課件控制電機(jī)電子教案直流測速發(fā)電機(jī)

第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.2直流電勢的關(guān)系式2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2.4直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢思考題與習(xí)題第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)概述直流測速發(fā)電機(jī)：物理本質(zhì)：測量轉(zhuǎn)速的微型直流發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換：機(jī)械能→電能信號轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)速信號→與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓信號（測速的原理，故稱為直流測速發(fā)電機(jī)）概述直流測速發(fā)電機(jī)：2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理

直流發(fā)電機(jī)的工作是基于電磁感應(yīng)定律，即：運動導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢；或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理圖2-1直流發(fā)電機(jī)原理圖圖2-1直流發(fā)電機(jī)原理圖

為簡明易懂，用一個簡單的兩極電機(jī)模型來說明直流發(fā)電機(jī)的工作原理。圖2-1(a)是該模型的示意圖。如圖示，在空間固定不動的磁極N,S之間，有一個鐵質(zhì)圓柱體(電樞鐵心)裝在轉(zhuǎn)軸上，磁極與鐵心間的氣隙稱為空氣隙。導(dǎo)體ab,cd固定在電樞鐵心表面徑向相對的位置并連成一個線圈(元件)。換向片之間、換向片與轉(zhuǎn)軸之間均相互絕緣，這部分稱為換向器。整個轉(zhuǎn)動部分稱為電樞，固定不動的導(dǎo)電片A、B(電刷)壓在換向片上，為滑動接觸。磁極的中心線稱為磁極軸線，N,S極之間的中心線稱為幾何中性線，如圖2-1(b)。

為簡明易懂，用一個簡單的兩極電機(jī)模

在圖2-1中，磁極產(chǎn)生的磁通由N極出發(fā)經(jīng)過電樞鐵心進(jìn)入S極。用原動機(jī)拖動電樞以轉(zhuǎn)速n逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)體ab,cd切割磁力線而產(chǎn)生電勢。根據(jù)右手定則，在圖示瞬時，N極下導(dǎo)體ab中電勢的方向由b指向a,S極下導(dǎo)體cd中電勢由d指向c。在圖2-1(b)中分別用⊙、表示。線圈兩個有效邊中的電勢大小相等方向相反，因此，整個線圈電勢是兩個有效邊電勢之和，即為一個有效邊電勢的兩倍，電勢方向是由d指向a,故a為正，d為負(fù)。電刷A通過換向片與線圈的a端相接觸，電刷B與線圈的d端相接觸，故此時A電刷為正，B電刷為負(fù)，電刷兩端電勢EBA=eda=edc+eba。在圖2-1中，磁極產(chǎn)生的磁通

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°以后，導(dǎo)體cd處于N極下，導(dǎo)體ab處于S極下，這時它們的電勢與前一時刻大小相等方向相反，于是線圈電勢的方向也變?yōu)橛蒩到d,此時d為正，a為負(fù)，而兩電刷間電勢EBA=ead=eab+ecd，仍然是A刷為正，B刷為負(fù)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°以后，導(dǎo)體cd處

電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab和cd輪流交替地切割N極和S極下的磁力線，因而ab和cd中的電勢及線圈電勢是交變的。在兩極情況下，線圈每轉(zhuǎn)一圈，電勢交變一次。但是，電刷電勢的極性始終不變。這是由于通過換向器的作用，無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置，電刷通過換向片只與處于一定極性下的導(dǎo)體相連接，如電刷A始終與處在N極下的導(dǎo)體相連接，而處在一定極性下的導(dǎo)體電勢方向是不變的，因而電刷兩端得到的電勢極性不變。這就是直流發(fā)電機(jī)的最基本工作原理。電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab和cd輪流交重點與難點主要解決兩個問題：直流測速發(fā)電機(jī)為什么能發(fā)電？直流測速發(fā)電機(jī)為什么可以發(fā)出直流電？答1：電磁感應(yīng)原理：運動導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢；或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。答2：右手定則：伸出右手，讓磁力線垂直穿過手心，拇指指向?qū)w運動的方向，四指指向感應(yīng)電流的方向。因此，在一定磁極下，磁力線方向不變，導(dǎo)體運動方向不變，電流的方向就不變，在該磁極軸線上放上電刷，則該電刷中的電流方向是不變的。概念辨析：每個線圈元件中產(chǎn)生的是交流電，通過電刷流出的是直流電。重點與難點主要解決兩個問題：2.1.2直流電勢的形成前面的討論，只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論，但其大小是否隨時間變化，還需進(jìn)一步分析。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為

ei=Bxlv(2-1)2.1.2直流電勢的形成圖2-2磁場分布和電刷電勢圖2-2磁場分布和電刷電勢

式中，Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；l為導(dǎo)體有效長度(即電樞鐵心的長度)；v為導(dǎo)體切割磁場的線速度(即電樞圓周速度)。對已制成的電機(jī)，l為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以ei∝Bx。實際上，在整個磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布，而是按圖2-2(a)所示規(guī)律分布的。導(dǎo)體處于不同位置，產(chǎn)生的電勢大小不同，其隨時間變化的規(guī)律與Bx相同。式中，Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁

經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很大的脈動，如圖2-2(b)所示。顯然，這樣的電勢不是直流電勢，暫且稱其為脈動電勢。為減小電勢的脈動程度，實際電機(jī)中不是只有一個線圈(元件)，而是由很多元件組成電樞繞組。這些元件均勻分布在電樞表面，并按一定的規(guī)律連接。經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很

圖2-3是一個實際電機(jī)的模型，電樞鐵心表面有齒有槽，槽中安放元件，元件形狀如圖2-4所示。匝數(shù)等于1的元件稱為單匝元件，匝數(shù)大于1的稱為多匝元件。直流測速發(fā)電機(jī)一般都采用多匝元件。放在槽中的元件邊為有效邊，連接有效邊的導(dǎo)線稱為端部連線。元件的兩個有效邊分別安放在電樞圓周兩個相對的槽中，且一個有效邊放在槽的上層(靠近槽口)，另一個有效邊放在槽的下層(靠近槽底)，并用上層邊所在的槽號表示元件號。圖2-3是一個實際電機(jī)的模型圖2-3實際電機(jī)模型圖2-3實際電機(jī)模型圖2-4電樞元件圖2-4電樞元件圖2-5等值電路圖2-5等值電路

圖2-6描繪了電刷A、B之間輸出電勢隨時間變化的曲線。圖中曲線1和2表示相鄰兩個元件的電勢，因為元件空間位置夾角90°，則元件電勢時間相位差90°。電刷電勢是支路中兩個元件電勢曲線之合成，即曲線3。與圖2-2(b)比較可見，此時輸出電勢平均值變大，脈沖相對來說變小?？梢酝普?，如果電樞表面槽數(shù)增多，元件數(shù)增多，則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多，輸出電勢的平均值將更大，脈動更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。圖2-6描繪了電刷A、B圖2-6電刷輸出電勢圖2-6電刷輸出電勢圖2-7直流電機(jī)示意圖

圖2-7直流電機(jī)示意圖

重點與難點1.直流電勢的公式根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為：式中,Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；

l為導(dǎo)體有效長度（及電樞鐵心的長度）；

v為導(dǎo)體切割磁場的線速度（及電樞圓周速度）。對于已制成的電機(jī)，L為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以ei與Bx

