第五章 控制电机
控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件。根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。
控制电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁过程及所遵循的基本规律而言，它与一般旋转电机没有本质区别，只是所起的作用不同。
传动生产机械用的传动电机主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标(如效率和功率因数等)；而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。当然传动用电机与控制电机也没有一个严格的界线，本章所介绍的力矩电动机、第十一章介绍的步进电动机等控制电机也起传动电机的作用。至于旋转变压器与感应同步器等信号检测元件将在“数控机床”课程中介绍。
5.1 交流伺服电动机
伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。
伺服电动机有交流和直流两种，它们的最大特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，则停止转动；改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。因此，它与普通电动机相比具有如下特点：
1． 调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变而改变，能在很广的范围内连续调节；
2． 转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转；
3． 控制功率小，过载能力强，可靠性好。
一、两相交流伺服电动机的结构
定子：定子绕组与单相电容式异步电动机的结构相类似。
定子用硅钢片叠成，在定子铁心的内圆表面上嵌入两个相差090电角度(即p /900
空间角)的绕组，一个叫励磁绕组FW ，另一个叫控制绕组CW ，如图5.1所示，这两个绕组通常是分别接在两个不同的交流电源(两者频率相同)上，这一点与单相电容式异步电动机不同。
图5.1 交流伺服电动机的接线图
转子：转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式。
鼠笼式转子与三相鼠笼式电动机的转子结构相似，杯形转子的结构如图5.2所示。
图5.2 杯形转子的结构图
杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，为了减少磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。不同结构型式的转子都制成具有较小惯量的细长形。目前用得最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。交流伺服电动机的特点和应用范围见表5.1。
表5.1 交流伺服电动机的特点和应用范围
种类型号结构特点性能特点应用范围
鼠笼式
转子SL
与一般鼠笼式电机结构相
同，但转子做得细而长，转
子导体用高电阻率的材料。
励磁电流较小，体积
较小，机械强度高，
但是低速运行不够平
稳，有时快时慢的抖
小功率的自动控
制系统
动现象。空心杯
形转子SK
转子做成薄壁圆筒形，放在
内、外定子之间。
转动惯量小，运行平
滑，无抖动现象，但
是励磁电流较大，体
积也较大。
要求运行平滑的
系统
二、工作原理
1．基本的工作原理
两相交流伺服电动机是以单相异步电动机原理为基础的，从图5.1看出，励磁绕组接到电压一定的交流电网上，控制绕组接到控制电压c
U上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其同步转速：p
f
n/
60
=，转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变0
180，则可改变伺服电动机的旋转方向。
对伺服电动机的要求是控制电压一旦取消，电动机必须立即停转。但根据单相异步电动机的原理，电动机转子一旦转动以后，再取消控制电压，仅剩励磁电压单相供电，它将继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，这是不允许的。
2．消除自转现象的措施
消除自转现象办法就是使转子导条具有较大电阻。
从三相异步电动机的机械特性可知，转子电阻对电动机的转速转矩特性影响很大，如图5.3所示。转子电阻增大到一定程度，例如图中23r时，最大转矩可出现在1
=
S附近。
图5.3 对应不同转子电阻时的机械特性
为此目的，把伺服电动机的转子电阻2r 设计得很大，使电动机在失去控制信号，即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在1m >S 的地方，这样可得出图5.4所示的机械特性曲线。
图5.4 控制电压为0时的机械特性
图5.4中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线?+T T 和为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场对应产生的转矩曲线。曲线T 为去掉控制电压后
单相供电时的合成转矩曲线。
从图看出，它与异步电动机的机械特性曲线不同，它是在第二和第四象限内。当速度n 为正时，电磁转矩T 为负，当n 为负时，T 为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以，是一个制动转矩。由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，保证了不会存在“自转”现象。停转所需要的时间，比两相电压f c U U 和同时取消、单靠摩擦等制动方法所需的时间要少得多。这正是两相交流伺服电动机在工作时，励磁绕组始终是接在电源上的原因。
综上所述，增大转子电阻2r ，可使单相供电时合成电磁转矩在第二和第四象限，成为制动转矩，有利于消除“自转”，同时2r 的增大，还使稳定运行段加宽、启动转矩增大，有利于调速和启动。因此，目前两相交流伺服电动机的鼠笼导条，通常都是用高电阻材料(如黄铜、青铜)制成，杯形转子的壁很薄，一般只有(0.2~0.8)mm ，因而转子电阻较大，且惯量很小。
三、特性和应用
1．控制特性
两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位控制；③幅值-相位控制。生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论幅值控制法。
图5.5所示接线图为幅值控制的一种接线图。
图5.5 幅值控制电路原理图
从图中看出，两相绕相接于同一单相电源，适当选择电容C ，使0c f 90相角差与U U ，改变R 的大小，即改变控制电压c U 的大小，可以得到图5.6所示的不同控制电压下的机械特性曲线簇。
图5.6 不同控制电压下的机械特性
由图可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持0c f 90相角差与U U ，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。
2．应用举例
交流伺服电动机可以方便地利用控制电压c U 的有无来进行启动、停止控制；利用改变电压的幅值(或相位)大小来调节转速的高低；利用改变c U 的极性来改变电动机转向。它是控制系统中的原动机。例如，雷达系统中扫描线的旋转，流量和温度控制中阀门的开启，数控机床中刀具运动，甚至连船舰方向舵与飞机驾驶盘的控制都是用伺服电动机来带动的。图
5.7所示为交流伺服电动机在自动控制系统中的典型应用方框图。
图5.7 交流伺服电动机典型应用原理框图
由此看出，伺服电动机的性能，直接影响着整个系统的性能。因此，系统对伺服电动机的静态特性、动态特性都有相应的要求，这是在选择电动机时应该注意的。
