1.6 微特电机

在自动控制、自动检测和计算机外围设备中，广泛应用着各种特殊的微型电机。微特电机的种类繁多，按用途的不同，可分为控制用微电机、驱动用微电机、信号检测微电机和信号变换微电机。本书只介绍常用的交、直流伺服电动机、测速发电机、步进电动机和旋转变压器。

1.6.1 伺服电动机

伺服电机又称为执行电机，其功能是将输入的电压控制信号转换为转轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。伺服电动机可控性好、响应迅速，是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。

伺服电动机分交流和直流两种。交流伺服电动机的容量一般为0.1～100W，频率有50Hz、400Hz等多种。直流伺服电动机的容量较大，一般可达几百瓦。

1.交流伺服电动机

交流伺服电动机实质上是两相异步电动机。它的定子上装有空间互差90°的两相绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组，其原理如图1-43所示。和单相电容分相式异步电动机相同，励磁绕组串联电容接到电源上，使励磁电压 与电源电压U·有近90°的相位差。控制电压 与电源电压U·频率相同，相位相同或相反。因此， 与 频率也相同，相位差也近90°。

交流伺服电动机转子结构有两种：一种为笼型；另一种为杯形。笼型的结构与三相笼型异步电动机的转子相似，只是较为细长以减小转动惯量。杯形伺服电动机的结构如图1-44所示，其转子采用铝合金或铜合金制成薄壁金属杯形；其定子分为内定子和外定子以减小磁阻，完善磁路。杯形转子放在内、外定子之间。

图1-43 交流伺服电动机的原理电路

图1-44 杯形伺服电动机的结构

由于 和 的频率相同，相位互差90°，励磁绕组电流 ，与控制绕组的电流 的相位也互差约90°， 与I 可形成两相旋转磁场。旋转磁场切割转子产生电磁转矩，驱动转子旋转。旋转的方向由电流 与 的相序决定。在改变电动机转向时，励磁电压 不变，将控制电压 反相，则I 与 的相序与原来的相反，旋转磁场的方向随之改变，于是电动机反转。

交流伺服电动机的转速可由控制电压 控制，在负载转矩不变的情况下， 为额定值 时，电动机转速最高，随着 的减小，转速下降。交流伺服电动机的机械特性如图1-45所示。当控制电压 时，伺服电动机处于单相运行状态。由于伺服电动机的转子电阻R₂设计得较大，使临界转差率s_m＞1，其T-s曲线如图1-46所示。其中曲线a、b为等效的正、反向旋转磁场所产生的正、反向转矩，曲线c为合成转矩。由此可见，伺服电动机在单相运行时，其合成转矩是与转子转动方向相反的制动转矩。所以，如果伺服电动机的控制电压 ，则不能起动；在运行时，一旦U·_c消失，立刻产生制动转矩，迫使其迅速停转。

图1-45 交流伺服电动机的机械特性

图1-46 伺服电动机的T-s曲线

从图1-45中可以看出，交流伺服电动机的机械特性很软，且斜率随控制电压大小而变化，这是它的缺点，不利于控制系统的稳定。

2.直流伺服电动机

直流伺服电动机的工作原理与他励直流电动机相似，只是为了减小转动惯量而做成细长结构，其等效电路如图1-47所示。直流伺服电动机通常多采用电枢电压U_a控制转矩和转速。励磁绕组电压U_f为定值，使磁通保持恒定。

直流伺服电动机的机械特性方程与一般直流电动机相同，即

式中，R_a为电枢电路的电阻；K_E、K_T分别为与电动机结构有关的发电常数和电磁转矩常数。

图1-48为直流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性。α=U_a/U_aN称为控制系数，U_aN为额定控制电压，在一定的负载转矩下，α值越小，电动机的转速也越低，当U_a=0时，电动机停止转动。要改变电动机的转向，可通过改变电枢电压的极性来实现。

图1-47 直流伺服电动机的等效电路

图1-48 直流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性

1.6.2 测速发电机

测速发电机的功能是将转速转变为电压信号，其输出电压与转速成正比，在自动控制系统中用来测量和调节转速。

测速发电机有直流和交流两种。本书只讲述应用较多的交流异步测速发电机。

交流测速发电机的结构与交流伺服电动机相似，定子上有互相垂直的两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为输出绕组，测速发电机的转子为杯形。

交流测速发电机的工作原理如图1-49所示。励磁绕组由单相恒定交流电源 供电，励磁电流 产生空间脉动磁通Φ_f，由于磁路设计得不饱和，Φ_f与 成正比例关系。Φ_f与输出绕组垂直，因此输出绕组中不产生感应电动势，原在静止状态的转子不会起动旋转，输出电压 为零。当转子被拖动旋转时，转子切割磁通Φ_f，产生感应电动势 和感应电流 ， 产生磁通Φ_r，其方向与输出绕组的轴线一致，因而Φ_r环链输出绕组，产生输出电压 ，且 与转速n成正比例。

