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1、第2章 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,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,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
2、场分布和电刷电势电枢绕组和输出电势,等值电路,电枢元件,输出电势,直流电机示意图,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；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,换向器和电刷,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：,其中：s=N/(2a),气隙磁密分布：
3、,电枢表面圆周速度,或：Ea=Cen，其中Ce=pN/60a,2.2 直流电势的关系式,磁通一定时：Ea=Ken，式中：Ke=Ce，称为电势系数。,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,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
4、性直流电势:Ea=Cen,当每极总磁通为常数时，则Ean即输出电势与转速成正比。,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。,Ua=Ea-IaRa,Ia=Ua/RL,输出特性：负载时输出电压与转速的关系，Ua=f(n)。理想情况下、Ra和RL都能保持为常数，则Ua与n之间仍呈线性关系,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。,2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法,2.4.1 温度影响Ua=f(n)为线性关系的条件是励磁磁通、Ra、RL为常数。实际上，电
5、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。,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,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。,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。,主磁场的
6、磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,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,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,（R L1R L2),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,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。,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
7、自感电势:,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,方向应与换向前的电流方向相同，是阻碍换向的,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。,2.4.3 延迟换向去磁换向元件被电刷短路，于是总电势ek=eL+ea在换向元件中产生附加电流ik,ik方向与ek方向一致。由ik产生磁通k，其方向与主磁通方向相反，对主磁通有去磁作用。延迟换向去磁,eLn2；ean2。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。,2.4.4 纹波 根据Ea=Cen,当、n为定值时，
8、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。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,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个常数。,电刷接触压降Ub与下述因素有密切关系:电刷和换向器的材料；电刷的电流密度；电流的方向；电刷单位面积上的压力；接触表面的温度；换向器圆周线速度；换向器表面的化学状态和机
9、械方面的因素。,换向器圆周线速度对Ub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Ub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，Ub也相应地增大。当电流密度达到一定数值后，Ub几乎等于常数。,考虑电刷接触压降后的输出特性,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,测速发电机在自动控制系
10、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,伺服电动机控制电压,无测速机(-)0，但趋近0时，因惯性n0，使(-)0；,有测速机(-)0，但趋近0时，因-Uf0，使U=0,n=0；有阻尼作用，改善系统动态性能；,2.5.2 对旋转机械作恒速控制,恒速控制系统原理图,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,2.7.1 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。,CYD系列直流高灵敏度测速发电机,美国Inland公司直径为 250 mm的产品：其速比范围为 13000,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。,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。,
