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1、-1-,第13章 特种电机*,电机及拖动基础,13.1 旋转变压器,13.2 测速发电机,13.3 自整角机,13.4 伺服电动机,13.5 磁阻电动机,13.6 磁滞电动机,13.7 步进电动机,13.8 直线电动机,13.9 超导电动机,13.10 超声波电动机,-2-,引 言 前面介绍的直流电机、异步电机和同步电机统称为普通电机。在日常生活和生产实际中还广泛使用着各种特殊结构和特殊用途的电机，特别是随着新技术的不断发展和新材料的不断涌现，新型特种电机的研究和应用还处在继续发展之中。由于特种电机大都用于控制系统，且功率较小，所以又称为控制电机或微特电机。从本质上讲，特种电机的基本理论和分析
2、方法与普通电机是一致的，但又有其特殊性。本章主要介绍目前基本理论业已成熟，同时又应用比较广泛的特种电机。,第13章 特种电机,-3-,13.1 旋转变压器 旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。按照输出电压与转子转角间的函数关系，可以分为正余弦旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行坐标变换、三角
3、运算和角度数据传输等。,第13章 特种电机,-4-,基本结构,第13章 特种电机,余弦输出绕组,补偿绕组,励磁绕组,正弦输出绕组,-5-,工作原理 首先分析空载时的情况，此时只有定子励磁绕组D1D2施加交流励磁电压，其余三个绕组全部开路。显然，励磁绕组将在气隙中产生一个脉振磁场，这个脉振磁场将在正、余弦输出绕组中分别感应出电动势，即,第13章 特种电机,（13-1）,-6-,畸变补偿 当输出绕组有了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、余弦函数。,第13章 特种电机,直轴分量,交轴分量,-7-,直轴分量对输出特性畸变的影响是很小的，引起畸变的主要原因应该是交轴分量。,第13章 特种电机,-8-
4、,为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除的方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。1）一次侧补偿：在图13-2中，如果将定子上的补偿绕组D3D4短路，则绕组D3D4能消除输出电压的畸变。因为交轴磁通在补偿绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，这个电流所产生的磁通是阻碍交轴磁通变化的，因此对交轴磁通起抑制作用，可以起到畸变补偿的作用。,第13章 特种电机,-9-,2）二次侧补偿：如图13-4所示。,第13章 特种电机,-10-,13.2 测速发电机,测速发电机的作用是把输入的转速信号转换成输出的电压信号，例如在电力拖动自动控制系统中，通过对转速的检测，构成转速负反馈闭环调速系统，达到改善系
5、统调速性能的目的。对测速发电机的基本要求是：1）输出电压与转速之间有严格的正比关系，以达到高精度的要求；2）在一定的转速时所产生的电动势及电压应尽可能的大，以达到高灵敏度的要求。测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机，下面分别加以介绍。,第13章 特种电机,-11-,13.2.1 直流测速发电机 直流测速发电机有两种：一种是电励磁式直流测速发电机，另一种是永磁式直流测速发电机，其基本结构和工作原理与普通直流发电机相同。,第13章 特种电机,（13-2）,为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比较大的负载电阻R，并保证转速范围不要太大。对于电励磁式直流测速发电机，可以安装补偿
6、绕组来抑制电枢电流对主磁通的影响，减小误差。,-12-,13.2.1 交流测速发电机 交流测速发电机的定子上嵌有两相绕组，一相是励磁绕组，另一相是输出绕组，它们在空间互差90电角度，如图13-5所示。交流测速发电机的转子有两种结构，一种是笼型转子，一种是杯型转子。,第13章 特种电机,输出绕组,励磁绕组,笼型转子,-13-,13.3 自整角机,自整角机是用于同步传动系统中的一种特种电机，它通过电的方式在两个或两个以上无机械联系的转轴之间传递角位移或使之同步旋转。自整角机有三相和单相之分，三相自整角机常常用于大功率传动系统中，也称为“电轴”；单相自整角机则主要用于控制系统中。这里主要介绍三相自整
7、角机的基本结构和工作原理。,第13章 特种电机,-14-,13.3.1 基本结构,第13章 特种电机,整步绕组,励磁绕组,-15-,13.3.2 工作原理,第13章 特种电机,（13-3）,根据旋转磁场和电磁转矩的基本概念，当电磁转矩为正时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。因此，TF和TJ都是倾向于使=0。如果只有接收机的转子可以自由转动，它将沿着旋转磁场的方向转动，直至=0。如果发送机的转子不停地旋转，则接收机的转子也将以同样的速度不停地旋转。,-16-,13.3.3 单相自整角机,第13章 特种电机,脉振磁动势分解,-17-,13
