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海 南 风 光第 7章控 制 电 机 第 7章 控 制 电 机 概 述步 进 电 动 机 1 结 构 2 工 作 方 式 3 小 步 距 角 的 步 进 电 动 机伺 服 电 动 机 1 交 流 伺 服 电 动 机 2 直 流 伺 服 电 动 机 微 控 电 机 微 控 电 机 由 驱 动 微 电 机 和 控 制 电 机 构 成 ， 简 称 为 微 控 电机 。 在 本 质 上 和 前 面 所 讲 的 普 通 电 机 并 没 有 区 别 ,只 是 他 们的 侧 重 点 不 同 而 已 。 普 通 旋 转 电 机 主 要 是 进 行 能 量 变 换 ， 要求 有 较 高 的 力 能 指 标 ； 而 控 制 电 机 主 要 是 对 控 制 信 号 进 行 传递 和 变 换 ， 要 求 有 较 高 的 控 制 性 能 ， 如 要 求 反 应 快 、 精 度 高 、运 行 可 靠 等 等 。 控 制 电 机 因 其 各 种 特 殊 的 控 制 性 能 而 常 在 自动 控 制 系 统 中 作 为 执 行 元 件 、 检 测 元 件 和 解 算 元 件 。 1. 驱 动 微 电 机 ： 用 来 拖 动 各 种 小 型 负 载 ， 功 率 一 般 都 在 750W以 下 ，最 小 的 不 到 1W， 外 形 尺 寸 较 小 ， 功 率 也 小 。2. 控 制 电 机 ： 在 自 动 控 制 系 统 中 对 信 号 进 行 传 递 和 变 换 ， 用 做 执 行 元件 或 信 号 元 件 。 要 求 有 较 高 的 控 制 性 能 ， 如 ： 反 应 快 、 精 度 高 、 运行 可 靠 等 等 。 主 要 有 伺 服 电 动 机 、 步 进 电 动 机 、 旋 转 变 压 器 、 自 整角 机 和 测 速 发 电 机 等 。 前 面 介 绍 的 异 步 电 动 机 、 直 流 电 动 机 等 都 是 作 为动 力 使 用 的 ， 其 主 要 任 务 是 能 量 转 换 ， 例 如 将 电 能转 换 为 机 械 能 。 本 章 介 绍 控 制 电 机 。 概 述 如 ： 伺 服 机 将 电 压 信 号 转 换 为 转 矩 和 转 速 ； 步 进 机 将 脉 冲 信 号 转 换 为 角 位 移 或 线 位 移 。 控 制 电 机 的 主 要 功 能 是 转 换 和 传 递 信 号 。控 制 电 机 的 种 类 很 多 ， 本 章 主 要 介 绍 步 进 机 、 伺 服 机 。 对 控 制 电 机 的 主 要 要 求 ： 动 作 灵 敏 、 准 确 、重 量 轻 、 体 积 小 、 运 行 可 靠 、 耗 电 少 等 。 1 步 进 电 动 机机 理 ： 步 进 电 机 是 利 用 电 磁 铁 原 理 ， 将 脉 冲 信 号 转 换 成 线 位 移 或 角 位 移 的 电 机 。 每 来 一 个 电 脉 冲 ， 电 机 转 动 一 个 角 度 ， 带 动 机 械 移 动 一 小 段 距 离 。特 点 ： (1)来 一 个 脉 冲 ， 转 一 个 步 距 角 。 (2)控 制 脉 冲 频 率 ， 可 控 制 电 机 转 速 。 (3)改 变 脉 冲 顺 序 ， 改 变 方 向 。 种 类 ： 有 励 磁 式 和 反 应 式 两 种 。 两 种 的 区 别 在 于 励 磁 式 步进 电 机 的 转 子 上 有 励 磁 线 圈 ， 反 应 式 步 进 电 机 的 转 子上 没 有 励 磁 线 圈 。应 用 ： 步 进 机 的 应 用 非 常 广 泛 。 如 ： 在 数 控 机 床 、 自 动 绘 图 仪 等 设 备 中 都 得 到 应 用 。 下 面 以 反 应 式 步 进 电 机 为 例 说 明 步 进 电 机 的 结 构 和工 作 原 理 。 结 构 步 进 机 主 要 由 两 部 分 构 成 ： 定 子 和 转 子 。 它 们 均由 磁 性 材 料 构 成 ， 其 上 分 别 有 六 个 、 四 个 磁 极 。定 子转 子 定 子 绕 组 定 子 的 六 个 磁 极 上 有 控 制 绕 组 ， 两 个 相 对 的 磁 极组 成 一 相 。 注 意 ： 这 里 的 相 和 三 相 交 流 电 中 的 “ 相 ” 的 概 念不 同 。 步 进 机 通 的 是 直 流 电 脉 冲 ， 这 主 要 是 指 线 图的 联 接 和 组 数 的 区 别 。 A BC 定 子转 子 IA IBIC 工 作 方 式 步 进 电 机 的 工 作 方 式 可 分 为 ： 三 相 单 三 拍 、 三 相 单双 六 拍 、 三 相 双 三 拍 等 。