成正比。重點與難點1.直流電勢的公式重點與難點2.直流電勢的形成由于Bx沿電樞圓周不是均勻分布，所以單元件產(chǎn)生的電勢為脈動電勢。為了減小電勢的脈動程度，常常通過增加元件個數(shù)的方法?？梢酝普?，如果電樞表面槽數(shù)增多，元件數(shù)增多，則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多，輸出電勢的平均值將更大，脈動更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。重點與難點2.直流電勢的形成重點與難點3.概念辨析：電刷是位于磁極軸線上還是位于幾何中心線上？電刷應(yīng)該位于磁極軸線上，此時，正、負(fù)電刷間電勢與每條支路電勢大小相等，輸出的總電流則等于各并聯(lián)支路電流之和。同時，為了使電刷兩端電勢為最大，電刷必須與位于幾何中心線處的導(dǎo)體相接觸，或者說電刷通過換向片把電勢為零的元件短路。在直流電機(jī)分析中，習(xí)慣上采用圖2-7所示的示意圖。圖中省略了換向器；電刷位于幾何中心線上，以表示電刷通過換向片與幾何中心線的導(dǎo)體相接觸。所以電刷還是位于磁極軸線上，只是在示意圖中才畫在幾何中心線上。重點與難點3.概念辨析：電刷是位于磁極軸線上還是位于幾何中心2.1.3直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)各種型號直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，這里簡述小型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部分。直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分：靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。定子由定子鐵心、勵磁繞組、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等組成。一般小型電機(jī)的軸是通過軸承支撐在端蓋上的。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-8所示。2.1.3直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖2-8直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖圖2-8直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下：

1.定子鐵心和勵磁繞組

小容量直流電機(jī)的定子鐵心往往將磁極和磁軛連成一體，用厚為0.35～0.5mm的電工鋼片的沖片疊壓而成。鐵心外處的機(jī)殼由鋁合金澆鑄而成，如圖2-9所示。為了使主磁通在空氣隙中的分布更為合理，磁極的極掌(或稱極靴)較極身為寬，這樣也可使勵磁繞組牢固地套在磁極鐵心上。電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下：

勵磁繞組由銅線繞制而成，包上絕緣材料以后套在磁極上(見圖2-9)。當(dāng)勵磁繞組通以直流電時，就產(chǎn)生磁通，形成N、S極。直流電機(jī)可以做成多對極，但控制用的直流電機(jī)一般做成一對極。上述的勵磁方式稱為電磁式。此外，定子磁極還可以用永久磁鋼做成，稱為永磁式。勵磁繞組由銅線繞制而成，包上絕緣材圖2-9定子結(jié)構(gòu)簡圖圖2-9定子結(jié)構(gòu)簡圖圖2-10電樞鐵心沖片圖2-10電樞鐵心沖片2.電樞鐵心和電樞繞組電樞鐵心用厚為0.35～0.5mm的電工鋼片的沖片疊壓而成，沖片形狀如圖2-10所示。鐵心上的槽是安放繞組的，電樞鐵心又作為主磁通磁路的組成部分。由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)，所以電樞鐵心也切割磁通。為了減少鐵心中的渦流損耗，鐵心沖片要涂絕緣漆，作為片間絕緣。電樞繞組的組成方法是：將絕緣銅導(dǎo)線預(yù)先制成元件，并嵌在槽內(nèi)，然后將元件的兩個端頭，按照一定的規(guī)律接到換向器上，如圖2-11所示。2.電樞鐵心和電樞繞組

3.換向器和電刷換向器是由許多換向片(銅片)疊裝而成的。換向片之間用塑料或云母絕緣，各換向片和元件相連。常用的換向器有金屬套筒式換向器與塑料換向器。圖2-12是塑料換向器的剖面圖。3.換向器和電刷圖2-11電樞鐵心和繞組圖2-11電樞鐵心和繞組

圖2-12塑料換向器剖面圖圖2-12塑料換向器剖面圖

電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換向器上，使之和換向器有良好的滑動接觸(見圖2-8)。在直流電機(jī)中，電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換重點與難點電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：定子（靜止部分）：定子鐵心、勵磁繞組、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下：定子鐵心和勵磁繞組電樞鐵心和電樞繞組換向器和電刷概念辨析：換向器屬于轉(zhuǎn)子，電刷屬于定子？重點與難點電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：

2.2直流電勢的關(guān)系式

在討論直流發(fā)電機(jī)工作原理時曾經(jīng)指出，當(dāng)電刷A、B通過換向片與幾何中心線上的導(dǎo)體相連接時，電刷A、B就把處于一個磁極下元件的電勢串聯(lián)起來，因此電刷間的電勢應(yīng)該等于正負(fù)電刷所連接的導(dǎo)體的電勢之和，即(2-2)2.2直流電勢的關(guān)系式在討論

式中，ei為每一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢；s為一對電刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。由式(2-1)可知，電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢值除了與導(dǎo)體在磁場中的長度l,導(dǎo)體切割磁通的線速度v有關(guān)外，還與導(dǎo)體所在點的磁通密度有關(guān)。為此要研究磁極下各點磁通密度的分布。圖2-13表示一對磁極時勵磁磁通所經(jīng)過的路徑。式中，ei為每一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢；s為一對電刷間

當(dāng)勵磁電流流過勵磁繞組時，磁通便由N極出來，經(jīng)過空氣隙及電樞，進(jìn)入S極，然后分別從兩邊的磁軛回到N極，形成閉合回路。在直流電機(jī)中，磁極和電樞之間的氣隙是不均勻的，在極中心部分最小，在極尖處較大，因此，電樞表面各點的磁通密度也不同。在極中心下面磁通密度最大，靠近極尖處逐漸減小，在極靴范圍以外則減小很快，在幾何中心線上則等于零。若不考慮電樞表面齒槽的影響，在一個磁極下面，電樞表面各點磁通密度的分布情況如圖2-14所示。當(dāng)勵磁電流流過勵磁繞組時，磁通便由圖2-13直流電機(jī)磁路圖2-13直流電機(jī)磁路

圖2-14氣隙中磁通密度分布圖圖2-14氣隙中磁通密度分布圖

現(xiàn)在來研究導(dǎo)體的電勢。對于已制成的電機(jī)，l

為常數(shù)，當(dāng)速度v一定時，導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei便正比于該導(dǎo)體所在處的磁通密度Bx，即ei∝Bx。因此圖2-14也可以看成是當(dāng)導(dǎo)體連續(xù)分布在電樞表面時，在一個磁極下電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢的分布曲線。現(xiàn)在來研究導(dǎo)體的電勢。對于已制成的

由于電樞表面不同位置上的導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei

不同，不妨取一個磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bp，一個磁極下所有導(dǎo)體的平均電勢為ep，這樣，電刷間的電勢Ea便等于一個磁極下導(dǎo)體的平均電勢乘上一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s,即Ea=sep(2-3)

而其中ep=Bplv(2-4)

因此Ea=sBplv(2-5)由于電樞表面不同位置上的導(dǎo)體的感應(yīng)電

實際工作中，使用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通Φ比用電樞表面圓周速度v和平均磁通密度Bp來得方便，故把v,Bp轉(zhuǎn)化成n、Φ。Bp等于一個磁極的總磁通除以磁極的面積，即(2-6)實際工作中，使用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通

