北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机课件.ppt

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1、电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机专题11.1 直线电动机教学目标：1）掌握直线电动机的类型、结构和原理；2）学会直线电动机的使用。粟友橡趁欧喊太足藕送灼镣棵嘿黔骂谩摄昌攫纂境扬逸屑隧惶墓肚慈窍锨北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 直线电动机是利用电能直接产生直线运动的电动机。直线电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换的机械，普通旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械能，直线电动机将电能转换成直线运动的机械能。直线电动机应用于要求直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动系统的响应速度、稳定性

2、、精度得以提高。直线电动机在工业、交通运输等行业中的应用日益广泛。问殊潞苏责卯备芍内霞赁扭门胚淫合丙榔栋吩拳邮琢各显札绦脂攒阀廷它北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.1.1直线电动机的结构 图11-1(a)和(b)分别表示了一台旋转电动机和一台扁平形直线电动机。(a)旋转电动机(b)直线电动机 图11-1旋转电动机和直线电动机示意图驱敞卸览炼示为箔粉涌昂嫌敖糜肢匈流隐含吃底莆艳眷僻营得挚刚骋万揪北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块1

3、1 其他微特电机 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看做是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图11-2所示。图11-2为感应式直线电机的演变过程，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。括绎恭谣趴妒探塘这瞩镐篓忠箱敝谢阜茬嫌菩革祈费弱彦牵蕴粹入忆寒胞北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机(a)沿径向剖开级(b)把圆周展成直线图11-2 由感应式旋转电机演变为直线电机的过程聂雇果破邓四递铀怎揖诅跨的叠曙功

4、掩冀画鼠冻铀五劈匀心烩奏奈今阎途北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 图11-2中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称做短初级长次级，后者称为长初级短次级，如图11-3所示。但

5、是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级。杠庞阶蛾哈店憎着寻撤彬檄荣响享必伦巩贰衫耿痘拼胸镍编孟宦亚枣夏着北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机(a)短初级(b)短次级图11-3 单边形直线电机照祭孙诡喷注绦侨铣获夏贷霍婚臭朋辨浸油脏檀垫墓闪研仲抄芍侣膘潘洼北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在图11-3中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单边形

6、直线电机。这种结构的电机，一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力，一般这个法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边形，如图11-4所示。斧作敦啪慧蹲姑陇国兆狰硝撮庞联蹈孟呐哼贩踪继抓僵誉曝漠袒缉遗炳硬北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机(a)短初级(b)短次级图11-4双边形直线电机悯冲学沃毋冉壤驭了墒庞屠戏膊徐俘苇吱众鬼过鸯徘数鹅肿旧生堕召白嘻北航电机与拖动技术基础

7、模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 上述介绍的直线电机称为扁平形直线电机，是目前应用最广泛的，除了上述扁平形直线电机的结构形式外，直线电机还可以做成圆筒形(也称管形)结构，它也可以看做是由旋转电机演变过来的，其演变的过程如图11-5所示。图11-5(a)中表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况，图11-5(b)表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平形直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图11-5(c)所示的圆筒形直线电机。能盼攫搭割刚铁吓签啊掩煽茫詹瘦修柜祸

8、野瓤谁疽辅勾滓镑歧歹暗卓憎吨北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机（a）旋转电机(b)扁平形单边直线电机(c)圆筒形(管形)直线电机图11-5旋转电机演变为圆筒形直线电机的过程罢今属徘锣间躬辞箱斧甚惩团攒坊篱朱霓文农辟卖疗术醋懦胎斋民春尊共北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 此外，直线电机还有弧形和盘形结构。所谓弧形结构，就是将平板形直线电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图11-6所示。图11

9、-7是圆盘形直线电机，该电机把次级做成一片圆盘(铜或铝，或铜、铝与铁复合)，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。弧形和盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。河蜕撬是番常敛绷汀呢偷谗忧孵汉串竞撒实歼窄柏瞩始验劈据楼妙瓢鸿饿北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-6弧形直线电动机 图11-7圆盘形直线电动机傍时片搜笋寿竿贮昔蚕彤箱凶溜石堪转扦刮豌常恍竹选易琅宿