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1W~100W ，其电源频率有50Hz 、400Hz 等几种。在需要功率较大的场合，则应采用直流伺服电动机。
5.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1W~600W 。
图5.8(a)、(b)所示分别为他励式（传统型电磁式）、永磁式两种类型直流伺服电动机的原理电路图。
(a)他励式 (b)永磁式
图5.8 直流伺服电动机的原理电路图
由上述电路原理图可知：直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机机械特性公式相同，即
T ΦK K R ΦK U n 2
m e e c ?= 式中，c U ——电枢控制电压；
R ——电枢回路电阻；
Φ——每极磁通；
m e K K ，——电动机结构常数。
除上述两种形式外，还有低惯量型直流伺服电动机，它有无槽、杯形、圆盘、无刷电枢几种。它们的特点及应用范围见表5.2。
表5.2 直流伺服电动机的特点和应用范围 种类
励磁方式 产品型号 结构特点 性能特点 适用范围 一般
直流
伺服
电动
机
电磁或永磁 SZ 或SY 与普通直流电动机相同，但电枢铁心长度与直径之比大一些，气隙较小 具有下垂的机械性和线性的调节特性，对控制信号响应快速。 一般直流伺服系统。
无槽
电枢
直流
伺服 电磁或永磁 SWC 电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组用环氧树脂粘在电枢铁心表面，气隙较大。具有一般直流伺服电动机的特点，而且转动惯量和机电时间常数需要快速动作、功率较大的直流伺服系
电动
机
小，换向良好。统。
空心杯形电枢直流伺服电动机永磁 SYK 电枢绕组用环氧
树脂浇注成杯形，置
于内、外定子之间，
内、外定子分别用软
磁材料和永磁材料做
成。
具有一般直流
伺服电动机的特
点，且转动惯量和
机电时间常数小，
低速运转平滑，换
向好。
需要快速
动作的直
流伺服系
统。
印刷绕组直流伺服电动机永磁 SN 在圆盘形绝缘薄
板上印制裸露的绕组
构成电枢，磁极轴向
安装
转动惯量小，
机电时间常数小，
低速运行性能好。
低速和启
动、反转频
繁的控制
系统。
无刷直流伺服电动机永磁 SW 由晶体管开关电
路和位置传感器代替
电刷和换向器，转子
用永久磁铁做成，电
枢绕组在定子上，且
做成多相式。
既保持了一般
直流伺服电动机的
优点，又克服了换
向器和电刷带来的
缺点。寿命长，噪
音低。
要求噪音
低、对无线
电不产生
干扰的控
制系统。
由机械特性方程可以看出，改变控制电压c
U或改变磁通Φ都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。
由于电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，的实际生产中大都采用电枢控制方式(永磁式伺服电动机，只能采取电枢控制)。
图5.9所示为直流伺服电动机机械特性曲线。
图5.9 直流伺服电动机机械特性曲线。
从图看出，在一定负载转矩下，当磁通Φ不变时，如果升高电枢电压c U ，电动机的转速就上升，反之，转速下降，当0c =U 时，电动机立即停止，因此，无自转现象。直流伺服电动机与交流伺服电动机的机械特性比较，前者的堵转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬。缺点是有换向器，因而结构复杂，产生无线电干扰。在确定系统采用何种电动机时，要综合考虑各种电动机的特点。
5.3直流力矩电动机
在某些自动控制系统中，被控制对象的转速相对于伺服电动机的转速低得多，所以，两者之间常常必须用减速机构连接。由于采用了减速器，一方面使系统装置变得复杂，另一方面它使闭环控制系统产生自激振荡的重要原因之一，影响了系统性能的提高。因此希望有一种低转速、大转矩的伺服电动机。力矩电动机就是一种能和负载直接连接产生较大转矩，能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。
力矩电动机可分为如下几种：
????????直流力矩电动机
异步力矩电动机同步力矩电动机交流力矩电动机力矩电动机
异步型交流力矩电动机的工作原理与交流伺服电动机相同，但为了产生低转速和大转矩，电动机做成径向尺寸大，轴向尺寸小的多极扁平形，虽然它的结构简单、工作可靠，但在低速性能方面还有待进一步完善。
直流力矩电动机具有良好的低速平穏性和线性的机械特性及调节特性，在生产中应用最广泛。
下面主要介绍直流力矩电动机。
一、永磁式直流力矩电动机的结构特点
直流力矩电动机的工作原理和传统直流伺服电动机相同，只是在结构和外形尺寸上有所不同。一般直流伺服电动机为了减少其转动惯量，大部分做成细长圆柱形，而直流力矩电动机为了能在相同体积和电枢电压的前提下，产生比较大的转矩及较低的转速，一般都做成扁平状，其结构如图5.10所示。
图5.10 永磁式直流力矩电动机结构示意图
二、直流力矩电动机转矩大、转速低的原因
1、转矩大的原因
从直流电动机基本工作原理可知，设直流电动机每个磁极下磁感应强度平均值为B ，电枢绕组导体上的电流为a I ，导体的有效长度(即电枢铁心厚度)为l ，则每根导体所受的电磁力为
l BI F a =
电磁转矩为
D l N BI D l NBI D NF T 2
22a a === 式中，N ——电枢绕组总匝数；
D ——电枢铁心直径。
由上可知：电磁转矩与电动机结构参数l 、D 的关系。电枢体积大小，在一定程度上反应了整个电动机的体积，因此，在电枢体积相同条件下，即保持l D 2π不变，当D 增大时，
铁心长度l 就应减小；其次，在相同电流a I 以及相同用铜量的条件下，电枢绕组的导线粗细不变，则总匝数N 应随l 的减小而增加，以保持Nl 不变。满足上述条件，则
2
a Nl BI 近似为常数，故转矩T 与直径D 近似成正比例关系。
2、转速低的原因
导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电势为
Blv e =a 式中，v ——导体运动的线速度，60Dn
v π=。
设一对电刷之间的并联支路数为2，则一对电刷间，
2N 根导体串联后总的感应电势为a E ，且在理想空载条件下，外加电压a U 应与a E 相平衡，所以
120/0a a Dn NBl E U π==
即 NBlD
U n a 0120π= 上式说明，在仍保持Nl 不变的情况下，理想空载转速0n 和电枢铁心直径D 近似成反比，电枢直径D 越大，电动机理想空载转速0n 就越低。
由以上分析可知，在其他条件相同的情况下，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，故力矩电动机都做成扁平圆盘状结构。
3、直流力矩电动机的特点和应用
由于在设计、制造上保证了电动机能在低速或堵转下运行，在堵转情况下能产生足够大的力矩而不损坏电动机，加上它有精度高、反应速度快、线性度好等优点，因此，它常用在低速、需要转矩调节和需要一定张力的随动系统中作为执行元件。例如，数控机床、雷达天线、人造卫星天线的駆动，X-Y 记录仪及电焊枪的焊条传动等。将它与测速发电机等检测元件配合，可以组成高精度的宽调速伺服系统，调速范围可达0.00017r/min(即4天转一转)~25r/min ，故常称为宽调速直流力矩电动机。常用的直流力矩电动机的型号为LY 型。
5.3直流力矩电动机
在某些自动控制系统中，被控制对象的转速相对于伺服电动机的转速低得多，所以，两者之间常常必须用减速机构连接。由于采用了减速器，一方面使系统装置变得复杂，另一方面它使闭环控制系统产生自激振荡的重要原因之一，影响了系统性能的提高。因此希望有一种低转速、大转矩的伺服电动机。力矩电动机就是一种能和负载直接连接产生较大转矩，
能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。
力矩电动机可分为如下几种：
????????直流力矩电动机
异步力矩电动机同步力矩电动机交流力矩电动机力矩电动机
异步型交流力矩电动机的工作原理与交流伺服电动机相同，但为了产生低转速和大转矩，电动机做成径向尺寸大，轴向尺寸小的多极扁平形，虽然它的结构简单、工作可靠，但在低速性能方面还有待进一步完善。