式中，Φ為每極總磁通，單位為韋伯(Wb);τ為極距，τ=電樞圓周長/極數(shù)，單位為米(m);l為電樞鐵心長，單位為米(m)。電樞表面圓周速度(2-7)

式中，D為電樞直徑，單位為米(m)；n為電樞轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。式中，Φ為每極總磁通，單位為韋伯(Wb);τ為極這樣式(2-4)便可寫成由于πD/τ=2p(p為電機(jī)的極對數(shù))，所以上式變成(2-8)把式(2-8)代入式(2-3)便得電刷間的總電勢(2-9)這樣式(2-4)便可寫成由于πD/τ=2p(p為電機(jī)的極

因為一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s應(yīng)等于電刷間每條并聯(lián)支路中的導(dǎo)體數(shù)，所以s值等于電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)N除以電刷間的并聯(lián)支路數(shù)2a(a為支路對數(shù)。在圖2-3中支路對數(shù)為1，支路數(shù)為2)，即s=N/(2a)。支路數(shù)2a與繞組的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，這里不作深究。這樣式(2-9)便可寫成或者寫作Ea=CeΦn(2-10)因為一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s應(yīng)等于電

式中，Ce=pN/(60a)，是一個常數(shù)，其值由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。式(2-10)中,Ea的單位為V;Φ的單位為Wb;n的單位為r/min。式(2-10)是直流電機(jī)中非常重要的關(guān)系式，希望讀者牢記此式，并能熟練應(yīng)用。

當(dāng)每極磁通Φ一定時，Ea=Ken(2-11)

式中，Ke=CeΦ，稱為電勢系數(shù)。式中，Ce=pN/(60a)，重點與難點直流電勢關(guān)系式：其中，Ce是一個常數(shù)，其值有電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。式中，Ea的單位為V；的單位為Wb；n的單位為r/min。當(dāng)每極磁通一定時，式中，，稱為電勢系數(shù)。由上式可以看出，電刷兩端的感應(yīng)電勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此直流發(fā)電機(jī)能夠把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電勢信號，從而可以用來測速。重點與難點直流電勢關(guān)系式：

2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性

2.3.1直流測速發(fā)電機(jī)的型式按照勵磁方式劃分，直流測速發(fā)電機(jī)有兩種型式。

1.永磁式永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子磁極由永久磁鋼做成，沒有勵磁繞組，以圖2-15所示的符號表示。2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2.3.1直流

2.電磁式電磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組由外部電源供電，通電時產(chǎn)生磁場，以圖2-16所示的符號表示。圖2-15永磁式直流測速發(fā)電機(jī)2.電磁式圖2-15永圖2-16電磁式直流測速發(fā)電機(jī)圖2-16電磁式直流測速發(fā)電機(jī)要點與難點按照勵磁方式劃分，直流測速發(fā)電機(jī)有兩種型式。永磁式永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子磁極由永久磁鋼做成，沒有勵磁繞組。特點：①結(jié)構(gòu)簡單、省去勵磁電源，便于使用，

②受溫度變化影響小。缺點：價格較貴。電磁式電磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子繞組由外部電源供電，通電時產(chǎn)生磁場。目前常用的是永磁式測速發(fā)電機(jī)，按照應(yīng)用場合的不同，又可分為：①普通速度電機(jī)：一般在幾千轉(zhuǎn)每分以上，最高可達(dá)萬轉(zhuǎn)每分以上；②低速電機(jī)：一般在幾百轉(zhuǎn)每分以下，最低可達(dá)一轉(zhuǎn)每分以下。（可以和低速力矩電動機(jī)直接耦合，提高系統(tǒng)的精度和剛度）要點與難點按照勵磁方式劃分，直流測速發(fā)電機(jī)有兩種型式。2.3.2自動控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求自動控制系統(tǒng)對其元件的要求，主要是精確度高、靈敏度高、可靠性好等。據(jù)此，直流測速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下幾項要求：2.3.2自動控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求圖2-17測速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性圖2-17測速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱為輸出特性)應(yīng)為線性，如圖2-17所示；

(2)輸出特性的斜率要大；

(3)溫度變化對輸出特性的影響要??；

(4)輸出電壓的紋波要小，即要求在一定的轉(zhuǎn)速下輸出電壓要穩(wěn)定，波動要??；

(5)正、反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致。上面第⑵項主要是提高靈敏度，第⑴、⑶、⑷、⑸項的要求是為了提高測速機(jī)的精度。(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱2.3.3輸出特性在2.2節(jié)中已經(jīng)推導(dǎo)了直流電勢公式:Ea=CeΦn當(dāng)每極總磁通Φ為常數(shù)時，則Ea∝n2.3.3輸出特性

即輸出電勢與轉(zhuǎn)速成正比。測速發(fā)電機(jī)電刷兩端接上負(fù)載電阻RL后，RL兩端的電壓才是輸出電壓。由圖2-18可知，負(fù)載時測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓等于感應(yīng)電勢減去它的內(nèi)阻壓降，即Ua=Ea-IaRa

(2-12)

此式稱為直流發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式。式中，Ra為電樞回路的總電阻，它包括電樞繞組的電阻、電刷和換向器之間的接觸電阻；Ia為電樞總電流，且有

(2-13)即輸出電勢與轉(zhuǎn)速成正比。測速發(fā)電機(jī)將式(2-13)代入式(2-12)得經(jīng)化簡后為(2-14)將式(2-13)代入式(2-12)得經(jīng)化簡后為(

式(2-14)是負(fù)載時輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如果式中Φ、Ra和RL都能保持為常數(shù)，則Ua與n之間仍呈線性關(guān)系，只不過是隨著負(fù)載電阻的減小，輸出特性的斜率變小而已，如圖2-19所示。但該圖是理想情況下，即Φ、Ra不變，RL為一定時的輸出特性。實際上，測速發(fā)電機(jī)的輸出特性Ua=f(n)不是嚴(yán)格地呈線性特性，實際特性與要求的線性特性間存在誤差。下一節(jié)將分析引起誤差的原因和減小誤差的方法。式(2-14)是負(fù)載時輸出電壓圖2-18直流測速發(fā)電機(jī)接上負(fù)載圖2-18直流測速發(fā)電機(jī)接上負(fù)載圖2-19不同負(fù)載電阻時的理想輸出特性圖2-19不同負(fù)載電阻時的理想輸出特性要點與難點1.直流發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式2.輸出特性方程式要點與難點1.直流發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式2.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法

影響直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性的因素主要有以下五個，每一個影響因素能解決以下三個問題：1.干擾因素怎么產(chǎn)生？2.對發(fā)電機(jī)的輸出特性有何影響？3.怎么克服該干擾因素造成的影響？2.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法影

2.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法2.4.1溫度影響得出Ua=f(n)為線性關(guān)系的條件之一是勵磁磁通Φ為常數(shù)。實際上，電機(jī)周圍環(huán)境溫度的變化以及電機(jī)本身發(fā)熱(由電機(jī)各種損耗引起)都會引起電機(jī)繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時，勵磁繞組電阻增大，勵磁電流減小，磁通也隨之減小，輸出電壓就降低。反之，當(dāng)溫度下降時，輸出電壓便升高。2.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法2.4.1