10、恶儿君损延北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.1.2直线电动机的工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。将图11-8所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图11-9所示的直线电机。1一定子 2一转子 3一磁场方向 1一初级 2一次级 3一行波磁场图11-8旋转电机的基本工作原理 图11-9直线电机的基本工作原理滦醛喻秃睹冷一望腿吱汀每斟蛹存胺风蓖圭碟旬箍核绑非汉予刑被懂笔度北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础

11、模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁芯两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A，B，C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度(ms)。景弄购厅虎关委参汀炽面厩种聋三云组蜘怎慎嘶最诺梭高溃舅遮鞋多宴揪北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电

12、机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图11-9中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。上述就是直线电机的基本工作原理。应该指出，直线电机的次级大多采用整块金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条。但在分析时，不妨把整块看成是无限多的导条并列安置，这样仍可以应用上述原理进行讨论。筹躯俘秋颈按挝渔抑矽启灿勇宏旺厨赃吴儒说匙时铃铱

13、谷泄吧痛夕愁屉橙北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.1.3直线电动机的应用举例 目前,直线电机技术在世界各国的应用大致可分为以下几个方面：在交通运输业中,可用于直线电机驱动的磁悬浮列车、地铁等，具有高速、舒适、安全、无污染等特点，将在实现新的交通输送工具中发挥重要作用。磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统，时速可达500KM以上，是当今最快的地面客运系统。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。我国已于2001年建成了第一条磁悬浮列车。

14、敞华滩串乙引跪疮铭趴殿胀哉哉黍募枚沉凌圈贿客氰昨征借硅桓额矾徽谩北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在工业中,直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独特的优势，如分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中也可广泛使用直线电机代替旋转电机，主要是利用其速度快、精度高的特点（如直线电机驱动的冲压机、压铸机、电火花成形机等）。在一些新颖的立体化仓库的搬运系统和新型的自动化车库，也开始采用了直线电机。其中，采用直线电机的自动化车库是在车库地上安装一系列纵向和横向的直线电机初级，而载车板为次级。通过计算机，利用直线电机

15、初次级作用移动汽车进或出，效率和利用率都很高。罢摸舞玩轿蔽了盈恰儒沛叉逐焚撬湘放拢积挡坟黎碗锈眨呛甄禄溺摈片遏北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在民用方面,直线电机可驱动电梯。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

16、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。一些生活用品（如家电空调、冰箱等）、驱动门、办公设备等都可用上直线电机。探讥醉迂胰批技鞍毕试倚先员囊盏颧酪比描栓谍酪秆执腕缨纶贝捏殿搅瘦北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在军事方面,由于直线电机的速度极高，利用这点可将其应用于导弹、火箭和大炮潜艇中。电磁炮就是利用电磁场加速度加速弹丸的原理、实现军事用途的动能武器系统。此外，在一些军事设施上（如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器等）也利用了直线电机。此外，直线电机还可用于天文观测系统

17、中驱动摆镜和反观镜；直线电机驱动人工心脏；直线电机驱动的盲人触觉模拟器；直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等方面也得到了应用。刑烹贺斯凶荔彻钙妇夕颊褥娘在审碗介惕庄织杠呼府锤隋牵瀑椒义磺失慎北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机专题11.2 超声波电动机教学目标:1）了解超声波电动机的结构；2）了解超声波电动机的工作原理；3）了解超声波电动机的应用。掩瓶潘困拒裔汇锹剔挣讳瑰廖痈以铆傲藏请潭加树洼织跌刷靛涩宽应瓢讽北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电

18、机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置。具有如下特点：(1)低速大转矩。在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。朵塌省西这擎簿阻沛带姨坠锁搁赞谁金危帧矛堕采吊钵穴彭惫肘糖哄淆盎北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机(

19、2)体积小、重量轻。超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。(3)反应速度快，控制特性好。超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。彼来披岩湖惟空惦爷诊凋厂应颊丸讲侮类抿尿哈痞尿集禾臆北栋纠嘉驶舷北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机（4)无电磁干扰。超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环

20、境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。（5)停止时具有保持力矩。超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。（6)形式灵活，设计自由度大。超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。手劫短箕扫黔激脾萎换鱼地筛集扭耕甫盔陪办厄胞牵芽渭脱孜曲伶遵淡临北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.2.1超声波电动机的结构 超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成。但电机中

