第02章直流测速发电机

1、第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.1 直流发电机工作原理和结构直流发电机工作原理和结构 2.2 直流电势的关系式直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性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直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标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直流测速发电机的发展趋势 思考题与习题思考题与习题 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.1 .1 直流电机的工作原理直流电

2、机的工作原理一、直流发电机原理（机械能一、直流发电机原理（机械能-直流电能）直流电能） 定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁称为励磁电流电流If)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）；时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）； 原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场B,转速转速n(r/min)； 电枢线圈的导体中将产生感应电势电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv； 通过换向器与电刷的作用，通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电可以引出单向（直流）的端电势势eAB。（。（看原理图看原理图1)退 出上一页下一页

3、返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 退 出第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 从以上分析可以看出，从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过向是交变的，只是经过电刷和换向片电刷和换向片的整流作用，的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。实质上是带有换向器的交流发电机。退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.1.2 直流电机的主要结构直流电机的主要结构 旋转电机都是由定子和转子两大部分组成旋转电机都是由定

4、子和转子两大部分组成 定子部分定子部分 包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。 1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.5mm厚的低碳厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。见钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。见图图 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发

5、电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图1.4 主磁极主磁极1-主极铁心主极铁心 ；2-极靴；极靴； 3-励磁绕组；励磁绕组；4-绕组绝缘；绕组绝缘；5-机座；机座；6-螺杆螺杆图图1.5 换向极换向极1-换向极铁心；换向极铁心；2-换向极绕组换向极绕组退 出第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。使电枢绕组在此磁场的作用下感

6、应电动势和产生电磁转矩。注意：注意：励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极极交替出现。交替出现。 2）换向极：换向极又称附加极或间极）换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它是由铁心和绕组构成。向。换向极装在相邻两主极之间，它是由铁心和绕组构成。见见图图 3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用，因此要求定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用，因此要求机座有好的。机座有好的。

7、退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图1.6 电刷装置电刷装置1-钢丝辫；钢丝辫；2-压紧弹簧；压紧弹簧；3-电刷；电刷；4-刷握刷握图图1.8 换向器换向器退 出第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 导磁性能及足够的机械强度与刚度，机座通常用铸钢或厚钢板导磁性能及足够的机械强度与刚度，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。焊成。 4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。 转子部分：转子部分：

8、 转子称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转子称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。轴和轴承等。 1）电枢铁心电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。漆的硅钢片叠压而成。 2）电枢绕组电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组：电枢绕组是由许多按一定规律联

9、接的线圈组成，它是直流电机流过电流和产生感应电动势，从而实现机成，它是直流电机流过电流和产生感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。电能量转换的关键性部件。 3）换向器）换向器见见图图：换向器是直流电机的重要部件。在直流：换向器是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流；电动机中，它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流；在直流发电中，它将绕组内部的交流电动势转换为电刷端的在直流发电中，它将绕组内部的交流电动势转换为电刷端的直流电动势。直流电动势。退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直

10、流测速发电机 直流电机的额定值直流电机的额定值直流电机常见的额定值有：直流电机常见的额定值有：1额定容量额定容量 PN ： （功率）（功率）（kW）2额定电压额定电压 UN ： （V）；）；3额定电流额定电流 IN ： （A）;4额定转速额定转速 nN ： （rmin）；）；5额定励磁电流额定励磁电流If ： （A）注意：注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。退 出上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 所以，直流发

11、电机的额定容量为：所以，直流发电机的额定容量为：而直流电动机的额定功率为：而直流电动机的额定功率为：NNNIUP NNNNIUP退 出上一页返 回上一页下一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.2 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势2.2.1 电枢电动势电枢电动势 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势

12、，再求一条支路的。求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为表示，极距为 ，电，电枢的轴向有效长度为枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，每极磁通为，则，则avBl退 出下一页上一页返 回第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：又因为：又因为：所以：所以：lBavlvBeavav602npv602npeav退退 出出上一页上一页下一页下一页第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电枢总导体数，为电枢总导体数， ），于是，电

13、枢电动势为：），于是，电枢电动势为：式中，式中， ，称为电动势常数。，称为电动势常数。 aN 2/ySNN2nCnapNnpaNeaNEeava6060222apNCe60退 出下一页上一页第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.3 直流测速发电机及其输出特性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直流测速发电机的型式 按照励磁方式划分，按照励磁方式划分， 直流测速发电机有直流测速发电机有两种型式。两种型式。 1. 永磁式永磁式 永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成，磁钢做成， 没有励磁绕组，没有励磁绕组， 以图以图 2