對于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格的場合，可在勵磁回路中串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖2-20所示。選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法是：作出勵磁繞組電阻隨溫度變化的曲線(圖2-21中曲線1)，再作并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻隨溫度變化的曲線(圖2-21中曲線2)；前者溫度系數(shù)為正，后者溫度系數(shù)為負(fù)。只要使得這兩條曲線的斜率相等，勵磁回路的總電阻就不會隨溫度而變化(圖2-21中曲線3)，因而勵磁電流及勵磁磁通也就不會隨溫度而變化。對于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格圖2-20勵磁回路中的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖2-20勵磁回路中的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖2-21電阻隨溫度變化的曲線圖2-21電阻隨溫度變化的曲線小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？溫度升高時，勵磁繞組導(dǎo)線電阻變大，2.有何影響？溫度升高時，勵磁繞組導(dǎo)線電阻變大，勵磁電壓不變，導(dǎo)致勵磁電流減小，進(jìn)而主磁通變小，根據(jù)直流電勢公式，直流電勢Ea變小3.怎么克服？方法一：在勵磁回路中串聯(lián)一個阻值比勵磁繞組電阻大幾倍的附加電阻方法二：在勵磁回路中串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？2.4.2電樞反應(yīng)影響

電機(jī)空載時，只有勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場。電機(jī)負(fù)載時，電樞繞組中流過電流也要產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。所以，負(fù)載運行時，電機(jī)中的磁場是主磁場和電樞磁場的合成。圖2-22(a)是定子勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場，圖2-22(b)是電樞繞組產(chǎn)生的電樞磁場，圖2-22(c)是主磁場和電樞磁場的合成磁場。2.4.2電樞反應(yīng)影響圖2-22直流電機(jī)磁場圖2-22直流電機(jī)磁場

主磁場的分布在第2.2節(jié)已作了分析，在此主要研究電樞電流單獨產(chǎn)生的電樞磁場。因為電樞導(dǎo)體的電流方向總是以電刷為其分界線，即電刷兩側(cè)導(dǎo)體中的電流大小相等，方向相反。不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪個位置，電樞導(dǎo)體電流在空間的分布情況始終不變。因此，電樞電流所產(chǎn)生的磁場在空間的分布情況也不變，即電樞磁場在空間是固定不動的恒定磁場。其磁力線的分布可以根據(jù)右手螺旋定則作出，如圖2-22(b)。由于電刷位于幾何中性線上，所以電樞磁場在電刷軸線兩側(cè)是對稱的，電刷軸線就是電樞磁場的軸線。主磁場的分布在第2.2節(jié)已作了

由圖2-22(b)可以看出，電樞磁場也是一個兩極磁場，主磁極軸線的左側(cè)相當(dāng)于該磁場的N極，右側(cè)相當(dāng)于S極。另外，在每個主磁極下面，電樞磁場的磁通在半個極下由電樞指向磁極，在另外半個極下則由磁極指向電樞，即半個極下電樞磁通和主磁通同向，另外半個極下電樞磁通和主磁通反向，因此合成磁場的磁通密度在半個極下是加強(qiáng)了，在另外半個極下是削弱了，如圖2-22(c)所示。由于電樞磁場的存在，氣隙中的磁場發(fā)生畸變，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。由圖2-22(b)可以看出，

如果電機(jī)的磁路不飽和(即磁路為線性)，磁場的合成就可以應(yīng)用疊加原理。例如，N極右半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與1/2電樞磁通之和，左半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與1/2電樞磁通之差。因此，N極左半個極的削弱和右半個極的加強(qiáng)相互抵消，整個極的磁通保持不變，僅僅磁場的分布發(fā)生了變化。如果電機(jī)的磁路不飽和(即磁路為線性)課件-控制電機(jī)電子教案第2章直流測速發(fā)電機(jī)-圖2-23直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性(圖中R

L1>R

L2)圖2-23直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性(圖中RL1>R課件-控制電機(jī)電子教案第2章直流測速發(fā)電機(jī)-小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？當(dāng)電樞回路接上負(fù)載以后，電樞回路閉合，就會產(chǎn)生電樞電流Ia，則電樞電流會產(chǎn)生一個在空間固定不動的恒定磁場。2.有何影響？在每個主磁極下面，電樞磁場的磁通在半個極下電樞磁通和主磁通同向，另外半個極下電樞磁通和主磁通反向，由于電樞磁場的存在，氣隙中的磁場發(fā)生畸變，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。由于電機(jī)的磁路通常是過飽和的，因此電樞反應(yīng)通常是去磁的。3.怎么克服？給定最大線性工作轉(zhuǎn)速和最小負(fù)載電阻值。小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？2.4.3延遲換向去磁直流電機(jī)中，電樞繞組元件的電流方向以電刷為其分界線。電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷進(jìn)入另一條支路時，其中電流反向，由+ia變成-ia。但是，在元件經(jīng)過電刷而被電刷短路的過程中，它的電流既不是+ia也不是-ia，而是處于由+ia變到-ia的過渡過程。這個過程叫元件的換向過程。正在進(jìn)行換向的元件叫換向元件。換向元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間為換向周期。2.4.3延遲換向去磁

參看圖2-24。從圖2-24(a)到圖2-24(c)，元件1從等值電路的左邊支路換接到右邊支路，其中電流從一個方向(+ia)變?yōu)榱硪粋€方向(-ia);而在圖2-24(b)所示時刻，元件1被電刷短路，正處于換向過程，其中電流為ik。1號元件為換向元件。從圖2-24(a)到圖2-24(c)所經(jīng)歷的時間為一個換向周期。參看圖2-24。從圖2-圖2-24元件的換向過程圖2-24元件的換向過程

在理想換向情況下，當(dāng)換向元件的兩個有效邊處于幾何中性線位置時，其電流應(yīng)該為零。但實際上在直流測速發(fā)電機(jī)中并非如此。雖然此時元件中切割主磁通產(chǎn)生的電勢為零，但仍然有電勢存在，使電流過零時刻延遲，出現(xiàn)所謂的延遲換向。分析如下：由于元件本身有電感，因此在換向過程中當(dāng)電流變化時，換向元件中要產(chǎn)生自感電勢:

式中，L為換向元件的電感；i

為換向元件的電流。在理想換向情況下，當(dāng)換向元件的兩個

根據(jù)楞次定律，eL的方向?qū)⒘D阻止換向元件中的電流改變方向，即力圖維持換向元件換向前的電流方向，所以eL的方向應(yīng)與換向前的電流方向相同，是阻礙換向的。同時，換向元件在經(jīng)過幾何中性線位置時，由于切割電樞磁場而產(chǎn)生切割電勢ea,根據(jù)右手定則可以確定,ea所產(chǎn)生的電流的方向也與換向前的電流方向相同，也是阻礙換向的。根據(jù)楞次定律，eL的方向?qū)⒘D阻止

因此，換向元件中有總電勢ek=eL+ea。顯然，由于總電勢ek的阻礙作用而使換向過程延遲，即換向元件中的電流由+ia變?yōu)?ia的時間延遲了。換向元件被電刷短路，于是總電勢ek在換向元件中產(chǎn)生附加電流ik,ik方向與ek方向一致。由ik產(chǎn)生磁通Φk，其方向與主磁通方向相反，如圖2-25所示，對主磁通有去磁作用。這樣的去磁作用叫延遲換向去磁。

