第2節(jié) 測速發(fā)電機(jī)

測速發(fā)電機(jī)

直流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)1Tachogenerator22-1概述測速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號電壓。如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。

3直流測速發(fā)電機(jī)1直流發(fā)電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2直流電勢的關(guān)系式4直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)下一章上一章返回主頁7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢41直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)NS－U＋一、直流電動機(jī)的工作原理NS＋U－線圈邊中電流不改變方向，則平均Te=0。abcddcba51直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)NSNS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁力線會產(chǎn)生什么？換向片一、直流電動機(jī)的工作原理abcddcba由于電刷和換向器的作用，實現(xiàn)了電樞繞組電流的換向，從而產(chǎn)生方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動。6直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功電磁關(guān)系7NS二、直流發(fā)電機(jī)的工作原理NS－E＋－E＋abcddcba由于電刷和換向器的作用，把電樞繞組內(nèi)部的大小和方向均變化的交流電轉(zhuǎn)換成外部方向不變的直流電。線圈邊在磁場中運(yùn)動會產(chǎn)生什么？阻轉(zhuǎn)矩8電磁關(guān)系輸出直流電換向原動機(jī)感應(yīng)電動勢和電流電磁轉(zhuǎn)矩(阻轉(zhuǎn)矩)做功討論：直流發(fā)電機(jī)電刷電勢極性不變，但大小是否隨時間變化？9氣隙磁場的分布波形及線圈電動勢波形0bt

23AX0eXAtNS0πAX×+e－0et1.2直流電勢的形成e

=Bvl磁極軸線幾何中性線脈動電勢氣隙磁通密度導(dǎo)體感生電動勢電樞電勢10每極下有3個串聯(lián)線圈時的電動勢波形0et

2

3可見，輸出電勢平均值變大，脈動相對來說變小。結(jié)論：若電樞槽數(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，就可得到大小和方向都不變的直流電勢。11直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖電樞繞組

主磁極電樞鐵心

勵磁繞組

機(jī)殼附加極繞組

換向器

電刷端蓋

風(fēng)扇軸

端蓋

1.3直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12直流電機(jī)定子轉(zhuǎn)子（電樞）定子鐵芯勵磁繞組電刷機(jī)殼端蓋主磁極電樞鐵芯電樞繞組換向器軸13一、直流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)

1.定子(1)定子鐵芯(2)勵磁繞組(3)電刷(4)機(jī)座(5)端蓋直流電機(jī)的定子主磁極機(jī)座主磁極鐵心勵磁繞組絕緣框架電樞鐵心螺栓機(jī)座主磁極14直流電機(jī)的定子15直流電機(jī)的電刷銅絲辮壓緊彈簧電刷刷握16二.直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）(1)電樞鐵心(2)電樞繞組(3)換向片(4)轉(zhuǎn)軸直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子(a)轉(zhuǎn)子主體(b)電樞鋼片17電機(jī)裝配圖18（一）.繞組的基本概念單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。(1)元件：兩端分別與兩片換向片相連的單匝或多匝線圈是構(gòu)成電樞繞組的基本單元。

三、直流電機(jī)的電樞繞組電樞繞組的元件后端接上元件邊前端接下元件邊若電樞每槽上下層只有一個元件邊，則整個繞組的元件數(shù)與槽數(shù)相等19(2)疊繞組和波繞組

疊繞元件波繞元件(3)極距一對磁極在電樞表面所跨過的距離。=Z2p電樞總槽數(shù)極對數(shù)疊繞組：各磁極下的元件依次相連，總是后一個元件“疊”在前一個上。波繞組：同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，像波浪一樣向前延伸。

NS1234NSNS12k

元件邊(有效邊)20NS(4)繞組的節(jié)距

※

y1——第一節(jié)距（用所跨過的槽數(shù)來表示，必為整數(shù)

）。每個元件的兩個有效邊在電樞表面所跨過的距離

y1=為整距繞組；y1<為短距繞組；y1>為長距繞組?！?/p>

y2——第二節(jié)距（用所跨過的槽數(shù)來表示

）。同一換向片所串聯(lián)的兩個元件中，前一元件的下元件邊與后一元件的上元件邊之間的距離。※

y——合成節(jié)距：y=y1-y2相鄰兩串聯(lián)元件的對應(yīng)邊之間的距離疊繞元件在電樞上的連接1234y1y2

y

y1

=Z2p±ε21（二）.單疊繞組y=1AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

5AB123456787

6

5A1

2

3

B48NSNS123456781234567822單疊繞組AB812345676

5

4

378

1

2

AB7

6

5

48

1

2

3ABAB123456781234567812345678NSNS23電動機(jī)發(fā)電機(jī)eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa結(jié)論：單疊繞組把每個主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a等于極對數(shù)p

