电机扩大机

功率扩大机

电机扩大机亦称“功率扩大机”。自动控制用的一种直流发电机。在控制绕组（励磁绕组）上施加微弱的电信号，即可从电枢绕组获得较大的输出功率。功率放大倍数可达10万倍。采用多个控制绕组，可作为多信号控制，反应迅速。常见的有交磁扩大机、自励扩大机，后者又分转控机和调控机。

产品简介

在控制系统或伺服机构中，经常需要利用小功率信号来控制大功率输出的放大装置，例如由晶体管、晶闸管等电子器件组成的电子放大器、磁放大器和电机扩大机等。电机扩大机（英文名称为rotating amplifier）是指对各控制绕组输入的电信号在电机内进行励磁合成并经放大后以一定功率输出的特殊结构的直流发电机。

电机扩大机是用于自动控制系统中的一种旋转式的放大元件，它主要用作功率放大。对于小容量系统，可以直接用它对直流电动机供电，对于大容量系统，可用它供给或自动调节直流发电机、直流电动机的磁场电流，以达到生产工艺对机床电气自动控制系统提出的要求。

电机扩大机的种类很多，一般可分为交轴磁场电机扩大机、直轴磁场电机扩大机、白励式电机扩大机。目前国内生产的多为交轴磁场电机扩大机（简称交磁放大机或电机扩大机），其功率范围为0.15～11kW，电压有60V、115V、230V三种。

产品特点

电机扩大机具有以下特点：

（1）过载能力大。电机扩大机的瞬时过功率可达到额定值的2倍，瞬时过电压和过电流可分别达到额定值的1.5倍和2.5倍。

（2）放大系数大。功率放大系数可达50000。由于放大系数大，故要求输入的控制信号小，一般要求控制绕组的输入功率为0.5～1W。

（3）多参量控制。电机扩大机一般设有2～4个控制绕组，每个控制绕组都能独立地对输出功率起控制作用，故能进行多参量控制。

（4）输出功率的极性容易变换。改变输入控制绕组电信号的极性即可改变输出功率的极性。

此外，电机扩大机的输出功率是由驱动它的机械功率转变而来韵，故只需有原动机即可得到可控的电功率输出，因此适用于野外、舰船、战车等，还可作为功率放大装置和电压可调的直流发电机使用。

产品结构

电机扩大机有两种基本结构形式：一种是单轴式，具有单轴伸或双轴伸，不带驱动电动机；另一种是共轴式，是指电机扩大机与驱动电动机共轴。驱动电动机可用三相交流异步电动机或直流电动机。

电机扩大机的结构与直流电动机相似，但定子铁心由于要将放大绕组、补偿绕组、换向绕组、交轴助磁

绕组和交流去磁绕组安放在适当的位置上，故定子冲片具有不同形状的大、中、小槽，与一般直流电动机不一样，见图1。此外，电机扩大机的利杆对数比直流电动机多I倍，直轴电刷与交轴电刷互成90°电角度。

电机扩大机根据其输出功率的大小，磁极对数为1或2。输出功率小于25kW的采用1对磁极；输出功率为25kW以上的采用2对磁极。

基本原理

电机扩大机是以交轴反应磁通作为主磁通的具有共磁系统和两级放大的他激式直流发电机。工作时电机扩大机的转子由电动机或其他原动机拖动。其工作原理如图2所示。

当控制绕组通以控制电流Ik时即产生直轴磁通乱，当电枢转动后，电枢绕组Φk产生感应电动势，在电刷qq两端产生电势Eq，接上负载即可输出功率。此时发电

机的输出功率与控制绕组输入功率之比（即功率扩大系数）为20～100，完成第一

级放大。当电刷qq端接上负载后，电枢电绕组即有电流通过，产生电枢反应磁通Φq，电枢绕组切割Φq，在电刷dd间产生感应电势Ed，Ed的大小与Φq成正比，同时与电刷qq的负载电流成正比。将电刷qq短路，由于电枢绕组的电阻很小，因此Φq很大，导致电刷dd间输出功率很大，完成第二级放大，使电机扩大机的扩大系数达到500～50000。此时发电机成为无补偿的交轴磁场电机扩大机。