因此，換向元件中有總電勢ek=eL圖2-25換向元件中的電勢圖2-25換向元件中的電勢圖2-26延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊憟D2-26延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊?/p>

如果不考慮磁通變化，則直流測速發(fā)電機(jī)電勢與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)負(fù)載電阻一定時，電樞電流及繞組元件電流也與轉(zhuǎn)速成正比；另外，換向周期與轉(zhuǎn)速成反比，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，元件的換向周期越短；eL正比于單位時間內(nèi)換向元件電流的變化量?；谏鲜龇治?，eＬ必正比轉(zhuǎn)速的平方，即eL∝n2。同樣可以證明ea∝n2。因此，換向元件的附加電流及延遲換向去磁磁通與n2成正比，使輸出特性呈現(xiàn)圖2-26所示的形狀。所以，直流測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上限要受到延遲換向去磁效應(yīng)的限制。如果不考慮磁通變化，則直流測速發(fā)電小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？a、換向元件本身有電感，換向過程中會產(chǎn)生自感電勢b、換向元件切割電樞磁場而產(chǎn)生切割電勢2.有何影響？換向元件被電刷短路，總電勢在換向元件中所產(chǎn)生的附加電流所產(chǎn)生的磁通對主磁通有去磁作用，這樣的去磁作用叫延遲換向去磁。3.怎么克服？采取限制轉(zhuǎn)速的措施來削弱延遲換向去磁作用，即規(guī)定最高工作轉(zhuǎn)速。小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？2.4.4紋波根據(jù)Ea=CeΦn,當(dāng)Φ、n為定值時，電刷兩端應(yīng)輸出不隨時間變化的穩(wěn)定的直流電勢。然而，實際的電機(jī)并非如此，其輸出電勢總是帶有微弱的脈動，通常把這種脈動稱為紋波。2.4.4紋波

紋波主要是由于電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差所引起的。在第一節(jié)中我們已經(jīng)看到，由于電樞槽數(shù)及電樞元件數(shù)有限，在輸出電勢中將引起脈動。當(dāng)然，增加每條支路中的串聯(lián)元件數(shù)可以減小紋波。但是由于工藝所限，電機(jī)槽數(shù)、元件數(shù)及換向片數(shù)不可能無限增加，因此產(chǎn)生紋波是不可避免的。同時，由于電樞鐵心有齒有槽，以及電樞鐵心的橢圓度、偏心等等，也會使輸出電勢中紋波幅值上升。紋波主要是由于電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加

紋波電壓的存在對于測速機(jī)用于阻尼或速度控制都很不利，實用的測速機(jī)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上都采取了一定的措施來減小紋波幅值。例如，無槽電樞直流電機(jī)可以大大減小因齒槽效應(yīng)而引起的輸出電壓紋波幅值，與有槽電樞相比，輸出電壓紋波幅值可以減小五倍以上。紋波電壓的存在對于測速機(jī)用于阻尼或小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？主要由于電樞槽數(shù)及電樞元件數(shù)有限，在輸出電勢中將引起脈動。通常把這種脈動稱為紋波。2.有何影響？輸出電勢不穩(wěn)定，帶有微弱的脈動。對于測速機(jī)用于阻尼和速度控制很不利。3.怎么克服？采用無槽電樞直流電機(jī)。小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？

2.4.5電刷接觸壓降

Ua=f(n)為線性關(guān)系的另一個條件是電樞回路總電阻Ra為恒值。實際上，Ra中包含的電刷與換向器的接觸電阻不是一個常數(shù)。為了考慮此種情況對輸出特性的影響，我們把電壓方程式Ua=Ea-IaRa改寫為Ua=Ea-IaRw-ΔUb。其中Rw為電樞繞組電阻；ΔUb為電刷接觸壓降。這樣，式(2-14)也可改寫為(2-15)2.4.5電刷接觸壓降(2-15)

電刷接觸壓降ΔUb與下述因素有密切關(guān)系:①電刷和換向器的材料；②電刷的電流密度；③電流的方向；④電刷單位面積上的壓力；⑤接觸表面的溫度；⑥換向器圓周線速度；⑦換向器表面的化學(xué)狀態(tài)和機(jī)械方面的因素，等等。電刷接觸壓降ΔUb與下述因素有密切關(guān)

換向器圓周線速度對ΔUb影響較小，在小于允許的最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可認(rèn)為速度不會引起ΔUb的變化。但是隨著轉(zhuǎn)速的升高，電樞電流Ia增大，電刷電流密度增加。當(dāng)電刷電流密度較小時，隨著電流密度的增加，ΔUb也相應(yīng)地增大。當(dāng)電流密度達(dá)到一定數(shù)值后，ΔUb幾乎等于常數(shù)。一般情況下，電流自換向器流向電刷時電刷壓降較大，因此，通常直流機(jī)的接觸壓降ΔUb是指正負(fù)電刷下的總壓降。換向器圓周線速度對ΔUb影響較小，

圖2-27考慮電刷接觸壓降后的輸出特性圖2-27考慮電刷接觸壓降后的輸出特性

根據(jù)式(2-15)以及上述ΔUb和電流密度的關(guān)系，就可以得出考慮電刷接觸壓降后直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性，如圖2-27所示。由圖2-27可見，在轉(zhuǎn)速較低時，輸出特性上有一段斜率顯著下降的區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)，測速機(jī)雖有輸入信號(轉(zhuǎn)速)，但輸出電壓很小，對轉(zhuǎn)速的反應(yīng)很不靈敏，所以此區(qū)域叫不靈敏區(qū)。根據(jù)式(2-15)以及上述ΔUb

為了減小電刷接觸壓降的影響，縮小不靈敏區(qū)，在直流測速發(fā)電機(jī)中，常常采用接觸壓降較小的銀—石墨電刷。在高精度的直流測速發(fā)電機(jī)中還采用銅電刷，并在它與換向器接觸的表面上鍍上銀層，使換向器不易磨損。如上所述，電刷和換向器的接觸情況還與化學(xué)、機(jī)械等因素有關(guān)，它們引起電刷與換向器滑動接觸的不穩(wěn)定性，以致使電樞電流含有高頻尖脈沖。為了減少這種無線電頻率的噪聲對鄰近設(shè)備和通訊電纜的干擾，常常在測速機(jī)的輸出端連接濾波電路。為了減小電刷接觸壓降的影響，縮小小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？電樞回路中存在電刷和換向器這一換向結(jié)構(gòu)。2.有何影響？在轉(zhuǎn)速較低時，輸出特性上有一段斜率顯著下降的區(qū)域，即不靈敏區(qū)，此時輸出電壓很小，對轉(zhuǎn)速的反應(yīng)很不靈敏。3.怎么克服？a、采用接觸壓降較小的銀-石墨電刷。b、采用銅電刷c、在測速機(jī)的輸出端連接濾波電路小結(jié)1.怎么產(chǎn)生？

2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

測速發(fā)電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中作為測量或自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速之用；在隨動系統(tǒng)中用來產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度；在計算解答裝置中作為微分和積分元件。它還可以測量各種機(jī)械在有限范圍內(nèi)的擺動或非常緩慢的轉(zhuǎn)速，并可代替測速計直接測量轉(zhuǎn)速。2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用測速發(fā)

