第2章 直流測速發(fā)電機(jī)

1、第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.1 直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu) 2.2 直流電勢的關(guān)系式直流電勢的關(guān)系式 2.3 直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性 2.4 直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法 2.5 直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用 2.6 直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo) 2.7 直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第第2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.1 直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)直流發(fā)電

2、機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu) 2.1.1 工作原理工作原理 直流發(fā)電機(jī)的工作是基于電磁感應(yīng)定律，即：運(yùn)動導(dǎo)體切割磁力線， 在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢； 或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化， 在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 1 直流發(fā)電機(jī)原理圖第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 為簡明易懂， 用一個簡單的兩極電機(jī)模型來說明直流發(fā)電機(jī)的工作原理。圖2-1(a)是該模型的示意圖。 如圖示， 在空間固定不動的磁極N , S之間， 有一個鐵質(zhì)圓柱體(電樞鐵心)裝在轉(zhuǎn)軸上，磁極與鐵心間的氣隙稱為空氣隙。導(dǎo)體ab , cd固定在電樞鐵心表面徑向相對的位置并連成一個線圈(元件

3、)。換向片之間、 換向片與轉(zhuǎn)軸之間均相互絕緣， 這部分稱為換向器。 整個轉(zhuǎn)動部分稱為電樞， 固定不動的導(dǎo)電片A、 B(電刷)壓在換向片上，為滑動接觸。 磁極的中心線稱為磁極軸線， N , S極之間的中心線稱為幾何中性線， 如圖 2 - 1(b)。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 在圖 2 - 1中， 磁極產(chǎn)生的磁通由N極出發(fā)經(jīng)過電樞鐵心進(jìn)入S極。 用原動機(jī)拖動電樞以轉(zhuǎn)速n逆時針方向旋轉(zhuǎn)， 則導(dǎo)體ab, cd切割磁力線而產(chǎn)生電勢。 根據(jù)右手定則， 在圖示瞬時， N極下導(dǎo)體ab中電勢的方向由b指向a, S極下導(dǎo)體cd中電勢由d指向c。 在圖 2 - 1(b)中分別用 、 表示。 線圈

4、兩個有效邊中的電勢大小相等方向相反， 因此， 整個線圈電勢是兩個有效邊電勢之和， 即為一個有效邊電勢的兩倍， 電勢方向是由d指向a, 故a為正， d為負(fù)。 電刷A通過換向片與線圈的a端相接觸， 電刷B與線圈的d端相接觸， 故此時A電刷為正， B電刷為負(fù)， 電刷兩端電勢E BA=eda=e dc+e ba。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180以后， 導(dǎo)體cd處于N極下， 導(dǎo)體ab處于S極下， 這時它們的電勢與前一時刻大小相等方向相反， 于是線圈電勢的方向也變?yōu)橛蒩到d, 此時d為正， a為負(fù)， 而兩電刷間電勢E BA=e ad=e ab+e cd， 仍然是A刷為正， B

5、刷為負(fù)。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 導(dǎo)體ab和cd輪流交替地切割N極和S極下的磁力線， 因而ab和cd中的電勢及線圈電勢是交變的。 在兩極情況下， 線圈每轉(zhuǎn)一圈， 電勢交變一次。 但是， 電刷電勢的極性始終不變。 這是由于通過換向器的作用， 無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置， 電刷通過換向片只與處于一定極性下的導(dǎo)體相連接， 如電刷A始終與處在N極下的導(dǎo)體相連接， 而處在一定極性下的導(dǎo)體電勢方向是不變的， 因而電刷兩端得到的電勢極性不變。 這就是直流發(fā)電機(jī)的最基本工作原理。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.1.2 直流電勢的形成直流電勢的形成 前面的討論，

6、只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論， 但其大小是否隨時間變化， 還需進(jìn)一步分析。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律， 導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為 ei=Bxlv (2 - 1) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 2 磁場分布和電刷電勢 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 式中， Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度； l為導(dǎo)體有效長度(即電樞鐵心的長度)； v為導(dǎo)體切割磁場的線速度(即電樞圓周速度)。 對已制成的電機(jī)，l為定值， 若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以eiBx。 實(shí)際上， 在整個磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布， 而是按圖 2 - 2(a)所示規(guī)律分布的