1.1 三 相 单 三 拍（ 1） 三 相 绕 组 联 接 方 式 ： Y 型（ 2） 三 相 绕 组 中 的 通 电 顺 序 为 ：A 相 B 相 C 相通 电 顺 序 也 可 以 为 ： A 相 C 相 B 相 （ 3） 工 作 过 程化 ， 吸 引 转 子 ， 使 转 子 的 位 置 力 图 使 通 电 相 磁路 的 磁 阻 最 小 ， 使 转 、 定 子 的 齿 对 齐 停 止 转 动 。A 相 通 电 ， A 方 向 的 磁通 经 转 子 形 成 闭 合 回 路 。若 转 子 和 磁 场 轴 线 方 向原 有 一 定 角 度 ， 则 在 磁场 的 作 用 下 ， 转 子 被 磁A 相 通 电 使 转 子 1、 3齿 和 AA 对 齐 。C A BB CA34 1 2 C A BB CA34 12同 理 ， B相 通 电 ， 转 子 2、 4齿 和 B相 轴 线 对 齐 ，相 对 A相 通 电 位 置 转 30； C相 通 电 再 转 30。1 C34 2C A BB A 这 种 工 作 方 式 ， 因 三 相 绕 组 中 每 次 只 有 一 相 通 电 ，而 且 ， 一 个 循 环 周 期 共 包 括 三 个 脉 冲 ， 所 以 称 三 相单 三 拍 。三 相 单 三 拍 的 特 点 ：（ 1） 每 来 一 个 电 脉 冲 ， 转 子 转 过 30。 此 角 称 为步 距 角 ， 用 S表 示 。（ 2） 转 子 的 旋 转 方 向 取 决 于 三 相 线 圈 通 电 的 顺 序 ，改 变 通 电 顺 序 即 可 改 变 转 向 。 1.2三 相 单 双 六 拍三 相 绕 组 的 通 电 顺 序 为 ： AABBBCCCAA 共 六 拍 。工 作 过 程 ：A相 通 电 ， 转 子 1、 3齿 和 A相 对 齐 。C A BB CA34 1 2 所 以 转 子 转 到 两 磁 拉 力 平 衡 的 位 置 上 。 相 对 AA 通 电 ， 转 子 转 了 15 。（ 1） BB 磁 场 对 2、 4 齿 有 磁 拉 力 ， 该 拉 力 使 转 子 顺 时 针 方 向 转 动 。A、 B相 同 时 通 电（ 2） AA 磁 场 继 续 对 1、 3齿 有 拉 力 。C A BB CA34 12 总 之 ， 每 个 循 环 周 期 ， 有 六 种 通 电 状 态 ， 所 以 称为 三 相 六 拍 ， 步 距 角 为 15。C A BB CA34 12B相 通 电 ， 转 子 2、 4齿 和 B相 对 齐 ， 又 转 了 15。 三 、 三 相 双 三 拍三 相 绕 组 的 通 电 顺 序 为 ： AB BC CA AB 共 三 拍 。AB通 电C A BB CA34 12 C A BB CA34 12BC通 电 以 上 三 种 工 作 方 式 ， 三 相 双 三 拍 和 三 相 单 双 六拍 较 三 相 单 三 拍 稳 定 ， 因 此 较 常 采 用 。工 作 方 式 为 三 相 双 三拍 时 ， 每 通 入 一 个 电脉 冲 ， 转 子 也 是 转30， 即 S = 30。CA通 电C A BB CA34 12 1.3 小 步 距 角 的 步 进 电 动 机 实 际 采 用 的 步 进 电 机 的 步 距 角 多 为 3度 和 1.5度 ， 步 距 角 越 小 ， 机 加 工 的 精 度 越 高 。为 产 生 小 步 距 角 ， 定 、 转 子 都 做 成 多 齿 的 ，图 中 转 子 40个 齿 ， 定 子 仍 是 6个 磁 极 ， 但 每 个 磁极 上 也 有 五 个 齿 。 转 子 的 齿 距 等 于 360/ 40=9 ， 齿 宽 、 齿 槽 各 4.5 。 为 使 转 、 定 子 的 齿 对 齐 ， 定 子 磁 极 上 的 小 齿 ，齿 宽 和 齿 槽 和 转 子 相 同 。 工 作 原 理 ： 假 设 是 单 三 拍 通 电 工 作 方 式 。（ 1） A 相 通 电 时 ， 定 子 A 相 的 五 个 小 齿 和 转 子 对齐 。 此 时 ， B 相 和 A 相 空 间 差 120， 含 120/9 = 齿 A 相 和 C 相 差 240， 含 240/ 9 = 个齿 。 所 以 ， A 相 的 转 子 、 定 子 的 五 个 小 齿 对齐 时 ， B 相 、 C 相 不 能 对 齐 ， B相 的 转 子 、定 子 相 差 1/3 个 齿 （ 3） ， C相 的 转 子 、 定子 相 差 2/3个 齿 （ 6） 。3113 3226 若 工 作 方 式 改 为 三 相 六 拍 ， 则 每 通 一 个 电 脉 冲 ，转 子 只 转 1.5 。异 步 机 的 转 动 方 向 仍 由 相 序 决 定 。同 理 ， C 相 通 电 再 转 3 （ 2） A 相 断 电 、 B 相 通 电 后 ， 转 子 只 需 转 过 1/3个 齿 （ 3） ， 使 B 相 转 子 、 定 子 对 齐 。 f： 电 脉 冲 的 频 率 转 速 36060 sfn 步 进 机 通 过 一 个 电 脉 冲 ,转 子 转 过 的 角 度 ,称 为步 距 角 。 