測速發(fā)電機(jī)有交、直流兩大類。由于直流測速機(jī)有電刷、換向器接觸裝置，使它的可靠性變差，精度也受到影響，因此在系統(tǒng)中使用交流異步測速機(jī)較為廣泛(將在第8章詳述)。但是，與交流異步測速機(jī)相比，直流測速機(jī)具有輸出電壓斜率大，沒有剩余電壓(即轉(zhuǎn)速為零時沒有輸出電壓)，沒有相位誤差(勵磁和輸出電壓之間沒有相位移)，溫度補(bǔ)償容易實現(xiàn)等優(yōu)點，所以在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還是很廣泛的。下面舉例說明它在兩個方面的用途。測速發(fā)電機(jī)有交、直流兩大類。由小結(jié)1.測速發(fā)電機(jī)的作用

小結(jié)1.測速發(fā)電機(jī)的作用小結(jié)測速發(fā)電機(jī)的分類直流測速發(fā)電機(jī)的特點缺點：有電刷、換向器接觸裝置，使它的可靠性變差，精度也受到影響輸出電壓斜率大，優(yōu)點：沒有剩余電壓，沒有相位誤差，溫度補(bǔ)償容易實現(xiàn)。交流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用一種是在計算解答裝置中作為解算元件；另一種是在伺服系統(tǒng)中作為阻尼元件。小結(jié)測速發(fā)電機(jī)的分類2.5.1作為系統(tǒng)的阻尼元件在圖1-1所示的雷達(dá)天線自動控制系統(tǒng)中，直流伺服電動機(jī)的輸出軸上耦合一臺直流測速發(fā)電機(jī)。它輸出一個與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓

，并負(fù)反饋到放大器的輸入端，所以放大器的輸入電壓（自整角變壓器輸出電壓與測速機(jī)輸出電壓之差）為2.5.1作為系統(tǒng)的阻尼元件

測速發(fā)電機(jī)在該系統(tǒng)中所起的阻尼作用可以簡要地解釋如下：假定暫不接測速發(fā)電機(jī)，并且當(dāng)α>β時，直流伺服電動機(jī)在正比于k1(α-β)的信號電壓作用下轉(zhuǎn)動，使β角增加，α-β值減小。當(dāng)α=β時，雖然誤差信號電壓k1(α-β)=0，但是由于電動機(jī)及負(fù)載具有轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)在α-β=0的位置時其轉(zhuǎn)速并不為零，而繼續(xù)向β角增加的方向轉(zhuǎn)動，使β>α。此時，由于β>α，誤差信號電壓極性變反。在此電壓的作用下，電動機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。測速發(fā)電機(jī)在該系統(tǒng)中所起的阻尼作用可

同樣，由于電動機(jī)及其負(fù)載的慣性，反轉(zhuǎn)又沖過了頭，這樣系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。如果接上測速發(fā)電機(jī)，則當(dāng)α=β時，由于，故信號電壓為

，此電壓與原來的(指α>β時)誤差信號電壓極性相反，因此伺服電動機(jī)在α=β時就得到與dβ/dt成正比、極性與原來的信號電壓相反的電壓，此電壓使電動機(jī)制動(關(guān)于電動機(jī)加反向電壓制動將在3.7節(jié)中敘述)，因而電動機(jī)就很快地停留在β=α的位置?？梢姡捎谙到y(tǒng)中加入了測速發(fā)電機(jī)，就使得由電動機(jī)及其負(fù)載慣量所造成的振蕩得到了阻尼，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。同樣，由于電動機(jī)及其負(fù)載的慣性，反轉(zhuǎn)又沖過了頭，2.5.2對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制圖2-28為恒速控制系統(tǒng)的原理圖。負(fù)載是一個旋轉(zhuǎn)機(jī)械。當(dāng)直流伺服電動機(jī)的負(fù)載阻力矩變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械在給定電壓不變時保持恒速，在電動機(jī)的輸出軸上耦合一測速發(fā)電機(jī)，并將其輸出電壓與給定電壓相減后加入放大器，經(jīng)放大后供給直流伺服電動機(jī)。當(dāng)負(fù)載阻力矩由于某種偶然的因素減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速便上升，此時測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓增大，給定電壓與輸出電壓的差值變小，經(jīng)放大后加到直流電動機(jī)的電壓減小，電動機(jī)減速；2.5.2對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制

反之，若負(fù)載阻力矩偶然變大，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，測速機(jī)輸出電壓減小，給定電壓和輸出電壓的差值變大，經(jīng)放大后加給電動機(jī)的電壓變大，電動機(jī)加速。這樣，盡管負(fù)載阻力矩發(fā)生擾動，但由于該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化很小，近似于恒速。給定電壓取自恒壓電源，改變給定電壓便能達(dá)到所希望的轉(zhuǎn)速。反之，若負(fù)載阻力矩偶然變大，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，圖2-28恒速控制系統(tǒng)原理圖圖2-28恒速控制系統(tǒng)原理圖小結(jié)作為系統(tǒng)的阻尼元件阻尼元件：阻礙系統(tǒng)的運動，只要運動它就阻礙，直到不運動為止。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械做恒速控制恒速控制：阻礙速度變化，只要速度變化它就阻礙，直到不變化為止。小結(jié)作為系統(tǒng)的阻尼元件

2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)的主要性能指標(biāo)列在表2-1中。2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)的主要性能表2-1直流測速發(fā)電機(jī)主要性能指標(biāo)表2-1直流測速發(fā)電機(jī)主要性能指標(biāo)課件-控制電機(jī)電子教案第2章直流測速發(fā)電機(jī)-課件-控制電機(jī)電子教案第2章直流測速發(fā)電機(jī)-

2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢2.7.1發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī)

近年來國外較重視發(fā)展永磁式高靈敏度直流測速發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)直徑大，軸向尺寸小，電樞元件數(shù)多，刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多，因而輸出電壓斜率大，其靈敏度比普通測速機(jī)高1000倍。這種電機(jī)的換向器是用塑料或絕緣材料制成薄板基體，并在板面上印制換向片而構(gòu)成的，因此換向片數(shù)很多；2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢2.7.1發(fā)展高

并且換向器固定在轉(zhuǎn)軸的端面上，故稱為印制電路端面換向器。由于這種電機(jī)的電樞元件數(shù)及換向片數(shù)比普通直流機(jī)多得多，因而紋波電壓可以大大降低。例如美國Inland公司直徑為250mm的產(chǎn)品，其速比范圍為1∶3000,最低轉(zhuǎn)速可低于1轉(zhuǎn)每天，紋波系數(shù)小于0.1%，線性誤差低于0.1%，靈敏度(即電壓斜率)為10V/(r/min)，每天1轉(zhuǎn)時的輸出信號電壓約7mV。國內(nèi)已有高靈敏度測速發(fā)電機(jī)系列產(chǎn)品，其技術(shù)數(shù)據(jù)見表2-2。并且換向器固定在轉(zhuǎn)軸的端面上，故稱為印制電路端面換向表2-2CYD系列直流高靈敏度測速發(fā)電機(jī)表2-2CYD系列直流高靈敏度測速發(fā)電機(jī)2.7.2改進(jìn)電刷與換向器的接觸裝置，發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)由于存在電刷和換向器，因而帶來一系列缺點：