发电机接上负载后，负载电流产生的纵轴电枢反应磁通壬。Φad与控制磁通Φk方向相反，削弱了控制磁通Φk，随着负载电流的增大，Φk增大，导致Eq，Φk和Ed建立不起来。为了消除Φad的影响，可在发电机的定子上装设一套补偿绕组B，该绕组与负载串联，产生的磁通ΦB与Φk方向一致，随着Id增大，ΦB也增大，故能有效地消除Φad的影响。补偿绕组与补偿调节电阻（由固定电阻和可调电阻串联而成）并联，调整补偿调节电阻的值即可改变补偿绕组的补偿程度。因电枢绕组是沿转子圆周分布的，为了更好地抵消Φad，补偿绕组采用不均匀分布绕组，安放在定子铁心的小槽和中槽中。

为了改善电机扩大机的换向，在定子的直轴上设有换向极，极上安放换向绕组并与直轴电路串联。因电机交轴方向的大槽中绕组较多，不便装设换向极和换向绕组，故在直轴的大槽中设置交轴助磁绕组与两交轴电刷串接，使其产生的磁通与Φq方向相同，这样即可保持在Φq不变的情况下减小交轴电流Iq以改善交轴换向。

为了削弱由磁滞效应引起的剩磁电压对电机特性的影响，通常在定子铁心的轭部绕有交流去磁绕组。当发电机运行时，去磁绕组与低压（2～5V）交流电相接。

产品分类

电机扩大机根据其工作原理可分为交轴磁场电机扩大机（或称交磁电机扩大机）、直轴磁场电机扩大机或称纵磁电机扩大机）和自差式电机扩大机3种类型。目前国内外生产和使用最广的是交轴磁场电机扩大机。如我国生产的ZKK系列电机扩大机即属于交轴磁场电机扩大机。

交磁电机扩大机

交磁电机扩大机是一种用于自动控制系统中的旋转式放大元件，它能将微弱的控制信号放大成较强的电功率输出，其功率放大倍数很大，可达200～50 000。由于这种电机扩大机是利用交轴磁场进行放大工作的，所以称为交磁电机扩大机或交磁扩大机。

1．交磁电机扩大机的结构

（1）转子

交磁电机扩大机实际上是一种特殊的直流发电机，其电枢绕组和普通直流发电机一样，但在换向器上放有两对电刷，一对和普通发电机相同，放在磁极中性线上，即与磁极轴线正交，称为交轴（或横轴）电刷；另一对称为直轴（或纵轴）电刷，放在磁极轴线上。

（2）定子

交磁电机扩大机的定子结构如图3所示。其定子由硅钢片冲叠而成，铁芯上有大、中、小三种槽形，槽内分别嵌入不同绕组。为了易于做到气隙均匀、磁极位置准确，交磁扩大机的定子多采用隐极结构。

2．交磁电机扩大机的特性

交磁电机扩大机的特性有空载特性和外特性两种。

（1）空载特性

空载特性是指电机的转速保持不变（为额定值）时，电机的空载输出电势Ed与控制绕组磁势Fk之间的关系。

由空载特性曲线可以看出：在曲线的起始阶段，Fk增加，Ed变化较慢，这是因为Fq，Fq也较小，此时电刷接触电阻大，降低了扩大机的放大倍数；中间一段，Ed增加较快，最后由于磁路饱和，Ed又变化慢了。当Fk减小时，Ed将不会沿原来的曲线变化。Fk=0时的Ed输出电压称作扩大机的剩磁电压。交磁扩大机由于有两级放大作用，所以其剩磁电压较大，无交流去磁绕组时，其剩磁电压可达额定值的15%；有交流去磁绕组时，其剩磁电压可达额定值的5%以下。

（2）外特性

当电机转速不变、控制绕组的励磁电流为常数时，其输出电压Ud与输出电流Id之间的关系如图4所示。

电机扩大机端电压Ud的变化除了与电机内部（包括电枢绕组、换向极绕组和补偿绕组）的电压降有关以外，还与补偿绕组对电枢反应的补偿程度有关。根据补偿绕组对电枢反应的补偿程度，扩大机的外特性可分为三种情况。

①全补偿

即补偿绕组的磁势等于直轴电枢反应的磁势。这时当变化时影响的因素只有扩大机的内部压降，所以Ud随Id的增大而略有下降，如图4中的曲线1所示。

②欠补偿

即补偿绕组的磁势小于直轴电枢反应磁势。在这种情况下，扩大机的外特征更加倾斜，如图4中的曲线2。若无补偿时，带上很小负载，Ud即降到零，所以不能正常工作，如图4中曲线3所示。