7、。 導(dǎo)體處于不同位置， 產(chǎn)生的電勢大小不同， 其隨時間變化的規(guī)律與Bx相同。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 經(jīng)換向器換向后， 電刷間電勢雖然方向不變， 但卻有很大的脈動， 如圖 2 - 2(b)所示。 顯然， 這樣的電勢不是直流電勢， 暫且稱其為脈動電勢。為減小電勢的脈動程度， 實(shí)際電機(jī)中不是只有一個線圈(元件)， 而是由很多元件組成電樞繞組。 這些元件均勻分布在電樞表面， 并按一定的規(guī)律連接。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 3 是一個實(shí)際電機(jī)的模型， 電樞鐵心表面有齒有槽， 槽中安放元件， 元件形狀如圖 2 - 4 所示。 匝數(shù)等于 1 的元件稱為單

8、匝元件， 匝數(shù)大于 1 的稱為多匝元件。 直流測速發(fā)電機(jī)一般都采用多匝元件。 放在槽中的元件邊為有效邊， 連接有效邊的導(dǎo)線稱為端部連線。 元件的兩個有效邊分別安放在電樞圓周兩個相對的槽中， 且一個有效邊放在槽的上層(靠近槽口)， 另一個有效邊放在槽的下層(靠近槽底)， 并用上層邊所在的槽號表示元件號。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 3 實(shí)際電機(jī)模型 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 4 電樞元件 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 5 等值電路 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 6 描繪了電刷A、

9、 B之間輸出電勢隨時間變化的曲線。 圖中曲線 1 和 2表示相鄰兩個元件的電勢， 因?yàn)樵臻g位置夾角90， 則元件電勢時間相位差90。 電刷電勢是支路中兩個元件電勢曲線之合成， 即曲線 3。 與圖 2 - 2(b)比較可見， 此時輸出電勢平均值變大， 脈沖相對來說變小。 可以推論， 如果電樞表面槽數(shù)增多， 元件數(shù)增多， 則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多， 輸出電勢的平均值將更大， 脈動更小， 就得到大小和方向都不變的直流電勢。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 6 電刷輸出電勢 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 7 直流電機(jī)示意圖 第第2 2章章 直流測

10、速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.1.3 直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 各種型號直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的， 這里簡述小型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部分。 直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分： 靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。 定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。 定子由定子鐵心、 勵磁繞組、 機(jī)殼、 端蓋和電刷裝置等組成。 轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、 電樞繞組、 換向器、 軸等組成。 一般小型電機(jī)的軸是通過軸承支撐在端蓋上的。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 - 8 所示。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 8 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)

11、電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下： 1. 定子鐵心和勵磁繞組定子鐵心和勵磁繞組 小容量直流電機(jī)的定子鐵心往往將磁極和磁軛連成一體， 用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成。 鐵心外處的機(jī)殼由鋁合金澆鑄而成， 如圖 2 - 9 所示。為了使主磁通在空氣隙中的分布更為合理， 磁極的極掌(或稱極靴)較極身為寬， 這樣也可使勵磁繞組牢固地套在磁極鐵心上。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 勵磁繞組由銅線繞制而成， 包上絕緣材料以后套在磁極上(見圖 2 - 9)。 當(dāng)勵磁繞組通以直流電時， 就產(chǎn)生磁通， 形成N、 S極。 直流電機(jī)可以做成多對極， 但控制用的直流電機(jī)一般做成一對

12、極。上述的勵磁方式稱為電磁式。 此外， 定子磁極還可以用永久磁鋼做成， 稱為永磁式。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 9 定子結(jié)構(gòu)簡圖第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 10 電樞鐵心沖片 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2. 電樞鐵心和電樞繞組電樞鐵心和電樞繞組 電樞鐵心用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成， 沖片形狀如圖2-10 所示。 鐵心上的槽是安放繞組的， 電樞鐵心又作為主磁通磁路的組成部分。 由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)， 所以電樞鐵心也切割磁通。 為了減少鐵心中的渦流損耗， 鐵心沖片要涂絕緣漆， 作為片間絕緣。 電樞繞