m:一 个 周 期 的 运 行 拍 数Zr： 转 子 齿 数mZrS 360如 ： Zr=40 , m=3 时 3340360S步 距 角 三 、 相 关 概 念 ： 1、 静 转 矩 T： 2、 步 距 角 ： 在 静 转 矩 的 作 用 下 ， 转 子 齿 每 前 进 一 步 在 电 机圆 周 上 所 跨 过 的 距 离 ， 我 们 用 一 个 角 度 来 表 示 ， 叫 做 步 距 角 。 3、 拍 (N)： 每 改 变 一 次 通 电 方 式 叫 做 一 拍 ， 常 用 为 三 拍 。 4、 通 电 循 环 ： 控 制 绕 组 各 完 成 一 次 通 电 形 成 一 个 通 电 循 环 ，通 过 后 面 的 分 析 ， 我 们 可 以 发 现 ， 每 经 过 一 个 通 电 循 环 ， （ 即对 应 一 个 2的 空 间 电 角 度 ） 转 子 齿 前 进 一 个 齿 距 的 距 离 ， 因此 ， 转 子 一 个 齿 距 对 应 一 个 2的 空 间 电 角 度 。 5、 单 ： 每 次 改 变 通 电 方 式 只 有 一 个 绕 组 通 电 6、 双 ： 每 改 变 一 次 通 电 方 式 有 两 相 绕 组 同 时 通 电 . 7、 三 相 单 三 拍 ： 三 相 单 ， 双 六 拍 ； 三 相 双 三 拍 。 因 此 ,它 的 通 电 顺 序 为 A-B-C-A,如 果 反 向 ,即 为 A-C-B-A 四 、 步 进 电 机 的 应 用 步 进 电 动 机 是 用 脉 冲 信 号 控 制 的 ， 一 周 的 步 数 是 固 定的 ， 只 要 不 丢 步 ， 角 位 移 误 差 不 存 在 长 期 积 累 的 情 况 ， 主要 用 于 数 字 控 制 系 统 中 ， 精 度 高 ， 运 行 可 靠 。 如 采 用 位 置检 测 和 速 度 反 馈 ， 亦 可 实 现 闭 环 控 制 。 步 进 电 动 机 已 广 泛 地 应 用 于 数 字 控 制 系 统 中 ， 如 数 模转 换 装 置 、 数 控 机 床 、 计 算 机 外 围 设 备 、 自 动 记 录 仪 、 钟表 等 之 中 ， 另 外 在 工 业 自 动 化 生 产 线 、 印 刷 设 备 等 中 亦 有应 用 。 7.3 伺 服 电 动 机伺 服 电 动 机 的 作 用 伺 服 电 动 机 （ 执 行 电 动 机 ） ， 它 将 输 入 的 电 压 信 号 转 变为 转 轴 的 角 位 移 或 角 速 度 输 出 ， 改 变 输 入 信 号 的 大 小 和 极 性可 以 改 变 伺 服 电 动 机 的 转 速 与 转 向 ， 故 输 入 的 电 压 信 号 又 称为 控 制 信 号 或 控 制 电 压 。 根 据 使 用 电 源 的 不 同 ， 伺 服 电 动 机 分 为 直 流 伺 服 电 动 机和 交 流 伺 服 电 动 机 两 大 类 。 直 流 伺 服 电 动 机 输 出 功 率 较 大 ，功 率 范 围 为 1 600瓦 ， 有 的 甚 至 可 达 上 千 瓦 ； 而 交 流 伺 服 电动 机 输 出 功 率 较 小 ， 功 率 范 围 一 般 为 0.1 100瓦 。 交 流 伺 服 电 动 机 和 直 流 伺 服 电 动 机 。伺 服 电 动 机 分 类 ： 一 、 直 流 伺 服 电 动 机 直 流 伺 服 电 动 机 实 际 上 就 是 他 励 直 流 电 动 机 ， 只 不 过 直流 伺 服 电 动 机 输 出 功 率 较 小 而 已 。 输 入 的 控 制 信 号 ， 既 可 加 到 励 磁 绕 组 上 ， 也 可 加 到 电 枢绕 组 上 ： 若 把 控 制 信 号 加 到 电 枢 绕 组 上 ， 通 过 改 变 控 制 信 号的 大 小 和 极 性 来 控 制 转 子 转 速 的 大 小 和 方 向 ， 这 种 方 式 叫 电枢 控 制 ； 若 把 控 制 信 号 加 到 励 磁 绕 组 上 进 行 控 制 ， 这 种 方 式叫 磁 场 控 制 。二 、 交 流 伺 服 电 动 机 ： 交 流 伺 服 电 动 机 就 是 两 相 异 步 电 动 机 ， 定 子 侧 绕 组 在 空 间相 差 90度 摆 放 ， 转 子 是 鼠 笼 式 的 。 可 通 过 幅 值 、 相 位 或 幅 -相控 制 法 实 现 对 其 转 速 和 转 向 的 控 制 。 交 流 伺 服 电 动 机 原 理 与 两 相 交 流 异 步 电 机 相 同 ， 定 子 上 装 有 两 个绕 组 励 磁 绕 组 和 控 制 绕 组 。励 磁 绕 组 和 控 制 绕 组 在 空 间 相 隔 90。控 制 绕 组励 磁 绕 组 转 子 励 磁 绕 组 中 串 联 电 容 C的 目 的 是 为 了 产 生 两 相 旋转 磁 场 。