绕组中，感应电动势的有效值为

E1a=4.44fNKΦdcosθ1=Ecosθ1（5-2）

式中，Φd——直轴绕组（励磁绕组）磁通的幅值；K——整步绕组的基波绕组系数；

E——接收机a相整步绕组和接收机励磁绕组轴线重合时所能产生最大感应电动势的有效值。

由式（5-1）得到a相整步绕组回路感应电流的有效值为

（5-3）

式中，I——最大感应电流的有效值。

，最大感应电流的产生条件是a相整步绕组回路出现最大感应电动势2E，数学推算可以得出，在θ1=180°并且在θ2=0°时就会引起最大感应电流。

同理，在b相整步绕组回路和c相整步绕组回路分别进行分析，可以得到各自回路的感应电流的有为：

（5-4）

（5-5）

a相整步绕组回路，b相整步绕组回路和c相整步绕组回路的电流都流经中线，因此，中线上的总电流为：

In=Ia+Ib+Ic

将式（5-3）、式（5-4）和式（5-5）代入，并经过三角公式的展开，可以得到中线上的总电流为：

In=Ia+Ib+Ic=0

因此中线上的总电流In为零，实际使用中可以不接中线。

图1中所示中线可以省去不接。

各相整步绕组产生感应电流之后，由于电生磁的关系，感应电流必然在各相产生感应磁场，这些磁场大小可以用磁势表示。

a相整步绕组回路中，通过发送机整步绕组和接收机整步绕组的电流相等，因此发送机整步绕组的磁势的幅值F1a等于接收机整步绕组的磁势的幅值F2a

F1a=F2a

（5-6）

式中，

——常数因子，是将电流有效值

变为电流幅值而带来的；

——常数因子，是将方波磁势近似看作正弦波磁势所带来的，在方波磁势的傅里叶级数展开式中，只取基波

所占的一项,忽略其余各项：

同理，对于b相整步绕组回路和c相整步绕组回路的感应电流所产生的感应磁场，也可以用磁势表示如下：

F1b=F2b=

（5-7）

F1c=F2c=

（5-8）

下面将对发送机和接收机的合成磁势情况分别进行分析。

对于发送机，分析方法是将各相整步绕组产生的感应磁势进行合成。

将各相整步绕组产生的磁势都在直轴d轴方向和交轴q轴方向进行投影，每相整步绕组的感应磁势都得到两个分量。

直轴d轴方向即沿励磁绕组轴线方向向上，交轴q轴方向即直轴d轴方向逆时针旋转90°所得到的参考方向。

最后将每相的磁势的直轴分量相加，将每相的磁势的交轴分量相加，得到直轴磁势分量F1d和交轴磁势分量F1q，再利用正交合成得到一个合成磁势F1。

对于接收机，也采用同样的方法将各相整步绕组产生的感应磁势进行合成。

得到直轴磁势分量F2d、交轴磁势分量F2q以及合成磁势F2。

发送机和接收机的各个磁势分量的关系如图2所示。

对于发送机，直轴磁势分量为：

F1d=F1acosθ1+F1bcos（θ1－120°）+F1ccos（θ1+120°）

=

（5-9）

式中，Fm——各相整步绕组产生的最大基波磁势的幅值，当两台自整角机的a相整步绕组轴线与各自的励磁绕组轴线重合时，产生最大基波磁势。

同理求得发送机交轴磁势分量F1q为：

F1q=－F1asinθ1－F1bsin（θ1－120°）－F1csin（θ1+120°）

=

（5-10）

发送机的直轴磁势分量F1d以及交轴磁势分量F1q已经得出，利用正交合成得到一个发送机的合成磁势F1

F1=

（5-11）

发送机的合成磁势与交轴的夹角

=

（5-12）

对于接收机进行类似分析，可以得到接收机的感应磁势的各个量的大小：

求出直轴磁势分量F2d

