第2节 测速发电机

测速发电机

直流测速发电机交流测速发电机1Tachogenerator22-1概述测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信号电压。如果以转子旋转角度为参变量，则可作为机电微分、积分器。

3直流测速发电机1直流发电机的工作原理和结构3直流测速发电机及其输出特性2直流电势的关系式4直流测速发电机误差及其减小的方法5直流测速发电机的应用6直流测速发电机的性能指标下一章上一章返回主页7直流测速发电机的发展趋势41直流发电机工作原理和结构NS－U＋一、直流电动机的工作原理NS＋U－线圈边中电流不改变方向，则平均Te=0。abcddcba51直流发电机工作原理和结构NSNS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁力线会产生什么？换向片一、直流电动机的工作原理abcddcba由于电刷和换向器的作用，实现了电枢绕组电流的换向，从而产生方向不变的电磁转矩，使电动机连续转动。6直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载旋转克服反电动势做功电磁关系7NS二、直流发电机的工作原理NS－E＋－E＋abcddcba由于电刷和换向器的作用，把电枢绕组内部的大小和方向均变化的交流电转换成外部方向不变的直流电。线圈边在磁场中运动会产生什么？阻转矩8电磁关系输出直流电换向原动机感应电动势和电流电磁转矩(阻转矩)做功讨论：直流发电机电刷电势极性不变，但大小是否随时间变化？9气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形0bt

23AX0eXAtNS0πAX×+e－0et1.2直流电势的形成e

=Bvl磁极轴线几何中性线脉动电势气隙磁通密度导体感生电动势电枢电势10每极下有3个串联线圈时的电动势波形0et

2

3可见，输出电势平均值变大，脉动相对来说变小。结论：若电枢槽数增多，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，就可得到大小和方向都不变的直流电势。11直流电机结构图电枢绕组

主磁极电枢铁心

励磁绕组

机壳附加极绕组

换向器

电刷端盖

风扇轴

端盖

1.3直流电机的基本结构12直流电机定子转子（电枢）定子铁芯励磁绕组电刷机壳端盖主磁极电枢铁芯电枢绕组换向器轴13一、直流电机的定子结构

1.定子(1)定子铁芯(2)励磁绕组(3)电刷(4)机座(5)端盖直流电机的定子主磁极机座主磁极铁心励磁绕组绝缘框架电枢铁心螺栓机座主磁极14直流电机的定子15直流电机的电刷铜丝辫压紧弹簧电刷刷握16二.直流电机的转子（电枢）(1)电枢铁心(2)电枢绕组(3)换向片(4)转轴直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片17电机装配图18（一）.绕组的基本概念单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。(1)元件：两端分别与两片换向片相连的单匝或多匝线圈是构成电枢绕组的基本单元。

三、直流电机的电枢绕组电枢绕组的元件后端接上元件边前端接下元件边若电枢每槽上下层只有一个元件边，则整个绕组的元件数与槽数相等19(2)叠绕组和波绕组

叠绕元件波绕元件(3)极距一对磁极在电枢表面所跨过的距离。=Z2p电枢总槽数极对数叠绕组：各磁极下的元件依次相连，总是后一个元件“叠”在前一个上。波绕组：同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪一样向前延伸。

NS1234NSNS12k

元件边(有效边)20NS(4)绕组的节距

※

y1——第一节距（用所跨过的槽数来表示，必为整数

）。每个元件的两个有效边在电枢表面所跨过的距离

y1=为整距绕组；y1<为短距绕组；y1>为长距绕组。※

y2——第二节距（用所跨过的槽数来表示

）。同一换向片所串联的两个元件中，前一元件的下元件边与后一元件的上元件边之间的距离。※

y——合成节距：y=y1-y2相邻两串联元件的对应边之间的距离叠绕元件在电枢上的连接1234y1y2

y

y1

=Z2p±ε21（二）.单叠绕组y=1AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

5AB123456787

6

5A1

2

3

B48NSNS123456781234567822单叠绕组AB812345676

5

4

378

1

2

AB7

6

5

48

1

2

3ABAB123456781234567812345678NSNS23电动机发电机eeeeeeee＋－EA1

2

3

48

7

6

5BIa结论：单叠绕组把每个主磁极下的元件串联成一条支路绕组的并联支路对数a等于极对数p

整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。当电刷没有与外电路接通时，整个闭合绕组回路的总电动势之和等于零，电枢绕组不会产生回流。1

