控制电机第2章直流测速发电机

第2章直流测速发电机

教学目标：1、掌握直流电势的关系式，直流测速发电机及其输出特性。

2、熟悉误差及其减小的方法教学内容：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重点、难点：直流电势的关系式，直流测速发电机及其输出特性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：

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。图2-1直流发电机原理图

图2-1(a)是该两极电机的示意图。如图示，在空间固定不动的磁极N,S之间，有一个铁质圆柱体(电枢铁心)装在转轴上，磁极与铁心间的气隙称为空气隙。导体ab,cd固定在电枢铁心表面径向相对的位置并连成一个线圈(元件)。换向片之间、换向片与转轴之间均相互绝缘，这部分称为换向器。整个转动部分称为电枢，固定不动的导电片A、B(电刷)压在换向片上，为滑动接触。磁极的中心线称为磁极轴线，N,S极之间的中心线称为几何中性线，如图2-1(b)。

磁极产生的磁通由N极出发经过电枢铁心进入S极。用原动机拖动电枢以转速n逆时针方向旋转，则导体ab,cd切割磁力线而产生电势。根据右手定则，在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a,S极下导体cd中电势由d指向c。在图2-1(b)中分别用⊙、表示。

线圈两个有效边中的电势大小相等方向相反，因此，整个线圈电势是两个有效边电势之和，即为一个有效边电势的两倍，电势方向是由d指向a,故a为正，d为负。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负，电刷两端电势EBA=eda=edc+eba。当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d,此时d为正，a为负，而两电刷间电势EBA=ead=eab+ecd，仍然是A刷为正，B刷为负。电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。在两极情况下，线圈每转一圈，电势交变一次。但是，电刷电势的极性始终不变。这是由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变。

2.1.2直流电势的形成

根据法拉第电磁感应定律，导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv(2-1)

式中，Bx为导体所处位置的气隙磁通密度；l为导体有效长度(即电枢铁心的长度)；v为导体切割磁场的线速度(即电枢圆周速度)。对已制成的电机，l为定值，若电枢转速n恒定，则v亦为常值，所以

ei∝Bx。在整个磁极下，气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布，而是按图2-2(a)所示规律分布的。导体处于不同位置，产生的电势大小不同，其随时间变化的规律与Bx相同。

图2-2磁场分布和电刷电势经换向器换向后，电刷间电势虽然方向不变，但却有很大的脉动，如图2-2(b)所示。显然，这样的电势不是直流电势，暂且称其为脉动电势。为减小电势的脉动程度，实际电机中不是只有一个线圈(元件)，而是由很多元件组成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面，并按一定的规律连接。

图2-3是一个实际电机的模型:

电枢铁心表面有齿有槽，槽中安放元件，元件形状如图2-4所示。

放在槽中的元件边为有效边，连接有效边的导线称为端部连线。元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽中，且一个有效边放在槽的上层(靠近槽口)，另一个有效边放在槽的下层(靠近槽底)，并用上层边所在的槽号表示元件号。

图2-3实际电机模型图2-4电枢元件图2-5等值电路图2-6描绘了电刷A、B之间输出电势随时间变化的曲线。图中曲线1和2表示相邻两个元件的电势，因为元件空间位置夹角90°，则元件电势时间相位差90°。电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成，即曲线3。与图2-2(b)比较可见，此时输出电势平均值变大，脉冲相对来说变小。如果电枢表面槽数增多，元件数增多，则电刷间串联的元件数增多，输出电势的平均值将更大，脉动更小，就得到大小和方向都不变的直流电势。图2-6电刷输出电势图2-7直流电机示意图

2.1.3直流电机基本结构直流电机总体结构可以分成两大部分：静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。定子:定子铁心、励磁绕组、机壳、端盖和电刷装置等组成。转子:电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等组成。轴:通过轴承支撑在端盖上的。直流电机的基本结构示意图如图2-8所示。图2-8直流电机结构简图电机主要零部件的基本结构和作用如下：