F2d=–F2acosθ2–F2bcos（θ2–120°）–F2ccos（θ2+120°）

=

接收机交轴磁势分量F2q为：

F2q=F2asinθ2＋F2bsin（θ2－120°）＋F2csin（θ2+120°）

=

故接收机的合成磁势F2

F2=

（5-13）

接收机的合成磁势与交轴的夹角

=

（5-14）

发送机和接收机的直轴磁场、直轴磁势分量、交轴磁势分量、合成磁势均已标在图2中。

分析的逻辑顺序是先有直轴磁场，后有感应磁场。

后产生的感应磁场用了直轴磁势分量、交轴磁势分量、合成磁势三个量来描述。

发送机和接收机各自的感应磁场将与原来的直轴磁场相互作用，产生自动整步的动作。

二、力矩式自整角机的主要特性

1.发送机的直轴磁势分量为负值

由表达式

F1d=

直轴磁势分量为负值，这说明直轴电枢反应为去磁作用。

为了维持直轴磁通的不变，励磁绕组将会自动增大电流，从电源多吸收能量，这是能量守恒原理的体现，因为多吸收的能量要用于发送机电机转动所需要的能量。

2.接收机的直轴磁势分量为负值

由表达式

F2d=

接收机的直轴磁势分量也为负值，这说明接收机直轴电枢反应也为去磁作用。

产生这个直轴感应磁势分量必然引起接收机电机的转动，从而消耗了能量，根据能量守恒原理，励磁绕组将会增大电流，从电源多吸收这部分能量。

3.各磁势分量与位置角无关

发送机和接收机中的直轴磁势分量、交轴磁势分量和合成磁势的大小，与发送机和接收机的位置角无关，仅为失调角θ的函数。

4.发送机和接收机磁势分量绝对值相等

发送机和接收机整步绕组感应磁势的直轴分量大小相等，方向相同；交轴分量大小相等，方向相反。

5.直轴磁势分量可以忽略

在实际运行中，发送机和接收机的失调角很小，大约几度的数量级。

根据直轴磁势分量和交轴磁势分量的表达式可以得出，直轴磁势分量和交轴磁势分量相比很小，在某些情况下可以忽略。

6.各磁势分量同时为零

失调角θ为零时，各相整步绕组的感应电流为零，因此发送机和接收机的直轴磁势分量、交轴磁势分量、合成磁势三个量均同时为零。

7、力矩式自整角机的转矩

发送机和接收机各自的感应磁场将与原来的直轴磁场相互作用，产生某种动作。

当力矩式自整角机失调角为θ时，作用在电机轴上的电磁转矩称为为整步转矩，从本质上说，它是由三个整步绕组中的感应电流和直轴磁场相互作用而产生的。

如果简化分析，可以直接理解为感应磁场将与原来的直轴磁场的相互作用。

先从磁场相互作用的角度来分析发送机和接收机各自的转矩：

当两个磁场方向不一致时，磁场会有对齐的趋势，并产生对齐的转矩。

例如，在桌子上放置一块磁铁，再拿另外一块磁铁接近桌子上的磁铁，如果接近的方向一致，两块磁铁直接吸在一起，没有相互转动；如果接近的方向不一致，那么桌子上的磁铁将会转动直到与手中拿的一块对齐，也就是说产生了转矩，在磁铁转动的过程中，手也会感到阻力，正是手克服该阻力做的功为桌子上的磁铁的转动提供了能量。

在自整角机中，整步绕组中的感应电流产生了与原来的直轴磁场方向不一致的感应磁场，产生的过程即是做功的过程，会直接引起转动，能量来自于励磁电源。

参看图5-3，在发送机中，合成磁势F1与直轴磁场NS方向不一致，要达到对齐，发送机转子应该顺时针转动，直到合成磁势F1对齐直轴磁场NS，转动的结果是发送机转子的转角θ1减小。

在接收机中，合成磁势F2与直轴磁场NS方向也不一致，要达到对齐，接收机转子应该逆时针转动，直到合成磁势F2对齐直轴磁场NS，转动的结果是接收机转子的转角θ2增大。