接 线 ：励 磁 绕 组 的 接 线U CU1I 1U 放大器控 制 绕 组 的 接 线检测元件控 制 信 号 2U2IU 适 当 选 择 电 容 的 大 小 ， 可 使 通 入 两 个 绕 组 的 电 流相 位 差 接 近 90， 因 此 便 产 生 旋 转 磁 场 ， 在 旋 转 磁场 的 作 用 下 ， 转 子 便 转 动 起 来 。1 U CU1 I1U例 ： 选 择 电 容 ， 可 使 交 流 伺 服 电 机 电 路 中 的 电 压 电流 的 相 量 关 系 如 图 所 示 。励 磁 绕 组 的 接 线U CU1I 1U 放大器控 制 绕 组 的 接 线检测元件控 制 信 号 2U2IU 工 作 时 两 个 绕 组 中 产 生 的 电 流 和 的 相位 差 近 90 ， 因 此 便 产 生 旋 转 磁 场 。 在 旋 转 磁 场的 作 用 下 ， 转 子 转 动 起 来 。 1I 2I 控 制 电 压 与电 源 电 压 两者 频 率 相 同 ， 相位 相 同 或 反 相 。2UU （ 1） U2= 0 时 ， 转 子 停 止 。 这 时 ， 虽 然 U2 =0V， U1仍 存 在 ， 似 乎成 单 相 运 行 状 态 ， 但 和 单 相 异 步 机 不 同 。若 单 相 电 机 启 动 运 行 后 ， 出 现 单 相 后 仍 转 。伺 服 电 机 不 同 ， 单 相 电 压 时 设 备 不 能 转 。交 流 伺 服 电 动 机 的 特 点 ：原 因 ： 交 流 伺 服 电 机 R2设 计 得 较 大 。 所 以在 U2=0时 ， 交 流 伺 服 电 机 的 T=f(s)曲 线 如 下页 图 ： 当 U2=0V时 ， 脉 动 磁 场 分 成 的 正 反 向 旋 转 磁 场 产 生的 转 距 T、 T 的 合 成 转 矩 T 与 单 相 异 步 机 不 同 。 合成 转 矩 的 方 向 与 旋 转 方 向 相 反 ， 所 以 电 机 在 U2=0V时 ，能 立 即 停 止 ， 体 现 了 控 制 信 号 的 作 用 (有 控 制 电 压 时转 动 ， 无 控 制 电 压 时 不 转 )， 以 免 失 控 。交 流 伺 服 电 动 机 的T=f(s)曲 线 （ U2=0时 ） sT 210 sTTT 02 1 反 转正 转 （ 3） 控 制 电 压 U2 大 小 变 化 时 ， 转 子 转 速 相 应 变化 ， 转 速 与 电 压 U2 成 正 比 。 U2 的 极 性 改 变时 ， 转 子 的 转 向 改 变 。（ 2） 交 流 伺 服 电 机 R2设 计 得 较 大 ， 使 Sm1， Tst大 ，启 动 迅 速 ， 稳 定 运 行 范 围 大 。交 流 伺 服 电 动 机 的 机 械 特 性 曲 线 ( U 1=const )n T U20.8 U20.6 U20.4 U2 Tn 交 流 伺 服 电 机 的 输 出 功 率 一 般 为 0.1-100 W， 电源 频 率 分 50H z、 400H z等 多 种 。 它 的 应 用 很 广 泛 ，如 用 在 自 动 控 制 、 温 度 自 动 记 录 等 系 统 中 。应 用 2.2 直 流 伺 服 电 动 机结 构 ： 与 直 流 电 动 机 基 本 相 同 。 为 减 小 转 动 惯 量 做得 细 长 一 些 。工 作 原 理 ： 与 直 流 电 动 机 相 同 。供 电 方 式 ： 他 励 。 励 磁 绕 组 和 电 枢 由 两 个 独 立 电源 供 电 ： M U 1IfIaU2放大器UU1为 励 磁 电 压 ， U2为 电 枢 电 压 。 由 机 械 特 性 可 知 ：(1)U1（ 即 磁 通 ） 不 变 时 ， 一 定 的 负 载 下 ， U2,n。(2)U2=0时 ， 电 机 立 即 停 转 。反 转 ： 电 枢 电 压 的 极 性 改 变 ， 电 机 反 转 。直 流 伺 服 电 机 的 机 械 特性 公 式 与 他 励 直 流 电 机一 样 ： TKK RKUn TE aE 22 机 械 特 性 曲 线U20.8U20.6U20.4U2n T 直 流 伺 服 电 机 的 特 性 较 交 流 伺 服 电 机 硬 。 经 常用 在 功 率 稍 大 的 系 统 中 ， 它 的 输 出 功 率 一 般 为 1-600W。 它 的 用 途 很 多 ， 如 随 动 系 统 中 的 位 置 控制 等 。应 用 ： 3 微 型 同 步 电 动 机 微 型 同 步 电 动 机 的 定 子 结 构 与 一 般 的 同 步 电 动 机 相 同 ， 可以 是 三 相 的 也 可 是 单 相 的 ， 但 转 子 结 构 不 同 。 根 据 转 子 结 构 的不 同 ， 微 型 同 步 电 动 机 主 要 分 为 永 磁 式 、 反 应 式 、 磁 滞 式 等 ，另 外 为 了 提 高 力 能 指 标 ， 还 将 磁 滞 式 与 其 他 形 式 结 合 起 来 。一 、 永 磁 式 微 型 同 步 电 动 机 永 磁 式同 步 电 动 机功 率 小 ， 结构 简 单 ， 在电 气 仪 表 中应 用 较 多 。 