14、 - 15 所示所示的符号表示。的符号表示。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2. 电磁式电磁式 电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电，外部电源供电， 通电时产生磁场，通电时产生磁场， 以图以图 2 - 16 所示的符号表示。所示的符号表示。图图 2 - 15 永磁式直流测速发电机永磁式直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 16 电磁式直流测速发电机电磁式直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 ZYS型永磁式直流测速发电机 ZYS-A系列永磁式直流测速发电机 第第2 2章章

15、直流测速发电机直流测速发电机 2.3.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求自动控制系统对直流测速发电机的要求 自动控制系统对其元件的要求，自动控制系统对其元件的要求， 主要主要是精确度高、是精确度高、 灵敏度高、灵敏度高、 可靠性好等。可靠性好等。 据据此，此， 直流测速发电机在电气性能方面应满直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：足以下几项要求：第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 (1) 输出电压与转速的关系曲线输出电压与转速的关系曲线(称为输出特称为输出特性性)应为线性，应为线性， 如图如图 2 - 17 所示；所示； (2) 输出特性的斜率要大；输出特性的斜率要大；

16、 (3) 温度变化对输出特性的影响要小；温度变化对输出特性的影响要小； (4) 输出电压的纹波要小，输出电压的纹波要小， 即要求在一定即要求在一定的转速下输出电压要稳定，的转速下输出电压要稳定， 波动要小；波动要小； (5) 正、正、 反转两个方向的输出特性要一致。反转两个方向的输出特性要一致。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 17 测速发电机的理想输出特性测速发电机的理想输出特性 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.3.3 输出特性输出特性在在2.2节中已经推导了直流电势公式节中已经推导了直流电势公式: Ea=Cen当每极总磁通当每极总磁通为常数时，为

17、常数时， 则则 Ean即输出电势与转速成正比。即输出电势与转速成正比。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 测速发电机电刷两端接上负载电阻测速发电机电刷两端接上负载电阻RL后，后， RL两端的电两端的电压才是输出电压。压才是输出电压。 由图由图 2 - 18 可知，可知， 负载时测速发负载时测速发电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降，电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降， 即即 Ua=Ea-IaRa (2 - 12) 此式称为直流发电机电压平衡方程式。此式称为直流发电机电压平衡方程式。 式中，式中， Ra为电枢回路的总电阻，为电枢回路的总电阻， 它包括电枢绕组的电阻、它包

18、括电枢绕组的电阻、 电刷和换向器之间的接触电阻；电刷和换向器之间的接触电阻； Ia为电枢总电流，为电枢总电流， 且有且有 LaaRUI (2 - 13) 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 将式将式(2 - 13)代入式代入式(2 - 12)得得 aLaaaRRUEU经化简后为经化简后为 LaeLaaRRCRREU11(2 - 14) 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 式式(2 - 14)是负载时输出电压与转速的关系。是负载时输出电压与转速的关系。 如果式中如果式中、 Ra和和RL都能保持为常数，都能保持为常数， 则则Ua与与n之间仍呈线性关系，之间仍呈线性关系， 只不过

19、是随着负载电阻的减只不过是随着负载电阻的减小，小， 输出特性的斜率变小而已，输出特性的斜率变小而已， 如图如图 2 - 19 所示。所示。 但该图是理想情况下，但该图是理想情况下， 即即、 Ra不变，不变， RL为一定为一定时的输出特性。时的输出特性。 实际上，实际上， 测速发电机的输出特性测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是不是严格地呈线性特性，严格地呈线性特性， 实际特性与要求的线性特性实际特性与要求的线性特性间存在误差。间存在误差。 下一节将分析引起误差的原因和减下一节将分析引起误差的原因和减小误差的方法。小误差的方法。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 18

20、直流测速发电机接上负载直流测速发电机接上负载 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 19 不同负载电阻时的理想输出特性不同负载电阻时的理想输出特性 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法直流测速发电机的误差及其减小的方法 2.4.1 温度影响温度影响 得出得出Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁为线性关系的条件之一是励磁磁通通为常数。为常数。 实际上，实际上， 电机周围环境温度的变化电机周围环境温度的变化以及电机本身发热以及电机本身发热(由电机各种损耗引起由电机各种损耗引起)都会引起都会引起电机绕组电阻的变化。电机绕

