第二章测速发电机
测速发电机的工作原理
测速发电机的工作原理
1.测速原理：流体通过装置时，会带动装置旋转，同时间隙上面开有
触头，而在这个装置上旋转的转子采用磁钢做产生磁场，触头与转子表面
上的磁场穿过铁芯引线产生感应电动势。
2.法拉第电磁感应定律：根据法拉第电磁感应定律，当导体相对于磁
场发生运动时，磁场中的磁感线将穿过导体，从而在导体上引起电势差。
当与导体相连的电阻接通时，将产生电流。
3.贴近斯密斯效应原理：当流体通过测速发电机时，将带动转子旋转。
转子上的励磁磁场由磁钢提供。
当流体通过转子的旋转，磁感线将穿过转
子上的铁芯，从而在铁芯内产生感应电动势。
同时，为了使转子旋转更为
顺畅，常常在环形的转子上放置一些电刷，把通过铁芯产生的感应电动势
剥离出来，形成短路电流。
4.电流产生：出于测速发电机的负载特性需要，通常在电刷处放置一
组分流电阻。
当感应电动势的大小超过了分流电阻的电压降，剩余的电势
差将用于驱动负载电压。
因此，负载电压的大小主要取决于流体流速和负
载电阻。
需要注意的是，测速发电机的转子和外转子发电机相比相对较为复杂，因为它需要通过电刷将感应电动势输出到外部负载。
此外，流体流速越快，产生的电流也就越大，最大电流取决于流体流速的限制。
第二章-控制系统的数学模型【可编辑全文】
Z2
减速器
J Lc fL
负载
r
操纵手柄
W1
ur
uε
u
放大器
ua
电机 m
减 速
c
负载
ut uc
测速电机
器
W2
W1
W2 位置随动系统结构图绘制
r (s)
U(rs)
m (s)
1 r
操纵手柄
k
Ut (s)
1
i
kW1
Urr (s)
U(s)
c
(s)
uε
E
ur uε
ut
cc (s) k Uc (s) Ur (s) Uc(s) U
G(s)
Ut (s) (s)
Kt
Kt U(s)
ut (t)
Kt
d (t)
dt
Ut (s) Ks(s)
G(s)
Ut (s) (s)
Kt
s
(s)
U (s)
Kts
典型元部件的传递函数
直流电动机：
Tm
dm (t)
dt
m (t)
K1ua (t)
K2Mc (t)
Tm
dm (t)
dt
m
(t)
K1ua
(t)
Tm
X3(s)=X2(s)+R(s)G4(s)+N(s)G3(s)
G4(s)
N(s) G3(s)
R(s)
E(s) X1(s) G1(s) X2(s)
X3(s) G2(s) X4(s) C(s)
C(s)
H(s) X4(s)
)
C(s)
C(s)
T2
X1(s) N(s) C(s) sX2(s) k1R(s) T2C(s)
测速发电机的工作原理
测速发电机的工作原理
测速发电机的主要工作原理是基于旋转磁通产生的感应电动势，通过转子上的电刷将这一电动势收集利用。
与同步发电机相同的是，测速发电机的转子同样由磁极、绕组等元件组成，通过交流磁通的作用，引起定子中的感应电动势产生。
不同之处在于，测速发电机通常采用使用同步带、齿轮或其他传动装置与被测设备相连，以便准确测量其转速。
同时，将测得的转速信号输入到电子控制器中，利用独立的电路控制测速发电机输出的频率，以确保其与稳定的电网相匹配。
除此之外，测速发电机还需要特别设计的转子电刷，以确保其具有高度的耐磨性和稳定性。
同时，其输出电流也需要一定程度的过载能力，以适应各种应用场景中的特定负载要求。
在实际应用中，测速发电机可以用于测量各种类型的旋转机械设备，包括发动机、轴承、齿轮等，从而提供实时的数据反馈，并产生可靠的电能供应。
在现代自动化生产线、航空航天、船舶、铁路等领域广泛应用，为保证设备安全、提高生产效率提供了重要保障。
《控制电机1~11章》答案解读
第二章直流测速发电机1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A 始终与处在N 极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、B 电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a, S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B 与线圈的d 端相接触,故此时A 电刷为正, B 电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下,这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反, 于是线圈电势的方向也变为由a 到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
3. 为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组（见图2 - 3）的电刷放在磁极轴线上? P9-104. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL 正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL x n2。
同样可以证明ea x 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，使输出特性呈现非线性。
第二章直流测速发电机