2

3

48

7

6

5AB＋－IaeeeeeeeeE24单叠绕组的展开图单叠绕组的连接规律：所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首端与前一元件的尾端相连，同时每一元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。（1）将槽和元件边编号：元件边的号码就用槽的号码，上元件边用所在槽的号码换向片与其相连的上层边取同一编号，下元件边用所在槽号加撇。25NS123456781

(2)单叠绕组的展开图2p=2、槽数为8Z=p==y1=y2=y=814431123456781123456781A

B8

7

6A2

3

4

B51eeeeee电枢绕组的并联支路结论：（1）1、5号元件所处的位置磁通密度为零，元件没有感应电动势，电枢A、B将1、5短路；（2）2、3、4号元件首尾串联，每个元件的上元件边均在N极下，下元件边在S极下，它们产生的电动势同方向串联，构成并联上支路；（3）6、7、8号元件首尾串联，每个元件的上元件边均在S极下，下元件边在N极下，它们产生的电动势同方向串联，构成并联下支路；

n26电刷的位置：应使俩电刷间获得最大电势输出※电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。※电刷应放于主极轴线下的换向片上磁极中心线NS123456781123456781A

Bn几何中性线8

7

6A2

3

4

B51eeeeee换向器上的几何中性线27实际电机模型281.额定电压UN发电机的UN：指输出电压的额定值。电动机的UN：指输入电压的额定值。2.额定电流IN发电机的IN：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。3.额定功率PN发电机的PN：指输出电功率的额定值(UNIN)

。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(UNINηN)

。4.额定转速nN

（三）直流电机的额定值295.额定励磁电压UfN6.额定励磁电流IfN※

额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。※满载状态：

指I=IN的状态。30B0空载时电枢电流可忽略不计。空载磁场由主磁极的励磁磁动势单独作用产生。空载时磁场轴线与磁极轴线相重合。几何中性线：相邻两主极之间的中心线。该处的径向磁通密度为零。磁场轴线磁极轴线几何中性线几何中性线一、直流电机的空载磁场2直流电势的关系式31(1)产生电枢旋转n磁场Φ(2)大小每个导体：二.电动势e→∑e→Eex

=Bxlv※Bx——导体所在处的气隙磁密。

l——导体的有效长度。

v——导体切割磁场线的线速度。8

7

6A2

3

4

B51eeeeee32=sn2p

60设电枢总导体数为N，则每条支路的导体为故v=nD60=n2p60E=ex1s=

Bxlv1s=lv

Bx1s=lvsBav=lns

2p

60

l=CEn每极下的合成磁通N2as==npN

60alex

=Bxlv8

7

6A2

3

4

B51eeeeee33E=CEΦnCE电动势常数：CE=pN60a单位：Wb单位：r/min(V)(3)方向：由Φ和n共同决定。(4)Φ一定时

E=KEnKE电势常数结论：①电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，因此直流发电机能够把转速信号转换成电势信号。(5)性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。②Ea和每极磁通量有关，而和磁场分布的形状无关。若分布形状改变，而仍保持每极磁通不变，则每个元件的电动势大小有变化，但支路电动势的大小不变。34三、直流发电机的电磁转矩1.电磁转矩的产生电枢电流ia磁场F→Te