直流力矩电动机具有良好的低速平穏性和线性的机械特性及调节特性，在生产中应用最广泛。
下面主要介绍直流力矩电动机。
一、永磁式直流力矩电动机的结构特点
直流力矩电动机的工作原理和传统直流伺服电动机相同，只是在结构和外形尺寸上有所不同。一般直流伺服电动机为了减少其转动惯量，大部分做成细长圆柱形，而直流力矩电动机为了能在相同体积和电枢电压的前提下，产生比较大的转矩及较低的转速，一般都做成扁平状，其结构如图5.10所示。
图5.10 永磁式直流力矩电动机结构示意图
二、直流力矩电动机转矩大、转速低的原因
1、转矩大的原因
从直流电动机基本工作原理可知，设直流电动机每个磁极下磁感应强度平均值为B ，
电枢绕组导体上的电流为a I ，导体的有效长度(即电枢铁心厚度)为l ，则每根导体所受的电磁力为
l BI F a =
电磁转矩为
D l N BI D l NBI D NF T 2
22a a === 式中，N ——电枢绕组总匝数；
D ——电枢铁心直径。
由上可知：电磁转矩与电动机结构参数l 、D 的关系。电枢体积大小，在一定程度上反应了整个电动机的体积，因此，在电枢体积相同条件下，即保持l D 2π不变，当D 增大时，铁心长度l 就应减小；其次，在相同电流a I 以及相同用铜量的条件下，电枢绕组的导线粗细不变，则总匝数N 应随l 的减小而增加，以保持Nl 不变。满足上述条件，则
2
a Nl BI 近似为常数，故转矩T 与直径D 近似成正比例关系。
2、转速低的原因
导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电势为
Blv e =a 式中，v ——导体运动的线速度，60Dn
v π=。
设一对电刷之间的并联支路数为2，则一对电刷间，
2N 根导体串联后总的感应电势为a E ，且在理想空载条件下，外加电压a U 应与a E 相平衡，所以
120/0a a Dn NBl E U π==
即 NBlD
U n a 0120π= 上式说明，在仍保持Nl 不变的情况下，理想空载转速0n 和电枢铁心直径D 近似成反比，电枢直径D 越大，电动机理想空载转速0n 就越低。
由以上分析可知，在其他条件相同的情况下，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，故力矩电动机都做成扁平圆盘状结构。
3、直流力矩电动机的特点和应用
由于在设计、制造上保证了电动机能在低速或堵转下运行，在堵转情况下能产生足够大的力矩而不损坏电动机，加上它有精度高、反应速度快、线性度好等优点，因此，它常用在
低速、需要转矩调节和需要一定张力的随动系统中作为执行元件。例如，数控机床、雷达天线、人造卫星天线的駆动，X-Y记录仪及电焊枪的焊条传动等。将它与测速发电机等检测元件配合，可以组成高精度的宽调速伺服系统，调速范围可达0.00017r/min(即4天转一转)~25r/min，故常称为宽调速直流力矩电动机。常用的直流力矩电动机的型号为LY型。
5 .4小功率同步电动机
交、直流伺服电动机转子速度的高低和转向随着控制信号电压的大小和极性(或相位)而变化，但在有些控制设备和自动装置(如驱动器仪表中的走终纸、打印记录机构、自动记录仪、电钟、电唱机、录音机、录像机、磁带机、电影摄影机、放映机、无线电传真机等)中，却往往要求速度不受外界的影响而恒定不变。在这些装置中小功率同步电动机得到了广泛的应用。
目前，功率从零点几瓦到数百瓦的小功率同步电动机，在需要恒速传动的装置中常用作传动电动机，在自动控制系统中也可用作执行元件。
一、永磁式同步电动机
1．结构特点与基本工作原理
永磁式同步电动机转子主要由两部分构成：用来产生转子磁通的永久磁铁和置于转子铁心槽的鼠笼绕组，如图5.11所示。
图5.11永磁式同步电动机转子示意图
永磁式同步电动机的工作原理与同步电动机是相似的，只是其转子磁通是永久磁铁产生的，如图5.12所示。
图5.12 永磁式同步电动机的工作原理
当同步电动机的定子绕组通以三相或两相(包括单相电源经电容分相)交流电流时，产生旋转磁场(以N S ，S S 表示)以同步角速度0ω逆时针方向旋转。
根据两异性磁铁互相吸引的原理，定子磁铁的N S (或S S ))极吸住转子永久磁铁的S r (或N r )极，以同步角速度在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。维持转子的电磁转矩是定子旋转磁场和转子永久磁场相互作用而产生的。
二、 磁阻式电磁减速同步电动机
1．结构特点
电动机的定子和转子由电工硅钢片叠装而成，定子作成圆环形式，其外表也有开口槽。定子、转子齿数是不相等的，一般转子齿数大于定子齿数，即s r Z Z >。定子槽中装有三相或单相电源供电的定子绕组，定子绕组接通电源便产生旋转磁通s Φ，转子槽内不嵌绕组，如图5.15所示。
图5.15 磁阻式电磁减速同步电动机
2．工作原理
假设电动机只有一对磁极，定子齿数6s =Z ，转子齿数8r =Z 。在图5.15所示瞬间位置(A)，定子绕组产生的二极旋转磁通s Φ，其轴线正好和定子齿1和4的中心线重合。由于磁力线总是力图使自己经过的磁路磁阻最小，或者说，磁阻转矩力图使转子朝着磁导最大的方向转动，所以，这时转子齿1’和5’处于定子齿1和4相对齐的位置。当旋转磁通转过一个定子齿距s /2Z π到图中的B 位置时，由于磁力线要继续保持自己磁路的磁阻为最小，因此，就力图使转子齿2’和6’转到与定子齿2和5相对齐的位置上。转子转过的角度为
r
s 22Z Z ππθ?= 因此，可求出定子旋转磁场的角速度0ω和转子旋转角速度ω之比
s r r r s
s 0R 22/2Z Z Z Z Z Z K ?=?????????==πππωω 式中，R K ——电磁减速系数。
电机旋转角速度为
p
f Z Z Z Z Z Z πωω2r s r 0r s r ?=?= 式中，p ——定子磁场的极对数。
对于图5.15所示同步电动机
004
1868ωωω=?=
如果选取98100s r ==Z Z ，，则 0050
110098100ωωω=?= 一般p Z Z 2s r =?，r Z 越大，r Z 和s Z 越接近，则转子速度就越低。
一般磁阻式同步电动机转子上也加装鼠笼启动绕组，采用异步启动法，当转子速度接近同步转速时，磁阻转矩将转子拉入同步。
磁阻式减速同步电动机无需加启动绕组，它的结构简单，制造方便，成本较低。它的转速一般在每分钟几十转到上百转之间。它是一种常用的低速电动机。
5.5 测速发电机
测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，测速发电机的输出电压0U 可以用下式表示：
dt
d KK Kn U θ'0== 式中，'K K 、——比例常数(即输出特性的斜率)；
θ、n ——测速发电机转子的旋转速度及旋转角度。
可见，测速发电机主要有两种用途：
(1) 测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以用来测量转速，故称为测速发电机；
(2) 如果以转子旋转角度θ为参数变量，则可作为机电微分、积分器。
测速发电机广泛用于速度和位置控制系统中。
根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、异步测速发电机和同步测速发电机。
一、异步(交流)测速发电机
1．基本结构和工作原理
异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，见图5.2。其原理电路图如图
5.16所示。
图5.16 空心杯形转子交流测速发电机原理图
在定子上安放两套彼此相差090的绕组，FW 作为励磁绕组，接于单相额定交流电源，CW 作为工作绕组(又称输出绕组)，接入测量仪器作为负载。交流电源以旋转的杯形转子为媒介，在工作绕组上便感应出数值与转速成正比、频率与电网频率相同的电势。
下面分析为什么输出电压0U 与转速n 的关系。
为方便起见，杯形转子可看成一个导条数目非常多的鼠笼转子。
当频率为1f 的激磁电压f U 加在绕组FW 上以后，在测速发电机内、外定子间的气隙中，产生一个与FW 轴线一致、频率为1f 的脉动磁通f Φ，即t ωΦΦsin fm f =。如果转子静止不动，则因为磁通f Φ只在杯形转子中感应变压器电势和涡流，涡流产生的磁通将阻碍f