二 、 反 应 式 微 型 同 步 电 动 机 反 应 式 微 型 同 步 电 动 机 的 转 子 用 磁 极 材 料 和 非 磁 极 材 料 拼 镶 而 成 ， 使其 直 轴 方 向 的 磁 阻 小 而 交 轴 方 向 的 磁 阻 大 。 当 反 应 式 同 步 电 动 机 定 子 绕 组接 交 流 电 源 ， 由 于 直 轴 和 交 轴 的 磁 阻 不 同 ， 从 而 形 成 磁 阻 转 矩 （ 也 叫 反 应转 矩 ） ， 拖 动 负 载 同 步 运 行 。三 、 磁 滞 式 微 型 同 步 电 动 机 转 子 磁 滞 材 料 层 用 硬 磁 材 料 制 成 ， 凭 借 磁 滞 转 矩 而 能 自 行 起 动 ， 在 起动 过 程 中 ， 磁 滞 角 的 大 小 仅 仅 取 决 于 硬 磁 材 料 的 磁 化 特 性 ， 而 与 旋 转 磁 通势 和 转 子 转 速 无 关 ， 转 子 的 硬 磁 材 料 在 旋 转 磁 化 下 ， 磁 滞 角 是 恒 定 的 。 4 旋 转 变 压 器一 、 定 义 ： 当 旋 转 变 压 器 的 定 子 绕 组 施 加 单 相 交 流 电 时 ，其 转 子 绕 组 输 出 的 电 压 与 转 子 转 角 成 正 弦 余 弦 关 系 或 线 性关 系 等 函 数 关 系 。二 、 分 类 ： 根 据 输 出 的 函 数 关 系 的 不 同 ， 旋 转 变 压 器 可 分 为 很 多 类 ，其 中 正 余 弦 旋 转 变 压 器 ， 线 性 旋 转 变 压 器 较 为 常 用 。 D3 D4 Z4 D1 D Z12 Z34 UD Z 3 b D2 Z1 Z2 常 在 自 动 控 制 系统 中 作 解 算 元 件可 进 行 矢 量 求 解 、坐 标 变 换 、 加 减乘 除 运 算 微 分 积分 运 算 ， 也 可 在角 度 传 输 系 统 中作 自 整 角 机 使 用 。 旋 转 变 压 器 是 一 种 输 出 电 压 随 转 子 转 角 按 一 定 的 函 数关 系 变 化 的 精 密 信 号 元 件 ， 在 计 算 解 答 装 置 和 自 动 控制 装 置 中 作 座 标 变 换 、 三 角 运 算 和 角 度 信 号 传 输 之 用 ，也 可 用 作 比 例 调 整 。 在 同 步 传 动 系 统 中 ， 可 作 四 线 控 制 式 自 整 角 机 使 用 。有 正 余 弦 旋 转 变 压 器 、 线 性 旋 转 变 压 器 、 比 例 式 旋 转变 压 器 及 旋 变 发 送 机 等 多 种 类 型 。 双 通 道 旋 转 变 压 器具 有 很 高 的 电 气 精 度 ， 采 用 粗 机 与 精 机 共 磁 路 和 精 确正 弦 绕 组 的 特 殊 设 计 ， 特 别 适 于 系 统 的 高 精 度 角 度 信号 传 输 之 用 。 旋 转 变 压 器 旋 转 变 压 器 是 一 种 常 用 的 转 角 检 测 元 件 ，由 于 它 结 构 简 单 ， 工 作 可 靠 ， 且 其 精 度 能 满 足 一 般 的检 测 要 求 ， 因 此 被 广 泛 应 用 在 数 控 机 床 上 。 旋 转 变 压 器 的 结 构 和 两 相 绕 线 式 异 步 电 机 的 结 构 相 似 ，可 分 为 定 子 和 转 子 两 大 部 分 。 定 子 和 转 子 的 铁 心 由 铁镍 软 磁 合 金 或 硅 钢 薄 板 冲 成 的 槽 状 心 片 叠 成 。 它 们 的绕 组 分 别 嵌 入 各 自 的 槽 状 铁 心 内 。 定 子 绕 组 通 过 固 定在 壳 体 上 的 接 线 柱 直 接 引 出 。 转 子 绕 组 有 两 种 不 同 的引 出 方 式 。 根 据 转 子 绕 组 两 种 不 同 的 引 出 方 式 ， 旋 转变 压 器 分 为 有 刷 式 和 无 刷 式 两 种 结 构 形 式 。 常 见 的 旋 转 变 压 器 一 般 有 两 极 绕 组 和 四 极 绕 组 两 种 结构 形 式 。 两 极 绕 组 旋 转 变 压 器 的 定 子 和 转 子 各 有 一 对磁 极 ， 四 极 绕 组 则 有 两 对 磁 极 ， 主 要 用 于 高 精 度 的 检测 系 统 。 除 此 之 外 ， 还 有 多 极 式 旋 转 变 压 器 ， 用 于 高精 度 绝 对 式 检 测 系 统 。 5 自 整 角 机一 、 定 义 ： 在 自 动 控 制 系 统 中 ， 常 常 需 要 指 示 位 置 和 角 度 的 数 值 ， 或 者 需 要 远距 离 调 节 执 行 机 构 的 速 度 ， 或 者 需 要 某 一 根 或 多 根 轴 随 着 另 外 的 与 其 无机 械 连 接 的 轴 同 步 转 动 ， 这 样 ， 就 出 现 了 自 整 角 机 ， 即 用 来 实 现 自 动 指示 角 度 和 同 步 传 输 角 度 的 一 类 控 制 电 机 。