测速发电机

的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而在国防、
科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用。
二、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。直流测速发电机的工作原
理与一般直流发电机相同。根据直流电机理论，在磁极磁通量Φ为常数时，电枢感应电动势为
（1）输出电压与转速保持良好的线性关系； （2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； （3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向； （4）温度变化对输出特性的影响小； （5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大； （6）摩擦转矩和惯性要小。 此外，还要求它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声 小等。
图 3-7 励磁回路中的热敏电阻并联网络
5．纹波的影响 实际上直流测速发电机，在Φ和 n 为定值时，其输出电压并不是稳定的直流电压，而总是 带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。 引起纹波的因素很多，主要是电机本身的固有结构及加工误差所引起。电枢绕组的电动势 是每条支路中电枢元件电动势的叠加。由于电机中每个电枢元件的感应电动势是变化的，所以 电枢电动势也不是恒定的，即存在纹波。增加每条支路中串联的元件数，可以减小纹波。但由 于工艺所限，电机的槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，所以输出电压不可避免要产生 脉动。另外，由于电枢铁芯有齿有槽，气隙不均匀，铁芯材料的导磁性能各向相异等，也会使
在理想情况下，若不计电刷和换向器之间的接触电阻，即 ∆U b = 0 ，则
（3-2）
2
U a = Ea − I a Ra
（3-3）
显然，带有负载后，由于电阻 Ra 上有电压降，测速发电机的输出电压比空载时小。负载时
电枢电流为
式中： RL 为测速发电机的负载电阻。 将式（3-4）代入式（3-3），可得
(a)
(b)
图 3-2 直流测速发电机
(a) 电磁式；(b) 永磁式
永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型。前者的工作转速
一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最
低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重
测速发电机带负载时，由于电刷与换向器之间存在接触电阻，会产生电刷的接触压降 ∆U b ，
使输出电压降低。即
Ua
=
Ea
− Ia Ra
− ∆Ub
=
Ken
−
Ua RL
Ra
− ∆Ub
（3-6）
Ua
=
1
Ke
+
Ra RL
n
−
∆U b
1+
Ra RL
=
Cn
−
C Ke
∆U b
（3-7）
电刷接触电阻是非线性的，它与流过的电流密度有关。当电枢电流较小时，接触电阻大，
Ea = CeΦn = K e n
（3-1）
空载时，电枢电流 I a = 0 ，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，因而输出
电压与转速成正比。
负载时，如图 3-3 所示。因为电枢电流 I a ≠ 0 ，直流测速发电机的输出电压
U a = Ea − I a Ra − ∆U b 式中： ∆U b 为电刷接触压降； Ra 为电枢回路电阻。
3
一些措施：
（1）对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组。有时为了调节补偿的程度，
还接有分流电阻，如图 3-5 所示。
（2）在设计电机时，选择较小的线负荷（ A =
N cic πDa
）和较大的空气隙。
（3）在使用时，转速不应超过最大线性工作转速，所接负载电阻不应小于最小负载电阻。
2．电刷接触电阻的影响
为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直流测速发电机中，常常采用导电性能 较好的黄铜—石墨电刷或含银金属电刷。铜制换向器的表面容易形成氧化层，也会增大接触电 阻，在要求较高的场合，换向器也用含银合金或者在表面渡上银层，这样也可以减小电刷和换 向器之间的磨损。
当同时考虑电枢反应和电刷接触压降的影响，直流测速发电机的输出特性应如图 3-6 中的 虚线所示。在负载电阻很小或转速很高时，输出电压与转速之间出现明显非线性关系。因此， 在实际使用时，宜选用较大的负载电阻和适当的转子转速。
1
此外，还有性能和可靠性更高的无刷测速发电机。
§3-2 直流测速发电机
一、直流测速发电机的型式 直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。 １．电磁式 表示符号如图 3-2（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。目前，我国生产的 CD 系列直流测速发电机为电磁式。 2．永磁式 表示符号如图 3-2（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。目前，我国生产的 CY 系列直流测速发电机为永磁式。
