第03章-测速发电机资料

控制电机
第三章测速发电机第一节直流测速发电机
第二节交流测速发电机
第三节特种测速发电机*
第四节测速发电机的选用
测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于各种自动控制系统之中。

自动控制系统对测速发电机的性能要求，主要是精度高、灵敏度高、可靠性好，包括以下五个方面：（1）输出电压与转速之间有严格的正比关系。

（2）输出电压的脉动要尽可能小。

（3）温度变化对输出电压的影响要小。

（4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。

（5）正反转时输出电压应对称。

测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机。

直流测速发电机具有输出电压斜率大，没有剩余电压及相位误差，温度补偿容易实现等优点；而交流测速发电机的主要优点是不需要电刷和换向器，不产生无线电干扰火花，结构简单，运行可靠，转动惯量小，摩擦阻力小，正、反转电压对称等。

第一节直流测速发电机
一、基本结构
图3-1 直流测速发电机的基本结构
(a)(b)
f
U 2
U 2
U
永磁式直流测速发电机的优点是省略了励磁电源，结构简单，体积小，效率高；缺点是永磁体的磁性能会受到温度变化和电机振动的影响，长期使用电机性能会逐渐衰减。

另外，高性能的永磁材料是这种测速发电机造价较高的主要因素。

这两种直流测速发电机的转子结构及电枢绕组与小功率直流发电机是完全一样的。

二、工作原理
直流测速发电机的工作原理与小功率直流发电机完全相同。

当主磁通Φ一定时，直流发电机电枢绕组的感应电动势为
n
C E Φe a =（3-1）a a a 2R I E U -=（3-2）电压平衡方程电动势系数
设负载电阻为R L ，则，所以
L
2
a R U I =a e 2a a
L L
11E C U n n
R R R R Φ
β
===++
（
3-3）输出特性斜率e a L 1/C R R Φ
β=+
在理想情况下，主磁通Φ、电动势系数C e 、电枢电阻R a 和负载电阻R L 都是常数，即输出特性的斜率β保持不变，因此，直流测速发电机的输出电压与转速成正比，如图3-2所示。

2U n O ∞
=L R L1
R L2
R L2
L1R R >
三、误差分析
(1) 电枢反应的影响
根据直流电机的电枢反应理论，电枢电流所产生的电枢磁场对主磁场有削弱作用，使合成磁场的波形发生畸变，并且负载电阻越小或者转速越高时，电枢电流就越大，磁场的削弱作用就越强，造成输出特性的非线性。

因此，为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用，应尽可能采用比较大的负载电阻，并保证转速不得超过规定的最高转速。

对于电磁式直流测速发电机，可以安装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁场的影响，减小电枢反应造成的误差。

(2) 换向延迟的影响
在直流电机中，电枢绕组电流的方向以电刷为分界线，被电刷短路的元件是正在进行电流换向的元件，称为换向元件。

在换向元件中会产生两个感应电动势，一个是由于换向元件电流正负变化而产生的自感电动势e L，一个是由于换向元件切割电枢磁场而产生的运动电动势e a。

分析表明，这两个感应电动势方向一致，并力图阻止换向元件中电流方向的改变，即起换向延迟的作用。

e L和e a大小都与转速的平方成正比，其对应的附加电流所产生的磁场对主磁场起去磁作用，使输出特性呈现图3-3中实线所示的形状。

因此，为改善输出特性的线性度，一般采取限制转速的措施来削弱换向延迟所产生的去磁作用。

这一点与上述限制电枢反应去磁作用所采取的措施是一致的。

2
U n
O 实际输出
理想输出
(3) 电刷接触电阻的影响
要保持输出特性的线性关系，R a为恒值是不可或缺的基本条件。

R a包含着电刷和换向器之间的接触电阻R b，这个接触电阻的大小与诸多因素有关。

当转速较低时，接触电阻较大，电刷接触压降在电枢电压中所占的比重大，实际输出电压小；当转速较高时，接触电阻较小，电刷接触压降在电枢电压中所占的比重小，实际输出电压大。

这样，在转速较低时，输出特性有一段斜率显著下降的区域，在此区域内虽然有转速输入信号，但输出电压却很小，对转速的测量很不灵敏，这个区域称为不灵敏区，如图3-4所示。

不灵敏区是由于电刷接触电阻的非线性而产生的，为了减小它的影响，常常采用接触电压较小的银-石墨电刷或者铜电刷，并在电刷和换向器的表面镀银，使电刷和换向器不易磨损。

另外，还可以对低电压的输出进行非线性补偿。

2
U n
O b
ΔU 不灵敏区
(4) 纹波的影响
直流电机的感应电动势是每一支路中若干元件感应电动势的叠加。

由于励磁磁场沿气隙圆周并非完全恒定，元件中的感应电动势是脉动的，而元件及换向片的数目都是有限的，因此合成的感应电动势以及输出的电压都是脉动，如图3-5所示，这就是纹波电压。