21、组电阻的变化。 当温度升高时，当温度升高时， 励磁绕组励磁绕组电阻增大，电阻增大， 励磁电流减小，励磁电流减小， 磁通也随之减小，磁通也随之减小， 输输出电压就降低。出电压就降低。 反之，反之， 当温度下降时，当温度下降时， 输出电压输出电压便升高。便升高。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 对于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合，对于温度变化所引起的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，可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络， 如图如图 2 - 20 所示。所示。 选择并联网络参数的方法是：选择并联网络参数的方法是： 作出励磁绕组电

22、作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线阻随温度变化的曲线(图图 2 - 21中曲线中曲线 1)， 再作并联再作并联网络电阻随温度变化的曲线网络电阻随温度变化的曲线(图图 2 - 21中曲线中曲线 2)； 前前者温度系数为正，者温度系数为正， 后者温度系数为负。后者温度系数为负。 只要使得这只要使得这两条曲线的斜率相等，两条曲线的斜率相等， 励磁回路的总电阻就不会随励磁回路的总电阻就不会随温度而变化温度而变化(图图 2 - 21 中曲线中曲线 3)， 因而励磁电流及励因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化。磁磁通也就不会随温度而变化。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 20

23、 励磁回路中的热敏电阻并联网络励磁回路中的热敏电阻并联网络 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 21 电阻随温度变化的曲线电阻随温度变化的曲线 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.4.2 电枢反应影响电枢反应影响 电机空载时，电机空载时， 只有励磁绕组产生的主磁只有励磁绕组产生的主磁场。场。 电机负载时，电机负载时， 电枢绕组中流过电流也要电枢绕组中流过电流也要产生磁场，产生磁场， 称为电枢磁场。称为电枢磁场。 所以，所以， 负载运行负载运行时，时， 电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。 图图 2 - 22(a)是定

24、子励磁绕组产生的主磁场，是定子励磁绕组产生的主磁场， 图图 2 - 22(b)是电枢绕组产生的电枢磁场，是电枢绕组产生的电枢磁场， 图图 2 - 22(c)是主磁场和电枢磁场的合成磁场。是主磁场和电枢磁场的合成磁场。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 22 直流电机磁场直流电机磁场 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 磁场的分布在电机学中已作了分析，磁场的分布磁场的分布在电机学中已作了分析，磁场的分布如图如图 2 - 22(a)所示。电枢电流所产生的磁场如图所示。电枢电流所产生的磁场如图 2 - 22(b)所示。由

25、图所示。由图 2 - 22(b)可以看出，可以看出， 在每个主磁极下在每个主磁极下面，面， 电枢磁场的磁通在半个极下由电枢指向磁极，电枢磁场的磁通在半个极下由电枢指向磁极， 在另外半个极下则由磁极指向电枢，在另外半个极下则由磁极指向电枢， 即半个极下电枢即半个极下电枢磁通和主磁通同向，磁通和主磁通同向， 另外半个极下电枢磁通和主磁通另外半个极下电枢磁通和主磁通反向，反向， 因此合成磁场的磁通密度在半个极下是加强了，因此合成磁场的磁通密度在半个极下是加强了， 在另外半个极下是削弱了，在另外半个极下是削弱了， 如图如图 2 - 22(c)所示。所示。 由于由于电枢磁场的存在，电枢磁场的存在， 气隙

26、中的磁场发生畸变，气隙中的磁场发生畸变， 这种现这种现象称为电枢反应。象称为电枢反应。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 如果电机的磁路不饱和如果电机的磁路不饱和(即磁路为线性即磁路为线性)， 磁场的磁场的合成就可以应用叠加原理。合成就可以应用叠加原理。 例如，例如， N极右半个极下的极右半个极下的合成磁通等于合成磁通等于 1/2 主磁通与主磁通与 1/2 电枢磁通之和，电枢磁通之和， 左半左半个极下的合成磁通等于个极下的合成磁通等于 1/2 主磁通与主磁通与 1/2 电枢磁通之电枢磁通之差。差。 因此，因此， N极左半个极的削弱和右半个极的加强相极左半个极的削弱和右半个极的加强相互