Φ
的变化，其合成磁通f Φ的轴线仍与励磁绕组的轴线重合，而与输出绕组CW 的轴线相互垂直，故不会在输出绕组上感应出电势，所以，输出电压00=U ，见图5.16(a)。但如果转子以n 的转速沿顺时针方向旋转，则杯形转子还要切割磁通1Φ而产生切割电势2p e 及电流p 2i ，如图5.16(b)所示。因Blv e =，故2p e 的有效值2p E 与1m Φ及n 成正比，即n E m 12p Φ∝。当励磁电压f U 一定时，1m Φ基本不变(因1m 11f 44.4ΦN f U =)，故
n E ∝2p
由2p e 产生的电流2p i 也要产生一个脉动磁通2Φ，其方向正好与输出绕组CW 轴线重合，且穿过CW ，所以就在输出绕组CW 上感应出变压器电势0e ，其有效值0E 与磁通2Φ成正比，即
20Φ∝E
2p 2E ∝Φ
即：
Kn E U n E ==∝000或
上式说明：在励磁电压f U 一定的情况下，当输出绕组的负载很小时，异步测速发电机的输出电压0U 与转子转速n 成正比。如图5.17所示。
图5.17 异步测速发电机的输出特性
2．交流测速发电机使用中的几个问题
1）主要技术指标
(1)剩余电压：指的是当测速发电机的转速为零时的输出电压。它的存在可能会使控制系统产生误动作，从而引起系统误差。一般规定剩余电压为几毫伏到十几毫伏。
(2)线性误差：严格来说，输出电压和转速之间不是直线关系，由非线性引起误差称为
线性误差，并规定由下式决定：
%max max
U U ?δ=
式中，max ?U ——实际输出特性和工程上选取的输出特性间输出电压的最大差值；
max U ——对应最大的转速max n 的输出电压，见图5.18。
图5.18 输出特性的线性度
一般系统要求%2~%1=δ，精密系统要求%25.0~%1.0=δ。在选用时，前者一般用于自动控制系统作校正元件，后者一般作解算元件。
(3)相位误差：在控制系统中希望交流测速发电机的输出电压和励磁电压同相，而实际上它们之间有相位移?，且?随转速n 变化。所谓相位误差就是指在规定的转速范围内，输
出电压与励磁电压之间相位移的变化量，一般要求交流测速发电机相位误差不超过002~1。
(4)输出斜率(灵敏度)：旨额定励磁条件下，单位转速(in r/m 1000)产生的输出电压，交流测速发电机的输出斜率比较小，故灵敏度比较低，这是交流测速发电机的缺点。
2）使用中应注意的问题
输出特性的线性度与磁通1m Φ及频率1f 有关，因此，在使用时要求维持f U 和1f 恒定。同时要注意负载阻抗对输出电压的影响，因为工作绕组接入负载后，就有电流通过，并在工作绕组中产生阻抗压降，使输出特性陡度下降，影响测速发电机的灵敏度。
温度的变化会使定子绕组和杯形转子电阻以及磁性材料的性能发性变化，使输出特性不稳定。如当温度升高时，转子电阻增加，使1Φ、2Φ减小，从而使输出特性的斜率降低。绕组电阻的增加，不仅会影响输出电压的大小，还会影响输出电压的相位。在实际使用时，可外加温度补偿装置，如在电路中串入负温度系数的热敏电阻来补偿温度变化的影响。 选用测速发电机时，应根据系统的频率、电压、工作速度范围、精度要求以及它在系统中所起的作用等来选。
二、直流测速发电机
1．基本原理
直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，见图5.19。
图5.19 直流测速发电机工作原理图
空载时，电枢两端电压
n C E U a e 0==
由此看出，空载时测速发电机的输出电压与它的转速成正比。
2．特性
有负载时，直流测速发电机的输出电压将满足
a a a R I E U ?=
式中，a R ——包括电枢电阻和电刷接触电阻。
电枢电流
L a a /R U I =
式中，L R 为负载电阻。
即：
???????
?+=L a c a 1/R R n C U
上式就是有负载时直流测速发电机的输出特性方程,由此可作出图5.20所示的输出特性曲线。
第二章 1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何? 答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。 当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，
为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。同样可以证明ea ∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。 5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图 2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。(提示：在图中作一辅助线。)正反向特性不一致。 6. 具有 16 个槽， 16 个换向片的两极直流发电机结构如图 2 - 30 所示。 (1) 试画出其绕组的完整连接图； (2) 试画出图示时刻绕组的等值电路图； (3) 若电枢沿顺时针方向旋转，试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性； (4) 如果电刷不是位于磁极轴线上，例如顺时针方向移动一个换向片的距离，会出现什么问题?
控制电机第三版课后习题答案 第二章 1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? P25 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B 电刷的极性如何? P7 3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组(见图 2 - 3)的电刷放在磁极轴线上? P9-10 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给 定值? P23 5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图 2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。(提示: 在图中作一辅助线。)正反向特性不一致。 6. 具有 16 个槽， 16 个换向片的两极直流发电机结构如图 2 - 30 所示。 (1) 试画出其绕组的完整连接图; (2) 试画出图示时刻绕组的等值电路图; (3) 若电枢沿顺时针方向旋转，试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性; (4) 如果电刷不是位于磁极轴线上，例如顺时针方向移动一个换向片的距 离，会出现什么问题? 4321161514N514 a,,1A513B 6132第三章 67891011121. 直流电动机的电磁转矩和电枢电流由什么决定? 答
直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势(当?=常数时) 根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁转矩不变; 加上励磁电流If 不变，磁通Φ不变，所以电枢电流Ia也不变，直流电动机的电磁转矩和电枢电流由直流电动机的总阻转矩决定。 2. 如果用直流发电机作为直流电动机的负载来测定电动机的特性(见图 3 - 33)，就会发现，当其他条件不变，而只是减小发电机负载电阻RL时，电动机的转速就下降。试问这是什么原因? RITTIn,,,,,,,,,,, La发发发电电1223. 一台他励直流电动机，如果励磁电流和被拖动的负载转矩都不变，而仅仅提高电枢端电压，试问电枢电流、转速变化怎样? 答:最终电枢电流不变，转速升高 4. 已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110 V，额定运行时的电枢电流Ia=0.4 A，转速n=3600 r/min, 它的电枢电阻Ra=50 Ω，空载阻转矩T0=15 mN?m。试问该电动机额定负载转矩是多少?