图1-49 交流测速发电机的工作原理

当转子的旋转方向改变时，转子感应电动势的相位变180°，与前反相，因此输出电压 也反相。所以， 的相位反映旋转的方向， 的有效值反映旋转的转速。 的频率与励磁电压 的频率相同。

1.6.3 步进电动机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的执行元件，其转轴输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，通过改变输入脉冲频率可实现调速。步进电动机具有定位精度高、同步运行特性好、调速范围宽、反应速度快、结构简单等特点，很适合数字控制系统的要求，因此广泛应用于数控机床、计算机外围设备、自动化仪器仪表中作为执行元件。

步进电动机分为反应式、永磁式和混合式三种，本书只介绍常用的反应式步进电动机。三相反应式（又称为磁阻式）步进电动机的结构示意图如图1-50所示，其定子和转子铁心均用硅钢片叠制而成，定子上有6个凸形磁极，每个磁极上都装有绕组，每两个相对磁极组成一相。转子铁心表面有许多均匀排布的齿，转子铁心没有绕组，为简明起见，图1-50只画出4个齿的转子铁心。

图1-50 三相反应式步进电动机的结构示意图

步进电动机的转动受脉冲信号的控制，三相定子绕组由脉冲分配器控制的电源轮流通电。设L1相首先通电，L2、L3相不通电，则产生L1-L1′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时，L1，L1′极就是一对N、S磁极，在磁场的作用下，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，即转子的一对齿（1，3）对齐L1、L1′极的位置，如图1-51a所示。然后，L2相通电，L1、L3相断电，转子便在L2、L2′磁极的吸引下顺时针转动30°，即一对齿（2，4）与L2、L2′极对齐，如图1-51b所示。接着L3相通电，L1、L2相断电，转子又顺时针转动30°，它的一对齿（1，3）和L3、L3′极对齐，如图1-51c所示。如此按L1→L2→L3→L1…的顺序轮流通电，步进电动机就按顺时针方向一步一步转动。每一步的转角为一个步距角θ，电流按L1、L2、L3相顺序换接一轮，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角。这种通电方式称为单三相工作方式。此种工作方式下转子为四个齿时，步距角为30°。

步进电动机还经常采用三相六拍工作方式和双三相工作方式。三相六拍工作方式就是每个周期内有六种通电状态。这六种通电状态的顺序是L1→L1L2→L2→L2L3→L3→L3L1→L1…，可见，在六拍通电方式中，除了单相绕组单独通电状态外，还有两相绕组同时通电的状态，这时转子齿的位置将位于通电的两相磁极中间位置。因此，在三相六拍工作方式下，转子每一步转过的角度只是三相三拍的一半，转子为四齿时，步距角为15°。

在双三拍工作方式下，每种状态都是两相绕组同时通电，通电顺序是L1L2→L2L3→L3L1→L1L2…，双三拍工作时，步进电动机的步距角也是30°。

步进电动机的步距角θ的计算公式为

图1-51 步进电动机的单三相工作方式

式中，N为运行拍数；Z为转子齿数。

实际的步进电动机多采用的步距角为3°/1.5°或1.5°/0.75°。按式（1-44）计算可知转子齿数分别为40个或80个。

若要改变步进电动机的转动方向，只需按相反顺序为三相绕组通电即可。

1.6.4 旋转变压器

在电机控制中，转速的检测是非常必要的，转速的变化实质是角度位移的变化。角度位移的检测可以采用霍尔传感器、光电旋转编码器和旋转变压器实现，这里仅介绍作为电磁感应式位置检测传感器的旋转变压器。

旋转变压器是一种微特电机，主要用于角位移测量。常用的旋转变压器定子和转子各有空间分布相差90°的两个绕组，因而被称为正、余弦旋转变压器，其原理图如图1-52所示。

定子的正弦和余弦绕组励磁电压为u_1s和u_1c；转子的一个绕组感应电压为u₂，另一个外接阻抗作为补偿，θ为转子偏转角。

图1-52 旋转变压器的工作原理

设

u_1s=U_msinωt （1-45）

u_1c=U_msin（ωt+π/2）=U_mcosωt （1-46）

当转子正转时有

u₂=kU_mcos（ωt-θ） （1-47）

式中，U_m为励磁电压幅值；k为电磁耦合系数，k＜1；θ为相位角（转子偏转角）。

当转子反转时有

u₂=kU_mcos（ωt+θ） （1-48）

由此可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要测出转子输出电压的相位角就可以知道转子的偏转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一起的，因而也就测出了被测轴的角位移。