整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。當(dāng)電刷沒有與外電路接通時，整個閉合繞組回路的總電動勢之和等于零，電樞繞組不會產(chǎn)生回流。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeE24單疊繞組的展開圖單疊繞組的連接規(guī)律：所有的相鄰元件依次串聯(lián)，即后一元件的首端與前一元件的尾端相連，同時每一元件的出線端依次連接到相鄰的換向片上，最后形成一個閉合回路。（1）將槽和元件邊編號：元件邊的號碼就用槽的號碼，上元件邊用所在槽的號碼換向片與其相連的上層邊取同一編號，下元件邊用所在槽號加撇。25NS123456781

(2)單疊繞組的展開圖2p=2、槽數(shù)為8Z=p==y1=y2=y=814431123456781123456781A

B8

7

6A2

3

4

B51eeeeee電樞繞組的并聯(lián)支路結(jié)論：（1）1、5號元件所處的位置磁通密度為零，元件沒有感應(yīng)電動勢，電樞A、B將1、5短路；（2）2、3、4號元件首尾串聯(lián)，每個元件的上元件邊均在N極下，下元件邊在S極下，它們產(chǎn)生的電動勢同方向串聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)上支路；（3）6、7、8號元件首尾串聯(lián)，每個元件的上元件邊均在S極下，下元件邊在N極下，它們產(chǎn)生的電動勢同方向串聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)下支路；

n26電刷的位置：應(yīng)使倆電刷間獲得最大電勢輸出※電刷的中心線對著磁極的中心線：①電刷之間的電動勢最大。②被電刷短接的元件電動勢為零?！娝?yīng)放于主極軸線下的換向片上磁極中心線NS123456781123456781A

Bn幾何中性線8

7

6A2

3

4

B51eeeeee換向器上的幾何中性線27實際電機(jī)模型281.額定電壓UN發(fā)電機(jī)的UN：指輸出電壓的額定值。電動機(jī)的UN：指輸入電壓的額定值。2.額定電流IN發(fā)電機(jī)的IN：指輸出電流的額定值。電動機(jī)的IN：指輸入電流的額定值。3.額定功率PN發(fā)電機(jī)的PN：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動機(jī)的PN：指輸出機(jī)械功率的額定值(UNINηN)

。4.額定轉(zhuǎn)速nN

（三）直流電機(jī)的額定值295.額定勵磁電壓UfN6.額定勵磁電流IfN※

額定狀態(tài)：指U、I、P、n均為額定值的狀態(tài)?！鶟M載狀態(tài)：

指I=IN的狀態(tài)。30B0空載時電樞電流可忽略不計?？蛰d磁場由主磁極的勵磁磁動勢單獨(dú)作用產(chǎn)生?？蛰d時磁場軸線與磁極軸線相重合。幾何中性線：相鄰兩主極之間的中心線。該處的徑向磁通密度為零。磁場軸線磁極軸線幾何中性線幾何中性線一、直流電機(jī)的空載磁場2直流電勢的關(guān)系式31(1)產(chǎn)生電樞旋轉(zhuǎn)n磁場Φ(2)大小每個導(dǎo)體：二.電動勢e→∑e→Eex

=Bxlv※Bx——導(dǎo)體所在處的氣隙磁密。

l——導(dǎo)體的有效長度。

v——導(dǎo)體切割磁場線的線速度。8

7

6A2

3

4

B51eeeeee32=sn2p

60設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為N，則每條支路的導(dǎo)體為故v=nD60=n2p60E=ex1s=