2.电磁转矩的大小设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为fav

=Bavlia※

ia——导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为

Tav=

fav=

BavliaD

2D

235电枢直径为：

电枢电流与支路电流的关系为：则D=2p

ia=Ia

2aTe=

NTav=N

BavliaD

2=Nl

l

Ia

2a

p

=IapN2a(N·m)Te=CTIa※

CT

——转矩常数。Tav=

fav=

BavliaD

2D

28

7

6A2

3

4

B51eeeeeeIaia363.电磁转矩的方向和性质

方向：由

和Ia共同决定。

性质：发电机为制动转矩，Te

与n方向相反。电动机为拖动转矩，Te

与n方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系CT

=

CE=9.55CE602，CT=pN2aCE=pN60a因为则37图1-1直流电动机速度自动控制的原理结构图电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机是电动机转速的测量元件。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。383直流测速发电机及其输出特性直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式有励磁线圈励磁，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。他励式直流测速发电机接线图TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–一、直流测速发电机的分类永磁式直流测速发电机

3940二、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，主要是精度高、灵敏度高、可靠性好。应满足以下要求：（1）输出电压与转速的关系——输出特性曲线应为线性；（2）输出特性斜率要大；（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；（5）正反转两个方向的输出特性要一致；灵敏度精度41ME(2)带载后电枢电路：Ua=Ea

RaIa+Ua－IaIf+Uf－三、输出特性：输出电压与转速之间的关系，即Ua=f（n)(1)空载时Uao=Ea=CEΦnRLUaRL

Ia=42若Φ、Ra和

RL都能保持为常数，则，随负载电阻的减小，输出特性的斜率变小，因此负载电阻不宜过小。但实际上，由于温度、电枢反应等影响，输出特性不是严格的呈线性特性。onUaRL1RL243例一台CY系列直流测速发电机，额定电枢电压为110V，额定转速为1500r/min，电机回路电阻为50Ω,负载电阻为1000Ω，求（1）电枢电动势；（2）当转速为1000r/min时的电枢电动势和输出电压。解444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是由于电枢反应、温度、电刷接触电阻、纹波、延迟换向去磁等的影响。一、温度的影响ME+Ua－IaIf+Uf－RLTRfIfΦUa减小措施（1）将磁路设计比较饱和，使励磁电流变化所引起的磁通的变化较小。（2）克服励磁绕组Rf的温升。45方法一：在励磁回路中串联一个比励磁绕组大几倍的附加电阻来稳定励磁电流，附加电阻采用温度系数较低的合成材料方法二：在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络otRRf随温度变化的曲线并联电阻随温度的变化曲线使两条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不随温度而变化，则励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化Rft°46二、电枢反应影响B0空载时电枢电流可忽略不计。空载磁场由主磁极的励磁磁动势单独作用产生。空载时磁场轴线与磁极轴线相重合。几何中性线：相邻两主极之间的中心线。该处的径向磁通密度为零。磁场轴线磁极轴线几何中性线几何中性线1、直流电机的空载磁场472、负载时的电枢磁动势几何中性线直轴d交轴qFa22OxxFa(x)Ba(x)NS48消耗在x点处每个气隙上的电枢磁动势为

※

ia—导体的电流；N—电枢总导体数；Da——电枢的直径。NiaDaA=——电枢表面单位长度上的安培导体数，称为电枢的线负荷。2xDaFa(x)=Nia12=Ax在几何中性线处(x=/2)的电枢磁动势为Faq=A=Famax1

2－≤x≤

2

222Oxx三角波49电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为※

——等效气隙长度。Ba(x)=0Ha(x)

Fa(x)

(x)

=0Ax

(x)

=0三、直流电机的电枢反应负载时电机中磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。50电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为※

——等效气隙长度。Ba(x)=0Ha(x)

Fa(x)

(x)

=0Ax

(x)