27、抵消，互抵消， 整个极的磁通保持不变，整个极的磁通保持不变， 仅仅磁场的分布仅仅磁场的分布发生了变化。发生了变化。 实际上电机的磁路总存在饱和，使右半个极下增实际上电机的磁路总存在饱和，使右半个极下增加的磁通小于左半个极下减小的磁通，因而整个极下加的磁通小于左半个极下减小的磁通，因而整个极下的磁通略为减小。其输出特性如图的磁通略为减小。其输出特性如图 2 - 26 所示。所示。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 23 直流测速发电机输出特性直流测速发电机输出特性(图中图中R L1R L2) 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.4.3 延迟换向去磁延迟换向去

28、磁 直流电机中，直流电机中， 电枢绕组元件的电流方向以电刷电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。为其分界线。 电机旋转，电机旋转， 当电枢绕组元件从一条支当电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，路经过电刷进入另一条支路时， 其中电流反向，其中电流反向， 由由+ia变成变成-ia。 但是，但是， 在元件经过电刷而被电刷短路的在元件经过电刷而被电刷短路的过程中，过程中， 它的电流既不是它的电流既不是+ia也不是也不是-ia， 而是处于由而是处于由+ia变到变到-ia的过渡过程。的过渡过程。 这个过程叫元件的换向过程。这个过程叫元件的换向过程。 正在进行换向的元件叫换向元件。正在进行换向

29、的元件叫换向元件。 换向元件从开始换向元件从开始换向到换向终了所经历的时间为换向周期。换向到换向终了所经历的时间为换向周期。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 参看图参看图 2 - 24。 从图从图 2 - 24(a)到图到图 2 - 24(c)， 元件元件 1 从等值电路的左边支路换接到右边支路，从等值电路的左边支路换接到右边支路， 其中电流从一个方向其中电流从一个方向(+ia)变为另一个方向变为另一个方向(-ia); 而而在图在图 2 - 24(b)所示时刻，所示时刻， 元件元件 1 被电刷短路，被电刷短路， 正正处于换向过程，处于换向过程， 其中电流为其中电流为ik。 1 号元

30、件为换向号元件为换向元件。元件。 从图从图 2 - 24(a)到图到图2 - 24(c)所经历的时间所经历的时间为一个换向周期。为一个换向周期。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 24 元件的换向过程元件的换向过程 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 在理想换向情况下，在理想换向情况下， 当换向元件的两个有效边处当换向元件的两个有效边处于几何中性线位置时，于几何中性线位置时， 其电流应该为零。但实际上在其电流应该为零。但实际上在直流测速发电机中并非如此。直流测速发电机中并非如此。 虽然此时元件中切割主虽然此时元件中切割主磁通产生的电势为零，磁通产生的电势为零，

31、 但仍然有电势存在，但仍然有电势存在， 使电流使电流过零时刻延迟，过零时刻延迟， 出现所谓的延迟换向。出现所谓的延迟换向。 分析如下：分析如下：由于元件本身有电感，由于元件本身有电感， 因此在换向过程中当电流变化因此在换向过程中当电流变化时，时， 换向元件中要产生自感电势换向元件中要产生自感电势:dtdiLeL 式中，式中， L为换向元件的电感；为换向元件的电感； i 为换向元件的电流。为换向元件的电流。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 根据楞次定律，根据楞次定律， eL的方向将力图阻止换向元的方向将力图阻止换向元件中的电流改变方向，件中的电流改变方向， 即力图维持换向元件换向即

32、力图维持换向元件换向前的电流方向，前的电流方向， 所以所以eL的方向应与换向前的电流的方向应与换向前的电流方向相同，方向相同， 是阻碍换向的。是阻碍换向的。 同时，同时， 换向元件在经过几何中性线位置时，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由于切割电枢磁场而产生切割电势ea, 根据右手定根据右手定则可以确定则可以确定, ea所产生的电流的方向也与换向前的所产生的电流的方向也与换向前的电流方向相同，电流方向相同， 也是阻碍换向的。也是阻碍换向的。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 因此，因此， 换向元件中有总电势换向元件中有总电势ek=eL+ea。 显然，显