(1)電刷和換向器的存在使電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)比較困難，可靠性較差，并使應(yīng)用環(huán)境受到限制。例如在高空、高真空中換向困難，在高溫環(huán)境中容易起火等。2.7.2改進(jìn)電刷與換向器的接觸裝置，發(fā)展無刷直流測(2)電刷與換向器的摩擦所引起的摩擦轉(zhuǎn)矩，增加了伺服電動機(jī)的粘滯轉(zhuǎn)矩。

(3)電刷與換向器的間斷接觸引起射頻噪音。

(4)電刷與換向器接觸壓降的變化，引起輸出電壓不穩(wěn)定，等等。(2)電刷與換向器的摩擦所引起的摩

目前，有關(guān)人員正努力從換向器、電刷的接觸結(jié)構(gòu)和工藝方面采取措施，以減輕上述各種弊病，提高測速機(jī)的性能指標(biāo)及可靠性。例如在高靈敏度測速機(jī)中所采用的電刷是經(jīng)過特殊處理的，因而能在高真空中運行。在該機(jī)中還采用窄電刷、印刷電路端面換向器，使接觸面積和接觸半徑減小，因而降低了摩擦轉(zhuǎn)矩。目前，有關(guān)人員正努力從換向器、電

為了提高軍事裝備的可靠性，特別是為了滿足宇宙飛船和導(dǎo)彈系統(tǒng)等尖端技術(shù)對元件可靠性的嚴(yán)格要求，各國除了在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高接觸部分的可靠性外，還大力開展對無刷測速發(fā)電機(jī)的研制，其中包括霍爾測速發(fā)電機(jī)，兩極管式測速發(fā)電機(jī)等，其工作原理可參閱其它有關(guān)資料。直流測速發(fā)電機(jī)由于存在電刷和換向器的接觸結(jié)構(gòu)，使其發(fā)展前途受到了限制。近年來無刷測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展，使之能從根本上取消接觸結(jié)構(gòu)，改善了電機(jī)的性能，提高了運行的可靠性，為直流測速機(jī)注入了新的活力。為了提高軍事裝備的可靠性，特別是為2.7.3發(fā)展永磁式無槽電樞、杯形電樞、印制繞組電樞測速發(fā)電機(jī)這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)與3.10節(jié)中所述的低慣量電動機(jī)相同。它們不僅轉(zhuǎn)動慣量小，而且線性度好，紋波電壓小，因此也是直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向之一。2.7.3發(fā)展永磁式無槽電樞、杯形電樞、印制繞小結(jié)發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī)讓電機(jī)的直徑變大，軸向尺寸變小，這樣電樞元件數(shù)可以增多，導(dǎo)致輸出電壓斜率變大，靈敏度變高。發(fā)揚(yáng)優(yōu)點：輸出電壓斜率大，低速精度高，能直接與低速伺服電動機(jī)耦合，耦合剛度高。改進(jìn)電刷與換向器的接觸裝置，發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機(jī)方案一：采用經(jīng)過特殊處理的電刷，采用窄電刷、印刷電路端面換向器方案二：開展對無刷測速發(fā)電機(jī)的研制，包括：霍爾測速發(fā)電機(jī)、兩極管式測速發(fā)電機(jī)發(fā)展永磁式無槽電樞、杯形電樞、印制繞組電樞測速發(fā)電機(jī)優(yōu)點：轉(zhuǎn)動慣量小、線性度好、紋波電壓小。小結(jié)發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī)本章小結(jié)本章有兩個重點：一：直流發(fā)電機(jī)工作原理；二：直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性。因此，本章的重點是前四節(jié)。有三個公式要掌握：一：電勢公式：二：電壓平衡方程式：三：輸出特性公式：本章小結(jié)本章有兩個重點：一：直流發(fā)電機(jī)工作原理；思考題與習(xí)題1.為什么直流發(fā)電機(jī)電樞繞組元件的電勢是交變電勢而電刷電勢是直流電勢?P252.如果圖2-1中的電樞反時針方向旋轉(zhuǎn)，試問元件電勢的方向和A、B電刷的極性如何?P73.為了獲得最大的直流電勢，電刷應(yīng)放在什么位置?為什么端部對稱的鼓形繞組(見圖2-3)的電刷放在磁極軸線上?P9-10思考題與習(xí)題1.為什么直流發(fā)電4.為什么直流測速機(jī)的轉(zhuǎn)速不得超過規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速?負(fù)載電阻不能小于給定值?P235.如果電刷通過換向器所連接的導(dǎo)體不在幾何中性線上，而在偏離幾何中性線α角的直線上，如圖2-29所示，試綜合應(yīng)用所學(xué)的知識，分析在此情況下對測速機(jī)正、反轉(zhuǎn)的輸出特性的影響。(提示：在圖中作一輔助線。)正反向特性不一致4.為什么直流測速機(jī)的轉(zhuǎn)速不得超過6.具有16個槽，16個換向片的兩極直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-30所示。

(1)試畫出其繞組的完整連接圖；

(2)試畫出圖示時刻繞組的等值電路圖；

(3)若電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，試在上兩圖中標(biāo)出感應(yīng)電勢方向和電刷極性；

(4)如果電刷不是位于磁極軸線上，例如順時針方向移動一個換向片的距離，會出現(xiàn)什么問題?6.具有16個槽，16個圖2-29圖2-29圖2-30結(jié)構(gòu)簡圖圖2-30結(jié)構(gòu)簡圖第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.2直流電勢的關(guān)系式2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2.4直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢思考題與習(xí)題第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)概述直流測速發(fā)電機(jī)：物理本質(zhì)：測量轉(zhuǎn)速的微型直流發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換：機(jī)械能→電能信號轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)速信號→與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓信號（測速的原理，故稱為直流測速發(fā)電機(jī)）概述直流測速發(fā)電機(jī)：2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理

直流發(fā)電機(jī)的工作是基于電磁感應(yīng)定律，即：運動導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢；或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。2.1直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理圖2-1直流發(fā)電機(jī)原理圖圖2-1直流發(fā)電機(jī)原理圖

為簡明易懂，用一個簡單的兩極電機(jī)模型來說明直流發(fā)電機(jī)的工作原理。圖2-1(a)是該模型的示意圖。如圖示，在空間固定不動的磁極N,S之間，有一個鐵質(zhì)圓柱體(電樞鐵心)裝在轉(zhuǎn)軸上，磁極與鐵心間的氣隙稱為空氣隙。導(dǎo)體ab,cd固定在電樞鐵心表面徑向相對的位置并連成一個線圈(元件)。換向片之間、換向片與轉(zhuǎn)軸之間均相互絕緣，這部分稱為換向器。整個轉(zhuǎn)動部分稱為電樞，固定不動的導(dǎo)電片A、B(電刷)壓在換向片上，為滑動接觸。磁極的中心線稱為磁極軸線，N,S極之間的中心線稱為幾何中性線，如圖2-1(b)。