=0xFa(x)Ba(x)马蹄形51二、电枢反应影响B0磁场轴线磁极轴线几何中性线几何中性线1、直流电机的空载磁场522、负载时的电枢磁动势几何中性线直轴d交轴qFa22OxxFa(x)Ba(x)NS53三、直流电机的电枢反应负载时电机中磁场：由励磁磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。54几何中性线直轴d交轴qFaNS电刷在几何中性线下的电枢反应55电刷在几何中性线下的电枢反应Ba

22OxNSB0B

※将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线——物理中性线。NS几何中性线物理中性线56电刷在几何中线上时的电枢反应的结果①此时的电枢电势只有交轴磁动势②

气隙磁场发生了畸变并有一定的去磁作用：电枢圆周上几何中性线处径向磁密不再为零。

磁路不饱和时，每极下的磁通量不变；

磁路饱和时，每极下的磁通量减少了。③

物理中性线偏离了几何中性线：对发电机：顺着电枢旋转方向偏移；对电动机：逆着电枢旋转方向偏移。57电刷不在几何中性线下的电枢反应NS几何中性线电刷顺电枢旋转方向从几何中性线移过一个角度β

电枢磁动势直轴分量Fad交轴分量Faq直轴电枢电势与主磁极轴线重合，且方向与主极磁动势相反，起去磁作用若电刷逆电枢旋转方向移动时，直轴电枢电势方向与主极磁动势相同，起增磁作用

58结论：电枢反应有去磁的作用，因此，同一转速下，空载的输出电压应大于带载时的输出电压；负载电阻越小或转速越高，电枢电流越大，去磁作用越明显，因此，应限制最大线性工作转速和最小负载电阻值。59三、延迟换向去磁1.电枢反应对换向的影响

①处在几何中性线处的换向元件的e≠0，使换向发生困难。②气隙磁场畸变使换向器上的片间电压不均匀；

当相邻两换向片之间的电位差超过一定的限度，将产生电位差火花；而且随着电弧的拉长可能出现环火。※电刷是与处在几何中性线处的元件所连接的换向片接触的，电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。8

7

6A2

3

4

B51eeeeee602.换向的基本概念321kia

2ia

ia

2ia

4321－ia

2ia

43211号元件是正在换向的元件，称为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8

7

6A2

3

4

B51eeeeeeA

B1

2

3

48

7

6

5eeeeeeee1

8

7

62

3

4

5ABeeeeeeee61延迟换向。①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:eL的方向阻止换向元件中电流改变方向，应与换向前的电流方向相同，是阻碍换向的。62

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。Fa63

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。

64延迟换向对输出特性的影响eL∝n,ea∝n。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n成正比，使输出特性呈现图所示的形状。所以，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。22265

3.换向不良的影响①会在换向器和电刷间产生火花；②火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器；③火花会产生电磁波，对无线通信造成干扰。664.改善换向的方法

(1)加装换向磁极(2)移动电刷换向极67四纹波根据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。0et

2

368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。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，也会使输出电势中纹波幅值上升。纹波产生的原因69

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，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。例如，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，与有槽电枢相比，输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。705.电刷接触压降Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数为了考虑此种情况对输出特性的影响，我们把电压方程式Ua=Ea-IaRa改写为Ua=Ea-IaRw-ΔUb。其中Rw为电枢绕组电阻；ΔUb为电刷接触压降。这样，上式也可改写为ME+Ua－IaIf+Uf－RL71电刷接触压降ΔUb与下述因素有密切关系:①电刷和换向器的材料；②电刷的电流密度；③电流的方向；④电刷单位面积上的压力；⑤接触表面的温度；⑥换向器圆周线速度；⑦换向器表面的化学状态和机械方面的因素。72考虑电刷接触压降后的输出特性可见，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，所以此区域叫不灵敏区。73减小电枢接触压降的措施: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，并在它与换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损。

74

5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。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，并可代替测速计直接测量转速。75恒速控制系统原理图对旋转机械作恒速控制76