1、交流电动传令钟的两套自整角同步传递系统的励磁绕组间的相互关系是______。 A．串联在单相交流电源上 B．并接在单相交流电源上 C．并接在单相直流电源上 D．并接在三相对称交流电源上 2、采用交流传令钟的船舶，为满足驾驶台传令和机舱回令功能，要用______。A．一套（两台）自整角机 B．两套（四台）自整角机 C．一套（两台）执行电机 D．两套（四台）执行电机 3、自整角机按使用方式分为______ 两种形式。 A．力矩式和控制式 B．接触式和无接触式 C．控制式和差动式 D．力矩式和差动式 4、舵角指示器是由______组成的同步跟踪系统。 A．两个执行电机 B．两个直流电动机 C．一对自整角机 D．两个异步电动机 5、控制式自整角机是将______信号转换成______信号。 A．电流/电压 B．转角/电流 C．转角/电压 D．转角/转角 6、力矩式自整角机，在船上常用在______场合。 A．车钟和舵角指示 B．测速机构 C．油门双位控制 D．水位双位控制 7、直流测速发电机的技术数据中列有“最小负载电阻和最高转速”的限制一项，其主要目的是______。 A．保证输出电压与转速间关系线性度 B．防止电机烧毁 C．防止发电机作电动机运行 D．减小能量损耗
8、为取得与某转轴的转速成正比的直流电压信号，应在该轴安装______。A．交流执行电机 B．自整角机 C．直流执行电机 D．直流测速发电机 9、交流执行电机的转子导体的电阻比普通鼠笼式异步电机转子导体的电阻______。 A．小 B．大 C．相同 D．无要求 10、伺服电动机，在船上常用于______场合。 A．电车钟 B．舵角同步指示装置 C．拖动发电机之柴油机油门开度控制 D．水箱水位控制 11、为满足电气系统的自动控制需要，常用到一些被称为“控制电机”的电器。控制电机的主要任务是转换和传递控制信号。下列不属于控制电机的是______。A．交流执行电动机 B．直流执行电动机 C．测速发电机 D．单相异步电动机 12、一般来说，交流执行电动机的励磁绕组与控制绕组轴线空间上相差______而放置。 A．60° B．30° C．90° D．120° 13、交流执行电动机的转向取决于______。 A．控制电压与励磁电压的相位关系 B．控制电压的大小 C．励磁电压的大小 D．励磁电压的频率 14、交流执行电动机的转子制成空心杯形转子的目的是______。 A．增加转动惯量，使之起、停迅速 B．拆装方便 C．减少转动惯量，使之起、停迅速 D．减少起动电流
控制电机课后答案 第二章 1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 2.如果图2-1中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、B电刷的极性如何? 答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。 3.为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置?为什么端部对称的鼓形绕组(见图2-3)的电刷放在磁极轴线上? 答：放在磁极轴线上。 具体见P9-10 4.为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速?负 载电阻不能小于给定值? 答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的 去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远， 线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流 测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能 低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。而 且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期 越短；e L正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，e L必正比转速的平方，即e L∝n2。同样可以证明e a∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。 5.如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图2-29所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。(提示：在图中作一辅助线。)正反向特性不一致。 思路：假设是逆时针转，图见P7图2-1。 本来中性面是没有切割磁感线的，但是现在偏一个角，虽然还是没有切割磁感线但是却有电流通过，根据右手定则判断在偏角直线产生的感应磁场与原来的磁场方向相比较判断影响。 6.具有16个槽，16个换向片的两极直流发电机结构如图2-30所示。
第五章 5 . 1 什么是直流伺服电机的电枢控制方式?什么是磁场控制方式? 答: 将直流伺服电机的电枢绕组接控制电压,励磁绕组接恒定电压的控制方式称为电枢控 制方式;将励磁绕组接控制电压, 电枢绕组接恒定电压的控制方式称为磁场控制方式。 5 . 2 为什么直流伺服电机常采用电枢控制方式而不采用磁场控制方式? 答: 直流伺服电机采用电枢控制方式时, 控制电压加在电枢绕组上, 励磁绕组接恒定电压, 控制精度高,线性度好; 采用磁场控制方式时, 电枢绕组接恒定电压, 控制电压加在励磁绕组 上,由于磁路的非线性, 控制精度较差,性能较差,所以直流伺服电机常采用电枢控制方式而不 采用磁场控制方式 5 . 3 直流伺服电机采用电枢控制方式时,始动电压是多少?与负载大小有什么关系? 答: 直流伺服电机采用电枢控制方式时,始动电压 0C U = T C RT ,与负载大小成正比。 5 . 4 常有哪些控制方式可以对交流伺服电机的转速进行控制? 答: 或通过改变控制电压的幅值,或改变控制电压的相位,或同时改变控制电压的幅值和相 位,都可以对交流伺服电机的转速进行控制,所以常有幅值控制、相位控制和幅值—相位控制 等三种控制方式对交流伺服电机的转速进行控制。 5 . 5 何谓交流伺服电机的自转现象?怎样消除自转现象?直流伺服电机有自转现象吗? 答: 转动中的交流伺服电机在控制电压为零时继续转动而不停止转动的现象,称为交流伺 服电机的自转现象。增加交流伺服电机的转子电阻可以消除自转现象。直流伺服电机没有自
转现象。 5 . 6 幅值控制和相位控制的交流伺服电机,什么条件下电机气隙磁动势为圆形旋转磁 动势? 答: 当控制电压C U 与励磁电压f U 大小相等、相位差为090时, 幅值控制和相位控制的交 流伺服电机,其气隙磁动势为圆形旋转磁动势。 5 . 7 为什么交流伺服电机常采用幅值-相位控制方式? 答: 幅值-相位控制方式只需要电容器和电位器,不需要复杂的移相装置, 控制设备简单;而 幅值控制方式或者相位控制方式都需要移相装置,所以交流伺服电机常采用幅值-相位控制 方式。 5 . 8 为什么直流测速发电机的转速不宜超过规定的最高转速?为什么所接负载电阻不 宜低于规定值? 答: 直流测速发电机的转速愈高,感应电动势就愈大,当负载不变时,电枢电流也愈大, 电枢 反应的去磁作用就愈强,输出的端电压下降愈多,误差愈大。负载电阻愈小, 电枢电流也就 愈大, 电枢反应的去磁作用就愈强, 误差愈大。所以直流测速发电机的转速不宜超过规定
控制电机与特种电机课后答案第4章思考题与习题 1. 旋转变压器由_________两大部分组成。( ) A.定子和换向器 B.集电环和转子 C.定子和电刷 D.定子和转子 2. 与旋转变压器输出电压呈一定的函数关系的是转子( )。 A.电流 B. 转角 C.转矩 D. 转速 3(旋转变压器的原、副边绕组分别装在________上。( ) A(定子、转子 B.集电环、转子 C.定子、电刷 D. 定子、换向器 4(线性旋转变压器正常工作时，其输出电压与转子转角在一定转角范围内成________。 5、试述旋转变压器变比的含义, 它与转角的关系怎样? 6、旋转变应器有哪几种?其输出电压与转子转角的关系如何, 7、旋转变压器在结构上有什么特点?有什么用途。 8、一台正弦旋转变压器，为什么在转子上安装一套余弦绕组?定子上的补偿绕组起什么作用? 9、说明二次侧完全补偿的正余弦旋转变压器条件，转子绕组产生的合成磁动势和转子转角α有何关系。 10、用来测量差角的旋转变压器是什么类型的旋转变压器? 11、试述旋转变压器的三角运算和矢量运算方法. 12、简要说明在旋转变压器中产生误差的原因和改进方法。 答案 1. D 2. B 3. A 4. 正比
