测速发电机

纹波的概念
直流测速发电机因 换向片数是有限的, 换向片数是有限的, 电枢绕组电势应是 每一支路中有限个 元件感应电势的叠 加,因此输出电压是 脉动的. 脉动的. 直流测速发电机输出电压值 脉动的大小由纹波系数来衡 量 纹波系数指电机在一定的转 速下, 速下,输出电压交变分量的有 效值与输出电压的直流电压 之比. 之比. 输出电压中的交变分量对于 测速发电机用于速度反馈或 加速度反馈系统都是不利的, 加速度反馈系统都是不利的, 特别是在高精度解算装置中 更是不允许. 更是不允许.
第二节
直流测速发电机
直流测速发电机概述
直流测速发电机是一种微型直流发电机。它的定、转子结 构均和直流伺服电动机基本相同。 按定子磁极的励磁方式来分，可分为： 电磁式 永磁式 按电枢的结构形式分，可分为： 无槽电枢 有槽电枢 空心杯电枢 圆盘印制绕组等 近年来．因自动控制系统的需要，又出现了水磁式直线测 速发电机。
pn f = 60 E = 4.44 fNKω φm = K ' n
永磁式同步测速发电机因感应电势的频率随转速而改变， 致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化。因此， 这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系。尽管 永磁式交流测速发电机结构简单，又没有滑动接触，仍不 适用于自动控制系统，通常只是作为指示式转速计。
感应子式测速发电机原理（1 感应子式测速发电机原理（1）
当励磁绕组中通入直流励磁。使定子铁心磁化为N 当励磁绕组中通入直流励磁。使定子铁心磁化为N、S相间的四极 磁场。转子不动时，定子齿中的磁通也不随时间变化，故定子输出 绕组中没有感应电势。转子转动后，因定、转子齿的相对位置发生 周期性变化，则使定子齿中的磁通发生脉动，输出绕组中便产生交 变电势。当转子一个齿的轴线与定子某齿的轴线位置一致时，如图 中定子齿2 中定子齿2所示，该定子齿对应有最大的气隙磁导值。而当转子转 过半个齿距后，使转子槽的轴线与上述定子齿的轴线位置一致，该 定子齿就对应有最小的气隙磁导值。以后便以此重复进行。这样定 子输出绕组所匝链的磁通大小也相应发生周期性的变化，在其中便 感应出交流电势。由以上分析可知，每当转子转过— 感应出交流电势。由以上分析可知，每当转子转过—个齿距、输出 绕组的感应电势就变化一个周期．故输出电势的频率应为
第一节
概
述
测速发电机的概念
含义：测速发电机是一种测量转速的信号元件、 它将输入的机械转速变换为电压信号输出。通常 要求电机的输出电压与转速成正比关系，如右图 所示。其输出电压关系公式：
U 2 = Cn or dθ U2 = C = C dt
' '
测速发电机的用途
从测速发电机的输出公式可以看出，其输 出电压与转子的电压成正比，即正比于转 子的转角对时间的微分，因此，在解算装 置中通常作为微分元件或积分元件使用。 测速发电机在自动控制系统和计算装置中 通常作为测速元件、校正元件和角加速度 信号元件。
工作原理
直流测速发电机的工作 原理与一般直流发电机 相同，如右所示。在恒 定磁场中，电枢绕组旋 转切割磁通．并产生感 应电势。 电刷两端引出的电枢感应电势为：
Ea = Ceφ n = K e n
输出特性
空载时，电枢电流为零，直流 测速发电机的输出电压和电枢 感应电势相等，为： 直流测速发电机的输出特性如下 图：
测速发电机的分类
直流测速发电机 永磁式直流测速发电机，如CY系列 永磁式直流测速发电机，如CY系列 电磁式直流测速发电机，如ZCF系列 电磁式直流测速发电机，如ZCF系列 交流测速发电机 同步测速发电机 异步测速发电机 新型发电机，如霍尔效应测速发电机
自控系统的要求
输出特性呈正比关系并保持稳定。即指测速发电 机的输出电压与转速保持严格的正比关系，且不 随外界条件（如温度等) 随外界条件（如温度等)的变化而发生改变。 电机的转动惯星要小，以保证反应迅速。 电机的灵敏度要高。即指测速发电机的输出电压 对转速的变化反应灵敏，测速发电机的输出特性 斜率要大。 其他要求。如对无线电通信的干扰要小、噪声小、 结构简单、工作可靠、体积小和重量轻等。
Ea = Ceφ n = Ke n
负载时，电枢电流不为零，输 出电压为：
U a = Ea I a Ra Ia = Ua Rl Ea Ke n = Cn = R R 1+ a 1+ a Rl Rl
由图可见： 直流测速发电机负载时的输出特 性是一组直线 对于不同的负电阻Rl，测速发 对于不同的负载电阻Rl，测速发 电机输出特性有不同的斜率，并 且它随负载电阻的减小而变小。