在图2所示的情况下，原先θ1较大，θ2较小，转动后发送机转子的转角θ1减小，接收机转子的转角θ2增大，最后必然是θ1=θ2，失调角为零。

再从电流与磁场相互作用的角度来分析发送机和接收机各自的转矩,见图5-1：

这种分析方法是把各个分量磁势都看作是由一个各自的虚拟的线圈通过电流所产生的。

这个线圈只是分析需要想象出来的，并不是实际的线圈。

图5-1b所示的是直轴磁通和产生直轴磁势的线圈。

显然，直轴磁通对线圈不会产生转矩;图5-1c所示的交轴磁通和产生交轴磁势的线圈,它们之间相互作用也不会产生转矩。

图5-1d所示的是直轴磁通和产生正向交轴磁势的线圈。

它们之间相互作用将使该线圈产生顺时针转矩，可以用左手定则进行判断。

图5-1e所示的是交轴磁通和产生正向直轴磁势的线圈。

它们之间相互作用将使该线圈产生逆时针转矩。

运用这种分析方法，在发送机中，直轴磁通和产生合成磁势F1的虚拟载流线圈相互作用；在接收机中，直轴磁通和产生合成磁势F2的虚拟载流线圈相互作用，分别在各自电机内部产生了转矩。

作用在自整角机转子上的整步转矩为：

T=KTΦdFq

式中，KT——比例常数。

如果发送机和接收机均处于自由旋转的状态，发送机产生的转矩使发送机转子旋转；接收机产生的转矩使接收机转子旋转，旋转的趋势是使θ1=θ2。

当θ1=θ2时，失调角θ为0，此时发送机整步绕组合成磁势和接收机整步绕组合成磁势均为零，发送机和接收机的整步转矩为零。

三、力矩式自整角机的应用

力矩式自整角机主要用于角度传输的指示系统中，下面将其应用举例说明

由下图分析知：

液面的高度发生改变时，带动浮子随着液面的上升或下降，通过滑索带动自整角发送机转轴转动，这是第一步，将液面位置的直线变化转换成发送机转子的角度变化。

自整角发送机和接收机之间再通过导线远距离连接起来。

因为自整角发送机和自整角接收机的转角位置发生了改变，产生了失调角。

根据理论分析，自整角发送机和自整角接收机这时应该产生转矩，使自整角发送机和自整角接收机

的转角对齐。

自整角发送机产生的力矩和滑索的外力矩平衡，保持静止；自整角接收机产生的力矩带动表盘指针转过一个失调角，这是第二步，正好指示出角度的改变。

实现了远距离的位置指示。

这种系统还可以用于电梯和矿井提升机位置的指示及核反应堆中的控制棒指示器等装置中。

三、结论

通过对力矩式自整角机的工作原理及运行特性的分析，力矩式自整角机用于开环系统,不具备放大力矩的功能,只适用于负载较轻且传递精度要求不高的指示系统。

力矩式自整角接收机在指示状态下运行，其静态精度主要取决于比整步转矩和摩擦力矩的大小。

接收机的静态比整步转矩的大小除了和整步绕组每相最大感应电势有效的平方成正比外，还与自整角机的交轴短路电阻及交轴短路电抗的大小有关。

四、参考文献：

[1]杨渝钦控制电机[M].机械工业出版社，2001.

[2]任彦硕,赵一丁,张家生.自动控制系统[M].北京：

北京邮电大学出版社2006.

[3]陈龙昌，控制电机[M].X西安.西安电子科技大学出版社，2002

[4]杨宜民.新型驱动器及其应用[M].机械工业出版社, 19971.[6]李忠杰,宁守信.步进电动机应用技术[M].北京：

机械工业出版社.1998.

[5]张家生.电机原理与拖动基础[M].北京：

北京邮电大学出版社2006

[6]刘启新.电机与拖动基础[M].北京：

中国电力出版社，2005

[7]谭文斌.伺服系统摩擦与温度变化干扰的建模及补偿研究[D];天津大学;2012年

[8]薛鹏.永磁同步伺服电动机二自由度控制[D];沈阳工业大学;2006年

感悟

自整角机是使用得较多的一类微电机。

第二次世界大战后,随着军事工程技术的不断发展,自整角机广泛地用于舰船和飞机的自动导航、火炮控制等各方面,尤其是近年来在火箭、导弹、卫星和飞船等空间技术领域中的应用,使自整角机的发展达到了一个新的水平。

自整角机作为一类控制元

这次关于力矩式自整角机小论文设计，我深深体会到理论和实际的距离，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论服务于实践，实践可以验证理论。

我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。

学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。

这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。

感谢在整个小论文设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。

最后，感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。