第二章直流测速发电机Chapter two DC Tachogenerator 2.1 直流电机基本结构和工作原理（The Structure and Principle of a DC Machine）直流发电机工作原理直流电动机工作原理2.2 直流电机的电势和电磁转矩（EMF and MMF of DC machine）电势：n a pN n C E e a φφ60== 电磁转矩：a a T I apN I C T φπφ2== 磁场分布和电刷电势图2 - 13 直流电机磁路 图2 - 14 气隙中磁通密度分布图()()lv B e θθ=图 2 - 2 磁场分布和电刷电势2.3 直流测速发电机(DC Tachogenerator )PRINCIPLE OF OPERATION :The DC Tachogenerator is a speed transducer, which develops DC voltage proportional to speed of the motor connected to it. Permanent Magnetic field eliminates the need of external excitation and offers extremely reliable and stable outputs. The accuracy of the tachogenerator decides the maximum accuracy of speed of the controlled machine. They are widely used for feedback and display purposes.直流测速发电机及其输出特性1) 对直流测速发电机要求：（1）输出电压与转子转速之间的关系（称为输出特性）应为线形，如图2-17；图2-17 测速发电机的理想输出特性（2）输出特性的斜率要大；（3）温度变化对输出特性的影响要小；（4）输出电压的纹波要小；（5）正、反转两个方向的输出特性要一致。
第2章_直流测速发电机
反之， 当温度下降时， 输出电压便升高。
第一章 直流测速发电机
减少温度影响的措施： ①测速发电机磁路通常被设计的比较饱和，磁路 饱和后励磁电流变化引起的磁通变化较小； ②励磁回路串一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的 附加电阻来稳流；
③对温度变化引起误差要求比较严格的场合，可 在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网 络。
第一章 直流测速发电机
(4) 输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速 下输出电压要稳定， 波动要小；
(5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。
图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性
第一章 直流测速发电机
2.3.3 输出特性
在2.2节中已经推导了直流电势公式:
Ea=CeΦn
Ea∝n
(2 - 14)
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第一章 直流测速发电机
式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。 如果 式中Φ、 Ra和RL都能保持为常数， 则Ua与n之间仍呈 线性关系， 只不过是随着负载电阻的减小， 输出特性 的斜率变小而已， 如图 2 - 19 所示。 但该图是理想情 况下， 即Φ、 Ra不变， RL为一定时的输出特性。
pN 其中 C e 称电动势常数，Φ为每极磁通。 60 a
第一章 直流测速发电机
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。
1. 永磁式
永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久 磁钢做成， 没有励磁绕组， 以图 2 - 15 所示 的符号表示。
第一章 直流测速发电机
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。 所以， 负载运行时， 电
测速发电机的工作原理
测速发电机的工作原理
测速发电机是一种利用流体或气流的动力来产生电能的装置。
它的工作原理基于法拉第与塞科姆定律和电磁感应原理。
当测速发电机暴露在流体或气流中时，流体或气流的运动会导致测速发电机叶轮转动。
测速发电机叶轮的转动会带动与之相连的轴，轴上装有磁铁。
同时，测速发电机中还有与轴相对应的线圈。
当叶轮转动时，磁铁的磁场也会随之改变，这会导致线圈中的磁通量发生变化。
根据法拉第与塞科姆定律，磁通量的变化会引起线圈中的感应电动势。
由于感应电动势的存在，测速发电机的线圈中就会产生电流。
测速发电机能够将流体或气流的动能转化为电能的原因在于电磁感应的作用。
流体或气流的动力通过叶轮传递给磁铁和线圈，在此过程中，动能被转换为电能。
通过接入外部电路，测速发电机产生的电能可以直接供给外部设备使用，完成相应的工作。
测速发电机课程设计
测速发电机课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解测速发电机的工作原理，掌握其构造、分类及特点。
2. 学生能掌握测速发电机在工程实践中的应用，了解其性能参数对系统性能的影响。
3. 学生了解测速发电机与其他类型发电机的区别，明确其适用范围。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，分析并解决实际工程中与测速发电机相关的问题。
2. 学生能通过实际操作，掌握测速发电机的安装、调试及维护方法。
3. 学生能运用图表、数据等工具，对测速发电机的性能进行评估。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对测速发电机及相关工程技术领域的兴趣，激发学生的求知欲。
2. 培养学生具备团队协作精神，能够在实际操作中互相帮助，共同完成任务。
3. 增强学生对我国工程技术发展的自豪感，激发学生为我国科技创新贡献力量的责任感。
课程性质：本课程为理论与实际操作相结合的课程，旨在帮助学生掌握测速发电机的基本原理、性能与应用。
学生特点：学生具备一定的物理、电学基础知识，对实际操作有较高的兴趣。
教学要求：结合理论教学与实际操作，注重培养学生的动手能力、分析解决问题能力以及团队协作能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与，充分调动学生的学习积极性。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 测速发电机基本原理：介绍法拉第电磁感应定律，阐述测速发电机工作原理及其与转速的关系。