第三章 chogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压 信号，其输出电压与输入的转速成正比关系，如图 3-1 所示。在自动控制系统和计算装置中通 常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。自动控制系统对测速发电机的 要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。具体为：
的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图 3-4 中实线所示。
图 3-3 直流测速发电机带负载
图 3-4 直流测速发电机的输出特性
三、直流测速发电机的误差及减小误差的方法 实际上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。下面讨论产生误差的原因及减小误差的方法。 1．电枢反应的影响 当直流测速发电机带负载时，负载电流流经电枢，产生电枢反应的去磁作用，使电机气隙 磁通减小。因此，在相同转速下，负载时电枢绕组的感应电动势比在空载时电枢绕组的感应电 动势小。负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应的去磁作用越强，气隙磁通减 小的越多，输出电压下降越显著。致使输出特性向下弯曲，如图 3-4 中虚线所示。 为了减小电枢反应对输出特性的影响，应尽量使电机的气隙磁通保持不变。通常采取以下
接触压降也大；电枢电流较大时，接触电阻小。可见接触电阻与电流成反比。只有电枢电流较
大，电流密度达到一定数值后，电刷接触压降才可近似认为是常数。考虑到电刷接触压降的影
响，直流测速发电机的输出特性，如图 3-6 所示。
图 3-5 有补偿绕组时的接线图
图 3-6 考虑电刷接触压降后的输出特性
由图 3-6 可见，在转速较低时，输出特性上有一段输出电压极低的区域，这一区域叫不灵 敏区，以符号 ∆n 表示。即在此区域内，测速发电机虽然有输入信号（转速），但输出电压很小， 对转速的反应很不灵敏。接触电阻越大，不灵敏区也越大。
5/6 nm 。
图 3-8 线性误差计算原理图
2．最大线性工作转速 nm 在允许的线性误差范围内的电枢最高转速称为最大线性工作转速。亦即测速发电机的额定 转速。 3．输出斜率 K g 在额定的励磁条件下，单位转速所产生的输出电压称为输出斜率。此值越大越好。增大负 载电阻，可提高输出斜率。 4．负载电阻 RL 保证输出特性在允许误差范围内的最小负载电阻值。在使用时，接到电枢两端的电阻应不 小于此值。 5．不灵敏区 ∆n 由于换向器与电刷间的接触压降 ∆U b ，而导致测速发电机在低转速时，其输出电压很低， 几乎为零，这个转速范围称为不灵敏区。 6．输出电压的不对称度 K ub
4．温度的影响 电磁式直流测速发电机在实际工作时，由于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），都会引起电机中励磁绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大。 这时即使励磁电压保持不变，励磁电流也将减小，磁通也随之减小，导致电枢绕组的感应电动 势和输出电压降低。铜的电阻温度系数约为 0.004/℃，即当温度每升高 25℃，其电阻值相应增 加 10%。所以，温度的变化对电磁式直流测速发电机输出特性的影响是很严重的。 为了减小温度变化对输出特性的影响，通常可采取下列措施： （1）设计电机时，磁路比较饱和，使励磁电流的变化所引起磁通的变化较小。 （2）在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流。附加电阻可用 温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金或镍铜合金，它的阻值随温度变化较小。这样尽 管温度变化，引起励磁绕组电阻变化，但整个励磁回路总电阻的变化不大，磁通变化也不大。 其缺点是励磁电源电压也需增高，励磁功率随之增大。 对测速精度要求比较高的场合，为了减小温度变化所引起的误差，可在励磁回路中串联具 有负温度系数的热敏电阻并联网络，如图 3-7 所示。只要使负温度系数的并联网络所产生电阻 的变化与正温度系数的励磁绕组电阻所产生的变化相同，励磁回路的总电阻就不会随温度而变 化，因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化。 （3）励磁回路由恒流源供电，但相应的造价会提高。 当然，温度的变化也要影响电枢绕组的电阻。但由于电枢电阻数值较小，所造成的影响也 小，可不予考虑。
3．电刷位置的影响
4
当直流测速发电机带负载运行时，若电刷没有严格地位于几何中性线上，会造成测速发电 机正反转时输出电压不对称，即在相同的转速下，测速发电机正反向旋转时，输出电压不完全 相等。这是因为当电刷偏离几何中性线一个不大的角度时，电枢反应的直轴分量磁通若在一种 转向下起着去磁作用，而在另一种转向下起着增磁作用。因此，在两种不同的转向下，尽管转 速相同，电枢绕组的感应电动势不相等，其输出电压也不相等。
图 3-1 测速发电机输出电压与转速的关系