第1章 控制電機(jī)緒論

主講教師魏佩瑜教授控制電機(jī)2/3/20231第一章緒論2/3/202321.1控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用和分類雖然從基本原理來說，控制電機(jī)與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)沒有本質(zhì)上的差別，但后者著重于對(duì)電機(jī)的力能指標(biāo)方面的要求，而前者則著重于對(duì)特性、高精度和快速響應(yīng)方面的要求，滿足系統(tǒng)對(duì)它提出的要求。在各類自動(dòng)控制系統(tǒng)、遙控和解算裝置中，需要用到大量的各種各樣的元件?？刂齐姍C(jī)就是其中的重要元件之一。它屬于機(jī)電元件，在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、檢測(cè)和解算的功能。2/3/20233導(dǎo)彈的制導(dǎo)雷達(dá)的掃瞄跟蹤艦船的方位控制和火炮的自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。飛機(jī)的自動(dòng)駕駛在軍事方面1.1.1.控制電機(jī)的地位與作用控制電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件。2/3/20234

在工業(yè)方面在其它方面

工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)控制以及遙測(cè)遙控、自動(dòng)化儀表等。計(jì)算機(jī)的磁盤驅(qū)動(dòng)打印機(jī)、復(fù)印機(jī)的走紙機(jī)構(gòu)以及音像、醫(yī)療設(shè)備等。2/3/20235雷達(dá)天線自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本接法示意圖放大與控制天線方位軸U2=Umsin(-)UfUjUkZKFZKBSM~2C2/3/20236控制電機(jī)的體積和功率一般都很小：機(jī)座外徑不大于130mm質(zhì)量小于數(shù)千克功率低于數(shù)百瓦不過在軋鋼、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電機(jī)，機(jī)座外徑達(dá)300～400mm，質(zhì)量達(dá)數(shù)十千克至數(shù)百千克，功率為數(shù)十千瓦至數(shù)百千瓦。2/3/202371.1.2.控制電機(jī)的用途與分類按用途分為兩大類：

功率元件（執(zhí)行元件）和信號(hào)元件（測(cè)量元件）。1.功率元件：用于轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)矩或功率。如：交、直流伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)這類控制電機(jī)能快捷而正確地執(zhí)行頻繁變化的位置和速度指令，帶動(dòng)負(fù)載完成規(guī)定的動(dòng)作。力矩式自整角機(jī)火星探測(cè)器上的直流SM步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩控制式自整角機(jī)2/3/202382.信號(hào)元件：用作轉(zhuǎn)換電信號(hào)。①用于測(cè)位能將機(jī)械角度或直線位移進(jìn)行直接指示、遠(yuǎn)距離傳輸或變換?？刂剖阶哉菣C(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器還可以作為解算元件，完成坐標(biāo)變換，三角運(yùn)算等。自整角機(jī)與旋轉(zhuǎn)變壓器指變換成電壓幅值信號(hào)或相位信號(hào)或數(shù)字量。如:控制式自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)移相器、感應(yīng)同步器、編碼器。2/3/20239②用于測(cè)速1.1.3控制系統(tǒng)對(duì)控制電機(jī)的要求常規(guī)電機(jī)側(cè)重于運(yùn)行和起動(dòng)時(shí)的力能指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。而控制電機(jī)則主要偏重于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的

高可靠性、高精度和快速響應(yīng)。其次才要求：體積小、重量輕、耗電少等。能將機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓幅值信號(hào)或脈沖數(shù)字信號(hào)。如：模擬型和數(shù)字型測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)也能作為解算元件，完成微積分運(yùn)算。綜上所述，控制電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可以作為

執(zhí)行元件、檢測(cè)元件

和解算元件。2/3/2023101.高可靠性可靠性常用可靠度、失效率、使用壽命或平均無故障時(shí)間等定量指標(biāo)來反映。在由n

個(gè)元器件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)中，若每個(gè)元器件的可靠度為Ri，則系統(tǒng)的可靠度Rs為:元器件的可靠度Ri是小于1的數(shù)。Ri