13、組的組成方法是： 將絕緣銅導(dǎo)線預(yù)先制成元件， 并嵌在槽內(nèi)， 然后將元件的兩個端頭， 按照一定的規(guī)律接到換向器上， 如圖 2 - 11 所示。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 3. 換向器和電刷換向器和電刷 換向器是由許多換向片(銅片)疊裝而成的。 換向片之間用塑料或云母絕緣， 各換向片和元件相連。常用的換向器有金屬套筒式換向器與塑料換向器。圖 2 - 12 是塑料換向器的剖面圖。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 11 電樞鐵心和繞組 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 12 塑料換向器剖面圖 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)

14、 電刷放在電刷座中， 用彈簧將它壓在換向器上， 使之和換向器有良好的滑動接觸(見圖 2 - 8)。 在直流電機(jī)中， 電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.2 直流電勢的關(guān)系式直流電勢的關(guān)系式 在討論直流發(fā)電機(jī)工作原理時曾經(jīng)指出， 當(dāng)電刷A、 B通過換向片與幾何中心線上的導(dǎo)體相連接時， 電刷A、 B就把處于一個磁極下元件的電勢串聯(lián)起來， 因此電刷間的電勢應(yīng)該等于正負(fù)電刷所連接的導(dǎo)體的電勢之和， 即isineE1(2 - 2) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 式中， ei為每一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢； s為一對電刷

15、間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。由式(2 - 1)可知， 電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢值除了與導(dǎo)體在磁場中的長度l, 導(dǎo)體切割磁通的線速度v有關(guān)外， 還與導(dǎo)體所在點(diǎn)的磁通密度有關(guān)。 為此要研究磁極下各點(diǎn)磁通密度的分布。 圖2-13表示一對磁極時勵磁磁通所經(jīng)過的路徑。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 當(dāng)勵磁電流流過勵磁繞組時， 磁通便由N極出來， 經(jīng)過空氣隙及電樞， 進(jìn)入S極， 然后分別從兩邊的磁軛回到N極， 形成閉合回路。 在直流電機(jī)中， 磁極和電樞之間的氣隙是不均勻的， 在極中心部分最小， 在極尖處較大， 因此， 電樞表面各點(diǎn)的磁通密度也不同。 在極中心下面磁通密度最大， 靠近極尖處逐漸減小， 在極靴范圍以

16、外則減小很快， 在幾何中心線上則等于零。 若不考慮電樞表面齒槽的影響， 在一個磁極下面， 電樞表面各點(diǎn)磁通密度的分布情況如圖 2 - 14 所示。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 13 直流電機(jī)磁路 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 14 氣隙中磁通密度分布圖 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 現(xiàn)在來研究導(dǎo)體的電勢。 對于已制成的電機(jī)， l 為常數(shù)， 當(dāng)速度v一定時， 導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei便正比于該導(dǎo)體所在處的磁通密度Bx， 即eiBx。 因此圖 2 - 14也可以看成是當(dāng)導(dǎo)體連續(xù)分布在電樞表面時， 在一個磁極下電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢的分布曲

17、線。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 由于電樞表面不同位置上的導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei 不同， 不妨取一個磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bp， 一個磁極下所有導(dǎo)體的平均電勢為ep， 這樣， 電刷間的電勢Ea便等于一個磁極下導(dǎo)體的平均電勢乘上一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s, 即 Ea=sep (2 - 3) 而其中 ep=Bplv (2 - 4) 因此 Ea=sBplv (2 - 5)第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 實(shí)際工作中， 使用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通比用電樞表面圓周速度v和平均磁通密度Bp來得方便， 故把v, Bp轉(zhuǎn)化成n、 。Bp等于一個磁極的總磁通除以磁極的面積， 即lBp(2

18、 - 6) 式中， 為每極總磁通， 單位為韋伯(Wb); 為極距， =電樞圓周長/極數(shù)， 單位為米(m); l為電樞鐵心長，單位為米(m)。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 電樞表面圓周速度nD60(2 - 7) 式中，D為電樞直徑，單位為米(m)；n為電樞轉(zhuǎn)速， 單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 這樣式(2 - 4)便可寫成nDep60由于D/=2p(p為電機(jī)的極對數(shù))， 所以上式變成 npep602(2 - 8) 把式(2 - 8)代入式(2 - 3)便得電刷間的總電勢npsEa602(2 - 9) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測