纹波产生误差的改进
通常采取以下措施： 使每支路对的元件数尽可能多，并为奇数元件 使磁极的极弧宽度尽可能为整数倍电枢齿距；此 外还可采用磁极桥和电枢斜槽结构 电机加工时应保证定、转子的同心度，尽量减小 椭圆度。铁叠片可采用旋转叠装法。 严格保证电刷位于中性线位置，并减小电刷的宽 度，以减小气隙磁通的变化 采用银采用银-石墨电刷，以改善电刷和换向器的滑动接 触
温度产生误差的改进
为了减小温度对励磁电流的影响, 为了减小温度对励磁电流的影响,实际使用时可在 直流测速发电机的励磁绕组回路中串联一个较大 电阻值的附加电阻. 电阻值的附加电阻.附加电阻可用温度系数较低的 康铜或锰铜材料绕制而成. 康铜或锰铜材料绕制而成.这样当励磁绕组温度升 高时,它的电阻值虽有增加, 高时,它的电阻值虽有增加,但励磁回路的总电阻 却变化甚微,励磁电流几乎不变.采用附加电阻后, 却变化甚微,励磁电流几乎不变.采用附加电阻后, 相应励磁电源的电压也需增高, 相应励磁电源的电压也需增高,励磁功率就随之增 大,这是它的一个缺点. 这是它的一个缺点. 此外,设计时也可使电机磁路处于较饱和状态. 此外,设计时也可使电机磁路处于较饱和状态.这 样,即使励磁电流有较大的变动,电机的气隙磁通 即使励磁电流有较大的变动, 却变化较小. 却变化较小.
电刷接触压降产生误差的原因
设电刷的接触压降为 U，则 b 输出电压为：
C U a = Ea I a Ra U b = Cn U b Ke
由于电刷接触电阻的非线性， 当电机转速较低，相应电枢电 流较小，电刷接触电阻较大， 这时测速发电机的输出电压变 得很小。 只有当转速较高、电枢电流较 大时，电刷压降才可以认为是 常数。 在考虑了电刷接触压降的影响 后，直流测速发电机的输出特 性如下图所示。
即有 : U a =
误差产生的原因
实际上，直流测速发电机的输出电压与转 速之间并不是严格保持正比关系。其输出 特性曲线图中的虚线。产生这种非线性误 差的原因主要有： 电枢反应 电刷接触压降 温度的影响 纹波影响
电枢反应产生误差的原因
产生的原因：因为直流测 速发电机负载时存在电枢 反应去磁作用，电机的气 隙磁通就不再是常数，它 将随负载的大小( 将随负载的大小(即电枢电 流的大小) 流的大小)而改变，可以近 似认为： 假设负载时电枢的去磁磁 通与电枢电流成正比，即：
Zr n f = 60
感应子式测速发电机原理（2 感应子式测速发电机原理（2）
在上图所示的感应子式测速发电机中，定、转子采用相同的齿形。转子 为24齿均布，当转子每转道一个齿距，即转过15°，定子输出绕组感应 24齿均布，当转子每转道一个齿距，即转过15° 电势便交变一个周期。而定子齿的配置为齿1和齿3分别和齿2相距20° 电势便交变一个周期。而定子齿的配置为齿1和齿3分别和齿2相距20°， 其电角度相应差120°。因此，输出绕组2和输出绕组1 其电角度相应差120°。因此，输出绕组2和输出绕组1、3的感应电势相 位角便互差120° 位角便互差120°，它们就组成了一组对称三相绕组。 因感应电势的频率和转子的转速之间有着严格的关系，所以它也属于同 步电机。其感应电势的大小和转速成正比，故可作为测速发电机使用。 从感应子式测速发电机的原理来看，它和永磁式同步测速发电机一样， 出电势的频率随转速而改变，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速 而变化，所以也不宜在自动控制系统中用作交流测速发电机。但是，通 常采用二极管对这种测速发电机的三相输出电压进行桥式整流后，取其 直流输出电压作为速度信号而用于自动控制系统。这种电机因转于槽数 较多，因而输出电压的频率甚高，再经过三相桥式整流，使直流输出电 压中的纹波频率很高，配以适当的滤波措施后．其直流输出电压相当平 稳。这样，将感应子式测速发电机和整流、滤波电路结合后，可作为一 台性能良好的直流测速发电机使用。 这种直流测速发电机的直流输出电压其极性是由整流电路所决定，它与 电机转子的转向无关，这是实际使用中存在的一个缺点。
温度产生误差的原因
在电磁式直流测速发电机中, 在电磁式直流测速发电机中,因励磁绕组中 长期通过电流而发热, 长期通过电流而发热,它的电阻值随之增大 致使励磁电流减小, 致使励磁电流减小,从而使电机气隙磁通下 降,并导致电枢绕组的感应电势和输出电压 减小.计算表明,铜绕组温度每升高25° 减小.计算表明,铜绕组温度每升高25°C, 其电阻值相应增大10%,所以温度的变化对 其电阻值相应增大10%,所以温度的变化对 电磁式直流测速发电机输出特性会有较大 的影响. 的影响.