Bxlv1s=lv

Bx1s=lvsBav=lns

2p

60

l=CEn每極下的合成磁通N2as==npN

60alex

=Bxlv8

7

6A2

3

4

B51eeeeee33E=CEΦnCE電動勢常數(shù)：CE=pN60a單位：Wb單位：r/min(V)(3)方向：由Φ和n共同決定。(4)Φ一定時

E=KEnKE電勢常數(shù)結(jié)論：①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。(5)性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為電源電動勢；電動機(jī)為反電動勢。②Ea和每極磁通量有關(guān)，而和磁場分布的形狀無關(guān)。若分布形狀改變，而仍保持每極磁通不變，則每個元件的電動勢大小有變化，但支路電動勢的大小不變。34三、直流發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩1.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生電樞電流ia磁場F→Te

2.電磁轉(zhuǎn)矩的大小設(shè)電刷在幾何中性線處，元件為整距。(1)同一極下每根導(dǎo)體受到的平均電磁力為fav

=Bavlia※

ia——導(dǎo)體中的電流。每根導(dǎo)體受到的平均電磁轉(zhuǎn)矩為

Tav=

fav=

BavliaD

2D

235電樞直徑為：

電樞電流與支路電流的關(guān)系為：則D=2p

ia=Ia

2aTe=

NTav=N

BavliaD

2=Nl

l

Ia

2a

p

=IapN2a(N·m)Te=CTIa※

CT

——轉(zhuǎn)矩常數(shù)。Tav=

fav=

BavliaD

2D

28

7

6A2

3

4

B51eeeeeeIaia363.電磁轉(zhuǎn)矩的方向和性質(zhì)

方向：由

和Ia共同決定。

性質(zhì)：發(fā)電機(jī)為制動轉(zhuǎn)矩，Te

與n方向相反。電動機(jī)為拖動轉(zhuǎn)矩，Te

與n方向相同。4.電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的關(guān)系CT

=

CE=9.55CE602，CT=pN2aCE=pN60a因為則37圖1-1直流電動機(jī)速度自動控制的原理結(jié)構(gòu)圖電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱為擾動。電動機(jī)被稱為被控對象，轉(zhuǎn)速稱為被控量，當(dāng)電動機(jī)受到擾動后，轉(zhuǎn)速（被控量）發(fā)生變化，經(jīng)測量元件（測速發(fā)電機(jī)）將轉(zhuǎn)速信號（又稱為反饋信號）反饋到控制器（功率放大器），使控制器的輸出（稱為控制量）發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以自動地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差保持在允許的范圍內(nèi)。直流電動機(jī)速度自動控制的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖中，電位器電壓為輸入信號。測速發(fā)電機(jī)是電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量元件。圖1-1中，代表電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的測速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，兩者的差值（又稱偏差信號）控制功率放大器（控制器），控制器的輸出控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)。383直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式有勵磁線圈勵磁，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。他勵式直流測速發(fā)電機(jī)接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–一、直流測速發(fā)電機(jī)的分類永磁式直流測速發(fā)電機(jī)

3940二、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)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求，主要是精度高、靈敏度高、可靠性好。應(yīng)滿足以下要求：（1）輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系——輸出特性曲線應(yīng)為線性；（2）輸出特性斜率要大；（3）溫度變化對輸出特性的影響要??；（4）輸出電壓的紋波要小；（5）正反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致；靈敏度精度41ME(2)帶載后電樞電路：Ua=Ea

RaIa+Ua－IaIf+Uf－三、輸出特性：輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即Ua=f（n)(1)空載時Uao=Ea=CEΦnRLUaRL

Ia=42若Φ、Ra和

RL都能保持為常數(shù)，則，隨負(fù)載電阻的減小，輸出特性的斜率變小，因此負(fù)載電阻不宜過小。但實際上，由于溫度、電樞反應(yīng)等影響，輸出特性不是嚴(yán)格的呈線性特性。onUaRL1RL243例一臺CY系列直流測速發(fā)電機(jī)，額定電樞電壓為110V，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，電機(jī)回路電阻為50Ω,負(fù)載電阻為1000Ω，求（1）電樞電動勢；（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時的電樞電動勢和輸出電壓。解444直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法直流測速發(fā)電機(jī)的誤差是由于電樞反應(yīng)、溫度、電刷接觸電阻、紋波、延遲換向去磁等的影響。一、溫度的影響ME+Ua－IaIf+Uf－RLTRfIfΦUa減小措施（1）將磁路設(shè)計比較飽和，使勵磁電流變化所引起的磁通的變化較小。（2）克服勵磁繞組Rf的溫升。45方法一：在勵磁回路中串聯(lián)一個比勵磁繞組大幾倍的附加電阻來穩(wěn)定勵磁電流，附加電阻采用溫度系數(shù)較低的合成材料方法二：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)otRRf隨溫度變化的曲線并聯(lián)電阻隨溫度的變化曲線使兩條曲線的斜率相等，勵磁回路的總電阻就不隨溫度而變化，則勵磁電流及勵磁磁通也就不會隨溫度而變化Rft°46二、電樞反應(yīng)影響B(tài)0空載時電樞電流可忽略不計。空載磁場由主磁極的勵磁磁動勢單獨(dú)作用產(chǎn)生。空載時磁場軸線與磁極軸線相重合。幾何中性線：相鄰兩主極之間的中心線。該處的徑向磁通密度為零。磁場軸線磁極軸線幾何中性線幾何中性線1、直流電機(jī)的空載磁場472、負(fù)載時的電樞磁動勢幾何中性線直軸d交軸qFa22OxxFa(x)Ba(x)NS48消耗在x點處每個氣隙上的電樞磁動勢為