相关教材章节：第二章第三节2. 测速发电机的构造与分类：分析测速发电机的结构特点，介绍常见类型及其适用场合。
相关教材章节：第二章第四节3. 测速发电机性能参数：讲解测速发电机的关键性能参数，如转速、电压、频率等，并分析其对系统性能的影响。
相关教材章节：第三章第一节4. 测速发电机的应用：介绍测速发电机在工程实践中的应用，如速度检测、位置控制等。
相关教材章节：第三章第二节5. 测速发电机的安装与调试：讲解测速发电机的安装方法、注意事项以及调试步骤。
运动控制第二章课后习题答案
课后思考题2.1转速单环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？答：1）闭环调速系统可以比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围。
为此，所需付出的代价是需增设电压放大器以及检测与反馈装置。
2）能。
因为)1()1(*k C RI k C U k k n e de ns p +-+=，由公式可以看出，当其它量均不变化时，n 随着*n U 的变化而变化3）能。
因为转速和反馈电压比有关。
4）不，因为反馈控制系统只对反馈环所包围的前向通道上的扰动起抑制作用 ，而测速机励磁不是。
2.2为什么用积分控制的调速系统是无静差的?在转速负反馈调速系统中,当积分调节器的输入偏差电压0=∆U 时,调节器的输出电压是多少?它取决于那些因素?答： 使用积分控制时可以借助积分作用，使反馈电压n U 与给定电压*n U 相等，即使n U ∆为零C U 一样有输出，不再需要n U ∆来维持C U ，由此即可使输出稳定于给定值使调速系统无静差。
当0=∆n U 时调节器的输出为电压C U ，是对之前时刻的输入偏差的积累。
它取决于n U ∆的过去变化，当n U ∆为正C U 增加，当n U ∆为负C U 下降，当n U ∆为零时C U 不变。
2.3在无静差转速单闭环调速系统中,转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响?试说明理由;答： 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度同样受给定电源和测速发电机精度的影响。
无静差转速单闭环调速系统只是消除了误差，使输出的转速基本稳定于给定的转速。
但是，这种系统依然属于反馈控制系统，只能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，对于其他环节上的精度影响无可奈何。
2.4在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时，系统是否有调节作用，为什么？（１）放大器的放大倍数Ｋｐ （２）供电电网电压 （３）电枢电阻Ｒａ（４）电动机励磁电流 （５）电压反馈系数a答：3）电枢电阻，４）电动机励磁电流，（５）电压反馈系数a 无调节作用。
第二章 测速发电机
输出电压不对称是电刷不在几何中性线上或剩余磁通存在造成的。
一般在0.35%~2%范围内，对要求正、反转的控制系统需考虑该指标 。
6.
纹波系数 K
α
测速发电机在一定转速下，输出电压中交流分量的有效值与直流分
量之比。目前可做到 K α ＜1%，高精度速度伺服系统对该指标的要求 较高。
主要性能指标是选择直流测速发电机的依据。
纹波电压的存在对于测速发电机是不利
的，当用于转速控制或阻尼元件时，对纹
波电压的要求较高，而在高精度的解算装
臵中则要求更高。
纹波系数是指在一定转速下，输出电压中
交变分量的有效值与直流分量之比。
目前国产测速发电机已做到纹波系数小 于1%，国外高水平测速发电机纹波系数已 降到0.1%以下。
解决纹波的方法
Er＝C2 d n
若磁通 d恒定时，电势 Er 就与转子的转速成 正比关系。
就在转子杯中 因转子杯为短路绕组，电势 E r 。若考虑到转子杯中漏抗的 产生短路电流 I r 将在时间相位上滞后电势 E 影响，电流 I r r 一个电角度。在同一瞬时，转子杯中电流的 方向如图2-7中内圈符号所示。
测速发电机分类： –1．直流测速发电机
• (1)永磁式直流测速发电机，型号：CY。 • (2)电磁式直流测速发电机，型号：ZCF。 –2．交流测速发电机 • (1)同步测速发电机 • (2)异步测速发电机。
30CY-1 型永磁直流测速发电机
ZCF直流测速发电机
AT 系列交流测速发电机
型
号
励磁电压
直流测速发电机是一种微型直流发电机， 定、转子结构和直流伺服电动机基本相 同。 按定子磁极的励磁方式分为电磁式和永 磁式两大类。 按电枢结构形式又可分为：无槽电枢、 有槽电枢、空心杯电枢和圆盘印制绕组 等。
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U a Ea Cejn Kn
负载时，如图2.5 所示。因为电枢电流I a ≠ 0，对应直流 测速发电机的输出电压 U a = E a − I a R a − ΔU b （2-2） 式中： ΔU b为电刷接触压降； R a为电枢回路电阻。 在理想情况下，不考虑其电刷和换向器之间的接触电阻， 即ΔU b = 0，则直流测速发电机在负载时的输出电压为 Ua= E a − I a R a （2-3） 此式称为直流发电机电压平衡方程式 。 其中R a为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组的电阻、 电刷和换向器之间的接触电阻；I a为电枢总电流。 在带有负载后，由于电阻R a上有电压降，测速发电机的 输出电压比空载时要小。
（a）电磁式
图2.1 直流测速发电机
(b) 永磁式
2、交流测速发电机
交流测速发电机与直流测速发电机一样，是一种测量转换 或传递转换信号的元件。 交流测速发电机包括同步和异步两种。 交流异步测速发电机 （1）空心杯转子异步测速发电机 根据转子类型： （2）笼式转子异步测速发电机 （1）同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。 输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使 用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测 量用。