6直流测速发电机的性能指标

777879

7直流测速发电机的发展趋势（1）发展永磁高灵敏度测速发电机Ce=pN60a斜率越大，灵敏度越高，因此在相同条件下，应使Ce增大，对于两极测速发电机而言，应使N增大。所以，永磁式高灵敏度直流测速发电机的结构特点是：直径大，轴向尺寸小，电枢元件多。80CY系列永磁高灵敏度测速发电机因为电刷间串联的元件数多，因而纹波电压较低，转速可以很低，最低可低于每天一转，输出电压约为几毫伏。81（2）发展无刷直流测速发电机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。电刷与换向器的间断接触引起射频噪音。电刷与换向器接触压降的变化，引起输出电压不稳定。电刷与换向器的存在使电机结构比较复杂直流测速发电机存在电刷和换向器的缺点：82出现无刷直流测速发电机,比如霍尔直流测速发电机、电子换向式无刷直流测速发电机、两极管式测速发电机等霍尔直流测速发电机，输出电压与转速成正比，输出电压无脉动成分，转子摩擦转矩小，可靠性好，寿命长….83通过电子换向电路转换成直流电压输出。特点：没有电刷与换向器接触等所造成的缺陷，性能较好，但结构较复杂，可靠性差，维护复杂。84（3）发展无刷电枢、杯形电枢、印刷绕组电枢测速发电机85交流异步测速发电机1、交流异步测速发电机结构和工作原理2、异步测速发电机的特性和主要技术指标3、异步测速发电机的使用4、主要误差及改进方法5、主要技术指标86交流异步测速发电机是一种测量转速或传感转速信号的元件，将转速信号变为电压信号。理想的测速发电机的输出电压U2与它的转速n成线性关系，其数学表达式为U2=kn(2-1)式中，k为比例系数。图输出电压与转速的关系87

在自动控制系统中，交流测速发电机的主要用途两种：1、在计算解答装置中作为微分、积分元件；2、在伺服系统中作为阻尼元件。

图7-2交流阻尼伺服系统

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。881、交流异步测速发电机结构和工作原理交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的结构是完全一样的。转子：非磁杯形或鼠笼式鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但特性差、误差大、转子惯量大，一般只用在精度要求不高的系统中。非磁杯形转子异步测速发电机的精度较高，转子的惯量也较小，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。89一、结构特点

杯形转子异步测速发电机转子是一个薄壁非磁性杯，制作材料：高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜。定子上嵌有空间互差90°电角度的两相绕组，一个绕组N1为励磁绕组，另一个绕组N2为输出绕组。在励磁绕组两端加上恒定的励磁电压U1，当电机转动时，就可以从输出绕组两端得到一个其值与转速n成正比的输出电压U2，如图7-3所示。

图7-3交流异步测速发电机的示意图

90

二、工作原理交流异步测速发电机的工作原理可由右图来说明，图中N1为励磁绕组，N2为输出绕组，在空间互差90°电角度。转子是一个非磁空心杯。图交流异步测速发电机的工作原理911、当转子不动(n=0)时若在励磁绕组中加上频率为f1的励磁电压U1，则在励磁绕组中就会有电流通过，并在内外定子间的气隙中产生频率与电源频率f1相同的脉振磁场。脉振磁场的轴线与励磁绕组N1的轴线一致，产生的脉振磁通Φ10与励磁绕组和转子杯导体相匝链并随时间进行交变。这时励磁绕组N1与转子杯之间的情况如同变压器原边与副边之间的情况完全一样。

图交流异步测速发电机的工作原理92

忽略励磁绕组N1的电阻R1及漏抗X1，则可由变压器的电压平衡方程式看出，电源电压U1与励磁绕组中的感应电势E1相平衡，电源电压的值近似地等于感应电势的值，即U1≈E1=4.44f1N1Φ10(2-2)由于感应电势E1∝Φ10，故Φ10∝U1(2-3)所以当电源电压一定时，磁通Φ10也保持不变。93