1.定子铁心和励磁绕组

定子铁心:将磁极和磁轭连成一体，用厚为0.35～0.5mm的电工钢片的冲片叠压而成。铁心外处的机壳由铝合金浇铸而成，如图2-9所示。为使主磁通在空气隙中的分布更为合理，磁极的极掌(或称极靴)较极身为宽，这样也可使励磁绕组牢固地套在磁极铁心上。

励磁绕组由铜线绕制而成，包上绝缘材料以后套在磁极上图2-9定子结构简图

2.电枢铁心和电枢绕组

电枢铁心:用厚为0.35～0.5mm的电工钢片的冲片叠压而成，冲片形状如图2-10所示。铁心上的槽是安放绕组的，电枢铁心又作为主磁通磁路的组成部分。由于转子在旋转，所以电枢铁心也切割磁通。为了减少铁心中的涡流损耗，铁心冲片要涂绝缘漆，作为片间绝缘。电枢绕组的组成方法是：将绝缘铜导线预先制成元件，并嵌在槽内，然后将元件的两个端头，按照一定的规律接到换向器上，如图2-11所示。图2-10电枢铁心冲片图2-11电枢铁心和绕组

3.换向器和电刷换向器:由许多换向片(铜片)叠装而成的。换向片之间用塑料或云母绝缘，各换向片和元件相连。常用的换向器有金属套筒式换向器与塑料换向器。图2-12是塑料换向器的剖面图。图2-12塑料换向器剖面图电刷:放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，使之和换向器有良好的滑动接触。

在直流电机中，电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。

2.2直流电势的关系式当电刷A、B通过换向片与导体相连接时，电刷A、B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来，因此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，即式中，ei为每一导体的感应电势；s为一对电刷间的串联导体数。电枢导体感应电势值除了与导体在磁场中的长度l,导体切割磁通的线速度v有关外，还与导体所在点的磁通密度有关。(2-2)图2-13表示一对磁极时励磁磁通所经过的路径。当励磁电流流过励磁绕组时，磁通便由N极出来，经过空气隙及电枢，进入S极，然后分别从两边的磁轭回到N极，形成闭合回路。在直流电机中，磁极和电枢之间的气隙是不均匀的，在极中心部分最小，在极尖处较大，因此，电枢表面各点的磁通密度也不同。在极中心下面磁通密度最大，靠近极尖处逐渐减小，在极靴范围以外则减小很快，在几何中心线上则等于零。电枢表面各点磁通密度的分布情况如图2-14所示。图2-13直流电机磁路图2-14气隙中磁通密度分布图对于已制成的电机，l

为常数，当速度v一定时，导体的感应电势ei便正比于该导体所在处的磁通密度Bx，即ei∝Bx。

取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bp，一个磁极下所有导体的平均电势为ep，这样，电刷间的电势Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一对电刷所串联的导体数s,即Ea=sep(2-3)

而其中ep=Bplv

(2-4)

因此

Ea=sBplv(2-5)电刷间的总电势或写作Ea=CeΦn(2-10)式中，Φ为每极总磁通，单位为韦伯(Wb);n为电枢转速，单位为转/分(r/min);p为电机的极对数;N为总导体数；a未支路对数。Ea的单位为V;式中，Ce=pN/(60a)，是一个常数，其值由电机本身的结构参数决定。

当每极磁通Φ一定时，Ea=Ken(2-11)

式中，Ke=CeΦ，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有：

1.永磁式永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成，没有励磁绕组。

2.电磁式

电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产生磁场。图2-15永磁式直流测速发电机图2-16电磁式直流测速发电机

2.3.2自动控制系统对直流测速发电机的要求精确度高、灵敏度高、可靠性好等。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：

(1)输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性，如图2-17所示；

(2)输出特性的斜率要大；

(3)温度变化对输出特性的影响要小；

(4)输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小；

(5)正、反转两个方向的输出特性要一致。图2-17测速发电机的理想输出特性2.3.3输出特性图2-18直流测速发电机接上负载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。由图2-18可知，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，即Ua=Ea-IaRa

(2-12)

此式称为直流发电机电压平衡方程式。式中，Ra为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组的电阻、电刷和换向器之间的接触电阻；Ia为电枢总电流，且有