8、.4 伺服电动机,伺服电动机的作用是把输入的电压控制信号转换成输出的角位移或角速度。在运动控制系统中，伺服电动机是以执行机构的身份出现的，所以又称为执行电动机。对伺服电动机的基本要求是：1）可控性好，即无电压控制信号时转子不自转，控制信号一旦出现，电动机马上转动，而控制信号一旦消失，电动机立刻停转；2）运行稳定，即电动机具有线性的机械特性和调节特性。伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机，下面分别加以介绍。,第13章 特种电机,-18-,13.4.1 直流伺服电动机 直流伺服电动机有两种：一种是电励磁式直流伺服电动机，另一种是永磁式直流伺服电动机，其基本结构和工作原理与普通直流电动机相
9、同。直流伺服电动机主要有两种控制方式，一种是电枢控制，即通过改变电枢电压来实现对转子转速的控制；另一种是磁场控制，即通过改变励磁电压来实现对转子转速的控制（对电磁式直流伺服电动机而言）。电枢控制的优点是电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，系统响应迅速，所以下面以电枢控制电磁式直流伺服电动机为例，介绍相应的机械特性和调节特性。,第13章 特种电机,-19-,1.机械特性 同他励直流电动机一样，直流伺服电动机的机械特性是指在一定控制电压Uc下，转子转速n与电磁转矩Te之间的关系曲线，即 n=f(Te)。,第13章 特种电机,（13-4）,-20-,2.调节特性 直流伺服电动机的调节特
10、性是指在一定负载转矩TL下，转子转速n与控制电压Uc之间的关系曲线，即 n=f(Uc)。,第13章 特种电机,电枢控制时直流伺服电动机的两个主要运行特性机械特性和调节特性都是线性的，这是一个很可贵的优点。,-21-,13.4.2 交流伺服电动机 交流伺服电动机的基本结构与交流测速发电机相类似。,第13章 特种电机,输出绕组,励磁绕组,-22-,转子有两种结构，一种是笼型转子，与普通异步电动机笼型转子相比较，主要是转子导条采用了高电阻系数的材料，目的是消除自转现象；另一种是杯型转子，是靠空心杯中所感应的涡流与主磁场相互作用而产生电磁转矩，优点是转动惯量小，但由于气隙较大，需要提供的励磁电流较大，
11、体积也较大。,第13章 特种电机,-23-,1.工作原理与自转问题 交流伺服电动机实际上是两相电机的不对称运行，励磁绕组和控制绕组分别在气隙中产生单相脉振磁场，两者合成的结果一般是一椭圆形的旋转磁场，该椭圆形旋转磁场又可以分解为正、反向的圆形旋转磁场。一般情况下励磁绕组电压保持不变，通过改变控制绕组电压的幅值或相位，就可以改变正向旋转磁场与反向旋转磁场之间的大小关系，以及正向电磁转矩和反向电磁转矩之间的比值，从而达到改变合成电磁转矩及转速的目的。,第13章 特种电机,-24-,交流伺服电动机的转子电阻往往较大，这是为了保证当控制绕组电压为零时，电动机能立刻停转，如下图所示。,第13章 特种电机
12、,增大转子电阻,-25-,2.控制方式与运行特性 交流伺服电动机可以有三种具体的控制方式：1）幅值控制，即仅改变控制电压的幅值；2）相位控制，即仅改变控制电压的相位；3）幅-相控制，同时改变控制电压的幅值和相位。下面以幅值控制的交流伺服电动机为例，简要介绍相应的机械特性和调节特性。,第13章 特种电机,-26-,机械特性和调节特性：,第13章 特种电机,有效信号因数,-27-,13.5 磁阻电动机 磁阻电动机又称为反应式电动机，这种电机的转子本身没有磁性，只是利用磁场中可移动部件试图使磁路磁阻最小的原理，依靠转子两个正交方向磁阻的不同而产生电磁转矩，这种转矩称为磁阻转矩或反应转矩。磁阻电动机由
13、于结构简单，成本低廉，获得了较为广泛的应用，目前国内外磁阻电动机有单相和三相的，功率从几瓦到几百瓦。,第13章 特种电机,-28-,13.5.1 基本结构 磁阻电动机属于交流同步电机，其定子与一般交流电机相同，而转子结构型式却是多种多样的，只要转子直轴方向与交轴方向的磁阻不相等，根据磁阻最小原理即可产生磁阻转矩。图13-15所示是最常用的两种结构，这种转子与一般异步电动机笼型转子的差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，属于单边凸极的结构。,第13章 特种电机,-29-,13.5.2 工作原理与起动问题,第13章 特种电机,磁阻最小,磁阻最大,产生磁阻转矩,-30-,与永磁同步电动机一样，磁阻同步
14、电动机的起动也比较困难，如图13-17所示。也需要在转子上另外装设笼型起动绕组，以达到异步起动，同步运行。,第13章 特种电机,-31-,13.6 磁滞电动机 磁滞电动机的转子是用硬磁材料做成的，这种硬磁材料具有比较宽的磁滞回环，其剩磁密度和矫顽力要比软磁材料大，如图13-18所示。磁滞电动机的主要优点是结构简单，运转可靠，起动转矩大，不需要装任何起动装置就能平稳地牵入同步。,第13章 特种电机,-32-,13.6.1 基本结构 磁滞电动机也属于交流同步电机，其定子与一般交流电机相同，而转子也没有励磁源，其结构如图13-19所示。由硬磁材料冲片叠压而成的转子，其涡流转矩小，电动机起动及运行主要
15、依靠磁滞转矩；由整块硬磁材料做成的转子，除了磁滞转矩外，还有涡流转矩，可以增大起动转矩。,第13章 特种电机,-33-,13.6.2 工作原理 转子磁分子轴线落后于定子旋转磁场轴线一个角度是产生磁滞转矩的根本原因，这个角度通常称为磁滞角。磁滞电动机最可贵的特性是具有很大的起动转矩，因而它不要附设任何起动绕组就能很快自行起动。,第13章 特种电机,-34-,13.7 步进电动机 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。,第13
16、章 特种电机,-35-,13.7.1 基本结构 1）反应式步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称为磁阻式步进电动机，如图13-21a所示；2）永磁式步进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的电磁转矩工作，如图13-21b所示；3）复合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合。,第13章 特种电机,-36-,13.7.2 工作原理 以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图13-23所示，一般说来，若相数为m，则定子极数为2m，所以定子有六个齿极。定子相对的两个齿极组成一组，每个齿极上都装有集中控制绕组。反应式步进电动机的转子类似于凸极同步电动机，这里讨论有四个齿极的情况。,第13章 特种电
17、机,-37-,三相步进电动机采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁起动、加速、减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用三相双三拍运行方式。,第13章 特种电机,-38-,对于图11-23和图11-24所示的步进电动机，其步距角都太大，不能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构，如图11-25所示。设脉冲电源的频率为 f，转子齿数为Zr，转子转过一个齿距需要的脉冲数为N，则每次转过的步距角为,因为步进电动机转子旋转一周
18、所需要的脉冲数为ZrN，所以步进电动机每分钟的转速为,显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。,（13-6）,（13-5）,第13章 特种电机,-39-,步进电动机与前面介绍的磁阻电动机均属于变磁阻电动机VRM（variable reluctance motor），都是利用磁路磁阻最小原理来产生电磁转矩，所不同的是前者采用转子单边凸极结构，而步进电动机采用的是定、转子双边凸极的结构。事实上，还有一种变磁阻电动机开关磁阻电动机SRM（switched reluctance motor）在现代运动控制系统中得到了重要的应用，它与步进电动机的主要区别在于增加了对转子位置信号的检测，并根据转子位置决
19、定定子各相励磁绕组的通电时刻，因而属于自控式同步电动机，可以实现较大功率的驱动。,第13章 特种电机,-40-,13.8 直线电动机 直线电动机是一种做直线运动的特种电机，与旋转电机相比，直线电机主要有以下优点：1）由于不需要中间传动机构，整个系统得到简化，精度提高，振动和噪音减小；2）由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，电机加速和减速的时间短，可实现快速起动和正反向运行；3）普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所限制，而直线电机运行时，其部件不受离心力的影响，因而它的直线速度可以不受限制；4）由于散热面积大，容易冷却，直线电机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高；5）由于直
20、线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿环境甚至水中使用。,第13章 特种电机,-41-,直线电机是由旋转电机演化而来，如图13-26所示。原则上各种型式的旋转电机，如直流电动机、异步电动机、同步电动机等均可演化成直线电动机。这里主要以国内外应用较多的直线感应电动机为例介绍直线电机的基本结构和工作原理。,第13章 特种电机,-42-,第13章 特种电机,13.8.1 基本结构,-43-,第13章 特种电机,-44-,13.8.2 工作原理 当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁通密度波是直线移动的
21、，称为行波磁场，如图13-30所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是相同的，称为同步速度,式中，f 为电源频率，为极距。,（13-7）,第13章 特种电机,-45-,在行波磁场切割下，次级中的导条将产生感应电动势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那末次级就沿着行波磁场行进的方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，则滑差率,次级移动速度,（13-8）,（13-9）,即直线感应电动机的速度与电源频率以及电机极距成正比。与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电次序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。在实际应
22、用中，我们也可将次级固定不动，而让初级运动。,第13章 特种电机,-46-,13.9 超导电动机 超导电机是指其定子或转子绕组由实用超导电线绕制而成的特种电机。超导材料在临界温度T、临界磁场强度H 及临界电流密度值J 以内时具有超导性，其电阻为零，这使得超导电机绕组的电阻损耗为零，既解决了电枢绕组发热、温升等问题，又使电机效率大为提高。更重要的是超导线的临界磁场强度H和临界电流密度J 都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可比普通电机提高数倍乃至数十倍，这就大大提高了电机的功率密度，降低了电机的重量、体积和材料消耗。,第13章 特种电机,-47-,13.9.1 组成与结构,第13章
23、特种电机,-48-,13.9.2 主要设计参数 表13-1是1000hp高温超导同步电动机的主要设计参数，其中的效率已将制冷系统考虑进去。,第13章 特种电机,-49-,13.10 超声波电动机 超声波电动机（ultrasonic motor USM）是20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应，利用超声波振动来实现机电能量转换。超声波电动机结构简单，体积小，重量轻，力矩大，响应快，控制精度高，可以运用于照相机的自动调焦、门式窗帘的直接驱动、机器人的关节控制等场合。超声波电动机是典
24、型的机电一体化产品，它涉及电机学、振动学、摩擦学、功能材料、电子技术、自动控制技术和检测技术等多学科，目前仍是国内外研究的重点。,第13章 特种电机,-50-,超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。下面主要以行波型为例，介绍超声波电动机的基本结构、工作原理和控制系统。,第13章 特种电机,-51-,13.10.1 基本结构 超声波电动机的基本结构如图13-32所示，主要包括定子、转子
25、、压力弹簧和转轴等部件。,第13章 特种电机,-52-,13.10.2 工作原理 超声波电动机定子上的压电陶瓷环是机能量转换的媒介，它的电极配置如图13-33所示，其中“+”、“-”表示极化方向。,第13章 特种电机,-53-,13.10.3 控制系统 行波型超声波电动机的控制系统如图13-34所示，其中逆变与升压电路的外部输入为低压直流电，输出为两相交流电，可将其看成是一个逆变器。为了提高电动机的稳定性，可直接利用定子压电陶瓷环上的压电陶瓷片S作为传感器（图13-33）。,第13章 特种电机,-54-,超声波电动机的速度控制可通过变压、变频来实现，另外，改变定子两相相位差也可对速度进行控制。
26、变频控制可以充分利用超声波电动机的低速大转矩，动态响应快等优点，且有较高效率，因而成为首选。相位差控制可平滑调速和改变转向，适用于需要柔顺驱动的系统。由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦驱动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，实际上超声波电动机的控制是十分复杂的，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍处于探索与发展之中。,第13章 特种电机,-55-,小 结 本章简要介绍了旋转变压器、测速发电机、自整角机、伺服电动机、磁阻电动机、磁滞电动机、步进电动机、直线电动机、超导电动机和超声波电动机10种特种电机的基本结构和工作原理，关于这些电机的深入分析可以参阅相关资料。,第13章 特种电机,