19、速發(fā)電機(jī) 因?yàn)橐粚﹄娝⑺?lián)的導(dǎo)體數(shù)s應(yīng)等于電刷間每條并聯(lián)支路中的導(dǎo)體數(shù)， 所以s值等于電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)N除以電刷間的并聯(lián)支路數(shù)2a(a為支路對數(shù)。 在圖 2 - 3 中支路對數(shù)為 1， 支路數(shù)為 2)， 即s=N/(2a)。 支路數(shù)2a與繞組的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)， 這里不作深究。 這樣式(2 - 9)便可寫成 napNEa60或者寫作Ea=Cen (2 - 10)第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 式中， Ce=pN/(60a)， 是一個常數(shù)， 其值由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。 式(2 - 10)中, Ea的單位為V; 的單位為Wb; n的單位為r/min。 式(2 - 10)是直流電機(jī)中

20、非常重要的關(guān)系式， 希望讀者牢記此式， 并能熟練應(yīng)用。 當(dāng)每極磁通一定時， Ea=Ken (2 - 11) 式中， Ke=Ce， 稱為電勢系數(shù)。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.3 直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性 2.3.1 直流測速發(fā)電機(jī)的型式直流測速發(fā)電機(jī)的型式 按照勵磁方式劃分， 直流測速發(fā)電機(jī)有兩種型式。 1. 永磁式永磁式 永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子磁極由永久磁鋼做成， 沒有勵磁繞組， 以圖 2 - 15 所示的符號表示。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2. 電磁式電磁式 電磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組由外部電源供電， 通電時

21、產(chǎn)生磁場，以圖 2 - 16 所示的符號表示。圖 2 - 15 永磁式直流測速發(fā)電機(jī) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 16 電磁式直流測速發(fā)電機(jī) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.3.2 自動控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求自動控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求 自動控制系統(tǒng)對其元件的要求， 主要是精確度高、 靈敏度高、 可靠性好等。 據(jù)此， 直流測速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求：第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 17 測速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) (1) 輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(

22、稱為輸出特性)應(yīng)為線性， 如圖 2 - 17 所示； (2) 輸出特性的斜率要大； (3) 溫度變化對輸出特性的影響要小； (4) 輸出電壓的紋波要小，即要求在一定的轉(zhuǎn)速下輸出電壓要穩(wěn)定， 波動要??； (5) 正、 反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.3.3 輸出特性輸出特性在2.2節(jié)中已經(jīng)推導(dǎo)了直流電勢公式: Ea=Cen當(dāng)每極總磁通為常數(shù)時， 則 Ean 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 即輸出電勢與轉(zhuǎn)速成正比。 測速發(fā)電機(jī)電刷兩端接上負(fù)載電阻RL后， RL兩端的電壓才是輸出電壓。 由圖 2 - 18 可知， 負(fù)載時測速發(fā)電機(jī)的輸出電

23、壓等于感應(yīng)電勢減去它的內(nèi)阻壓降， 即 Ua=Ea-IaRa (2 - 12) 此式稱為直流發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式。 式中， Ra為電樞回路的總電阻， 它包括電樞繞組的電阻、 電刷和換向器之間的接觸電阻； Ia為電樞總電流， 且有 LaaRUI (2 - 13) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 將式(2 - 13)代入式(2 - 12)得 aLaaaRRUEU經(jīng)化簡后為 LaeLaaRRCRREU11(2 - 14) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 式(2 - 14)是負(fù)載時輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 如果式中、 Ra和RL都能保持為常數(shù)， 則Ua與n之間仍呈線性關(guān)系， 只

24、不過是隨著負(fù)載電阻的減小， 輸出特性的斜率變小而已， 如圖 2 - 19 所示。 但該圖是理想情況下， 即、 Ra不變， RL為一定時的輸出特性。 實(shí)際上， 測速發(fā)電機(jī)的輸出特性Ua=f(n)不是嚴(yán)格地呈線性特性， 實(shí)際特性與要求的線性特性間存在誤差。 下一節(jié)將分析引起誤差的原因和減小誤差的方法。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 18 直流測速發(fā)電機(jī)接上負(fù)載 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 19 不同負(fù)載電阻時的理想輸出特性 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.4 直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方