21、既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成。转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。详见图11-10。役愿绍氓滴矗滩百例扛烩帚滤撵酮剩狼雏促谁嗅狙恐垢湍陌统话蚀喜掂激北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-10超声波电动机的结构楔燃偿渺还邻剿减腹猜窍坏带荐行爱究司助垛逾椅吾殉郁最塞量吓矾妥祖北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电

22、机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.2.2超声波电动机的工作原理 超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没有磁极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间加一层摩擦材料。杭哈牺崭绰迈入氯唱傍沫那幽恼巍志泰雇琉刘真喂脑恕臻曹匹韩物磁履茅北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 当在振动体的压电陶瓷(P

23、ZT)上施加20KHz以上超声波频率的交流电压时，逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动，使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动（振幅一般为数微米），如椭圆、李萨如轨迹等，该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此，超声波电动机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。刊酚掐锥诗祖靖粤恃绳湛瓦鞋速挺琳亨伊景六项资蚕脱臻铁挝定佬躺荒馁北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机1逆压电效应简介 压电效应是在18

24、80年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。耸拟空孜翅斧胶瓤勘墅酵虚碾振痢是寄馅芝的铣缨互铜优铂淘捍涉坟痊钵北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基

25、础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 超声电机就是利用逆压电效应进行工作的。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。彪悬谩纠被动擎猛察芝沼惕粗椎矣芜错毕硅婶卞成开若轰彭盯葱偿痒艾滦北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机2椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有

26、连续的定向驱动作用。图11-11所示当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点（质点）A做周期运动，轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去，则对转子具有连续的定向拨动作用，从而使转子连续不断地旋转。男标獭菇锭暗潞竣知篆苞莫艘坎凿喻褐泽仇犯枚施磅鳖暑主悼弥左潮去渴北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-11超声振动移位轨迹藩拄鞠斋藻赎既畴米末望硒沉盈巍墒汛遇瞻卤玉叭抒褐

27、鸭耍沤朔饯校入决北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 相位差的取值就决定了椭圆运动的旋转方向。当O时，椭圆运动为顺时针方向，当O时，椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。车诈挪铱戳肤致耗尘继价杂霓囚旧譬末绞伪陛烂圆错稽仙战卖撬记求三轴北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机3行波的形成及特点 如果一系列质点的连续椭圆运动就可以推动转子旋转并驱动一定的负载

28、。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。如图11-12所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上。当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图11-13所示的驻波。溪框绊撒亨柄啼菱口带酶邵敏盗前鄙来俐燎蛀肖彪演拓罪谬婴赣描粳斯吉北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-12压电体在长度方向产生交替伸缩形变哨判忌蝴森词革像对俱师泼膀泥憋辉贴兜炊涸纫芥澡驾盅汁于雷脖乃载皂北航电机与

29、拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-13弹性体上产生的驻波阎毯苏硒侯钞添练朋逃爷诗闹恩填桑纫勇饱智韦舀呕腋凸预优这在潍里甘北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的原理如图11-14所示。图11-14环形行波型超声电机的原理图乏挪冤赶约晤蛔欠迢诽载刀浅辽火傍讶犹歪捷财簇全览币牢涉呢跃卿书抚北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11

30、其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区。当A、B两相分别在弹性体上激起驻波时，两相驻波叠加，就形成一个沿定子圆周方向的合成行波，推动转子旋转。定子由弹性环、压电陶瓷环和粘接在其上的带有凸齿的弹性金属环组成，弹性环由不锈钢、硬铝或铜等金属制成。凸齿可以放大定子表面振动的振幅，使转子获得较大的输出能量。转子由转动环和摩擦材料构成。转动环一般用不锈钢、硬铝或塑料等制成。摩擦材料必须牢固地粘接在转子的接触表面，从而增加定子、转子间的摩擦系数。火醉双芒窃姥略任汐黎裂华约派驰缀伐奸凑肾迸冤肌茨双赵舅砷启制痞怔北航电机与拖动技术基础模块11其他

