直流测速发电机..

直流测速发电机
换向器圆周线速度对ΔUb影响较 小， 在小于允许的最大转速范围 内， 可认为速度不会引起ΔUb的 变化。
但是随着转速的升高，电枢电流Ia 增大，电刷电流密度增加。当电刷 电流密度较小时，随着电流密度的 增加，ΔUb也相应地增大。
当 电 流 密 度 达 到 一 定 数 值 后 ， 考虑电刷接触压降后的输出特性 ΔUb几乎等于常数。
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2.1.1 工作原理
直流发电机的工作是基于电磁感应定律， 即： 运动导 体切割磁力线， 在导体中产生切割电势； 或者说匝链 线圈的磁通发生变化， 在线圈中发生感应电势。
2.1.2 直流电势的形成
导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv 磁场分布和电刷电势
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2.1.2 直流电势的形成 导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv 磁场分布和电刷电势 电枢绕组和输出电势
电枢元件
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等值电路
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输出电势
直流电机示意图
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2.1.3 直流电机基本结构
静止部分(称为定子)：定子铁心、 励磁绕组、 机壳、 端盖和电刷装置等组成；
理持为想常情数况，下则ΦU、a与Ran和之R间L都仍能呈保线 性关系, Ua=Kn ；
随着负载电阻的减小， 输出特性 的斜率变小；
实际上，测速发电机的输出特性
Ua=f(n) 不 是 严 格 地 呈 线 性 特 性 ， 实际特性与要求的线性特性间存在
误差。
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2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法
第2章 直流测速发电机
直流测速发电机
2.1 直流发电机工作原理和结构 2.2 直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.4 直流测速发电机误差及其减小的方法 2.5 直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标
2.7 直流测速发电机的发展趋势
2.1 直流发电机工作原理和结构
s
s
Ea
ei
Bilv
i 1
i 1
其中：s=N/(2a)
气隙磁密分布：
Bp l
电枢表面圆周速度
D n
60
2.2 直流电势的关系式
Ea

pN n
60a
或：Ea=CeΦn，其中Ce=pN/60a
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磁通一定时：
Ea=Ken， 式中： Ke=CeΦ， 称为电势系数。
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测速发电机在自动控制系统中作为测量或自动调 节电动机转速之用；
在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳 定性和精度；
在计算解答装置中作为微分和积分元件。
2.5.1 作为系统的阻尼元件
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伺服电动机控制电压
U g k1( )
Uf
旋转部分(称为转子)：转子由电枢铁心、 电枢绕组、 换向器、 轴等组成。
定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。
定子主磁极
控制用的直流电机一对极。 励磁方式：电磁式，永磁式。
电枢铁心和电枢绕组
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换向器和电刷
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2.2 直流电势的关系式
当电刷A、 B通过换向片与几何中心线上的导体相连接时， 电刷A、 B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来， 电刷 间的电势应该等于正负电刷所连接的导体的电势之和：
12
22iai2aia
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2.4.3 延迟换向去磁
由于元件本身有电感， 因此在换向过程中当 电流变化时， 换向元件中要产生自感电势:
di eL L dt
方向应与换向前的电流方向相同， 是阻碍换向的
换向元件在经过几何中性线位置时， 由于 切割电枢磁场而产生切割电势ea=Blv
测速发电机电刷两端接上负载电阻 RL后， RL两端的电压才是输出电压。
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Ua=Ea-IaRa Ia=Ua / RL
Ua
Ea 1 Ra
Ce 1 Ra
n
RL
RL
Ua

Ea 1 Ra
Ce 1 Ra
n
RL
RL
输出特性：负载时输出电压与 转速的关系，Ua=f(n)。
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α
(α-β)<0，但趋近0时，因 -
β
Uf>0，使U=0,n=0；
有阻尼作用，改善系统动态性能；
t
2.5.2 对旋转机械作恒速控制
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恒速控制系统原理图
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2.6 直流测速发电机的性能指标
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2.7 直流测速发电机的发展趋势
线性； (2) 输出特性的斜率大； (3) 温度变化对输出特性的影响小； (4) 输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速下
输出电压稳定， 波动小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性一致。
2.3.3 输出特性
直流电势:Ea=CeΦn
当每极总磁通Φ为常数时， 则 Ea∝n 即 输 出 电 势 与 转 速 成 正 比 。
个常数。 电刷接触压降ΔUb与下述因素
Ua