图中为某一瞬间磁通Φ10的极性。由于励磁绕组N1与输出绕组N2相互垂直，因此磁通Φ10与输出绕组N2的轴线也互相垂直。这样，磁通Φ10就不会在输出绕组N2中感应出电势，所以转速n=0时，输出绕组N2也就没有电压输出。图交流异步测速发电机的工作原理94

当转子以转速n转动时，若仍忽略R1及X1，则沿着励磁绕组轴线脉振的磁通不变，仍为Φ10。由于转子的转动，转子杯导体就要切割磁通Φ10而产生切割电势ER2(或称旋转电势)，同时也就产生电流IR2。

ER2=CrΦ10n(2-4)由于杯形转子导条电阻RR比漏抗XR大得多，当忽略导条漏抗的影响时，导条中电流与此同时，流过转子导体中的电流IR2

又要产生磁通Φ2，Φ2的值与电流IR2

成正比，即

Φ2∝IR2∝ER2=CrΦ10n∝U1n(2-6)

(2-5)95

Φ2的值是与转速n成正比的，且也是交变的，其交变频率与转子导体中的电流频率f1一样。不管转速如何，由于转子杯上半圆导体的电流方向与下半圆导体的电流方向总相反，而转子导体沿着圆周又是均匀分布的，因此，转子切割电流IR2

产生的磁通Φ2在空间的方向总是与磁通Φ10垂直，而与输出绕组N2的轴线方向一致。

它的瞬时极性可按右螺旋定则由转子电流的瞬时方向确定，如图所示。这样当磁通Φ2交变时，就要在输出绕组N2中感应出电势E2，这个电势就产生测速发电机的输出电压U2，它的值正比于Φ2，

U2=E2

∝Φ2∝Φ10n∝U1n(2-7)96

当励磁绕组加上电源电压U1，电机以转速n旋转时，测速发电机的输出绕组将产生输出电压U2，其值与转速n成正比(如图7-1中所示)。当转向相反时，由于转子中的切割电势、电流及其产生的磁通的相位都与原来相反，因而输出电压U2的相位也与原来相反。这样，异步测速发电机就可以很好地将转速信号变成为电压信号，实现测速的目的。

由于磁通Φ2是以频率f1在交变的，因此输出电压U2也是交变的，其频率等于电源频率f1，与转速无关。973异步测速发电机的特性和主要技术指标

3.1输出特性和线性误差测速发电机输出电压与转速间的关系U2=f(υ)称为输出特性(υ为相对转速，是实际转速n与同步转速

n

s

=60f/p之比值，即v=n/ns

)。

一台理想的测速发电机输出电压应正比于它的转速，或者说输出特性应是直线，即U2=Kυ

98(2-8)图输出特性及线性误差

式中，

ΔUmax

为实际输出电压与线性输出电压的最大差值；U2LTmax

为对应于最大转速nmax

(技术条件上有规定)的线性输出电压。99异步测速发电机在控制系统中的用途不同，对线性误差的要求也就不同。一般作为阻尼元件时允许线性误差可大一些，约为百分之几到千分之几；而作为解算元件时，线性误差必须很小，约为千分之几到万分之几的范围。目前，高精度的异步测速发电机线性误差可小到0.05

%

左右。图7-6主磁通和漏磁通100

为了减小线性误差，首先应尽可能减小励磁绕组的漏阻抗，并且采用由高电阻率材料制成的非磁杯形转子，这样就可略去转子漏抗的影响，并使引起励磁电流变化的转子磁通削弱。转子电阻值选得过大，又会使测速发电机输出电压降低(即输出斜率指标降低)，电机灵敏度随之减小。1013.2剩余电压Us