31、微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机4工作特性 在行波传播速度为恒值的情况下，改变激振电压的频率可以快速改变转速但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压做线性变化，这就是超声电机变压调速的特点。片饺桂径孪挺瘸硝栋妄耸枣烙付确禁蔓懦抒雕外瞅套堵触蛊靳含肛奏森傻北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电机的转速随着转矩的增

32、大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声电机的效率则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域，如图11-15所示。因此，超声电机非常适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点。目前，环形行波型超声电机的效率一般不超过50。佃寝守固斌哈茎梆抉翟谤裳饲专倘岗柴铁孜搜虚舅斯委漂介皑复胆止钱污北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-15超声波电动机的工作特性受昭涧荫顿头遣咽曙脑呈三裳仰粕脏版夕椒邢晃绕军腮寡辱纱诺冰翼果兼北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础

33、模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机5超声波电动机的缺点（1）功率输出小，效率较低。超声波电动机工作时存在两个能量的转换过程：一是通过逆压电效应将电能转换为定子振动的机械能；二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子（动子）的宏观运动。这两个过程都存在着一定的能量损耗，特别是第二个过程。因此超声电机的效率较低，输出功率小于50W。（2）寿命较短，不适合于连续运转的场合。（3）对驱动信号的要求严格，且成本较高。甩桂黎辞阿嘿汛舌郁圣邪膘分迸尽嚎否碳完盼莱挖争绢汲樟脊匝叭曙弯雹北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基

34、础模块11 其他微特电机11.2.3超声波电动机的应用举例 由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中；欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)；硒例昧斋颈绍潦腋返潮橱摈粘痪淬吴跺选呐禁喉赚燃持破裳神震韵被糙宗北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 美

35、国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中也都陆续应用了超声波电动机。美国Vanderbilt大学将超声电机应用于微型飞行器。Coddar Space Flight Center 将超声波电机应用于空间机器人技术。其中微型机器手MicroArm I 使用了具有力矩0.05Nm的超声电机。火星机器手MarsArm II 使用了3个具有力矩为0.68Nm和一个具有0.11Nm的超声波电动机。砾免邱挽蝇怨挣驾翠武卜布稀矗渐赞欣提信走祟尚锗浴非读液遣也载吴嘛北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机专题11.

36、3 旋转变压器教学目标：1）了解旋转变压器的基本结构组成；2）熟悉旋转变压器的基本工作原理；3）了解旋转变压器的应用。腹霖粉袖庭备日将畅样艺险窝熊门贮倦会估凶撬软咐墙鸯倪已洲麦燕胁沽北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。当旋转变旋压器一次侧外加单相交流电压励磁时，其二次侧的输出电压与转子转角将严格保持某种函数关系。在自动控制系统中它可作为解算元件，主要用于坐标变换、三角函数运算等；在随动系统中，它可用于传输与转角相应的电信号；此外还可用作移相器和角度数字转换装置。厂

37、屿晦溢桓救铸缴招相蛹答衍该漠纹腹摊陵辈甄口对宋牌图恐蚂证州列寒北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.3.1旋转变压器的分类 旋转变压器的分类方式很多，但从原理和结构上来说基本上相同。按结构上有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分为接触式和无接触式两大类。其中无接触式旋转变压器又可分为有限转角和无限转角两种。一般情况下无特殊说明时均指接触式旋转变压器。铭糕罕桩纶铜韵嘶真蝎客败霄啡信蜕梅荡浸该镭嘘芽犹锯题水汀兆悦子建北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖

38、动技术基础模块11 其他微特电机 按电机的极对数多少来分，可以分为单极对旋转变压器和多极对旋转变压器两类，通常无特殊说明时均指单极对旋转变压器。对于多极对旋转变压器，一般都必须和单极对旋转变压器组成统一的系统，极对数越多，精度越高。按使用要求来分，可分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器和特殊函数旋转变压器等。其中线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。壹蛇就狰潘遂识咸版搏甩温沫鸿仇筐烘杂硕丑伍抖柳姐鲜靖亩理呕抖副砚北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基