5. 旋转变压器的工作原理和一般变压器基本相似，从物理本质来看，旋转变压器可以看成是一种能转动的变压器。区别在于对于变压器来说，其原、副边绕组耦合位置固定，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原、副边绕组分别放置在定、转子上，由于原边、副边绕组间的相对位置可以改变，随着转子的转动，定、转子绕组间的电磁耦合程度将发生变化，电磁精确程度与转子的转角有关，因此，旋转变压器能将转角转换成与转角成某种函量关系的信号电压。输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。 6. 按着输出电压和转子转角间的函数关系，旋转变压器主要可以分:正、余弦旋转变压器(代号为XZ)和线性旋转变压器(代号为XX)、比例式旋转变压器(代号为XL)，矢量旋转变压器(代号为XS)及特殊函数旋转变压器等。其中，正余弦旋转变压器当定子绕组外加单相交流电流激磁时其输出电压与转子转角成正余弦函数关系;线性旋转变压器的输出电压在一定转角范围内与转角成正比，线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种;比例式旋转变压器则在结构上增加了一个固定转子位置的装置，其输出电压也与 转子转角成比例关系。 按旋转变压器在系统中用途可分为解算用旋转变压器和数据传输用旋转变压器。根据数据传输用旋转变压器在系统中的具体用途，又可分为旋变发送机(代号为XF)，旋变差动发送机(代号为XC)，旋变变压器(又名旋变接收器)(代号为XB)。 若按电机极对数的多少来分, 可将旋转变压器分为单极对和多极对两种。采用多极对是为了提高系统的精度。
第五章 控制电机 控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件。根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。 控制电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁过程及所遵循的基本规律而言，它与一般旋转电机没有本质区别，只是所起的作用不同。 传动生产机械用的传动电机主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标(如效率和功率因数等)；而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。当然传动用电机与控制电机也没有一个严格的界线，本章所介绍的力矩电动机、第十一章介绍的步进电动机等控制电机也起传动电机的作用。至于旋转变压器与感应同步器等信号检测元件将在“数控机床”课程中介绍。 5.1 交流伺服电动机 伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。 伺服电动机有交流和直流两种，它们的最大特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入，则停止转动；改变控制电压的大小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向。因此，它与普通电动机相比具有如下特点： 1． 调速范围广，伺服电动机的转速随着控制电压的改变而改变，能在很广的范围内连续调节； 2． 转子的惯性小，即能实现迅速启动和停转； 3． 控制功率小，过载能力强，可靠性好。 一、两相交流伺服电动机的结构 定子：定子绕组与单相电容式异步电动机的结构相类似。 定子用硅钢片叠成，在定子铁心的内圆表面上嵌入两个相差090电角度(即p /900 空间角)的绕组，一个叫励磁绕组FW ，另一个叫控制绕组CW ，如图5.1所示，这两个绕组通常是分别接在两个不同的交流电源(两者频率相同)上，这一点与单相电容式异步电动机不同。
电工电子技术与技能第五章《电动机及其控制》教案 （5-1） 【课题编号】 8-05-01 【课题名称】 三相异步电动机 【教学目标】 应知： 1．初步掌握三相异步电动机结构 2．理解三相异步电动机工作原理； 3．理解三相异步电动机的机械特性。 应会： 会识读各种电动机的铭牌 【教学重点】 重点：三相异步电动机结构 【难点分析】 难点：三相异步电动机的工作原理 【学情分析】 通过实物讲解三相异步电动机的结构，需要拆卸电动机，这样比较费力、费时，根据学生对新事物兴趣性较高，因此选择多媒体动画进行展示电动机结构； 三相异步电动机的原理比较抽象，单纯从理论上讲解学生不易理解，选用直观的实物实验步步深入，能降低其理论难度，再配合动画模拟，增强学生的视觉感受，从而解决其关键点，突破教学难点。 【教学方法】 实验法、讲授法、演示法 【教具资源】 条形磁铁、磁针、三相对称实验电源、三相鼠笼模型、多媒体课件 【课时安排】 2学时（90分钟） 【教学过程】 一、导入新课 联系生活实际引导同学们说出电动机在生活中的应用，利用多媒体课件投影电动机的动画，激发学生的学习兴趣，集中学生的注意力。 二、讲授新课 教学环节1：三相异步电动机结构 教师活动：投影三相异步电动机结构的多媒体动画； 学生活动：观察三相异步电动机结构的多媒体动画，初步掌握其结构； 能力培养：培养学生的观察能力。 教学环节2：三相异步电动机工作原理 （一）旋转磁场的产生 演示1： 教师活动：实物演示条形磁铁的磁场，分三步进行
磁铁不动——静止磁场；磁铁动——动磁场；磁铁旋转——磁场旋转 学生活动：观察磁针的运动；启发引导学生得出磁针旋转，说明其周围有旋转磁场的存在； 演示2： 教师活动：实物演示三相鼠笼模型通电产生旋转磁场； 学生活动：观察磁针的运动，得出三相定子通入三相对称交流电产生旋转磁场的结论； 演示3： 教师活动：投影多媒体动画，模拟三相电动机定子绕组产生磁场旋转； 学生活动：引导学生根据电磁感应原理分析磁场旋转产生。 （二）笼条产生感生电流 教师活动：投影多媒体动画，辅助实物引导学生分析； 学生活动：分析感生电流的方向； （三）鼠笼在磁场中受力旋转 教师活动：投影多媒体动画，辅助实物演示实验，引导学生分析； 学生活动：（1）分析鼠笼的旋转方向，（2）判断与磁场旋转转向的关系； （四）异步的由来 教师活动：从原理上分析，用类比马拉车； 学生活动：若同步，分析三相异步电动机能否继续工作； 教学环节3：三相异步电动机的机械特性 演示： 教师活动：实物演示三相鼠笼异步电动机通电后，在负载变化时，三相异步电动机的转速变化； 学生活动：观察现象，分析三相鼠笼异步电动机运行区的特性变化，理解机械特性曲线； 能力培养：培养学生用理论分析问题的能力。 三、课堂小结 教师与学生一起回顾三相异步电动机的结构和工作原理，引导学生在理解的基础上总结。为便于学生记忆，教师总结出四句话，用多媒体动画投影。 1．三相异步电动机的结构：定子和转子 2．三相异步电动机的结构和工作原理 定子通入三相电，产生磁场就旋转；转子切割磁力线，笼条产生感应电；笼条受到磁场力，转子跟着磁场转；磁场快，转子慢，保持异步永远转。 3．机械特性 四、课堂练习 想想练练 五、课后作业 “学习指导与练习”填空题第1-12题，选择题第1-5题，判断题第1-9题，简答题第1、3题。【板书设计】 【教学后记】