第三节
交流测速发电机
结构与分类
交流测速发电机分为同步测速发电机和异 步测速发电机 同步测速发电机可分为永磁式、感应子式 和脉冲式 异步测速发电机的结构和两相伺服电动机 相似。目前在自动控制系统中广泛应用的 是空心杯转子异步测速发电机。
永磁式同步测速发电机
实质：一台单相永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交 变电势大小和频率都随着输出信号（转速）而变化，即：
Cn Cn U ai U a 1 + Kn / Rl 1 U = = = Rl U ai Cn 1+ Kn
可见，当 K , n 和 Rl 越大，输出电压的相对 误差就越小
电枢反应误差的改进
为改善输出特性，必须削弱电枢反应的去 磁影响，尽量使电机的气隙磁通保持不变， 常用的措施有： 对电磁式直流测速发电机，可以在定子磁 极上安装补偿绕组 在设计时，应选取较小的线负荷，并适当 加大电机的气隙 在使用时，负载电阻不应小于规定值
感应子式同步测速发电机结构
感应子式测速发电机和脉冲式 测速发电机的工作原理基本相 同。都是利用定、转子齿槽位 置相对变化而使输出绕组中的 磁通发生脉动，从而感应出电 势。右为感应子式测速发电机 的原理性结构图。定、转子铁 心均由高硅薄钢片冲制叠成。 定于内圆周上有大槽和小槽。 大槽与大槽之间放置励磁绕组。 在12个定子齿上分别放置输出 12个定子齿上分别放置输出 绕组，并将输出绕组连结为三 相对称绕组。转子外圆周上为 24个均布齿槽。 24个均布齿槽。
纹波产生误差的原因
引起电压脉动的因素很多，大致可分为: 引起电压脉动的因素很多，大致可分为: 直流测速发电机速度的变化。因输出电压中交变分量的幅 值和频率均与电机的转速有关，转速越高，它就随之增大。 对于电磁式直流测速发电机来说，还有励磁电源电压变化 的影响 由于直流测速发电机表面粗糙，与电刷接触不良引起电刷 跳动 换向的影响 设计、工艺和材料方面的原因，如每支路对的元件数，齿 槽效应，气隙不均匀，铁心材料的导磁性能各向相异等 其中后两项是主要因素
由图可见，在转速较低时，电机的 输出特性上出现一个不灵敏区，即 在这一转速范围内，测速发电机虽 有输入信号（转速），但输出电压 很低。 图中虚线为考虑了电枢反应和电刷 接触压降的影响后，直流测速发电 机的输出特性。可见，在低速时存 在着不灵敏区；转速较高时又向下 弯曲。
电刷接触压降误差的改进
为减小电刷接触压降的影响，即缩小不灵 敏区，在直流测速发电机中常采用接触压 降较小的铜降较小的铜-石墨电刷。 在高精度的直流测速发电机中，也有采用 铜电刷的，并在它与换向器相接触的表面 上镀有银层。
第二章
测速发电机
基本内容与重难点
直流测速发电机的结构和分类；输出特性；产生 误差的原因和改进的方法。重点掌握直流测速发 电机的输出特性、产生的误差的原因和改进的方 法。 交流测速发电机的结构和分类；空心杯转子异步 测速发电机的运行原理；输出特性；产生误差的 原因及改进方法。重点掌握空心怀转子异步测速 发电机的运行原理和输出特性以及熟悉剩余电压 产生的原因和减小剩余电压的方法。
Ua φdem = K1 I a = K Rl 则对上述公式推导可得：
φ = φ0 φdem
负载时电枢绕组的感应电 势为：
Ua =
Cn n 1+ K Rl
Ea = Ce nφ = Ce n(φ0 φdem )
电枢反应产生误差的大小
若以 U ai 表示理想情况下的输出电压，考虑了电 枢反应的去磁作用，输出电压所引起的相对误 差为：