33、然， 由于总电势由于总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟，的阻碍作用而使换向过程延迟， 即换向元件中的电流由即换向元件中的电流由+ia变为变为-ia的时间延迟了。的时间延迟了。 换向元件被电刷短路，换向元件被电刷短路， 于是总电势于是总电势ek在换在换向元件中产生附加电流向元件中产生附加电流ik, ik方向与方向与ek方向一致。方向一致。 由由ik产生磁通产生磁通k， 其方向与主磁通方向相反，其方向与主磁通方向相反， 如图如图 2 - 25 所示，所示， 对主磁通有去磁作用。对主磁通有去磁作用。 这样这样的去磁作用叫延迟换向去磁。的去磁作用叫延迟换向去磁。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测

34、速发电机 图图 2 - 25 换向元件中的电势换向元件中的电势 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 26 延迟换向对输出特性的影响延迟换向对输出特性的影响 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 如果不考虑磁通变化，如果不考虑磁通变化， 则直流测速发电机电势与则直流测速发电机电势与转速成正比，转速成正比， 当负载电阻一定时，当负载电阻一定时， 电枢电流及绕组元电枢电流及绕组元件电流也与转速成正比；件电流也与转速成正比； 另外，另外， 换向周期与转速成反换向周期与转速成反比，比， 电机转速越高，电机转速越高， 元件的换向周期越短；元件的换向周期越短； eL正比正比于

35、单位时间内换向元件电流的变化量。于单位时间内换向元件电流的变化量。 基于上述分析，基于上述分析， e必正比转速的平方，必正比转速的平方， 即即eLn2。 同样可以证明同样可以证明ean2。 因此，因此， 换向元件的附加电流及延迟换向去磁换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与磁通与n2成正比，成正比， 使输出特性呈现图使输出特性呈现图 2 - 26 所示的形所示的形状。状。 所以，所以， 直流测速发电机的转速上限要受到延迟换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。向去磁效应的限制。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.4.4 纹波纹波 根据根据Ea=Cen, 当当、 n

36、为定值时，为定值时， 电刷电刷两端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。两端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。 然而，然而， 实际的电机并非如此，实际的电机并非如此， 其输出电势总其输出电势总是带有微弱的脉动，是带有微弱的脉动， 通常把这种脉动称为纹波。通常把这种脉动称为纹波。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工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。误差所引起的。 在第一节中我们已经看到，在第一节中我们已经看到， 由于由于电枢槽数及电枢元件数有限，电枢槽数及电枢元件数有限， 在输出电势中将引在输出电势中将引起脉动。起脉动。 当然，

37、当然， 增加每条支路中的串联元件数可增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波。以减小纹波。 但是由于工艺所限，但是由于工艺所限， 电机槽数、电机槽数、 元件数及换向片数不可能无限增加，元件数及换向片数不可能无限增加， 因此产生纹因此产生纹波是不可避免的。波是不可避免的。 同时，同时， 由于电枢铁心有齿有槽，由于电枢铁心有齿有槽， 以及电枢铁心的椭圆度、以及电枢铁心的椭圆度、 偏心等等，偏心等等， 也会使输出也会使输出电势中纹波幅值上升。电势中纹波幅值上升。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利，度控制都

38、很不利， 实用的测速机在结构和设计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。上都采取了一定的措施来减小纹波幅值。 例如，例如， 无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而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，引起的输出电压纹波幅值， 与有槽电枢相比，与有槽电枢相比， 输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.4.5 电刷接触压降电刷接触压降 Ua=f(n)为线性关系的另一个条件是电枢回路总电为线性关系的另一个条件是电枢回路总电阻阻Ra为恒值。为恒值。 实际上，实际上， Ra中包

39、含的电刷与换向器的中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数。接触电阻不是一个常数。 为了考虑此种情况对输出为了考虑此种情况对输出特性的影响特性的影响 ， 我们把电压方程式我们把电压方程式Ua=Ea-IaRa改写为改写为Ua=Ea-IaRw-Ub。 其中其中Rw为电枢绕组电阻；为电枢绕组电阻； Ub为为电刷接触压降。电刷接触压降。 这样，这样， 式式(2 - 14)也可改写为也可改写为LWbeaRRUnCU1(2 - 15) 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 电刷接触压降电刷接触压降Ub与下述因素有密切关系与下述因素有密切关系: 电刷和换向器的材料；电刷和换向器的材料； 电刷的电流