二 、 分 类 ： 自 整 角 机 按 自 整 角 输 出 量 可 分 为 力 矩 式 自 整 角 机 和 控 制 式 自 整 角 机两 种 。三 、 应 用 ： 常 用 于 位 置 和 角 度 的 远 距 离 指 示 ， 如 在 飞 机 、 舰 船 中 用 于 角 度 位 置 、 高 度 的 指 示 ， 雷 达 系 统 中 用 于 无 线 定 位 等 等 ； 另 一 方 面 常 用 于 远 距 离 控制 系 统 中 ， 如 轧 钢 机 轧 辊 控 制 和 指 示 系 统 、 核 反 应 堆 的 控 制 棒 指 示 等 等 。 6 测 速 发 电 机 测 速 发 电 机 是 一 种 测 量 转 速 的 微 型 发 电 机 ， 它 把 输 入 的机 械 转 速 变 换 为 电 压 信 号 输 出 ， 并 要 求 输 出 的 电 压 信 号 与 转速 成 正 比 ： U2=Cn 测 速 发 电 机 分 直 流 和 交 流 两 大 类 。 电磁式直流测速发电机 （微型他励直流发电机） 永磁式直流测速发电机 （微型直流发电机） 直流测速发电机 直 线 电 机 可 以 认 为 是 旋 转 电 机 在 结 构 方 面 的 一 种 变 形 ， 它 可 以 看 作 是 一 台 旋 转 电 机 沿 其 径 向 剖 开 ，然 后 拉 平 演 变 而 成 。 近 年 来 ， 随 着 自 动 控 制 技 术 和 微 型 计 算 机 的 高 速 发 展 ， 对 各 类 自 动 控 制 系 统 的 定 位精 度 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 在 这 种 情 况 下 ， 传 统 的 旋 转 电 机 再 加 上 一 套 变 换 机 构 组 成 的 直 线 运 动 驱 动 装 置 ，已 经 远 不 能 满 足 现 代 控 制 系 统 的 要 求 ， 为 此 ， 近 年 来 世 界 许 多 国 家 都 在 研 究 、 发 展 和 应 用 直 线 电 机 ， 使得 直 线 电 机 的 应 用 领 域 越 来 越 广 。 直 线 电 机 与 旋 转 电 机 相 比 ， 主 要 有 如 下 几 个 特 点 ：1、 结 构 简 单 由 于 直 线 电 机 不 需 要 把 旋 转 运 动 变 成 直 线 运 动 的 附 加 装 置 ， 因 而 使 得 系 统 本 身 的 结 构 大 为 简 化 ， 重 量和 体 积 大 大 地 下 降 ；2、 定 位 精 度 高 在 需 要 直 线 运 动 的 地 方 ， 直 线 电 机 可 以 实 现 直 接 传 动 ， 因 而 可 以 消 除 中 间 环 节 所 带 来 的 各 种 定 位 误 差 ，故 定 位 精 度 高 ， 如 采 用 微 机 控 制 ， 则 还 可 以 大 大 地 提 高 整 个 系 统 的 定 位 精 度 ；3、 反 应 速 度 快 、 灵 敏 度 高 ， 随 动 性 好 直 线 电 机 容 易 做 到 其 动 子 用 磁 悬 浮 支 撑 ， 因 而 使 得 动 子 和 定 子 之 间 始 终 保 持 一 定 的 空 气 隙 而 不 接 触 ，这 就 消 除 了 定 、 动 子 间 的 接 触 摩 擦 阻 力 ， 因 而 大 大 地 提 高 了 系 统 的 灵 敏 度 、 快 速 性 和 随 动 性 ；4、 工 作 安 全 可 靠 、 寿 命 长 直 线 电 机 可 以 实 现 无 接 触 传 递 力 ， 机 械 摩 擦 损 耗 几 乎 为 零 ， 所 以 故 障 少 ， 免 维 修 ， 因 而 工 作 安 全 可 靠 、寿 命 长 。 7 直 线 电 机 直 线 电 机 主 要 应 用 于 三 个 方 面 ： 一 是 应 用 于 自 动 控 制 系 统 ， 这 类 应 用 场 合 比 较 多 ； 其 次 是 作 为 长期 连 续 运 行 的 驱 动 电 机 ； 三 是 应 用 在 需 要 短 时 间 、 短 距 离 内 提 供 巨 大 的 直 线 运 动 能 的 装 置 中 。高 速 磁 悬 浮 列 车 磁 悬 浮 列 车 是 直 线 电 机 实 际 应 用 的 最 典 型 的 例 子 ， 目 前 ， 美 、 英 、 日 、 法 、 德 、 加 拿 大 等 国 都在 研 制 直 线 悬 浮 列 车 ， 其 中 日 本 进 展 最 快 。直 线 电 机 驱 动 的 电 梯 世 界 上 第 一 台 使 用 直 线 电 机 驱 动 的 电 梯 是 1990年 4月 安 装 于 日 本 东 京 都 关 岛 区 万 世 大 楼 ， 该 电 梯载 重 600kg， 速 度 为 105m/min， 提 升 高 度 为 22.9m。 由 于 直 线 电 机 驱 动 的 电 梯 没 有 曳 引 机 组 ， 因 而建 筑 物 顶 的 机 房 可 省 略 。 