※

ia—導(dǎo)體的電流；N—電樞總導(dǎo)體數(shù)；Da——電樞的直徑。NiaDaA=——電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，稱為電樞的線負(fù)荷。2xDaFa(x)=Nia12=Ax在幾何中性線處(x=/2)的電樞磁動勢為Faq=A=Famax1

2－≤x≤

2

222Oxx三角波49電樞磁場沿氣隙的磁通密度分布為※

——等效氣隙長度。Ba(x)=0Ha(x)

Fa(x)

(x)

=0Ax

(x)

=0三、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時電機(jī)中磁場：由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同作用產(chǎn)生的。電樞反應(yīng)：電樞磁動勢對主極磁場的影響。50電樞磁場沿氣隙的磁通密度分布為※

——等效氣隙長度。Ba(x)=0Ha(x)

Fa(x)

(x)

=0Ax

(x)

=0xFa(x)Ba(x)馬蹄形51二、電樞反應(yīng)影響B(tài)0磁場軸線磁極軸線幾何中性線幾何中性線1、直流電機(jī)的空載磁場522、負(fù)載時的電樞磁動勢幾何中性線直軸d交軸qFa22OxxFa(x)Ba(x)NS53三、直流電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時電機(jī)中磁場：由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同作用產(chǎn)生的。電樞反應(yīng)：電樞磁動勢對主極磁場的影響。54幾何中性線直軸d交軸qFaNS電刷在幾何中性線下的電樞反應(yīng)55電刷在幾何中性線下的電樞反應(yīng)Ba

22OxNSB0B

※將通過圓心和電樞圓周上徑向磁密為零的點連接成的直線——物理中性線。NS幾何中性線物理中性線56電刷在幾何中線上時的電樞反應(yīng)的結(jié)果①此時的電樞電勢只有交軸磁動勢②

氣隙磁場發(fā)生了畸變并有一定的去磁作用：電樞圓周上幾何中性線處徑向磁密不再為零。

磁路不飽和時，每極下的磁通量不變；

磁路飽和時，每極下的磁通量減少了。③

物理中性線偏離了幾何中性線：對發(fā)電機(jī)：順著電樞旋轉(zhuǎn)方向偏移；對電動機(jī)：逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向偏移。57電刷不在幾何中性線下的電樞反應(yīng)NS幾何中性線電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向從幾何中性線移過一個角度β

電樞磁動勢直軸分量Fad交軸分量Faq直軸電樞電勢與主磁極軸線重合，且方向與主極磁動勢相反，起去磁作用若電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移動時，直軸電樞電勢方向與主極磁動勢相同，起增磁作用

58結(jié)論：電樞反應(yīng)有去磁的作用，因此，同一轉(zhuǎn)速下，空載的輸出電壓應(yīng)大于帶載時的輸出電壓；負(fù)載電阻越小或轉(zhuǎn)速越高，電樞電流越大，去磁作用越明顯，因此，應(yīng)限制最大線性工作轉(zhuǎn)速和最小負(fù)載電阻值。59三、延遲換向去磁1.電樞反應(yīng)對換向的影響

①處在幾何中性線處的換向元件的e≠0，使換向發(fā)生困難。②氣隙磁場畸變使換向器上的片間電壓不均勻；

當(dāng)相鄰兩換向片之間的電位差超過一定的限度，將產(chǎn)生電位差火花；而且隨著電弧的拉長可能出現(xiàn)環(huán)火?！娝⑹桥c處在幾何中性線處的元件所連接的換向片接觸的，電樞繞組元件的電流方向以電刷為其分界線。8