40、密度；电刷的电流密度； 电流的方向；电流的方向； 电刷单位面积上的压力；电刷单位面积上的压力； 接触表面的温度；接触表面的温度； 换向器圆周线速度；换向器圆周线速度； 换向器表面的化学状态和机械方面的因素，换向器表面的化学状态和机械方面的因素， 等等。等等。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 换向器圆周线速度对换向器圆周线速度对Ub影响较小，影响较小， 在小于允在小于允许的最大转速范围内，许的最大转速范围内， 可认为速度不会引起可认为速度不会引起Ub的变化。的变化。 但是随着转速的升高，但是随着转速的升高， 电枢电流电枢电流Ia增大，增大， 电刷电流密度增加。电刷电流密度增加。 当电

41、刷电流密度较小时，当电刷电流密度较小时， 随随着电流密度的增加，着电流密度的增加， Ub也相应地增大。也相应地增大。 当电流当电流密度达到一定数值后，密度达到一定数值后， Ub几乎等于常数。几乎等于常数。 一般一般情况下，情况下， 电流自换向器流向电刷时电刷压降较大，电流自换向器流向电刷时电刷压降较大， 因此，因此， 通常直流机的接触压降通常直流机的接触压降Ub是指正负电刷是指正负电刷下的总压降。下的总压降。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 27 考虑电刷接触压降后的输出特性考虑电刷接触压降后的输出特性 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 根据式根据式(2

42、- 15)以及上述以及上述Ub和电流密度的关系，和电流密度的关系， 就可以得出考虑电刷接触压降后直流测速发电机就可以得出考虑电刷接触压降后直流测速发电机的输出特性，的输出特性， 如图如图 2 - 27 所示。所示。 由图由图 2 - 27 可见，可见， 在转速较低时，在转速较低时， 输出特输出特性上有一段斜率显著下降的区域。性上有一段斜率显著下降的区域。 此区域内，此区域内， 测测速机虽有输入信号速机虽有输入信号(转速转速)， 但输出电压很小，但输出电压很小， 对对转速的反应很不灵敏，转速的反应很不灵敏， 所以此区域叫不灵敏区。所以此区域叫不灵敏区。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机

43、 为了减小电刷接触压降的影响，为了减小电刷接触压降的影响， 缩小不灵敏区，缩小不灵敏区， 在直流测速发电机中，在直流测速发电机中， 常常采用接触压降较小的银常常采用接触压降较小的银石墨电刷。石墨电刷。 在高精度的直流测速发电机中还采用铜电在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，刷， 并在它与换向器接触的表面上镀上银层，并在它与换向器接触的表面上镀上银层， 使换向使换向器不易磨损。器不易磨损。 如上所述，如上所述， 电刷和换向器的接触情况还与化学、电刷和换向器的接触情况还与化学、 机械等因素有关，机械等因素有关， 它们引起电刷与换向器滑动接触的它们引起电刷与换向器滑动接触的不稳定性，不稳定性，

44、以致使电枢电流含有高频尖脉冲。以致使电枢电流含有高频尖脉冲。 为了减为了减少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干扰，扰， 常常在测速机的输出端连接滤波电路。常常在测速机的输出端连接滤波电路。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.5 直流测速发电机的应用直流测速发电机的应用 测速发电机在自动控制系统中作为测量或自测速发电机在自动控制系统中作为测量或自动调节电动机转速之用；动调节电动机转速之用； 在随动系统中用来产生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；电压信号以提高系统的稳定性和精度； 在计算解在计算解答装置中作为

45、微分和积分元件。答装置中作为微分和积分元件。 它还可以测量各它还可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速， 并可代替测速计直接测量转速。并可代替测速计直接测量转速。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 测速发电机有交、测速发电机有交、 直流两大类。直流两大类。 由于直流测速由于直流测速机有电刷、机有电刷、 换向器接触装置，换向器接触装置， 使它的可靠性变差，使它的可靠性变差， 精度也受到影响，精度也受到影响， 因此在系统中使用交流异步测速因此在系统中使用交流异步测速机较为广泛机较为广泛(将在第将在第8章详述章详述)。 但是，但是， 与

46、交流异步与交流异步测速机相比，测速机相比， 直流测速机具有输出电压斜率大，直流测速机具有输出电压斜率大， 没没有剩余电压有剩余电压(即转速为零时没有输出电压即转速为零时没有输出电压)， 没有相没有相位误差位误差(励磁和输出电压之间没有相位移励磁和输出电压之间没有相位移)， 温度补温度补偿容易实现等优点，偿容易实现等优点， 所以在自动控制系统中的应用所以在自动控制系统中的应用还是很广泛的。还是很广泛的。 下面举例说明它在两个方面的用途。下面举例说明它在两个方面的用途。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.5.1 作为系统的阻尼元件作为系统的阻尼元件 在图在图 1 - 1 所示的雷达天