越小或元器件的數(shù)n

越多，系統(tǒng)可靠度Rs

越低。例如：一個(gè)由(n=)200個(gè)元器件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，若要保證可靠度Rs為0.95，則必須使每個(gè)元器件的可靠度Ri達(dá)到0.9997。2/3/202311由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。所以構(gòu)成系統(tǒng)的元器件數(shù)量也不斷增加?？刂齐姍C(jī)在系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)元件，有些系統(tǒng)所采用的控制電機(jī)多達(dá)幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)。對(duì)于傳統(tǒng)的控制電機(jī)而言，電刷、換向器、滑環(huán)、軸承等最容易出故障?？梢?，控制電機(jī)的高可靠性是保證系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)。2/3/2023122.高精度控制電機(jī)的精度對(duì)伺服系統(tǒng)的精度有直接影響。在雷達(dá)天線的定位跟蹤、慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，用于測(cè)位的控制電機(jī)，其電氣誤差必須達(dá)到角秒級(jí)或更小。在加工精度為0.01m的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中，需要選用分辨率為106脈沖／r，最高轉(zhuǎn)速為104r／min的精密數(shù)字檢測(cè)元件來檢測(cè)角位。要開發(fā)更高精度的伺服系統(tǒng)，必須有相應(yīng)精度等級(jí)的控制電機(jī)為前提。2/3/2023133.快速響應(yīng)由于伺服系統(tǒng)的指令信號(hào)變化極快，所以要求控制電機(jī)，特別是執(zhí)行用的控制電機(jī)，必須具備快速響應(yīng)的能力。如：工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、高炮攝像系統(tǒng)中的物鏡變焦驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)快速響應(yīng)有很高的要求。表征快速響應(yīng)的主要指標(biāo)有機(jī)電時(shí)間常數(shù)、最大理論加速度和功率變化率等。新型無槽電樞伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)最小可做到0.5ms，理論加速度可做到1.6106rad／s2；功率變化率可做到7400kW／s。2/3/2023144.21世紀(jì)的控制電機(jī)技術(shù)·向輕、薄、短、小、高效率、低振動(dòng)、低噪聲、低價(jià)格的方向發(fā)展；·

采用新材料；·驅(qū)動(dòng)電路與控制電路向集成化、專用化和機(jī)電一體化方向發(fā)展；·

無刷化、無鐵心化、永磁化；·新原理電機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。當(dāng)然，一個(gè)高可靠性、高精度、反映迅速的控制系統(tǒng)，不僅要靠高質(zhì)量的控制電機(jī)，組成整個(gè)系統(tǒng)的其它元器件也必須是優(yōu)秀的。另外，控制理論也很重要。2/3/2023151.1.4如何學(xué)習(xí)“控制電機(jī)”這門課程因此在“控制電機(jī)”這門課程中，將給大家介紹直流電機(jī)、變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)這三種最典型基本的電機(jī)，比較深入地研究和分析其中的電磁關(guān)系和它們的基本原理及特性?？刂齐姍C(jī)的種類雖然很多，可以列舉出數(shù)十種，但是這些電機(jī)的基本原理都是建立在以下兩個(gè)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上的：一是電磁轉(zhuǎn)化規(guī)律，就是在一定條件下電和磁可以相互轉(zhuǎn)化；二是電流在磁場(chǎng)中要受到力的作用。2/3/202316由于各種控制電機(jī)的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎(chǔ)上的，因而它們之間不是孤立的，它們既有共性，也有個(gè)性。在以后學(xué)習(xí)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)，一種電機(jī)與另一種電機(jī)之間在電磁關(guān)系上、在基本特性上有很多相同之處，但它們各自又具有與眾不同的特點(diǎn)。在學(xué)習(xí)時(shí)也要用辯證法的觀點(diǎn)來學(xué)，將各種控制電機(jī)聯(lián)系起來，著重分析和掌握一些共同規(guī)律，同時(shí)也要研究每個(gè)電機(jī)所具有的特殊性質(zhì)。其中將補(bǔ)充交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和基本電磁關(guān)系。2/3/202317要通過學(xué)習(xí)電機(jī)的基本原理，了解電機(jī)內(nèi)部的基本矛盾，這樣才能正確而主動(dòng)地掌握控制電機(jī)的使用方法。通過本門課程主要是學(xué)習(xí)控制電機(jī)的特性和使用方法，但同時(shí)我們還需要學(xué)習(xí)電機(jī)的基本原理。因?yàn)閷?duì)電機(jī)來說，其使用時(shí)的條件只是外因，電機(jī)之所以有各種特性的根本原因是在于電機(jī)本身的內(nèi)部矛盾。2/3/2023181.2磁場(chǎng)的基本物理量1.2.1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場(chǎng):各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場(chǎng)，也稱勻強(qiáng)磁場(chǎng)。2/3/2023191.2.2磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積A中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。在均勻磁場(chǎng)中=BA或B=/A磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1T·m22/3/202320

