第5章 自整角机,5.1 自整角机的类型和用途 5.2 自整角机的基本结构 5.3 控制式自整角机的工作原理 5.4 带有“ZKC”的控制式自整角机 5.5 力矩式自整角机的运行 5.6 自整角机的选用和技术数据 思考题与习题,5.1 自整角机的类型和用途,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)、 微型同步器、 编码器等七类 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 若按结构、 原理的特点又将自整角机分为控制式、 力矩式、 霍尔式、 多极式、 固态式、 无刷式、 四线式等七种 而前两种是自整角机的最常用运行方式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 若成对使用的自整角机按力矩式运行时， 其中有一个是力矩式发送机(国内代号为ZLF， 国际代号为TX)， 另一个则是力矩式接收机(国内代号为ZLJ， 国际代号为TR)； 而成双使用的自整角机按控制式运行时， 其中必然有一个是控制式发送机(国内代号为ZKF， 国际代号为CX)， 另一个则是控制式变压器(国内代号为ZKB， 国际代号为CT)。
前述电机定子三相绕组为Y形接法， 引出端符号分别为D1, D2, D3， 转子单相绕组引出端用Z1和Z2表示， 如图 5 - 1 所示图 5 - 1 自整角机电路图,有时力矩式自整角机还用到差动发送机(国内、 国际代号分别为ZCF、 TDX)和差动接收机(代号分别为ZCJ、 TDR) 差动发送机串接于“ZLF”和“ZLJ”之间， 是将发送机(即“ZLF”)转角及自身转角的和(或差)转变为电信号， 输至接收机(即“ZLJ”)； 而差动接收机是串接于两个力矩式发送机(即“ZLF”)之间， 接收其电信号， 并使自身转子转角为两发送机转角的和(或差) 有关详情见 5.5 节有时控制式自整角机还用到控制式差动发送机(国内、 国际代号分别为ZKC、 CDX) 控制式差动发送机串接于“ZKF”和“ZKB”之间， 将发送机转角及其自身转角的和(或差)转变成电信号， 输至自整角机变压器即“ZKB” 差动式自整角机的定、 转子绕组均为三相连接， 而且均接成Y形， 它们的定、 转子绕组引出端分别用D1、 D2、 D3和Z1、 Z2、 Z3表示， 如图 5-2 所示图 5 - 2 差动式自整角机电路图,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图 5 - 3 雷达俯仰角自动显示系统原理图,,,小结,定义：一种发送、接收、转换角位移信息的交流控制电机 自整步特性：两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转电机的这种性能称为自整步特性 分类：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；按结构、 原理的特点又将自整角机分为控制式、 力矩式、 霍尔式、 多极式、 固态式、 无刷式、 四线式等七种,4.常见自整角机的国内代号：力矩式发送机：ZLF， 力矩式接收机：ZLJ，控制式发送机：ZKF， 控制式变压器：ZKB，差动发送机：ZCF，差动接收机：ZCJ，控制式差动发送机：ZKC 5.使用：自整角机不能单机运行，自整角机通常必须是两个(或两个以上)组合起来才能使用，不论几个组合起来使用只能有一个接收机。
6.绕组：普通自整角机转子式单相绕组，定子是三相绕组；差动式自整角机定转子均为三相绕组，三相绕组均为Y形接法5.2 自整角机的基本结构,自整角机的结构和一般旋转电机相似， 主要由定子和转子两大部分组成 定子铁心的内圆和转子铁心的外圆之间存在有很小的气隙 定子和转子也分别有各自的电磁部分和机械部分 自整角机的结构简图如图 5 - 4 所示 定子铁心是由冲有若干槽数的簿硅钢片叠压而成， 图 5 - 5 表示定子铁心冲片 图 5 - 6 表示转子(有隐极和凸极两种)剖视图 定子铁心槽内布置有三相对称绕组， 转子铁心上布置有单相绕组(差动式自整角机为三相绕组)图 5 - 4 自整角机结构简图,图 5 - 5 定子铁心冲片,图 5 – 6 自整角机转子 (a)隐极转子；（b）凸极转子,隐极式自整角机的定子和转子示意图如图 5 - 7 所示， 其中沿定子内圆各槽内均匀分布有三个(也可称为三相)排列规律相同的绕组， 每相绕组的匝数相等， 线径和绕组形式均相同， 三相空间位置依次落后 120°， 这种绕组就称之为三相对称绕组 三相对称绕组可用图 5 -8 的示意图来简单解释 设每相绕组集中成一个线圈， 该线圈首、 末端用D1-D4表示， 另两个线圈的首末端也就分别用D2-D5 和 D3-D6表示。