第五章：三相异步电动机及其接触器控制 一、基本概念： 1、额 定 电 压 为380 /220 V 的 三 相 异 步 电 动 机，在 接 成 Y 形 和 接 成 ? 形 两 种 情 况 下 运 行 时，其 额 定 输 出 功 率 P Y 和 P ? 的 关 系 是 ( ) 。 (a) P P ?=3Y (b) P P Y =3? (c) P P Y =? 2、电 动 机 的 过 载 系 数 定 义 为（ ）。 (a) T max /T N (b) T st /T N (c) T max /T st 3、三 相 异 步 电 动 机 产 生 的 电 磁 转 矩 是 由 于 ( ) 。 (a) 定 子 磁 场 与 定 子 电 流 的 相 互 作 用 (b) 转 子 磁 场 与 转 子 电 流 的 相 互 作 用 (c) 旋 转 磁 场 与 转 子 电 流 的 相 互 作 用 4、为 使 某 工 作 台 在 固 定 的 区 间 作 往 复 运 动，并 能 防 止 其 冲 出 滑 道，应 当 采 用 ( )。 (a) 点动 控 制 (b)速 度 控 制 和 终 端 保 护 (c) 行 程 控 制 和 终 端 保 护 5、 关于三相异步电动机的机械特性，下列说法错误的是（ ） ( a ) 转速与电磁转矩的关系称为机械特性。 (b )转矩增加时,转速下降不多的机械特性称为硬特性。 (c )转矩增加时,转速下降多的机械特性称为硬特性。 6、关于三相异步电动机，下列说法错误的是（ ） (a) 三相异步电动机有一定的过载能力。 (b) 三相异步电动机一旦发生过载，不一定会烧坏电机。 (c) 三相异步电动机发生“堵转”现象时，就象电动机还没有接通电源时一样。 7、 在 空 载 下 运 行 的 三 相 异 步 电 动 机，如 果 断 开 一 根 电 源 线，该 电 动 机 将( )。 (a) 继 续 旋 转 (b) 反 转 (c) 停 转 8、三 相 异 步 电 动 机 的 定 子 端 电 压 降 低 到 额 定 值 的 90％ 时。其 起 动 转 矩 将 ( )。 (a) 减 小 到 额 定 值 的 81％ (b) 不 变 (c) 减 小 到 额 定 值 的 90％ 9、小 型 鼠 笼 式 异 步 电 动 机 常 用 的 起 动 方 式 是( )。 (a) 降 压 起 动 法 (b) 直 接 起 动 法 (c) 转 子 串 电 阻 起 动 法 10、在 电 动 机 的 继 电 器 接 触 器 控 制 电 路 中，零 压 保 护 的 功 能是 ( )。 (a) 防 止 电 源 电 压 降 低 烧 坏 电 动 机 (b) 防 止 停 电 后 再 恢 复 供 电 时 电 动 机 自 行 起 动 (c) 实 现 短 路 保 护 11、 在 电 动 机 的 继 电 器 接 触 器 控 制 电 路 中，热 继 电 器 的 正 确 连 接 方 法 应 当 是( )。 (a) 热 继 电 器 的 发 热 元 件 串 接 在 主 电 路 内，而 把 它 的 动 合 触 点 与 接 触 器 的 线 圈 串 联 接 在 控 制 电 路 内
《电机与电气控制技术》第2版习题解答 第五章常用低压电器 5-1直流电磁机构有何特点 答直流电磁机构具有如下特点： 1）直流电磁机构衔铁吸合前后吸引线圈励磁电流不变，但衔铁吸合前后吸力变化很大，气隙越小，吸力越大。 2）直流电磁机构吸引线圈断电时，由于电磁感应，在吸引线圈中产生很大的感应电动势，其值可达线圈额定电压的十多倍，将使线圈过电压而损坏，应设置放电电阻。 5-2交流电磁机构有何特点 答：交流电磁机构有如下特点： 1）交流电磁机构电磁吸力瞬时值是脉动的，在工频下，1s内有100次过零点，会引起衔铁的振动，产生噪音与机械损坏应加以克服。 2）交流电磁机构电磁吸力平均值基本不变，即平均吸力与气隙无关。 3）交流电磁机构在衔铁尚未动作时的线圈电流是衔铁吸合后线圈电流（额定电流）的十倍左右。所以交流电磁机构线圈通电后，若衔铁卡住无法吸合将因电流过大而烧坏线圈，或由于交流电磁机构频繁工作，即衔铁频繁吸合、打开再吸合，也将使线圈电流过大，线圈发热而烧坏线圈。 5-3从外部结构特征上如何区分直流电磁机构与交流电磁机构怎么区分电压线圈与电流线圈 答：从外部结构特征上，直流电磁机构铁心与衔铁由整块钢或钢片叠制而成，铁心端面无短路环，直流电磁线圈为无骨架、高而薄的瘦高型。交流电磁机构铁心与衔铁用硅钢片叠制而成，铁心端面上必有短路环，交流电磁线圈设有骨架，做成短而厚的矮胖型。 电压线圈匝数多，线径较细，电流线圈导线粗，匝数少。 5-4三相交流电磁铁有无短路环，为什么 答：三相交流电磁铁无短路环。三相交流电磁铁电磁线圈加的是三相对称电压，流过三相对称电流，磁路中通过的是三相对称磁通，由于其相位互差120°，所产生的电磁吸力零值错开，其合成电磁吸力大于反力，故衔铁被吸牢而不会产生抖动和撞击，故无需再设短路环。 5-5交流电磁线圈误接入对应直流电源，直流电磁线圈误接入对应交流电源，将发生什么问题，为什么 答：交流电磁线圈误接入对应直流电源，此时线圈不存在感抗，只存在电阻，相当于短路状态，产生大的短路电流，立即将线圈烧毁。 直流电磁线圈误接入对应交流电源，由于阻抗存在，使线圈电流过小，电磁吸力过小；衔铁吸合不上，时间一长，铁心因磁滞、涡流损耗而发热，致使线圈烧毁。 5-6为什么交流电弧比直流电弧易熄灭 答：交流电弧主要存在电流过零点后防止电弧重燃，而直流电弧电流不存在过零，将使直流电弧较交流电弧难以熄灭。 5-7常用灭弧装置有哪些各应用于何种情况下 答：常用灭弧装置有： （1）桥式结构双断口触头灭弧。常用于小容量交流接触器中。 （2）磁吹灭弧装置。广泛用于直流灭弧中。 （3）栅片灭弧装置。常用于交流电器中。 5-8交流、直流接触器是以什么定义的交流接触器的额定参数中为何要规定操作频率
第五章控制电机实验 实验一步进电动机实验 一．实验目的 1．加深了解步进电动机的驱动电源和电机的工作情况。 2．步进电动机基本特性的测定。 二．预习要点 1．了解步进电动机的驱动电源和工作情况。 2．步进电动机有基本特性？怎样测定？ 三．实验项目 1．单步运行状态。 2．角位移和脉冲数的关系。 3．空载实跳频率的测定。 4．空载最高连续工作频率的测定。 5．转子振荡状态的观察。 6．定子绕组中电流和频率的关系。 7．平均转速和脉冲频率的关系。 8．矩频特性的测定及最大静力矩特性的测定。 四．实验设备及仪器 1．教学实验台主控制屏 2．电机导轨及测功机（NMEL-13A） 3．步机电机驱动电源（NMEL-10） 4．步进电机M10 5．双踪示波器 6．直流电流表 五．实验方法及步骤 1．驱动波形观察 a．合上控制电源船形开关，依次按下“连续”控制开关和“正转/反转”、“三拍/六拍”，“启动/停止”开关，使电机处于三拍正转连续运行状态。 b．用示波器观察电脉冲信号输出波形（CP波形），改变“调频”电位器旋钮，频率变化范围为5H Z~1KH Z，可从频率计上读出此频率。 c．用示波器观察环形分配器输出的三相A、B、C波形之间的相序及其与CP脉冲波形之间的关系。
d．改变电机运行方式，使电机处于正转、六拍运行状态，重复C的实验。（注意，每次改变电机运行，均需先弹出“启动/停止”开关，再按下“复位”按钮，再重新起动。）e．再次改变电机运行方式，使电机处于反转状态，重复C的实验。 2．步进电机特性的测定和动态观察。 按图6-1接线，注意接线不可接错，测功机和步进电机脱开，且接线时需断开控制电源。 a．单步运行状态 接通电源，按下述步骤操作：按下“单步”琴键开关，“复位”按钮，“清零”按钮，最后按下“单步”按钮。 每按一次“单步”按钮，步进电机将走一步距角，绕组相应的发光管发亮，不断按下“单步”按钮，电机转子也不断作步进运行，改变电机转向，电机作反向步进运动。 b．角位移和脉冲数的关系 按下“置数”琴键开关，给拔码开关预置步数，分别按下“复位”、“清零”按钮（操作以上步骤须让电机处于停止状态），记录电机所处位置。 按下“启动/停止”开关，电机运转，观察并记录电机偏转角度，填入表6-1。 再重新预置步数，重复观察并记录电机偏转角度，填入表6-1，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。
第二章直流测速发电机 1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 2. 如果图2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和 A、B电刷的极性如何? 答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。 当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。 3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组(见图2 - 3)的电刷放在磁极轴线上? P9-10 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?