Cen Ub 1 Rs
n
有密切关系:
RL
① 电刷和换向器的材料； ② 电刷的电流密度； ③ 电流的方向； ④ 电刷单位面积上的压力； ⑤ 接触表面的温度； ⑥ 换向器圆周线速度； ⑦ 换向器表面的化学状态和机械
方面的因素。
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解决办法：
在励磁回路中串联温度系数较低的电阻。 在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络。
励磁回路中的热敏电阻并联网络
电阻随温度变化的曲线
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2.4.2 电枢反应影响
电机空载时， 只有励磁绕组产生的主磁场。 电机负载时， 电枢绕组中流过电流也要产生磁
场， 称为电枢磁场。 负载运行时， 电机中的磁场是主磁场和电枢磁
场的合成。
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由于电枢磁场的存在， 气隙中的磁场发生畸变， 这种现象称为电枢反应。
如果电机的磁路 不饱和(即磁路为 线性)， 磁场的 合成就可以应用 叠加原理。
如果电机的磁路饱 和，增加少，减少 多，电枢反应去磁
Bx
B0 x
Bax
电枢磁场磁通密 度分布曲线
主磁场的磁通密 度分布曲线
两条曲线逐点叠加后得到 负载时气隙磁场的磁通密
度分布曲线
影响：
n↑，→Ea ↑， →Ia ↑， →饱和 RL ↓， → Ia ↑， →饱和 饱和去磁，输出特性偏离线性
解决办法：
限制最大转速nmax 限制最小负载电阻RLmax
Φk
ik
eL∝n2；ea∝n2。 因此， 换向 元件的附加电流及延迟换向去 磁磁通与n2成正比；
直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。
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2.4.4 纹波
根据Ea=CeΦn, 当Φ、 n为定值时， 电刷两端应输 出不随时间变化的稳定的直流电势。 然而， 实际 的电机并非如此， 其输出电势总是带有微弱的脉动， 通常把这种脉动称为纹波。
2.4.1 温度影响
Ua=f(n)为线性关系的条件是励磁磁通Φ、Ra、RL为常数。
实际上， 电机周围环境温度的变化以及电机本身发热 (由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的变化。
当温度升高时， 励磁绕组电阻增大， 励磁电流减小， 磁通也随之减小， 输出电压就降低。
反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。
纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所 引起的；
实用的测速机在结构和设计上都采取了一定的措施 来减小纹波幅值。无槽电枢直流电机可以大大减小 因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值
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2.4.5 电刷接触压降
Ua=f(n)为线性关系的另一个条件是Ra为恒值。实
际上， Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一
右手定则可以确定， ea所产生的电流的方向 也与换向前的电流方向相同，是阻碍换向的。
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2.4.3 延迟换向去磁
换生与附主向加磁元电通件流方被向i电k, 相刷ik方反短向，路与，对e主k方于磁向是通一总有致电去。势磁e由作k=i用ek产L+。生ea延磁在迟通换换Φ向k向元，去件其磁中方产向
CYD系列直流高灵敏度测速发电机
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2.7.2 改进电刷与换向器的接触装置，发展无刷 直流测速发电机 窄电刷、印刷电路端面换向器：使接触面积 和接触半径减小，因而降低了摩擦转矩。 无刷测速发电机：霍尔测速发电机、两极管 式测速发电机
2.7.3 永磁式无槽电枢、 杯形电枢、 印制绕组电 枢测速发电机 转动惯量小， 线性度好， 纹波电压小。
2.7.1 发展高灵敏度测速发电机
电机直径大; 轴向尺寸小; 电枢元件数多 刷间的串联导体数多;
输出电压斜率大， 灵敏度比普通 测速机高1000 倍, 纹波系数小。
美国Inland公司直径为 250 mm的产品： 其速比范围为 1∶3000, 最低转速可低于 1 转每天， 纹波系数小于 0.1%， 线性误差低于 0.1%， 灵敏度(即电压斜率)为 10 V/(r/min)， 每天 1 转时的输出信号电压约 7 mV。
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2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.3.1 直流测速发电机的型式
按照励磁方式划分， 直流测速发电机有两种型式。
永磁式 电磁式
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2.3.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求
主要是精确度高、 灵敏度高、 可靠性好等。 (1) 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为
直流测速发电机
（R L1>R L2)
直流测速发电机
2.4.3 延迟换向去磁
换向过程：电机旋转， 当电枢绕组元件从一条支路 经过电刷进入另一条支路时， 其中电流反向， 由+ia 变成-ia的过渡过程。
va
i i iiiaa iiaaaiiaaa iiiiiaa
元件1
ii111 ii222
在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域。 此区域内， 测速机虽有输入信号(转速)， 但输出电压很小， 对转速的反应很不灵敏， --不灵敏区。
采用接触压降较小的银—石墨电刷。
在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷， 并在 表面上镀上银层， 使换向器不易磨损。
2.5 直流测速发电机的应用
k2
d
dt
U

k3 (U g
U
f
)

k1k3 (

) k2k3
d
dt
无测速机
(α-β)>0，但趋近0时，因惯
β
性n≠0，使(α-β)<0；
α
(α-β)<0，但趋近0时，因惯
性n≠0，使(α-β)>0；
t
有测速机
(α-β)>0，但趋近0时，因 -
Uf<0，使U=0,n=0；