为构成星形联接， 将D4, D5, D6短接在一起， 首端D1, Ｄ2, D3则引出(到接线板)， 如图 5 - 7 中的定子上的三根悬空线图 5 - 7 隐极式自整角机的定子和转子,图 5 - 8 三相对称绕组示意图,自整角机的转子型式有隐极式和凸极式两种结构 通常“ZKB”和“ZKC”采用隐极式转子， 而“ZLF”和“ZLJ”及“ZKF”则采用凸极式转子 图 5 - 7(b)为控制式自整角机变压器(ZKB)的转子结构图， 它仅有一个绕组， 称为自整角机的转子绕组； 图 5 - 9 所示是差动式自整角机的转子结构， 该电机转子绕组也有三相星接的对称绕组 为了使转子绕组与外电路相联接， 在转子上装有集电环和电刷装置， 集电环(或叫滑环)就是安装在轴(图上右端处)上的两个(差动式自整角机为三个)导电铜环图 5 - 9 差动式自整角机的转子结构,当然两个(或三个)滑环之间， 以及转轴和滑环之间都应绝缘 单相(或三相)转子绕组的两个(或三个)引线端分别焊接在两个(或三个)滑环上 电刷和滑环摩擦接触， 通过电刷滑环将转子绕组出线端可靠地引接到接线板上， 图 5 - 4 中的Z1和 Z2就是接线板上的转子绕组的出线端。
实际的接线板如图 5 - 10 中的第 9 号零件图 5 - 10 所示的是自整角机的基本结构 由于这种自整角机的定、 转子都装在一个机壳里， 故也称为整体式结构 为了表示内部结构， 本图拆开画出 还有一种分装式结构的自整角机， 也就是定、 转子是分开的， 它们分别是在现场安装固定 分装式自整角机的结构特点是电机外径较大、 轴向长度较短， 呈环状而非筒柱状 这种分装式结构习惯上不直接将转子装在轴上， 而是内孔较大， 以便在现场与转轴装配 但是， 无论是整体式或是分装式， 也无论是隐极转子或是凸极转子， 它们的工作原理都是一致的图 5 - 10 整体式自整角机的基本结构(此图转子为凸极式) 1-挡圈；2-轴承；3-转子；4-集电环；5定子； 6端盖；7-轴承；8-档圈；9-接线板,小结,1.整机结构：整体式和分装式 2.转子结构：凸极式和隐极式，大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构，通常“ZKB”和“ZKC”采用隐极式转子， 而“ZLF”和“ZLJ”及“ZKF”则采用凸极式转子 3.三相对称绕组：排列规律相同的绕组， 每相绕组的匝数相等， 线径和绕组形式均相同， 三相空间位置依次落后 120°， 这种绕组就称之为三相对称绕组。
5.3 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ZKF的转子绕组Z1, Z2端接交流电压Uf产生励磁磁通密度， 故称之为励磁绕组； ZKB的转子绕组通过Z′1, Z′2端输出感应电势， 故被称之为输出绕组 图 5 - 11 的自整角机的输出绕组为什么可以输出电势? 在什么条件下可以输出电势? 为便于分析起见， ZKF的转子单相绕组轴线相对定子D1相绕组轴线的夹角用θ1表示， ZKB的输出绕组轴线相对ZKB的定子D′1相绕组轴线的夹角用θ2表示， 而且设图中的θ2>θ1 以下通过分析ZKF的转子励磁磁场及其定子电流产生的定子磁场就能逐步搞清楚控制式自整角机的工作原理图 5 - 11 控制式自整角机的原理电路图,5.3.1 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：,(5 - 1),,图 5 - 12 隐极转子励磁磁场分布,,,,图 5 - 13 隐极转子励磁磁场展开图及Bf(X)分布曲线,,,,图 5 - 14 励磁电流和磁通密度分布曲线 （a）励磁电流曲线；（b）气隙磁通密度分布曲线；（c）磁通密度空间矢量Bf,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=Bm1sinωt cosX (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5.3.2 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，将产生脉振磁通，该磁通匝链定子各相绕组并在其中感应电势转子处于某一位置上时，定子三相绕组的感应电势在时间上的相位彼此相同， 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相绕组图 5 – 15 定子绕组的感应电流,设此瞬时脉振磁通达到最大值 现把磁密空间矢量Bf分解成相互垂直的两个分量： 第一分量是在定子绕组D1 - D4的轴线方向， 其值用Bf cosθ1表示； 第二分量是与D1 - D4 线圈的轴线方向垂直， 其值用Bf sinθ1表示 设 Bf 向量的方向与定子绕组D1 - D4的轴线重合时 定子绕组D1 - D4匝链全部的磁通Φm， 即一个极的磁通量， 但现在D1 - D4绕组轴线方向的磁密为Bf cosθ1， 故绕组D1 - D4所匝链的磁通必定为Φm cosθ1Bf的第二个分量所对应的磁通是不匝链绕组D1 - D4的， 因此， 在任意θ1角时， D1相绕组所匝链的励磁磁通幅值为：Φ1=Φm cosθ1 由于定子三相绕组是对称的， D2相绕组在此图中超前D1相绕组 120°， D3相超前D1相绕组240°， 所以它们分别和Bf轴线的夹角为(θ1+120°)、 (θ1+240°)。
这样三相定子绕组所匝链励磁磁通的幅值应为,,,,Φ1=Φm cosθ1 Φ2=Φm cos(θ1+120°) Φ3=Φm cos(θ1+240°),。