為簡明易懂，用一個簡單的兩極電機(jī)模

在圖2-1中，磁極產(chǎn)生的磁通由N極出發(fā)經(jīng)過電樞鐵心進(jìn)入S極。用原動機(jī)拖動電樞以轉(zhuǎn)速n逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)體ab,cd切割磁力線而產(chǎn)生電勢。根據(jù)右手定則，在圖示瞬時，N極下導(dǎo)體ab中電勢的方向由b指向a,S極下導(dǎo)體cd中電勢由d指向c。在圖2-1(b)中分別用⊙、表示。線圈兩個有效邊中的電勢大小相等方向相反，因此，整個線圈電勢是兩個有效邊電勢之和，即為一個有效邊電勢的兩倍，電勢方向是由d指向a,故a為正，d為負(fù)。電刷A通過換向片與線圈的a端相接觸，電刷B與線圈的d端相接觸，故此時A電刷為正，B電刷為負(fù)，電刷兩端電勢EBA=eda=edc+eba。在圖2-1中，磁極產(chǎn)生的磁通

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°以后，導(dǎo)體cd處于N極下，導(dǎo)體ab處于S極下，這時它們的電勢與前一時刻大小相等方向相反，于是線圈電勢的方向也變?yōu)橛蒩到d,此時d為正，a為負(fù)，而兩電刷間電勢EBA=ead=eab+ecd，仍然是A刷為正，B刷為負(fù)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°以后，導(dǎo)體cd處

電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab和cd輪流交替地切割N極和S極下的磁力線，因而ab和cd中的電勢及線圈電勢是交變的。在兩極情況下，線圈每轉(zhuǎn)一圈，電勢交變一次。但是，電刷電勢的極性始終不變。這是由于通過換向器的作用，無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置，電刷通過換向片只與處于一定極性下的導(dǎo)體相連接，如電刷A始終與處在N極下的導(dǎo)體相連接，而處在一定極性下的導(dǎo)體電勢方向是不變的，因而電刷兩端得到的電勢極性不變。這就是直流發(fā)電機(jī)的最基本工作原理。電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體ab和cd輪流交重點與難點主要解決兩個問題：直流測速發(fā)電機(jī)為什么能發(fā)電？直流測速發(fā)電機(jī)為什么可以發(fā)出直流電？答1：電磁感應(yīng)原理：運動導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢；或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。答2：右手定則：伸出右手，讓磁力線垂直穿過手心，拇指指向?qū)w運動的方向，四指指向感應(yīng)電流的方向。因此，在一定磁極下，磁力線方向不變，導(dǎo)體運動方向不變，電流的方向就不變，在該磁極軸線上放上電刷，則該電刷中的電流方向是不變的。概念辨析：每個線圈元件中產(chǎn)生的是交流電，通過電刷流出的是直流電。重點與難點主要解決兩個問題：2.1.2直流電勢的形成前面的討論，只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論，但其大小是否隨時間變化，還需進(jìn)一步分析。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為

ei=Bxlv(2-1)2.1.2直流電勢的形成圖2-2磁場分布和電刷電勢圖2-2磁場分布和電刷電勢

式中，Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；l為導(dǎo)體有效長度(即電樞鐵心的長度)；v為導(dǎo)體切割磁場的線速度(即電樞圓周速度)。對已制成的電機(jī)，l為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以ei∝Bx。實際上，在整個磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布，而是按圖2-2(a)所示規(guī)律分布的。導(dǎo)體處于不同位置，產(chǎn)生的電勢大小不同，其隨時間變化的規(guī)律與Bx相同。式中，Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁

經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很大的脈動，如圖2-2(b)所示。顯然，這樣的電勢不是直流電勢，暫且稱其為脈動電勢。為減小電勢的脈動程度，實際電機(jī)中不是只有一個線圈(元件)，而是由很多元件組成電樞繞組。這些元件均勻分布在電樞表面，并按一定的規(guī)律連接。經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很

圖2-3是一個實際電機(jī)的模型，電樞鐵心表面有齒有槽，槽中安放元件，元件形狀如圖2-4所示。匝數(shù)等于1的元件稱為單匝元件，匝數(shù)大于1的稱為多匝元件。直流測速發(fā)電機(jī)一般都采用多匝元件。放在槽中的元件邊為有效邊，連接有效邊的導(dǎo)線稱為端部連線。元件的兩個有效邊分別安放在電樞圓周兩個相對的槽中，且一個有效邊放在槽的上層(靠近槽口)，另一個有效邊放在槽的下層(靠近槽底)，并用上層邊所在的槽號表示元件號。圖2-3是一個實際電機(jī)的模型圖2-3實際電機(jī)模型圖2-3實際電機(jī)模型圖2-4電樞元件圖2-4電樞元件圖2-5等值電路圖2-5等值電路

圖2-6描繪了電刷A、B之間輸出電勢隨時間變化的曲線。圖中曲線1和2表示相鄰兩個元件的電勢，因為元件空間位置夾角90°，則元件電勢時間相位差90°。電刷電勢是支路中兩個元件電勢曲線之合成，即曲線3。與圖2-2(b)比較可見，此時輸出電勢平均值變大，脈沖相對來說變小。可以推論，如果電樞表面槽數(shù)增多，元件數(shù)增多，則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多，輸出電勢的平均值將更大，脈動更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。圖2-6描繪了電刷A、B圖2-6電刷輸出電勢圖2-6電刷輸出電勢圖2-7直流電機(jī)示意圖

圖2-7直流電機(jī)示意圖

重點與難點1.直流電勢的公式根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為：式中,Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度；

l為導(dǎo)體有效長度（及電樞鐵心的長度）；

v為導(dǎo)體切割磁場的線速度（及電樞圓周速度）。對于已制成的電機(jī)，L為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以ei與Bx

成正比。重點與難點1.直流電勢的公式重點與難點2.直流電勢的形成由于Bx沿電樞圓周不是均勻分布，所以單元件產(chǎn)生的電勢為脈動電勢。為了減小電勢的脈動程度，常常通過增加元件個數(shù)的方法?？梢酝普摚绻姌斜砻娌蹟?shù)增多，元件數(shù)增多，則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多，輸出電勢的平均值將更大，脈動更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。重點與難點2.直流電勢的形成重點與難點3.概念辨析：電刷是位于磁極軸線上還是位于幾何中心線上？電刷應(yīng)該位于磁極軸線上，此時，正、負(fù)電刷間電勢與每條支路電勢大小相等，輸出的總電流則等于各并聯(lián)支路電流之和。同時，為了使電刷兩端電勢為最大，電刷必須與位于幾何中心線處的導(dǎo)體相接觸，或者說電刷通過換向片把電勢為零的元件短路。在直流電機(jī)分析中，習(xí)慣上采用圖2-7所示的示意圖。圖中省略了換向器；電刷位于幾何中心線上，以表示電刷通過換向片與幾何中心線的導(dǎo)體相接觸。所以電刷還是位于磁極軸線上，只是在示意圖中才畫在幾何中心線上。重點與難點3.概念辨析：電刷是位于磁極軸線上還是位于幾何中心2.1.3直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)各種型號直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，這里簡述小型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部分。直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分：靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。定子由定子鐵心、勵磁繞組、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等組成。一般小型電機(jī)的軸是通過軸承支撐在端蓋上的。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-8所示。2.1.3直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖2-8直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖圖2-8直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下：

1.定子鐵心和勵磁繞組

小容量直流電機(jī)的定子鐵心往往將磁極和磁軛連成一體，用厚為0.35～