如 果 建 筑 物 的 高 度 增 至 1000米 左 右 ， 就 必 须 使 用 无 钢 丝 绳 电 梯 ， 这 种 电 梯采 用 高 温 超 导 技 术 的 直 线 电 机 驱 动 ， 线 圈 装 在 井 道 中 ， 轿 厢 外 装 有 高 性 能 永 磁 材 料 ， 就 如 磁 悬 浮 列车 一 样 ， 采 用 无 线 电 波 或 光 控 技 术 控 制 。超 高 速 电 动 机 在 旋 转 超 过 某 一 极 限 时 ， 采 用 滚 动 轴 承 的 电 动 机 就 会 产 生 烧 结 、 损 坏 现 象 。 为 此 近 年 来 ， 国 外 研 制 了 一 种 直 线 悬 浮 电 动 机 （ 电 磁 轴 承 ） ， 采 用 悬 浮 技 术 使 电 机 的 动 子 悬 浮 在 空 中 ， 消 除 了 动 子 和定 子 之 间 的 机 械 接 触 和 摩 擦 阻 力 ， 其 转 速 可 达 25000 100000r/min以 上 ， 因 而 在 高 速 电 动 机 和 高 速主 轴 部 件 上 得 到 广 泛 的 应 用 。 如 日 本 安 川 公 司 新 近 研 制 的 多 工 序 自 动 数 控 车 床 用 5轴 可 控 式 电 磁 高速 主 轴 采 用 两 个 经 向 电 磁 轴 承 和 一 个 轴 向 推 力 电 磁 轴 承 ， 可 在 任 意 方 向 上 承 受 机 床 的 负 载 。 在 轴 的中 间 ， 除 配 有 高 速 电 动 机 以 外 ， 还 配 有 与 多 工 序 自 动 数 控 车 床 相 适 应 的 工 具 自 动 交 换 机 构圆 弧 插 补 结 束 。 直 线 电 动 机 （ linear motor） 直 线 电 动 机 是 一 种 将 电 能 直 接 转 换 成 直 线 运 动 机 械 能 的 电 力 传 动 装 置 。 它 可 以 省 去 大 量 中 间传 动 机 构 ， 加 快 系 统 反 映 速 度 ， 提 高 系 统 精 确 度 ， 所 以 得 到 广 泛 的 应 用 。 直 线 异 步 电 动 机 的 工 作 原 理 和 旋 转 式 异 步 电 动 机 一 样 ， 定 子 绕 组 与 交 流 电 源 相 连 接 ， 通 以 多相 交 流 电 流 后 ， 则 在 气 隙 中 产 生 一 个 平 稳 的 行 波 磁 场 （ 当 旋 转 磁 场 半 径 很 大 时 ， 就 成 了 直 线 运 动的 行 波 磁 场 ） 。 该 磁 场 沿 气 隙 作 直 线 运 动 ， 同 时 ， 在 动 子 导 体 中 感 应 出 电 动 势 ， 并 产 生 电 流 ， 这个 电 流 与 行 波 磁 场 相 互 作 用 产 生 异 步 推 动 力 ， 使 动 子 沿 行 波 方 向 作 直 线 运 动 。 若 把 直 线 异 步 电 动机 定 子 绕 组 中 电 源 相 序 改 变 一 下 ， 则 行 波 磁 场 移 动 方 向 也 会 反 过 来 ， 根 据 这 一 原 理 ， 可 使 直 线 异步 电 动 机 作 往 复 直 线 运 动 。 直 线 异 步 电 动 机 主 要 用 于 功 率 较 大 场 合 的 直 线 运 动 机 构 ， 如 门 自 动 开 闭 装 置 ， 起 吊 、 传 递 和升 降 的 机 械 设 备 ， 驱 动 车 辆 ， 尤 其 是 用 于 高 速 和 超 速 运 输 等 。 由 于 牵 引 力 或 推 动 力 可 直 接 产 生 ，不 需 要 中 间 连 动 部 分 ， 没 有 摩 擦 ， 无 噪 声 ， 无 转 子 发 热 ， 不 受 离 心 力 影 响 等 问 题 。 因 此 ， 其 应 用将 越 来 越 广 。 直 线 同 步 电 动 机 由 于 性 能 优 越 ， 应 用 场 合 与 直 线 异 步 电 动 机 相 同 ， 有 取 代 趋 势 。 直线 步 进 电 动 机 应 用 于 数 控 绘 图 仪 、 记 录 仪 、 数 控 制 图 机 、 数 控 裁 剪 机 、 磁 盘 存 储 器 、 精 密 定 位 机构 等 设 备 中 。 直 线 电 动 机 较 多 地 应 用 于 各 种 定 位 系 统 和 自 动 控 制 系 统 。 大 功 率的 直 线 电 动 机 还 常 用 于 电 气 铁 路 高 速 列 车 的 牵 引 、 鱼 雷 的 发 射 等装 备 中 。 直 线 电 动 机 按 原 理 分 为 直 流 直 线 电 动 机 、 交 流 直 线 异 步 电 动 机 、 直 线 步 进 电 动 机 和交 流 直 线 同 步 电 动 机 。 以 前 3种 应 用 较 多 。 按 结 构 可 分 为 单 边 型 和 双 边 型 两 种 。 在 单边 型 结 构 中 ， 定 子 和 动 子 之 间 受 有 较 大 的 单 边 磁 拉 力 ； 双 边 型 结 构 由 于 两 边 磁 拉 力互 相 平 衡 ， 支 承 部 分 摩 擦 力 较 小 ， 动 作 比 较 灵 活 。 直 流 供 电 的 直 线 电 动 机 。 