(2-13)将式(2-13)代入式(2-12)得经化简后，得负载时输出电压与转速的关系(2-14)如式中Φ、Ra和RL都能保持为常数，则Ua与n之间呈线性关系，随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小，如图2-19所示。该图是理想情况下，即Φ、Ra不变，RL为一定时的输出特性。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。图2-19不同负载电阻时的理想输出特性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)为线性关系的条件之一是励磁磁通Φ为常数。实际上，电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。

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，如图2-20所示。选择并联网络参数的方法是：作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线(图2-21中曲线1)，再作并联网络电阻随温度变化的曲线(图2-21中曲线2)；前者温度系数为正，后者温度系数为负。只要使得这两条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不会随温度而变化(图2-21中曲线3)，因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化。图2-20励磁回路中的热敏电阻并联网络图2-21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。所以，负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。图2-22(a)是定子励磁绕组产生的主磁场，图2-22(b)是电枢绕组产生的电枢磁场，图2-22(c)是主磁场和电枢磁场的合成磁场。图2-22直流电机磁场因为电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反。不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在空间的分布情况始终不变。因此，电枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变，即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。其磁力线的分布可以根据右手螺旋定则作出，如图2-22(b)。由于电刷位于几何中性线上，所以电枢磁场在电刷轴线两侧是对称的，电刷轴线就是电枢磁场的轴线。

由图2-22(b)可以看出，电枢磁场也是一个两极磁场，主磁极轴线的左侧相当于该磁场的N极，右侧相当于S极。另外，在每个主磁极下面，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，即半个极下电枢磁通和主磁通同向，另外半个极下电枢磁通和主磁通反向.

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，如图2-22(c)所示。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。

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。例如，N极右半个极下的合成磁通等于1/2主磁通与1/2电枢磁通之和，左半个极下的合成磁通等于1/2主磁通与1/2电枢磁通之差。因此，N极左半个极的削弱和右半个极的加强相互抵消，整个极的磁通保持不变，仅仅磁场的分布发生了变化。图2-23直流测速发电机输出特性(图中R

L1>R

L2)

2.4.3延迟换向去磁

直流电机中，电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。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。但是，在元件经过电刷而被电刷短路的过程中，它的电流既不是+ia也不是-ia，而是处于由+ia变到-ia的过渡过程。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。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。

参看图2-24。从图2-24(a)到图2-24(c)，元件1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(+ia)变为另一个方向(-ia);而在图2-24(b)所示时刻，元件1被电刷短路，正处于换向过程，其中电流为ik。1号元件为换向元件。从图2-24(a)到图2-24(c)所经历的时间为一个换向周期。图2-24元件的换向过程

在理想换向情况下，当换向元件的两个有效边处于几何中性线位置时，其电流应该为零。但实际上在直流测速发电机中并非如此。虽然此时元件中切割主磁通产生的电势为零，但仍然有电势存在，使电流过零时刻延迟，出现所谓的延迟换向。分析如下：由于元件本身有电感，因此在换向过程中当电流变化时，换向元件中要产生自感电势:式中，L为换向元件的电感；i

为换向元件的电流。

根据楞次定律，eL的方向将力图阻止换向元件中的电流改变方向，即力图维持换向元件换向前的电流方向，所以eL的方向应与换向前的电流方向相同，是阻碍换向的。同时，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ea,根据右手定则可以确定,ea所产生的电流的方向也与换向前的电流方向相同，也是阻碍换向的。

因此，换向元件中有总电势ek=eL+ea。显然，由于总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟，即换向元件中的电流由+ia变为-ia的时间延迟了。

换向元件被电刷短路，于是总电势ek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Φk，其方向与主磁通方向相反，如图2-25所示，对主磁通有去磁作用。这样的去磁作用叫延迟换向去磁。

图2-25换向元件中的电势图2-26延迟换向对输出特性的影响

2.4.4纹波根据Ea=CeΦn,当Φ、n为定值时，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。由于电枢槽数及电枢元件数有限，在输出电势中将引起脉动。当然，增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波。但是由于工艺所限，电机槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，因此产生纹波是不可避免的。同时，由于电枢铁心有齿有槽，以及电枢铁心的椭圆度、偏心等等，也会使输出电