25、法 2.4.1 溫度影響溫度影響 得出Ua=f(n)為線性關(guān)系的條件之一是勵磁磁通為常數(shù)。 實(shí)際上， 電機(jī)周圍環(huán)境溫度的變化以及電機(jī)本身發(fā)熱(由電機(jī)各種損耗引起)都會引起電機(jī)繞組電阻的變化。 當(dāng)溫度升高時， 勵磁繞組電阻增大， 勵磁電流減小， 磁通也隨之減小， 輸出電壓就降低。 反之， 當(dāng)溫度下降時， 輸出電壓便升高。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 對于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格的場合， 可在勵磁回路中串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖 2-20 所示。選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法是： 作出勵磁繞組電阻隨溫度變化的曲線(圖 2 - 21中曲線 1)， 再作并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻隨溫度

26、變化的曲線(圖 2 - 21中曲線 2)； 前者溫度系數(shù)為正， 后者溫度系數(shù)為負(fù)。 只要使得這兩條曲線的斜率相等， 勵磁回路的總電阻就不會隨溫度而變化(圖 2 - 21 中曲線 3)， 因而勵磁電流及勵磁磁通也就不會隨溫度而變化。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 20 勵磁回路中的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 21 電阻隨溫度變化的曲線 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.4.2 電樞反應(yīng)影響電樞反應(yīng)影響 電機(jī)空載時， 只有勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場。 電機(jī)負(fù)載時， 電樞繞組中流過電流也要產(chǎn)生磁場， 稱為電樞磁場。

27、所以， 負(fù)載運(yùn)行時， 電機(jī)中的磁場是主磁場和電樞磁場的合成。 圖 2 - 22(a)是定子勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場， 圖 2 - 22(b)是電樞繞組產(chǎn)生的電樞磁場， 圖 2 - 22(c)是主磁場和電樞磁場的合成磁場。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 22 直流電機(jī)磁場 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 主磁場的分布在第 2.2 節(jié)已作了分析， 在此主要研究電樞電流單獨(dú)產(chǎn)生的電樞磁場。 因?yàn)殡姌袑?dǎo)體的電流方向總是以電刷為其分界線， 即電刷兩側(cè)導(dǎo)體中的電流大小相等， 方向相反。 不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪個位置， 電樞導(dǎo)體電流在空間的分布情況始終不變。 因此， 電樞電流所產(chǎn)

28、生的磁場在空間的分布情況也不變， 即電樞磁場在空間是固定不動的恒定磁場。 其磁力線的分布可以根據(jù)右手螺旋定則作出，如圖2 - 22(b)。 由于電刷位于幾何中性線上，所以電樞磁場在電刷軸線兩側(cè)是對稱的，電刷軸線就是電樞磁場的軸線。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 由圖 2 - 22(b)可以看出， 電樞磁場也是一個兩極磁場， 主磁極軸線的左側(cè)相當(dāng)于該磁場的N極， 右側(cè)相當(dāng)于S極。 另外， 在每個主磁極下面， 電樞磁場的磁通在半個極下由電樞指向磁極， 在另外半個極下則由磁極指向電樞， 即半個極下電樞磁通和主磁通同向， 另外半個極下電樞磁通和主磁通反向， 因此合成磁場的磁通密度在半個極

29、下是加強(qiáng)了， 在另外半個極下是削弱了， 如圖 2 - 22(c)所示。 由于電樞磁場的存在， 氣隙中的磁場發(fā)生畸變， 這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 如果電機(jī)的磁路不飽和(即磁路為線性)， 磁場的合成就可以應(yīng)用疊加原理。 例如， N極右半個極下的合成磁通等于 1/2 主磁通與 1/2 電樞磁通之和， 左半個極下的合成磁通等于 1/2 主磁通與 1/2 電樞磁通之差。 因此， N極左半個極的削弱和右半個極的加強(qiáng)相互抵消， 整個極的磁通保持不變， 僅僅磁場的分布發(fā)生了變化。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 23 直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性(圖