7

6A2

3

4

B51eeeeee602.換向的基本概念321kia

2ia

ia

2ia

4321－ia

2ia

43211號元件是正在換向的元件，稱為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8

7

6A2

3

4

B51eeeeeeA

B1

2

3

48

7

6

5eeeeeeee1

8

7

62

3

4

5ABeeeeeeee61延遲換向。①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:eL的方向阻止換向元件中電流改變方向，應(yīng)與換向前的電流方向相同，是阻礙換向的。62

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。Fa63

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。

64延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊慹L∝n,ea∝n。因此，換向元件的附加電流及延遲換向去磁磁通與n成正比，使輸出特性呈現(xiàn)圖所示的形狀。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。22265

3.換向不良的影響①會在換向器和電刷間產(chǎn)生火花；②火花超過一定程度，就會燒壞電刷和換向器；③火花會產(chǎn)生電磁波，對無線通信造成干擾。664.改善換向的方法

(1)加裝換向磁極(2)移動電刷換向極67四紋波根據(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。0et

2

368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。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。紋波產(chǎn)生的原因69

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。705.電刷接觸壓降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，上式也可改寫為ME+Ua－IaIf+Uf－RL71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。72考慮電刷接觸壓降后的輸出特性可見，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)。73減小電樞接觸壓降的措施: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。

74

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。75恒速控制系統(tǒng)原理圖對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制76

6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)

777879

7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢（1）發(fā)展永磁高靈敏度測速發(fā)電機(jī)Ce=pN60a斜率越大，靈敏度越高，因此在相同條件下，應(yīng)使Ce增大，對于兩極測速發(fā)電機(jī)而言，應(yīng)使N增大。所以，永磁式高靈敏度直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點是：直徑大，軸向尺寸小，電樞元件多。80CY系列永磁高靈敏度測速發(fā)電機(jī)因為電刷間串聯(lián)的元件數(shù)多，因而紋波電壓較低，轉(zhuǎn)速可以很低，最低可低于每天一轉(zhuǎn)，輸出電壓約為幾毫伏。81（2）發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機(jī)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。電刷與換向器的間斷接觸引起射頻噪音。電刷與換向器接觸壓降的變化，引起輸出電壓不穩(wěn)定。電刷與換向器的存在使電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜直流測速發(fā)電機(jī)存在電刷和換向器的缺點：82出現(xiàn)無刷直流測速發(fā)電機(jī),比如霍爾直流測速發(fā)電機(jī)、電子換向式無刷直流測速發(fā)電機(jī)、兩極管式測速發(fā)電機(jī)等霍爾直流測速發(fā)電機(jī)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，輸出電壓無脈動成分，轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)矩小，可靠性好，壽命長….83通過電子換向電路轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出。特點：沒有電刷與換向器接觸等所造成的缺陷，性能較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性差，維護(hù)復(fù)雜。84（3）發(fā)展無刷電樞、杯形電樞、印刷繞組電樞測速發(fā)電機(jī)85交流異步測速發(fā)電機(jī)1、交流異步測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理2、異步測速發(fā)電機(jī)的特性和主要技術(shù)指標(biāo)3、異步測速發(fā)電機(jī)的使用4、主要誤差及改進(jìn)方法5、主要技術(shù)指標(biāo)86交流異步測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速或傳感轉(zhuǎn)速信號的元件，將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡妷盒盘?。理想的測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2與它的轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為U2=kn(2-1)式中，k為比例系數(shù)。圖輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系87

在自動控制系統(tǒng)中，交流測速發(fā)電機(jī)的主要用途兩種：1、在計算解答裝置中作為微分、積分元件；2、在伺服系統(tǒng)中作為阻尼元件。

圖7-2交流阻尼伺服系統(tǒng)