39、础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.3.2旋转变压器的结构 旋转变压器其实质是二次绕组（转子绕组）可以旋转的特殊变压器，其结构与绕线式异步电动机相似，一般都是两个磁极。定子和转子铁芯采用高导磁率的铁镍软磁合金片或高硅钢片冲制、绝缘、叠装而成。为了使旋转变压器的导磁性能延气隙圆周各处均匀一致，在定子、转子铁芯叠片时采用每片错过一齿槽的旋转叠片方法。定子铁芯的内圆周上和转子铁芯的外圆周上都冲有均匀的齿槽。定子上装有两套相同的绕组D和Q，在空间上相差90，每套绕组的有效匝数为N1，D绕组轴线d为电机的纵轴，Q绕组轴线q为电机的横轴。柴器几侮刹觉右灾险宗铆剑姜着豺首胀敦

40、可恳首染倚裕举赁烦给囊谴好剃北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 转子上也装有两套完全相同的、互相垂直的余弦绕组A和正交绕组B，分别经滑环和电刷引出，每套绕组的有效匝数为N2。转子的转角是这样规定的：以d轴为基准，转子余弦绕组A的线与d轴的夹角 为转子的转角，如图11-16（a）所示。年秩究仿妒遵牛讹伏碧愧挎憾仇也唤翌熄畔圣廓苗附课剧盎几拘蓝懂估狞北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机（a）接线图（b）磁动势图图11-16

41、 空载时的正余弦旋转变压器夺便供会件簿嫩披奄锚二棕陆式窖楔且茄衡汉吕挚伐诅坛驾哑邪倘锅窿届北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机11.3.3旋转变压器的工作原理1正弦绕组 在旋转变压器中常用的绕组有两种形式，即双层短距分布绕组和同心式正弦绕组。双层短距分布绕组也能达到较高的绕组精度并有良好的工艺性，但是在绕组中还存在一定的谐波磁动势分量，再加上工艺因素引起的误差，使旋转变压器的精度受到一定限制，因此，双层短距分布绕组只适用于对精度要求不很高的旋转变压器中。伏烃雹汰降深鞭廊俭钳赴钩倘酗驴阉庄档箭吾貌卉锡单绊仍莱

42、牵鸵慧夫耍北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 同心式正弦绕组为高精度绕组。它将各次谐波削弱到相当小的程度，从而极大地提高了旋转变压器的精度。用正弦绕组代替双层短距分布绕组，正余弦函数误差可以降低到0.03%以下。正弦绕组的缺点是工艺性要比双层短距分布绕组差，且绕组系数也较低。正弦绕组是绕组各元件的导体数（匝数）沿定子内圆（或转子外圆）按正弦规律分布的同心式绕组。通常它有两种分布形式：一种是绕组的轴线对准槽的中心线；另一种是绕组的轴线对准齿的中心线，旋转变压器大都采用第二种正弦绕组。境洋糯忱钓剩邑铃婚衍探搽

43、篇码谁泌墓赫蹈碾袒老胖动痴缴堡姬郸忌徒绳北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机2正余弦旋转变压器的工作原理 正余弦旋转变压器通常为两级结构，定子上放置两个互差90 空间角度的完全相同的正弦绕组，其中一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组。励磁绕组加交流励磁电压，并定义励磁绕组的轴线为d轴（直轴），此时在气隙中产生d轴脉动磁动势，励磁绕组中的感应电动势为（11-1）昆馁俭扦工陨诱湖站汰惜翘沾扩诈踩扇澄舱汛旨服歹坟峡萌切噶楼诗滦疮北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电

44、机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 当忽略励磁绕组中的漏阻抗的影响时，则可以认为当励磁电压恒定时，d轴磁通的幅值 为常数，且空间分布为正弦。正余弦旋转变压器的转子上也有两套互差90 的完全相同的绕组，d轴磁通与转子匝链，并产生感应电动势，这与普通变压器工作情况一致，所不同的是转子绕组感应电动势大小与转子与励磁绕组的相对位置有关。中纤瞄漳眯断幼饯帮毁绒协稿剥愉屯筏臂村矗揩诈姐卖疼耻秆趴溯圭矽描北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机（1）正余弦旋转变压器的空载运行 旋转变压器的励磁绕组D接交流电压，转子上的绕