剩余电压，就是指测速发电机的励磁绕组已经供电，转子处于不动情况下(即零速时)输出绕组所产生的电压。剩余电压又称为零速电压。剩余电压由两部分组成：1、固定分量U

s0

，其值与转子位置无关；2、交变分量Usj

(又称波动分量)，它的值与转子位置有关，当转子位置变化时(以转角α表示)，其值作周期性的变化，如图7-7所示。图7-7剩余电压的恒定和交变分量102产生固定分量的主要原因：两相绕组不正交，磁路不对称，绕组匝间短路，绕组端部电磁耦合，铁心片间短路等。图表示由于外定子加工不理想，内孔形成椭圆形而产生剩余电压的情况。图外定子内孔椭圆引起的剩余电压103产生交变分量的主要原因：由于转子的不对称性所引起的，如转子杯材料不均匀，杯壁厚度不一致等。实际上非对称转子作用相当于一个对称转子加上一个短路环的作用，如图所示。其中对称转子不产生剩余电压，而短路环会引起剩余电压。图剩余电压交变分量

104对称转子不产生剩余电压，而短路环会引起剩余电压。因为励磁绕组产生的脉振磁通Φ1会在短路环中感应出电势

和电流

，因而在短路环轴线方向就会产生一个附加脉振磁通Φk

。当短路环的轴线与输出绕组轴线不成90°时，脉振磁通Φk

就会在输出绕组中感应出电势，即产生了剩余电压。剩余电压的值是与转子位置有关的，与转子的位置成周期变化。若图中短路环的轴线与输出绕组的轴线重合时，短路环中的Ek、Ik和Φk

均最小，所以在输出绕组中所感应出的剩余电压也为最小；当短路环轴线与输出绕组轴线垂直时，输出绕组中感应出的剩余电压也为最小；而当短路环轴线与输出绕组轴线相夹45°左右时，剩余电压为最大。这样，由于转子电的不对称性，就产生了如图所示的与转子位置成周期性变化的剩余电压。1051—定子；2—转子杯；3—等效短路环图四极电机的剩余电压

当电机是四极电机时，由于转子和磁路的非对称性所引起的剩余电压可减到最小。106图表示一台四极电机励磁绕组产生的脉振磁场，非对称性转子用一个对称转子和短路环代替。

由图可见，当转子不动时，每一瞬间穿过短路环的两路脉振磁通其方向正好相反，因而在短路环中所感应的电势和电流以及短路环产生的附加脉振磁通Φk

都很小。这样，磁通Φk在输出绕组中产生的剩余电压就很小。同理，由于磁路不对称所产生的剩余电压在四极电机中也有所减小。为了减小由于磁路和转子电的不对称性对性能的影响，杯形转子异步测速发电机通常是四极电机。

107减小剩余电压的其它方法：1、可将输出绕组与励磁绕组分开，分别嵌在内外电子的铁心上。内定子做成能够相对于外定子转动。

1—内定子；2—外定子；3—励磁绕组；4—输出绕组图7-11转动内定子消除剩余电压108图采用补偿绕组消除剩余电压2、采用补偿绕组来消除剩余电压。补偿绕组与励磁绕组相串联，但嵌放在输出绕组槽中。109图消除剩余电压的简单网络3、在外部采用适当的电路，产生一个校正电压来抵消剩余电压。1103.3输出斜率与直流测速发电机一样，异步测速发电机的输出斜率un

规定为转速1000

r/min时的输出电压。输出斜率越大，输出特性上比值

ΔU2/

Δn(如图上所示)越大，测速发电机对于转速变化的灵敏度就越高。与同样尺寸的直流测速发电机相比较，交流测速发电机的输出斜率比较小，一般为0.5~5

V/(kr·min-1)。图7-14输出斜率

1113.4输出相位移与相位误差在自动控制系统中，希望异步测速发电机的输出电压与励磁电压同相位，但在实际的异步测速发电机中，两者之间却存在相位移。这只要看一下图的时间相量图就可大致明了。图相量图112图相位特性相位误差：在规定的转速范围内，输出电压与励磁电压之间的相位移Δφ。113图励磁绕组串入电容

图固定相移的补