由 一 套 磁 极 和 一 组 绕 组 构 成 。 绕 组 中 的 电 流 有 的 通 过 电刷 和 换 向 片 结 构 引 入 ， 称 刷 型 ； 有 的 不 经 换 向 器 和 电 刷 ， 直 接 用 导 线 引 入 ， 称 无 刷型 。 直 流 直 线 电 动 机 由 于 推 力 与 电 枢 电 流 成 正 比 ， 速 度 与 电 枢 电 压 成 正 比 ， 故 具 有良 好 的 线 性 控 制 特 性 ， 它 与 闭 环 控 制 系 统 配 合 ， 可 以 进 行 精 密 的 调 节 和 控 制 ， 适 用于 自 动 控 制 系 统 ， 例 如 计 算 机 磁 盘 驱 动 器 的 磁 头 定 位 系 统 。 交 流 直 线 异 步 电 动 机 由 旋 转 式 异 步 电 动 机 演 变 而 来 。 其 工 作 原 理 和 旋 转 式 异步 电 动 机 相 同 。 主 要 由 原 边 和 副 边 两 部 分 组 成 ， 嵌 有 线 圈 的 部 分 为 原 边 。 当 多 相 绕组 中 通 入 电 流 后 ， 电 机 气 隙 中 就 产 生 一 个 磁 场 行 波 ， 切 割 副 边 的 导 体 而 感 生 电 流 。此 电 流 与 磁 场 作 用 产 生 电 磁 力 使 原 边 和 副 边 发 生 相 对 运 动 。 直 线 异 步 电 动 机 可 以 做成 原 边 固 定 、 副 边 可 动 的 短 副 边 型 和 副 边 固 定 、 原 边 可 动 的 短 原 边 型 两 种 结 构 。 短原 边 型 所 用 线 圈 数 量 少 ， 比 较 经 济 ， 应 用 较 多 ;短 副 边 型 常 用 于 金 属 物 体 的 投 射 。 直 线 异 步 电 动 机 常 在 工 业 自 动 化 系 统 中 作 为 操 作 杆 的 动 力 ， 用 它 操 作 自 动 门 窗 、 自 动开 关 和 阀 门 以 及 各 种 机 械 手 ， 也 可 用 于 电 气 铁 路 高 速 列 车 的 牵 引 和 鱼 雷 发 射 等 。 直 线 步 进 电 动 机 作 直 线 步 进 运 动 的 电 动 机 。 按 其 电 磁 推 力 产 生 的 原 理 可 以分 为 反 应 式 和 永 磁 感 应 子 式 两 大 类 。 反 应 式 直 线 步 进 电 动 机 ： 其 定 子 是 一 条 开 有 均 匀 齿 槽 的 导 轨 ， 动 子 是一 个 绕 有 三 相 绕 组 的 E形 铁 心 。 每 个 铁 心 柱 上 都 开 有 和 定 子 齿 距 相 等 的 齿 槽 ，且 各 相 铁 心 柱 上 的 齿 槽 相 对 于 定 子 齿 槽 依 次 错 开 1 3齿 距 。 如 果 输 入 三 相 绕组 电 脉 冲 的 顺 序 依 次 为 ABCA， 则 动 子 就 会 向 左 作 步 进 运 动 。 如 果 通电 顺 序 改 为 ACBA， 则 动 子 就 向 右 作 步 进 运 动 。 在 结 构 上 也 可 以 把 E形 铁 心 固 定 ， 让 齿 条 作 为 动 子 。 齿 条 的 运 动 将 与 上 述 运 动 方 向 相 反 。 永 磁 感 应 子 式 直 线 步 进 电 动 机 ： 定 子 由 软 铁 材 料 制 成 ， 上 面 铣 有 均 匀间 隔 的 齿 槽 ； 动 子 由 永 久 磁 铁 加 上 两 个 带 齿 的 形 电 磁 铁 组 成 。 两 个 电 磁 铁 上的 齿 相 互 错 开 一 定 距 离 。 在 电 磁 铁 线 圈 不 通 电 时 ， 动 子 位 置 由 永 久 磁 铁 决 定 。而 在 两 个 电 磁 铁 按 一 定 顺 序 轮 流 通 电 时 ， 将 使 动 子 以 一 定 齿 距 作 步 进 运 动 。如 果 对 两 个 电 磁 铁 不 是 轮 流 通 电 ， 而 是 使 其 中 的 电 流 一 个 按 正 弦 变 化 ， 一 个按 余 弦 变 化 ， 则 可 使 动 子 运 动 平 滑 ， 步 距 很 小 。 其 步 距 （ 位 置 ） 分 辨 率 可 以达 到 0.01m m 以 下 。 在 要 求 高 精 度 定 位 的 场 合 ， 例 如 绘 图 仪 、 磁 头 定 位 机 构 、激 光 定 位 器 和 数 控 系 统 中 得 到 较 多 的 应 用 。 TZ1采 用 一 枚 1/2.5寸 大 的 500万 有 效 像 素 CCD。 搭 载 的全 新 莱 卡 镜 通 过 折 射 光 路 设 计 实 现 了 10倍 光 学 变 焦 。其 结 构 为 10组 12片 ， 内 含 3片 非 球 面 镜 片 ， 相 当 于35m m 相 机 焦 距 的 35-350m m ， 最 大 光 圈 F2.8-4.2， 最 小微 距 5cm 。 另 外 机 器 的 自 动 对 焦 系 统 还 采 用 了 直 线 电 动机 驱 动 ， 能 够 实 现 更 快 、 更 安 静 、 更 精 确 的 自 动 对 焦 。