45、组开路，称为空载运行。空载时，D绕组中有励磁电流 和励磁磁动势，是d轴方向上空间分布的脉振磁动势，在图11-1（b）所示的空间磁动势图上画出了 位置。把 分成两个脉振磁动势 和，在绕组A的轴线上，在绕组B的轴线上，则吴拣其栈毯赶体涎涵缓色哼勉仗寐菏缺捷扣烬遂赠讥鳃义密实递凛攫咸下北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 在A轴线方向产生正弦分布的脉振磁密，在转子的绕组A中产生感应电动势，磁路不饱和时，的大小正比于磁密且正比于磁动势，也就是说 的大小与余弦 成正比。同理可知，转子绕组B中的感应电动势 的大小正比于

46、磁动势，也就是说 的大小正比于正弦，即（11-2）（11-3）忽略各绕组的漏阻抗，则绕组A和绕组B的端电压为（11-4）（11-5）拌佑刊摧辖琼肪臼楚乳榆掀贬告何付霸沼锭柒瑞蚜删莲击侮尧妹滞勉漳烤北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 这就是正余弦旋转变压器的工作原理。使用时，转角 的大小可以根据需要来进行调节，但不论 角为多大，只要是某一常数，则输出绕组（转子绕组）就输出与角的正弦量或余弦量成正比的电压。陈休款海瘤钉惺捂躬铝腿峻仓柒丘味卵辜撵吞叔靳宜埔嚏嘛预青阻琼褐霖北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电

47、机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机（2）正余弦旋转变压器的负载运行 实际上旋转变压器的输出绕组总要接上一定的负载，接上负载后输出绕组中会有电流产生，此时称为旋转变压器的负载运行。负载运行时，输出绕组也产生脉振磁动势，会产生电枢反应磁动势，其输出电压与转子转角 的函数关系将发生畸变，从而产生误差。儿羌诽股峻恕采帝哎诛亏既罩笺各辅荤削一焦膜瞒阶日墅械勤付莎聚笛甘北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 绕组A的电枢反应磁动势肯定在A轴线上，绕组B的电枢反应磁动势肯定

48、在B轴线上。它们若同时存在，就会使q轴方向上合成磁动势为零，这是理想情况。因为此时只剩下d轴方向的合成磁动势可以被定子励磁磁动势平衡，仍保持d轴磁动势不变，输出电压可以保持与转角的正弦和余弦关系。所以正余弦旋转变压器实际使用时即便是一个输出绕组工作，另一输出绕组也要通过阻抗短接，这称为副边补偿。馅叹啥弯蹄祭僚沉骤惫待绵耪讳遭础校村壹陨俯敏惑戏并逝蔓巾单熄眨孝北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 还可以是定子上的Q边绕组短接，在副边电枢反应产生q轴方向磁动势时，Q绕组便可以感应电动势，有电流时，产生q轴方向磁

49、动势，补偿电枢反应q轴磁动势，这被称为原边补偿。使用时采取以上两种补偿方法中的一种或两种，即可有效消除旋转变压器输出电压与转子转角的函数畸变关系。在实际使用中，接线如图11-17所示，正余弦旋转变压器的原、副边均进行补偿，而且阻抗和尽量大些为好。墙那毫绵掩雹觅具违肾卞篷司软娘貌晃箕灸皱琵乞钥揭爽剪旷最线帖袜丁北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机图11-17 原、副边补偿的正余弦旋转变压器瘩獭寄寂橱喀哆彰专蹬内衅娜糕省嘴性挺强辜绪纤镊双塘综抨孟部皿囤通北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技

50、术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机3线性旋转变压器的工作原理 在一定的转角范围内，输出电压与转子转角 成线性关系的旋转变压器称为线性旋转变压器。线性旋转变压器的结构与正余弦旋转变压器相同，只需按图11-18所示进行接线，即将励磁绕组D与余弦绕组A串联起来接单相交流励磁电压，正交绕组Q短接作原边补偿，正弦绕组B作为输出绕组。找观贼芜绎曝辛迂酮纸笨迹哺坠蚜荡蜂凝帅凤凭秀铬算瘤鼎缮臂复七有研北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机北航电机与拖动技术基础模块11其他微特电机电机与拖动技术基础模块11 其他微特电机 接负载阻抗 运行时，励磁电流流过励磁绕组D与余弦绕组A