30、中R L1R L2) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.4.3 延遲換向去磁延遲換向去磁 直流電機(jī)中， 電樞繞組元件的電流方向以電刷為其分界線。 電機(jī)旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷進(jìn)入另一條支路時， 其中電流反向， 由+ia變成-ia。 但是， 在元件經(jīng)過電刷而被電刷短路的過程中， 它的電流既不是+ia也不是-ia， 而是處于由+ia變到-ia的過渡過程。 這個過程叫元件的換向過程。 正在進(jìn)行換向的元件叫換向元件。 換向元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間為換向周期。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 參看圖 2 - 24。 從圖 2 - 24(a)到圖 2

31、 - 24(c)， 元件 1 從等值電路的左邊支路換接到右邊支路， 其中電流從一個方向(+ia)變?yōu)榱硪粋€方向(-ia); 而在圖 2 - 24(b)所示時刻， 元件 1 被電刷短路， 正處于換向過程， 其中電流為ik。 1 號元件為換向元件。 從圖 2 - 24(a)到圖2 - 24(c)所經(jīng)歷的時間為一個換向周期。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 24 元件的換向過程 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 在理想換向情況下， 當(dāng)換向元件的兩個有效邊處于幾何中性線位置時， 其電流應(yīng)該為零。但實(shí)際上在直流測速發(fā)電機(jī)中并非如此。 雖然此時元件中切割主磁通產(chǎn)生的電勢

32、為零， 但仍然有電勢存在， 使電流過零時刻延遲， 出現(xiàn)所謂的延遲換向。 分析如下：由于元件本身有電感， 因此在換向過程中當(dāng)電流變化時， 換向元件中要產(chǎn)生自感電勢:dtdiLeL 式中， L為換向元件的電感； i 為換向元件的電流。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 根據(jù)楞次定律， eL的方向?qū)⒘D阻止換向元件中的電流改變方向， 即力圖維持換向元件換向前的電流方向， 所以eL的方向應(yīng)與換向前的電流方向相同， 是阻礙換向的。 同時， 換向元件在經(jīng)過幾何中性線位置時， 由于切割電樞磁場而產(chǎn)生切割電勢ea, 根據(jù)右手定則可以確定, ea所產(chǎn)生的電流的方向也與換向前的電流方向相同， 也是阻礙

33、換向的。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 因此， 換向元件中有總電勢ek=eL+ea。 顯然， 由于總電勢ek的阻礙作用而使換向過程延遲， 即換向元件中的電流由+ia變?yōu)?ia的時間延遲了。 換向元件被電刷短路， 于是總電勢ek在換向元件中產(chǎn)生附加電流ik, ik方向與ek方向一致。 由ik產(chǎn)生磁通k， 其方向與主磁通方向相反， 如圖 2-25 所示， 對主磁通有去磁作用。 這樣的去磁作用叫延遲換向去磁。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 25 換向元件中的電勢 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 26 延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊?第第2

34、 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 如果不考慮磁通變化， 則直流測速發(fā)電機(jī)電勢與轉(zhuǎn)速成正比， 當(dāng)負(fù)載電阻一定時， 電樞電流及繞組元件電流也與轉(zhuǎn)速成正比； 另外， 換向周期與轉(zhuǎn)速成反比， 電機(jī)轉(zhuǎn)速越高， 元件的換向周期越短； eL正比于單位時間內(nèi)換向元件電流的變化量。 基于上述分析， e必正比轉(zhuǎn)速的平方， 即eLn2。 同樣可以證明ean2。 因此， 換向元件的附加電流及延遲換向去磁磁通與n2成正比， 使輸出特性呈現(xiàn)圖 2 - 26 所示的形狀。 所以， 直流測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上限要受到延遲換向去磁效應(yīng)的限制。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.4.4 紋波紋波 根據(jù)Ea=Cen

35、, 當(dāng)、 n為定值時， 電刷兩端應(yīng)輸出不隨時間變化的穩(wěn)定的直流電勢。 然而， 實(shí)際的電機(jī)并非如此， 其輸出電勢總是帶有微弱的脈動， 通常把這種脈動稱為紋波。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 紋波主要是由于電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差所引起的。 在第一節(jié)中我們已經(jīng)看到， 由于電樞槽數(shù)及電樞元件數(shù)有限， 在輸出電勢中將引起脈動。 當(dāng)然， 增加每條支路中的串聯(lián)元件數(shù)可以減小紋波。 但是由于工藝所限， 電機(jī)槽數(shù)、 元件數(shù)及換向片數(shù)不可能無限增加， 因此產(chǎn)生紋波是不可避免的。 同時， 由于電樞鐵心有齒有槽， 以及電樞鐵心的橢圓度、 偏心等等， 也會使輸出電勢中紋波幅值上升。第第2 2章章