47、线自动控制系统中，所示的雷达天线自动控制系统中， 直流伺服电动机的输出轴上耦合一台直流测速发直流伺服电动机的输出轴上耦合一台直流测速发电机。电机。 它输出一个与转速成正比的直流电它输出一个与转速成正比的直流电压压 ， 并负反馈到放大器的输入端，并负反馈到放大器的输入端， 所所以放大器的输入电压为以放大器的输入电压为dtdk2dtdkk21)(第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 测速发电机在该系统中所起的阻尼作用可以简要测速发电机在该系统中所起的阻尼作用可以简要地解释如下：地解释如下： 假定暂不接测速发电机，假定暂不接测速发电机， 并且当并且当时，时， 直流伺直流伺服电动机在正比于服电

48、动机在正比于k1(-)的信号电压作用下转动，的信号电压作用下转动， 使使角增加，角增加， -值减小。值减小。 当当=时，时， 虽然误差信号电压虽然误差信号电压k1(-)=0， 但是由于电动机及负载具有转动惯量，但是由于电动机及负载具有转动惯量， 电动机在电动机在-=0 的位置时其转速并不为零，的位置时其转速并不为零， 而继续向而继续向角增加的方向转动，角增加的方向转动， 使使。 此时，此时， 由于由于， 误误差信号电压极性变反。差信号电压极性变反。 在此电压的作用下，在此电压的作用下， 电动机电动机由正转变为反转。由正转变为反转。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 这样，这样， 由

49、于电动机及其负载的惯性，由于电动机及其负载的惯性， 反转又冲过了头，反转又冲过了头， 这样系统就会产生振荡。这样系统就会产生振荡。 如果接上测速发电机，如果接上测速发电机， 则当则当=时，时， 由于由于 ， 故信号电压为故信号电压为 ，此，此电压与原来的电压与原来的(指指时时)误差信号电压极性相反，误差信号电压极性相反， 因此因此伺服电动机在伺服电动机在=时就得到与时就得到与d/dt成正比、成正比、 极性与原极性与原来的信号电压相反的电压，来的信号电压相反的电压， 此电压使电动机制动此电压使电动机制动(关于关于电动机加反向电压制动将在电动机加反向电压制动将在 3.7 节中叙述节中叙述)， 因而

50、电动因而电动机就很快地停留在机就很快地停留在=的位置。的位置。 可见，可见， 由于系统中加由于系统中加入了测速发电机，入了测速发电机， 就使得由电动机及其负载惯量所造就使得由电动机及其负载惯量所造成的振荡得到了阻尼，成的振荡得到了阻尼， 从而改善了系统的动态性能。从而改善了系统的动态性能。0dtd02dtdk第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.5.2 对旋转机械作恒速控制对旋转机械作恒速控制 图图 2 - 28 为恒速控制系统的原理图。为恒速控制系统的原理图。 负载是一负载是一个旋转机械。个旋转机械。 当直流伺服电动机的负载阻力矩变化当直流伺服电动机的负载阻力矩变化时，时， 电动

51、机的转速也随之改变。电动机的转速也随之改变。 为了使旋转机械在为了使旋转机械在给定电压不变时保持恒速，给定电压不变时保持恒速， 在电动机的输出轴上耦在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，合一测速发电机， 并将其输出电压与给定电压相减并将其输出电压与给定电压相减后加入放大器，后加入放大器， 经放大后供给直流伺服电动机。经放大后供给直流伺服电动机。 当当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小，负载阻力矩由于某种偶然的因素减小， 电动机的转电动机的转速便上升，速便上升， 此时测速发电机的输出电压增大，此时测速发电机的输出电压增大， 给定给定电压与输出电压的差值变小，电压与输出电压的差值变小， 经放大后加到直