③过补偿

补偿绕组的磁势大于直轴电枢反应磁势。这时，扩大机的外特性在全补偿之上，当补偿过强时，外特性会出现上翘的现象，可能引起扩大机自励，因而失去控制作用。因此，使用中一般应避免过补偿。

交磁电机扩大机具有放大倍数高、时问常数小、励磁余量大等优点，且有多个控制绕组，便于实现自动控制系统中的各种反馈，因而在自动控制系统中应用较为广泛。其缺点是制造工艺复杂、成本高、体积和质量比同容量的直流电机大，并且维护比较麻烦。

目前，我国生产和使用的电机扩大机为ZKK系列，容量较小的电机扩大机一般与驱动异步电动机装在一起，制造成异步电动机一扩大机组。

注意事项

（1）正确地确定电刷位置电刷位置对电机扩大机的性能有明显的影响。电机扩大机在出厂时，制造厂对电刷位置作了明显的标记，调整电刷位置时注意不要偏离过多。

（2）恰当地调节外特性硬度，制造厂保证电压变化率为30%时，全部外特性不上翘，并对补偿调节电阻触头位置作了明显的标记。用户为了满足系统要求，可以通过改变补偿调节电阻来改变外特性的硬度，但对外特性过硬可能引起的负载自励要有充分的保护。

（3）适当施加交流去磁绕组电压交流去磁绕组电压过高或过低，对削弱剩磁不利，而且过高还可能引起电压摆动。交流去磁绕组电压一般为2～5V。

（4）在调整和运行过程中应避免短路、自励、过分强励及长期单一方向使用，以免造成剩磁电压过高，以致难以矫正过来。

（5）应注意电刷接触面和换向器工作表面运行情况，以及补偿调节电阻的接触情况。因为交轴电刷的接触电阻对交轴换向、放大系数、电压摆动等都有明显的影响，而调节电阻接触不良可能引起负载自励。所以更换电刷时，其牌号应与出厂牌号一致。取出电刷再放进刷盒时，要注意方向。应避免电机逆转而引起电刷与换向器的接触而变坏。在重新精车换向器工作表面时，必须以轴承外圆定位，以保证换向器与轴承的同轴度。

产品应用

在位置伺服系统中的应用

图5是包含有电机扩大机的位置伺服系统。在此系统中，电机扩大机作为放大元件使用。当控制式自整角发送机CX和控制式自整角变压器CT处于协调位置时，CT转子没有信号输出。若CX转子转过p角度，则CT转子绕组端产生与0角成正弦关系的电压Usin0，此电压作为位置误差信号输入相敏检波器，并经过放大输入到电机扩大机的控制绕组产生控制磁通，由于电机扩大机是以恒定速度转动的，因此电机扩大机的直轴有大功率输出并输入到他激直流电动机的电枢（他激直流电动机的激磁绕组由恒定电压激磁），电动机即转动，经过齿轮减速带动负载和CT的转子，直至CT的转子转过口角度后，CX与CT进入新的协调位置，CT转子绕组的端电压为零，导致电机扩大机控制电压为零，电机扩大机没有功率输出，直流电动机立即停止转动。火炮控制系统就是采用这种原理，其中CX与雷达转轴联接，负载为火炮的旋转轴并与CT联接。当雷达捕捉到飞行目标后，跟踪飞行目标，进行射击。

在自动调速系统中的应用

图6是电机扩大机在自动调速系统中应用的原理图。图6中，他激直流电动机ZD的电枢由电机扩大机供电，激磁绕组由恒定电压激磁。直流电动机除带动负载外还带动直流测速发电机ZC（由另～恒定直流电压激磁）。ZC的输出电压与转速成正比，经调节后输到电机扩大机的控制绕组K2，产生磁动势F2与控制绕组K1所产生的磁动势F1的极性相反，F1和F2的合成磁动势F成为电机扩大机的控制磁动势，电机扩大机电枢即产生与控制磁动势成比例的电功率并输入ZD，使ZD以恒定速度旋转。当由于负载变化等原因使ZD的转速下降（或上升）时，则ZC的输出电压相应地下降（或上升），使合成磁动势F增大（或减小），结果使电机扩大机的输出功率上升（或下降），最终使ZD的转速上升（或下降），自动调整到原先的转速。

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