自整角機(jī)是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴山涣麟妷鹤優(yōu)檗D(zhuǎn)角的感應(yīng)式微型電機(jī)，在伺服系統(tǒng)中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機(jī)還可用以實現(xiàn)角度信號的遠(yuǎn)距離傳輸、變換、接收和指示。兩臺或多臺電機(jī)通過電路的聯(lián)系，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸自動地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或同步旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的這種性能稱為自整步特性。在伺服系統(tǒng)中，產(chǎn)生信號一方所用的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，接收信號一方所用自整角機(jī)稱為接收機(jī)。自整角機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、航海等位置和方位同步指示系統(tǒng)和火炮、雷達(dá)等伺服系統(tǒng)中。881、交流異步測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理交流異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)是完全一樣的。轉(zhuǎn)子：非磁杯形或鼠籠式鼠籠轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)輸出斜率大，但特性差、誤差大、轉(zhuǎn)子慣量大，一般只用在精度要求不高的系統(tǒng)中。非磁杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)的精度較高，轉(zhuǎn)子的慣量也較小，是目前應(yīng)用最廣泛的一種交流測速發(fā)電機(jī)。89一、結(jié)構(gòu)特點

杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是一個薄壁非磁性杯，制作材料：高電阻率的硅錳青銅或錫鋅青銅。定子上嵌有空間互差90°電角度的兩相繞組，一個繞組N1為勵磁繞組，另一個繞組N2為輸出繞組。在勵磁繞組兩端加上恒定的勵磁電壓U1，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，就可以從輸出繞組兩端得到一個其值與轉(zhuǎn)速n成正比的輸出電壓U2，如圖7-3所示。

圖7-3交流異步測速發(fā)電機(jī)的示意圖

90

二、工作原理交流異步測速發(fā)電機(jī)的工作原理可由右圖來說明，圖中N1為勵磁繞組，N2為輸出繞組，在空間互差90°電角度。轉(zhuǎn)子是一個非磁空心杯。圖交流異步測速發(fā)電機(jī)的工作原理911、當(dāng)轉(zhuǎn)子不動(n=0)時若在勵磁繞組中加上頻率為f1的勵磁電壓U1，則在勵磁繞組中就會有電流通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生頻率與電源頻率f1相同的脈振磁場。脈振磁場的軸線與勵磁繞組N1的軸線一致，產(chǎn)生的脈振磁通Φ10與勵磁繞組和轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)體相匝鏈并隨時間進(jìn)行交變。這時勵磁繞組N1與轉(zhuǎn)子杯之間的情況如同變壓器原邊與副邊之間的情況完全一樣。

圖交流異步測速發(fā)電機(jī)的工作原理92

忽略勵磁繞組N1的電阻R1及漏抗X1，則可由變壓器的電壓平衡方程式看出，電源電壓U1與勵磁繞組中的感應(yīng)電勢E1相平衡，電源電壓的值近似地等于感應(yīng)電勢的值，即U1≈E1=4.44f1N1Φ10(2-2)由于感應(yīng)電勢E1∝Φ10，故Φ10∝U1(2-3)所以當(dāng)電源電壓一定時，磁通Φ10也保持不變。93

圖中為某一瞬間磁通Φ10的極性。由于勵磁繞組N1與輸出繞組N2相互垂直，因此磁通Φ10與輸出繞組N2的軸線也互相垂直。這樣，磁通Φ10就不會在輸出繞組N2中感應(yīng)出電勢，所以轉(zhuǎn)速n=0時，輸出繞組N2也就沒有電壓輸出。圖交流異步測速發(fā)電機(jī)的工作原理94

當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，若仍忽略R1及X1，則沿著勵磁繞組軸線脈振的磁通不變，仍為Φ10。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子杯導(dǎo)體就要切割磁通Φ10而產(chǎn)生切割電勢ER2(或稱旋轉(zhuǎn)電勢)，同時也就產(chǎn)生電流IR2。

ER2=CrΦ10n(2-4)由于杯形轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻RR比漏抗XR大得多，當(dāng)忽略導(dǎo)條漏抗的影響時，導(dǎo)條中電流與此同時，流過轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流IR2

又要產(chǎn)生磁通Φ2，Φ2的值與電流IR2

成正比，即

Φ2∝IR2∝ER2=CrΦ10n∝U1n(2-6)

(2-5)95

Φ2的值是與轉(zhuǎn)速n成正比的，且也是交變的，其交變頻率與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流頻率f1一樣。不管轉(zhuǎn)速如何，由于轉(zhuǎn)子杯上半圓導(dǎo)體的電流方向與下半圓導(dǎo)體的電流方向總相反，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)體沿著圓周又是均勻分布的，因此，轉(zhuǎn)子切割電流IR2