36、直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 紋波電壓的存在對于測速機(jī)用于阻尼或速度控制都很不利， 實(shí)用的測速機(jī)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上都采取了一定的措施來減小紋波幅值。 例如， 無槽電樞直流電機(jī)可以大大減小因齒槽效應(yīng)而引起的輸出電壓紋波幅值， 與有槽電樞相比， 輸出電壓紋波幅值可以減小五倍以上。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.4.5 電刷接觸壓降電刷接觸壓降 Ua=f(n)為線性關(guān)系的另一個條件是電樞回路總電阻Ra為恒值。 實(shí)際上， Ra中包含的電刷與換向器的接觸電阻不是一個常數(shù)。 為了考慮此種情況對輸出特性的影響 ， 我們把電壓方程式Ua=Ea-IaRa改寫為Ua=Ea-IaRw-Ub。 其中Rw

37、為電樞繞組電阻； Ub為電刷接觸壓降。 這樣， 式(2 - 14)也可改寫為LWbeaRRUnCU1(2 - 15) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 電刷接觸壓降Ub與下述因素有密切關(guān)系: 電刷和換向器的材料； 電刷的電流密度； 電流的方向； 電刷單位面積上的壓力； 接觸表面的溫度； 換向器圓周線速度； 換向器表面的化學(xué)狀態(tài)和機(jī)械方面的因素， 等等。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 換向器圓周線速度對Ub影響較小， 在小于允許的最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 可認(rèn)為速度不會引起Ub的變化。 但是隨著轉(zhuǎn)速的升高， 電樞電流Ia增大， 電刷電流密度增加。 當(dāng)電刷電流密度較小時， 隨著電

38、流密度的增加， Ub也相應(yīng)地增大。 當(dāng)電流密度達(dá)到一定數(shù)值后， Ub幾乎等于常數(shù)。 一般情況下， 電流自換向器流向電刷時電刷壓降較大， 因此， 通常直流機(jī)的接觸壓降Ub是指正負(fù)電刷下的總壓降。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 圖 2 - 27 考慮電刷接觸壓降后的輸出特性 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 根據(jù)式(2 - 15)以及上述Ub和電流密度的關(guān)系， 就可以得出考慮電刷接觸壓降后直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性， 如圖 2 - 27 所示。 由圖 2 - 27 可見， 在轉(zhuǎn)速較低時， 輸出特性上有一段斜率顯著下降的區(qū)域。 此區(qū)域內(nèi)， 測速機(jī)雖有輸入信號(轉(zhuǎn)速)， 但輸出

39、電壓很小， 對轉(zhuǎn)速的反應(yīng)很不靈敏， 所以此區(qū)域叫不靈敏區(qū)。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 為了減小電刷接觸壓降的影響， 縮小不靈敏區(qū)， 在直流測速發(fā)電機(jī)中， 常常采用接觸壓降較小的銀石墨電刷。 在高精度的直流測速發(fā)電機(jī)中還采用銅電刷， 并在它與換向器接觸的表面上鍍上銀層， 使換向器不易磨損。 如上所述， 電刷和換向器的接觸情況還與化學(xué)、 機(jī)械等因素有關(guān)， 它們引起電刷與換向器滑動接觸的不穩(wěn)定性， 以致使電樞電流含有高頻尖脈沖。 為了減少這種無線電頻率的噪聲對鄰近設(shè)備和通訊電纜的干擾， 常常在測速機(jī)的輸出端連接濾波電路。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.5 直流測速

40、發(fā)電機(jī)的應(yīng)用直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用 測速發(fā)電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中作為測量或自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速之用； 在隨動系統(tǒng)中用來產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度； 在計(jì)算解答裝置中作為微分和積分元件。 它還可以測量各種機(jī)械在有限范圍內(nèi)的擺動或非常緩慢的轉(zhuