《控制电机》论文指导老师： __***__学生姓名： ___**____学号： _**********_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：a a1a2a2Z EE I -=（ 5 -1）式中，a2E——接收机感应电势的有效值；a1E——发送机感应电势的有效值；aZ—— 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 = 4.44 f N K Φd cos θ2 = E cos θ2同理，在发送机a 相整步绕组中，感应电动势的有效值为E1a = 4.44 f N K Φd cos θ1 = E cos θ1 (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=a I a Z E 2)cos (cos 12θθ-2sin 2sin 21θθθ+=I (5-3) 式中，I —— 最大感应电流的有效值。

a Z EI 22=，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：2sin )1202sin(21b θθθ -+=I I (5-4) 2sin )1202sin(21c θθθ ++=I I (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 NK I a 2π4= (5-6) 式中，2 —— 常数因子，是将电流有效值a I 变为电流幅值而带来的； π4—— 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)1(=ω所占的一项,忽略其余各项：++=t t t F 3sin π34sin π4)( 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 =NK I b 2π4 (5-7)F1c = F2c =NK I c 2π4 (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 = F1a cos θ1 + F1b cos(θ1－120°) + F1c cos(θ1 +120°)1a cos 2π4θNK I =)120cos(2π41b ︒-+θNK I )120cos(2π41c ︒++θNK I)cos 1(2π443θ--=INK= )cos 1(43m θ--F (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 = －F1a sin θ1－F1b sin(θ1－120°) －F1c sin(θ1 + 120°) 图2 发送机和接收机的各个磁势分量发送机接收机= θsin 43m F - (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 = 2sin 23m 2q 12d 1θF F F =+ (5-11)发送机的合成磁势与交轴的夹角1α1α = 2||||arctan 1q d 1θ=F F (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F2dF2d = – F2a cos θ2 – F2b cos(θ2 – 120°) – F2c cos(θ2 + 120°) = )cos 1(43m θ--F接收机交轴磁势分量F2q 为：F2q = F2a sin θ2 ＋ F2b sin(θ2 － 120°) ＋ F2c sin(θ2 + 120°) = θsin 43m F故接收机的合成磁势F2 F2 =2sin 23m 22q 22d θF F F =+ (5-13)接收机的合成磁势与交轴的夹角2α2α = 2||||arctan 2q 2d θ=F F (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F 1d = )cos 1(43m θ--F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F 2d = )cos1(43mθ--F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。