答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。同样可以证明ea ∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速 5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。(提示：在图中作一辅助线。)正反向特性不一致。 6. 具有16 个槽，16 个换向片的两极直流发电机结构如图2 - 30 所示。 (1) 试画出其绕组的完整连接图； (2) 试画出图示时刻绕组的等值电路图； (3) 若电枢沿顺时针方向旋转，试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性； (4) 如果电刷不是位于磁极轴线上，例如顺时针方向
控制电机与特种电机课后答案第 4 章 思考题与习题 A.定子和换向器 B.集电环和转子 C.定子和电刷 D.定子和转子 2. 与旋转变压器输出电压呈一定的函数关系的是转子 A.电流 B.转角 C.转矩 D.转速 A(定子、转子B.集电环、转子C.定子、电刷D.定子、换向器 4(线性旋转变压器正常工作时，其输出电压与转子转角在一定转角范围内成 。 5 、试述旋转变压器变比的含义 , 它与转角的关系怎样 ? 6、旋转变应器有哪几种 ?其输出电压与转子转角的关系如何 , 7、旋转变压器在结构上有什么特点 ?有什么用途。 台正弦旋转变压器，为什么在转子上安装一套余弦绕组 ?定子上的补偿绕 组起什么作用 ? 9、说明二次侧完全补偿的正余弦旋转变压器条件，转子绕组产生 的合成磁动势和转子转角a 有何关系。 10、用来测量差角的旋转变压器是什么类型的旋转变压器 11、试述旋转变压器的三角运算和矢量运算方法 12、简要说明在旋转变压器中产生误差的原因和改进方法。 答案 1. D 2. B 3. A 1. 旋转变压器由 两大部分组成。 ( ) 3(旋转变压器的原、副边绕组分别装在 上。( ) 8、
4.正比 5. 旋转变压器的工作原理和一般变压器基本相似，从物理本质来看，旋转变压器可以看成是一种能转动的变压器。区别在于对于变压器来说，其原、副边绕组耦合位置固定，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原、副边绕组分别放置在定、转子上，由于原边、副边绕组间的相对位置可以改变，随着转子的转动，定、转子绕组间的电磁耦合程度将发生变化，电磁精确程度与转子的转角有关，因此，旋转变压器能将转角转换成与转角成某种函量关系的信号电压。输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。 6. 按着输出电压和转子转角间的函数关系，旋转变压器主要可以分: 正、余弦旋转变压器（代号为XZ）和线性旋转变压器（代号为XX）、比例式旋转变压器（代号为 XL）,矢量旋转变压器（代号为XS）及特殊函数旋转变压器等。其中，正余弦旋转 变压器当定子绕组外加单相交流电流激磁时其输出电压与转子转角成正余弦函数关系; 线性旋转变压器的输出电压在一定转角范围内与转角成正比，线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种; 比例式旋转变压器则在结构上增加了一个固定转子位置的装置，其输出电压也与 转子转角成比例关系。 按旋转变压器在系统中用途可分为解算用旋转变压器和数据传输用旋转变压 器。根据数据传输用旋转变压器在系统中的具体用途，又可分为旋变发送机（代号 为XF），旋变差动发送机（代号为XC），旋变变压器（又名旋变接收器）（代号为 XB）。 若按电机极对数的多少来分, 可将旋转变压器分为单极对和多极对两种。采用多极对是为了提高系统的精度。 若按有无电刷与滑环间的滑动接触来分类, 旋转变压器可分为接触式和无接触式两大类。 7. 为了使气隙磁通密度分布呈正弦规律，获得在磁耦合和电气上的良好对称性，从而提高旋转变压器的精度，旋转变压器大多设计成两极隐极式的定、转子的结构和定转子对称两套绕组。电磁部分仍然由可导电的绕组和能导磁的铁心组成，旋转变压器的定、转子铁心是采用导磁性能良好的硅钢片薄板冲成的槽状心片叠装而成。为提高精度，通常采用铁镍软磁合金或高硅电工钢等高磁导率材料，并采用频率为400Hz 的励磁电源。在定子铁心的内周和转子铁心外圆周上都冲有一定数量的规格均匀的槽，里面分别放置两套空间轴线互相垂直的绕组，以便在运行时可以得
第二、三章 1.直流发电机的工作原理:运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电势；或者说交链线圈的磁通发生变化，在线圈中发生感应电势。直流电动机的工作原理：通电导体在磁场中收到电磁力... 2直流发电机的特点：电刷间的电势与导体电势的性质不同，电刷间电势为直流电势，导体电势为交变电势；②电枢电势与电流同方向；电磁转矩的方向与电机的转向相反，为制动转矩。 3、直流发电机工作原理表明:直流电机电枢绕组所感应的电势为交变电势；由换向器配合电刷的作用把交流电势“换向”成为直流电势； 4、直流电动机的特点：通过电刷间的电流与导体电流的性质不同；通过电刷电流为直流电流，导体电流为交变电流；电枢电势与电流反方向，称为反电势电磁转矩的方向与电机的转向相同，为驱动转矩。 5、TG可以在自动控制系统和解算装置中作为测速元件、校正元件、解算元件等 6、电枢反应的特点：使气隙磁场发生畸变对主磁场起去磁作用 7、为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势：电枢连续旋转，导体ab 和cd 轮流交替地切割N 极和S 极下的磁力线，因为ab 和cd 中的电势及线圈电势是交变的。由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A 始终与处在N 极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 8、为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。 9、在直流电机中，电枢反应的性质由什么决定？交轴电枢反应对每极磁通量有什么影响？直轴电枢反应的性质由什么决定？ 答电枢反应的性质由电刷位置决定；电刷在几何中性线上时电枢反应是交轴性质的，它主要改变气隙磁场的分布形状，磁路不饱和时每极磁通量不变，磁路饱和时则还一定的去磁作用，使每极磁通量减小；电刷偏离几何中性线时将产生两种电枢反应：交轴电枢反应和直轴电枢反应。当电刷在发电机中顺着电枢旋转方向偏离、在电动机中逆转向偏离时，直轴电枢反应是去磁的，反之则是助磁的。 10、他励直流发电机由空载到额定负载，端电压为什么会下降？并励发电机与他励发电机相比，哪个电压变化率大？ 答他励直流发电机由空载到额定负载，电枢电流aI由0增加到额定值aNI，电枢回路电阻压降RaIa增加，且电枢反应的去磁作用使主磁通下降，从而使感应电动势E下降。由公式U=E-IaRa 可知，端电压U随aI的增加而下降。对于并励发电机，除上面两个原因外，端电压下降，引起励磁电流fI下降，使得φ下降和E下降，所以并励发电机的电压变化率比他励发电机电压变化率要大些。 11、直流电机在工作时励磁绕组突然断开,当电动机空载和满载运行时会发生什么情况？