產(chǎn)生的磁通Φ2在空間的方向總是與磁通Φ10垂直，而與輸出繞組N2的軸線方向一致。

它的瞬時極性可按右螺旋定則由轉(zhuǎn)子電流的瞬時方向確定，如圖所示。這樣當(dāng)磁通Φ2交變時，就要在輸出繞組N2中感應(yīng)出電勢E2，這個電勢就產(chǎn)生測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2，它的值正比于Φ2，

U2=E2

∝Φ2∝Φ10n∝U1n(2-7)96

當(dāng)勵磁繞組加上電源電壓U1，電機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，測速發(fā)電機(jī)的輸出繞組將產(chǎn)生輸出電壓U2，其值與轉(zhuǎn)速n成正比(如圖7-1中所示)。當(dāng)轉(zhuǎn)向相反時，由于轉(zhuǎn)子中的切割電勢、電流及其產(chǎn)生的磁通的相位都與原來相反，因而輸出電壓U2的相位也與原來相反。這樣，異步測速發(fā)電機(jī)就可以很好地將轉(zhuǎn)速信號變成為電壓信號，實現(xiàn)測速的目的。

由于磁通Φ2是以頻率f1在交變的，因此輸出電壓U2也是交變的，其頻率等于電源頻率f1，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。973異步測速發(fā)電機(jī)的特性和主要技術(shù)指標(biāo)

3.1輸出特性和線性誤差測速發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系U2=f(υ)稱為輸出特性(υ為相對轉(zhuǎn)速，是實際轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速

n

s

=60f/p之比值，即v=n/ns

)。

一臺理想的測速發(fā)電機(jī)輸出電壓應(yīng)正比于它的轉(zhuǎn)速，或者說輸出特性應(yīng)是直線，即U2=Kυ

98(2-8)圖輸出特性及線性誤差

式中，

ΔUmax

為實際輸出電壓與線性輸出電壓的最大差值；U2LTmax

為對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)速nmax

(技術(shù)條件上有規(guī)定)的線性輸出電壓。99異步測速發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)中的用途不同，對線性誤差的要求也就不同。一般作為阻尼元件時允許線性誤差可大一些，約為百分之幾到千分之幾；而作為解算元件時，線性誤差必須很小，約為千分之幾到萬分之幾的范圍。目前，高精度的異步測速發(fā)電機(jī)線性誤差可小到0.05

%

左右。圖7-6主磁通和漏磁通100

為了減小線性誤差，首先應(yīng)盡可能減小勵磁繞組的漏阻抗，并且采用由高電阻率材料制成的非磁杯形轉(zhuǎn)子，這樣就可略去轉(zhuǎn)子漏抗的影響，并使引起勵磁電流變化的轉(zhuǎn)子磁通削弱。轉(zhuǎn)子電阻值選得過大，又會使測速發(fā)電機(jī)輸出電壓降低(即輸出斜率指標(biāo)降低)，電機(jī)靈敏度隨之減小。1013.2剩余電壓Us

剩余電壓，就是指測速發(fā)電機(jī)的勵磁繞組已經(jīng)供電，轉(zhuǎn)子處于不動情況下(即零速時)輸出繞組所產(chǎn)生的電壓。剩余電壓又稱為零速電壓。剩余電壓由兩部分組成：1、固定分量U

s0

，其值與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)；2、交變分量Usj

(又稱波動分量)，它的值與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置變化時(以轉(zhuǎn)角α表示)，其值作周期性的變化，如圖7-7所示。圖7-7剩余電壓的恒定和交變分量102產(chǎn)生固定分量的主要原因：兩相繞組不正交，磁路不對稱，繞組匝間短路，繞組端部電磁耦合，鐵心片間短路等。圖表示由于外定子加工不理想，內(nèi)孔形成橢圓形而產(chǎn)生剩余電壓的情況。圖外定子內(nèi)孔橢圓引起的剩余電壓103產(chǎn)生交變分量的主要原因：由于轉(zhuǎn)子的不對稱性所引起的，如轉(zhuǎn)子杯材料不均勻，杯壁厚度不一致等。實際上非對稱轉(zhuǎn)子作用相當(dāng)于一個對稱轉(zhuǎn)子加上一個短路環(huán)的作用，如圖所示。其中對稱轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生剩余電壓，而短路環(huán)會引起剩余電壓。圖剩余電壓交變分量