H與B的區(qū)別①H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。②

B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)1.2.3磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H：表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量，通過它來確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。2/3/202321由實(shí)驗(yàn)可測(cè)得：真空的磁導(dǎo)率為：真空磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，將其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它比較是很方便的。1.2.4磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）2/3/202322也即當(dāng)磁場(chǎng)媒質(zhì)是某種物質(zhì)時(shí)某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與在同樣電流下真空時(shí)該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0之比的倍數(shù)。自然界的所有物質(zhì)按磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料。相對(duì)磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。2/3/2023231.3磁性材料的磁性能1.3.1.高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。2/3/202324

磁性物質(zhì)內(nèi)部存在著很多很小的“磁疇”。磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇順著外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。2/3/202325磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。1.3.2.磁飽和性BJ

磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0

磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的B-H磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值，如圖。2/3/202326

B-H磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJB?a?b有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線性曲線，實(shí)際中通過實(shí)驗(yàn)得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系2/3/2023271.3.3.磁滯性磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的；自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

2/3/202328磁滯回線OHB????BrHc但剩磁也存在著有害的一面，例如，當(dāng)工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。2/3/202329幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a鑄鐵b鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc2/3/202330按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。2/3/2023311.磁滯損耗（pch）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗(Pch

)。磁滯損耗的大?。?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場(chǎng)交變的頻率f。OHB磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度值以減小鐵心飽和程度。1.3.4.鐵心損耗pFe2/3/2023322.渦流損耗（pwh）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率（通常由于硅鋼片）。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。3.鐵耗pFe：鐵心中的鐵耗等于磁滯損耗和渦流損耗之和。2/3/202333磁通所通過的路徑稱為磁路。＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i1.4控制電機(jī)中常用的基本定律2/3/2023341.4.1全電流安培環(huán)路定律沿任何一條閉合回線L，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數(shù)和

如果在均勻磁場(chǎng)中，沿著回線L

磁場(chǎng)強(qiáng)度H處處相等，則1.4.2磁路的歐姆定律作用在磁路上的磁動(dòng)勢(shì)F等于磁路內(nèi)的磁通量Φ乘以磁阻RmF稱為磁動(dòng)勢(shì)2/3/202335磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

磁場(chǎng)強(qiáng)度等于磁通密度除以磁導(dǎo)率

于是2/3/2023361.4.3磁路的基爾霍夫定律1.磁路的基爾霍夫第一定律或閉合面i1i2Φ1Φ2Φ32/3/2023372.磁路的基爾霍夫第二定律2/3/2023381.4.4電磁感應(yīng)定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個(gè)。簡(jiǎn)單的說電磁感應(yīng)定律就是變化的電場(chǎng)附近會(huì)產(chǎn)