52、流电经放大后加到直流电动机的电压减小，动机的电压减小， 电动机减速；电动机减速； 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 反之，反之， 若负载阻力矩偶然变大，若负载阻力矩偶然变大， 则电动机转速则电动机转速下降，下降， 测速机输出电压减小，测速机输出电压减小， 给定电压和输出电给定电压和输出电压的差值变大，压的差值变大， 经放大后加给电动机的电压变大，经放大后加给电动机的电压变大， 电动机加速。电动机加速。 这样，这样， 尽管负载阻力矩发生扰动，尽管负载阻力矩发生扰动， 但由于该系统的调节作用，但由于该系统的调节作用， 使旋转机械的转速变使旋转机械的转速变化很小，化很小， 近似于恒速。近

53、似于恒速。 给定电压取自恒压电源，给定电压取自恒压电源， 改变给定电压便能达到所希望的转速。改变给定电压便能达到所希望的转速。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 图图 2 - 28 恒速控制系统原理图恒速控制系统原理图 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.6 直流测速发电机的性能指标直流测速发电机的性能指标 直流测速发电机的主要性能指标列在直流测速发电机的主要性能指标列在表表 2 - 1 中。中。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 表表 2 - 1 直流测速发电机主要性能指标直流测速发电机主要性能指标 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2

54、章章 直流测速发电机直流测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.7 直流测速发电机的发展趋势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发展高灵敏度测速发电机 近年来国外较重视发展永磁式高灵敏度直流近年来国外较重视发展永磁式高灵敏度直流测速发电机。测速发电机。 这种电机直径大，这种电机直径大， 轴向尺寸小，电轴向尺寸小，电枢元件数多，枢元件数多， 刷间的串联导体数多，刷间的串联导体数多， 因而输出电因而输出电压斜率大，压斜率大， 其灵敏度比普通测速机高其灵敏度比普通测速机高1 000 倍。倍。 这种电机的换向器是用塑料或绝缘材料制成薄板这种电机的换向器是用

55、塑料或绝缘材料制成薄板基体，基体， 并在板面上印制换向片而构成的，并在板面上印制换向片而构成的， 因此换因此换向片数很多；向片数很多； 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 并且换向器固定在转轴的端面上，并且换向器固定在转轴的端面上， 故称为印制电故称为印制电路端面换向器。路端面换向器。 由于这种电机的电枢元件数及换由于这种电机的电枢元件数及换向片数比普通直流机多得多，向片数比普通直流机多得多， 因而纹波电压可以因而纹波电压可以大大降低。大大降低。 例如美国例如美国Inland公司直径为公司直径为 250 mm的产品，的产品， 其速比范围为其速比范围为 1 3 000, 最低转速可低最

56、低转速可低于于 1 转每天，转每天， 纹波系数小于纹波系数小于 0.1%， 线性误差低线性误差低于于 0.1%， 灵敏度灵敏度(即电压斜率即电压斜率)为为 10 V/(r/min)， 每天每天 1 转时的输出信号电压约转时的输出信号电压约 7 mV。 国内已有高灵敏度测速发电机系列产品，国内已有高灵敏度测速发电机系列产品， 其其技术数据见表技术数据见表 2 - 2。 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 表表 2 - 2 CYD系列直流高灵敏度测速发电机系列直流高灵敏度测速发电机 第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 2.7.2 改进电刷与换向器的接触装置，改进电刷与换向器的接

57、触装置， 发展无刷直发展无刷直流测速发电机流测速发电机 直流测速发电机由于存在电刷和换向器，直流测速发电机由于存在电刷和换向器， 因因而带来一系列缺点：而带来一系列缺点： (1) 电刷和换向器的存在使电机结构比较复电刷和换向器的存在使电机结构比较复杂，杂， 维护比较困难，维护比较困难， 可靠性较差，可靠性较差， 并使应用环并使应用环境受到限制。境受到限制。 例如在高空、例如在高空、 高真空中换向困难，高真空中换向困难， 在高温环境中容易起火等。在高温环境中容易起火等。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 (2) 电刷与换向器的摩擦所引起的摩擦转矩，电刷与换向器的摩擦所引起的摩擦转矩， 增加了伺服电动机的粘滞转矩。增加了伺服电动机的粘滞转矩。 (3) 电刷与换向器的间断接触引起射频噪音。电刷与换向器的间断接触引起射频噪音。 (4) 电刷与换向器接触压降的变化，电刷与换向器接触压降的变化， 引起输引起输出电压不稳定，出电压不稳定， 等等。等等。第第2 2章章 直流测速发电机直流测速发电机 目前，目前， 有关人员正努力从换向器、有关人员正努力从换向器、 电刷的接电刷的接触结