虽然输出电压中交流分量所占的比重不算大，但对于测速发电机用于速度反馈或加速度反馈系统都是很不利的，特别是在高精度的解算装置中更是不允许的。

实际上纹波电压的产生有多方面的原因，测速发电机转速的变化、电刷与换向器之间的接触不良、齿槽效应、气隙不均匀等，这些都会引起输出电压的脉动。

为了削弱纹波的影响，除尽量增加换向片数外，还可以采用无槽电枢结构，或在输出电压电路中加滤波电路。

图3-5 感应电动势的脉动
e t
O 2
1
(5) 温度的影响
在电磁式直流测速发电机中，励磁绕组因长时间通电会发热，它的电阻值随之增大，致使励磁电流减小，主磁通下降，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减小。

计算表明，铜绕组温度每升高25ºC，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的输出特性影响较大。

为了减小这种影响，实际使用时可以在励磁绕组回路中串联一个较大电阻值且温度系数较低的附加电阻，这样当温度升高时，励磁回路总电阻的变化就会很小；或者在设计时使电机磁路处于较饱和的状态，这样即使励磁电流有较大的变化，主磁通
第二节交流测速发电机
一、基本结构
交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机。

同步测速发电机输出电压的幅值和频率均随转速的变化而变化，因此一般只用作指示式转速计，很少用于自动控制系统的转速测量。

异步测速发电机输出电压的频率和励磁电压的频率相同，而与转速无关，其输出电压与转速成正比，因而是交流测速发电机的首选。

根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电机和杯型转子异步测速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用非磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。

所以，这里主要介绍杯型转子异步测速发电机，其基本结构如图3-6所示。

图3-6 杯型转子异步测速发电机的基本结构1-杯型转子 2-外定子 3-内定子 4-机壳 5-
端盖
f
•
U 2•U
n
f N 2
N 1
12345
(a)(b)3
二、工作原理
图3-7 杯型转子异步测速发电机的工作原理
f
•
U
d
•Φf N 2N f •
U 2•U n r •E r •I d •Φq •Φf N 2N (a)(b)杯型转子
变压器电动势
异步测速发电机的励磁绕组接恒压恒频的单相交流电源
f
•
U f
•
I d
•
Φf
•
E 若忽略励磁绕组的漏阻抗，则有
f f 1f wf d
4.44U E f N k Φ≈=（3-4）
励磁绕组串联匝数
励磁绕组基波系数
显然，励磁磁通是沿励磁绕组轴线方向（直轴方向）的，即与输出绕组轴线方向垂直，因而当发电机的转子不动时，是不会在输出绕组中产生感应电动势的，所以此时输出绕组的电压为零，即n=0时，U2=0，如图3-7(a)所示（励磁磁通在转子绕组中会产生变压器电动势和电流，并产生相应的转子磁通，该磁通位于直轴方向，与输出绕组轴线方向垂直，所以也不会在输出绕组中产生感应电动势）。

空心杯型转子可以看作由无数条并联的导体组成，所以当转子以转速n 旋转时，转子导体在励磁磁场中就要产生运动电动势，其方向如图3-7(b)所示，（3-5）
r
•
E d •
Φn
C E d r r Φ=电动势系数
与笼型转子一样，电动势将在转子绕组中产生同样频率的转子电流。

由于杯型转子导条的电阻比漏抗大很多，可忽略转子漏抗的影响，即认为与同相位，所以
（3-6）
r •
E r I •
r I •
r E •
r
r
r R E I =
转子电流又将产生交轴方向的脉振磁动势和交轴磁通，并且其交变频率仍为f 1 ，而大小正比于I r 。

显然，交轴磁通是沿输出绕组轴线方向的，它将匝链输出绕组，并产生感应电动势和输出电压。

当输出绕组开路时，即有
（3-7）
r I •
r Φ•
r Φ•
2E •
2
U •
2212w2q
4.44U E f N k Φ==输出绕组串联匝数
输出绕组基波系数
从上述分析可以看出，
（3-8）
n
U n C E I U f d r r r q 2∝=∝∝∝ΦΦn
U ∝2当交流异步测速发电机励磁绕组施加恒定的励磁电压，电机以转速n 旋转时，输出绕组的输出电压U 2 与转
速n 成正比。