104對稱轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生剩余電壓，而短路環(huán)會引起剩余電壓。因為勵磁繞組產(chǎn)生的脈振磁通Φ1會在短路環(huán)中感應(yīng)出電勢

和電流

，因而在短路環(huán)軸線方向就會產(chǎn)生一個附加脈振磁通Φk

。當(dāng)短路環(huán)的軸線與輸出繞組軸線不成90°時，脈振磁通Φk

就會在輸出繞組中感應(yīng)出電勢，即產(chǎn)生了剩余電壓。剩余電壓的值是與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的，與轉(zhuǎn)子的位置成周期變化。若圖中短路環(huán)的軸線與輸出繞組的軸線重合時，短路環(huán)中的Ek、Ik和Φk

均最小，所以在輸出繞組中所感應(yīng)出的剩余電壓也為最??；當(dāng)短路環(huán)軸線與輸出繞組軸線垂直時，輸出繞組中感應(yīng)出的剩余電壓也為最??；而當(dāng)短路環(huán)軸線與輸出繞組軸線相夾45°左右時，剩余電壓為最大。這樣，由于轉(zhuǎn)子電的不對稱性，就產(chǎn)生了如圖所示的與轉(zhuǎn)子位置成周期性變化的剩余電壓。1051—定子；2—轉(zhuǎn)子杯；3—等效短路環(huán)圖四極電機(jī)的剩余電壓

當(dāng)電機(jī)是四極電機(jī)時，由于轉(zhuǎn)子和磁路的非對稱性所引起的剩余電壓可減到最小。106圖表示一臺四極電機(jī)勵磁繞組產(chǎn)生的脈振磁場，非對稱性轉(zhuǎn)子用一個對稱轉(zhuǎn)子和短路環(huán)代替。

由圖可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，每一瞬間穿過短路環(huán)的兩路脈振磁通其方向正好相反，因而在短路環(huán)中所感應(yīng)的電勢和電流以及短路環(huán)產(chǎn)生的附加脈振磁通Φk

都很小。這樣，磁通Φk在輸出繞組中產(chǎn)生的剩余電壓就很小。同理，由于磁路不對稱所產(chǎn)生的剩余電壓在四極電機(jī)中也有所減小。為了減小由于磁路和轉(zhuǎn)子電的不對稱性對性能的影響，杯形轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)通常是四極電機(jī)。

107減小剩余電壓的其它方法：1、可將輸出繞組與勵磁繞組分開，分別嵌在內(nèi)外電子的鐵心上。內(nèi)定子做成能夠相對于外定子轉(zhuǎn)動。

1—內(nèi)定子；2—外定子；3—勵磁繞組；4—輸出繞組圖7-11轉(zhuǎn)動內(nèi)定子消除剩余電壓108圖采用補(bǔ)償繞組消除剩余電壓2、采用補(bǔ)償繞組來消除剩余電壓。補(bǔ)償繞組與勵磁繞組相串聯(lián)，但嵌放在輸出繞組槽中。109圖消除剩余電壓的簡單網(wǎng)絡(luò)3、在外部采用適當(dāng)?shù)碾娐?，產(chǎn)生一個校正電壓來抵消剩余電壓。1103.3輸出斜率與直流測速發(fā)電機(jī)一樣，異步測速發(fā)電機(jī)的輸出斜率un

規(guī)定為轉(zhuǎn)速1000

r/min時的輸出電壓。輸出斜率越大，輸出特性上比值

ΔU2/

Δn(如圖上所示)越大，測速發(fā)電機(jī)對于轉(zhuǎn)速變化的靈敏度就越高。與同樣尺寸的直流測速發(fā)電機(jī)相比較，交流測速發(fā)電機(jī)的輸出斜率比較小，一般為0.5~5

V/(kr·min-1)。圖7-14輸出斜率

1113.4輸出相位移與相位誤差在自動控制系統(tǒng)中，希望異步測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與勵磁電壓同相位，但在實際的異步測速發(fā)電機(jī)中，兩者之間卻存在相位移。這只要看一下圖的時間相量圖就可大致明了。圖相量圖112圖相位特性相位誤差：在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出電壓與勵磁電壓之間的相位移Δφ。113圖勵磁繞組串入電容

圖固定相移的補(bǔ)