2.1直流测速发电机
2.1.1 直流测速发电机的输出特性
(output characteristic) 测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n)称为输出 特性。 根据直流电机理论，在磁极磁通量j为常数时，电枢感应 电动势 Ea Cejn Kn （2-1） 空载时，由于电枢电流I a = 0 ，对应的直流测速发电机的 输出电压U a和电枢感应电动势E a相等，因而输出电压与 转速成正比。
自控系统一般要求测速发电机要有精确度高、灵敏度高、 可靠性好等特点。具体为： （1）输出电压与转速的线性关系； （2）温度变化对输出特性的影响要小； （3）输出电压的斜率特性要好，即转速变化所引起的输出 电压的变化要灵敏； （4）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； （5）输出电压的极性和相位能够反映被测对象的转向； （6）摩擦转矩和惯性要小。 在实际应用中，对测速发电机的要求因自控系统特点的 不同有各有侧重。例如作为解算元件时，对线性误差、温度 误差和剩余电压等都要求较高，一般允许在千分之几到万分 之几的范围内，但对输出电压的斜率要求却不高；作较正元 件时，对线性误差等精度指标的要求不高，而要求输出电压 的斜率要大 。
负载时电枢电流为
I a
Ua RL
R L 为测速发电机的负载电阻。 代入式（2—3）得到 U U a E a a Ra RL 化简为
Ea Ua Ra 1 RL
用 Ea Cejn Kn 代入得
C ej Ke Ua n n Cn Ra Ra 1 1 RL RL
C为测速发电机输出特性的斜率。
可以看出，当不考虑电枢反应，且认为j 、R a和R L都能 保持为常数，斜率C 也是常数，输出特性便有线性关系。 对于不同的负载电阻 R L,对应的测速发电机输出特性的斜 率也不同，并且它随负载电阻的增大而增大，如图2.6 中 实线所示。 实际当中的直流测速发电机的输出特性U a =f (n) 并不是 严格的线性特性，而与线性特性之间存在有误差，如图26中的虚线所示。 下面我们分析下直流测速发电机误差的产生原因及减小 误差的方法。
第二章 测速发电机
本章教学目标与要求
了解直流测速发电机电枢绕组的电势及电压平衡 方程式； 掌握直流测速发电机的输出特性； 掌握产生误差的原因及减小的方法 了解交流异步测速发电机的结构、原理； 掌握交流异步测速发电机的特性及主要技术指标。
引言
测速发电机(Tachogenerator)
是自控系统的常用元件,它可以把转速信号转换成电压信号输出，输 出电压与输入的转速成正比关系，用于测量旋转体的转速，亦可作 为速度讯号的传送器。在自动控制系统和计算装置中一般作为测速 元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。 测速发电机按输出信号的形式，可分为交流测速发电机和直流测速 发电机两大类。
图2.5测速发电机的输出特性
图2.6 直流测速发电机的输出特性
2.1直流测速发电机
2.1.2直流测速发电机的误差及其减小的方法
造成直流测速发电机产生非线性误差的原因较多且比较 复杂,根据产生误差原因的不同从以下几个方面介绍: 1. 温度对误差的影响; 2. 电枢反应的影响; 3. 延迟换向去磁作用的误差影响; 4. 纹波影响; 5. 电刷接触压降影响;
1、直流测速发电机
按励磁方式可分为 （1）电磁式直流测速发电机 （2）永磁式直流测速发电机 （1）电磁式直流测速发电机 表示符号如图2.1（a）所示。定子常为二极，励磁绕 组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。 （2）永磁式直流测速发电机 表示符号如图2.1（b）所示。定子磁极是由永久磁钢 做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具 有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其 缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度 不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变 坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。
（ 2）空心杯转子异步测速发电机：由内定子、外定子及 在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、 输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。杯形 转子是由非磁性材料制成。其输出绕组中感应电动势大 小正比于杯形转子的转速，输出频率和励磁电压频率相 同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转 子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。 由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机(空心杯电 机)优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小， 是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。 （3）笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似， 因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。