当电机反转时，由于相应的感应电动势、电流及磁通的相位都与原来相反，因此输出电压的相位也与原来相反。

这样，异步测速发电机就能将转速信号
转换成电压信号，实现测速的目的。

三、误差分析
(1) 直轴磁通变化的影响
根据前面所述，要使输出电压和转速成正比关系，
必须保持直轴磁通恒定。

实际上，由于转子导体在直轴磁场中旋转，将产生运动电动势和电流，并在交轴
方向产生交轴磁动势和交轴磁通。

而转子在交轴磁场中旋转，也将产生直轴方向的磁动势，该直轴磁动势
的大小应与转子转速的平方成正比，并与转子电阻值有关。

d Φ•
q Φ•
根据磁动势平衡原理，转子直轴磁动势将使励磁绕
组的电流发生变化，从而引起励磁绕组漏阻抗压降的改变，导致直轴磁通也随之改变，这就破坏了输出电压与转子转速应保持的正比关系，使输出特性在转速较大时向下弯曲，如图3-8所示。

所以，励磁绕组漏阻抗
的大小直接影响到直轴磁通的恒定。

d
Φ•
f I •
另外，转子漏抗的大小也会影响到运动电动势与转子电流的相位关系，使转子电流所产生的磁动势不完全位于交轴方向，其直轴磁动势分量也会影响到直轴磁通的恒定。

r E •
2
U n
O
实际输出
理想输出
r
I •
因此，减小励磁绕组的漏阻抗或增大转子电阻，都有利于直轴磁通的恒定。

但减小励磁绕组的漏阻抗，意味着电机体积的增大，为此一般是采用增大转子电阻的办法来减小直轴磁通变化对输出特性的影响。

此外，减小电机的相对转速（，为同步转速），也有利于减小直轴磁通的变化，因为转子直轴磁动势的大小与电机的相对转速有关。

所以，对于一定的转速，通常是提高励磁电源的频率，以增大同步转速，减小相对转速，从而达到减小输出电压误差的目的。

所以，异步测速发电机较大采用400Hz 的中频励磁电源。

1*
/n n n =*
n
1
n d Φ•
(2) 负载阻抗的影响
一般情况下，异步测速发电机输出绕组所接负载是
比较大的，所以可以近似地依据输出绕组开路的情况进行分析。

当负载阻抗不是很大时，发电机的输出特性将
有较大的变化。

为分析方便起见，假设励磁电压不变，直轴磁通也近似不变，这样输出绕组的感应电动势就近似地与转速n 成正比，即在一定转速下保持一定值。

d
Φ•
2
E •
2E •
输出绕组的电压平衡方程
)
j ()j (222L 222222X R I Z I X R I U E ++=++=•
•
•
••（3-9）
输出绕组的电阻和漏抗
负载阻抗
根据式（3-9），可以分析电阻性、电感性和电容性负载时的输出特性。

当测速发电机接以纯电阻负载（）时，负载电流为（3-10）
2
L 22
2j )(X R R E I ++=
•
•
L L
Z R =负载电压（输出电压）为
2
j 22
2L 2L 22L 2L 22)(j )(ϕ-•
•
++=++=e
X R R R E X R R R E U （3-11）
2
arctan
X ϕϕ=+
由式（3-11）、式（3-12）可见，当负载电阻R L 减
小时，输出电压值U 2也随之减小，而输出电压的相位移
将增大。

2
ϕ图3-9 负载阻抗对输出电压的影响
2
U O
2
E )
(2C U )
(2R U )
(2L U 2
ϕO
ϕ)
(2C ϕ)
(2R ϕ)
(2L ϕL
Z L
Z (a)
(b)
对于电感性和电容性负载，也可以进行类似的分析，分析结果如图3-9所示。

可见，当异步测速发电机的转速一定，且负载阻抗足够大时，无论什么性质的负载，负载阻抗的变化都不会引起输出电压的明显改变。

当输出绕组接有电阻-电感负载时，有可能使输出电压相位移不受负载阻抗的影响，但却扩大了对输出电压值的影响。

实际应用中一般希望输出电压值不受负载变化的影响，所以常常采用电阻-电容负载。

(3) 剩余电压的影响
当异步测速发电机的励磁绕组已经供电，转子处于静止状态时，输出绕组所产生的电压称为剩余电压，用
U s 表示。

s
U
O
sz
U sj
U 图3-10 剩余电压的变化波形
剩余电压又称为零速
电压，它由两部分组成，一部分是固定分量U sz ，其值与转子位置无关；另一部分是交变分量U sj ，其值与转子位置有关。

剩余电压固定分量U sz 产生的主要原因是：励磁绕组与输出绕组不正交，磁路不对称，或气隙不均匀等，如图3-11所示。

d
•
Φ励磁绕组
交轴
输出绕组
外定子
内定子
直轴
剩余电压交变分量U sj 产生的主要原因是空心杯转子的不对称，如空心杯材料的不均匀，杯的厚度不一致等。

这种不对称性相当于在原来对称的转子上加上一个短路环，如图3-12所示。

f
•
U sj
•
U n
f
N 2
N 短路环
k
•
Φd
•
Φ
对称转子不会产生剩余电压，而短路环却会引起剩余电压。

因为励磁绕组产生的直轴磁通会在短路环中产生感应电动势和电流，电流又会产生沿短路环轴线方向的附加脉振磁动势和附加磁通。

当短路环轴线不与输出绕组轴线正交时，附加磁通
就会在输出绕组中产生附加感应电动势，由此产生剩余电压U sj 。

d
Φ•
k E •k I •k I •
k
Φ•
k
Φ•
由于转子是旋转的，这个剩余电压U sj 将与转子位置成周期性的变化。

当短路环的轴线与输出绕组轴线重合
时，短路环中的
均最小，剩余电压也最小；当短路环的轴线与输出绕组轴线正交时，短路环中的
均最大，但输出绕组感应的剩余电压还是最小；当短路环的轴线与输出绕组轴线成45º电角度时，输出绕组
的剩余电压最大。

k k k
E I Φ、、k k k E I Φ、、
为了减小剩余电压，可以采用以下方法：
1）采用四极电机的结构。

d
•
Φ短路环
N N S S
2）将励磁绕组和输出绕组分开放置，即励磁绕组置于外定子铁心，输出绕组置于内定子铁心。

内定子做成能够相对于外定子转动的。

电机制造好后，先暂时将转子固定，在励磁绕组中通入交流电，慢慢转动内定子，并注意观察输出绕组的剩余电压，当剩余电压最小时，再将内定子固定好。

3
）采用补偿绕组抵消剩余电压。

励磁绕组
输出绕组
补偿绕组
c
•
Φ
4
）采用补偿电路抵消剩余电压。

图3-15 采用补偿电路抵消剩余电压
f
•
U 2
•
U 移
相
器a
b
c 分压器j
•U
上述四种方法主要针对的是剩余电压固定分量的削弱或抵消，剩余电压的交流分量是难以用补偿的方法去除的，只能依靠改善转子材料性能以及提高电机加工精度来减小。

目前，异步测速发电机的剩余电压已经可以做到小于10mV，完全满足测速系统的要求。

(4) 励磁电源的影响
对于异步测速发电机的励磁电源，要求其幅值、频率都很稳定。

电源内阻及电源与测速发电机之间连线的阻抗也应尽量小。

电源电压幅值不稳定，会直接引起输出电压的线性误差，而频率的变化会影响感抗和容抗的变化，随之会引起输出电压的相位误差。

波形失真较大的电源，会使输出电压中高次谐波分量过大。

因此，在精密控制系统中，宜采用单独电源供电，以保证电源电压和频率的稳定。

(5) 温度的影响
环境温度的变化和电机长时间工作的发热，会使定子绕组和杯型转子的电阻以及磁性材料的性能发生变化，这样就会对电机的性能产生影响，使输出特性不稳定。

在实际使用中，往往要求当温度变化时，电机的性能保持一定的稳定性。

对于作为解算元件且精度要求较高的异步测速发电机，应采取温度补偿措施，在励磁回路、输出回路或同时在两回路中串联负温度系数的热敏电阻，以补偿温度变化的影响。

第三节特种测速发电机*
直流测速发电机具有输出电压斜率大，没有剩余电压及相位误差，温度补偿容易实现等优点。

但电刷和换向器的滑动接触，带来了一般直流电机结构复杂、维护困难、产生无线电干扰等固有缺陷。

此外，还使测速发电机的输出特性出现不灵敏区及纹波电压分量，使输出特性不稳定。

为了提高测量精度和可靠性，出现了无刷结构的直流测速发电机，主要包括基于霍尔效应的无刷直流测速发电机和基于电子换向的无刷直流测速发电机，可以称
一、霍尔效应简介
如图3-16所示，在一块矩
形半导体薄片的相对两侧通
入控制电流I ，在薄片的垂直
方向加以磁场B ，则在薄片
的另外两侧将产生一个电动势E H ，这一现象称为霍尔效
应，所产生的电动势称为霍
尔电动势，这种半导体薄片称为霍尔元件。

图3-16 霍尔效应示意图B I
H E d +++++++-------
对于厚度为d 的霍尔元件，霍尔电动势的计算公式为
（
3-13）
H H E K IB =霍尔元件灵敏度
d R K H H =霍尔系数。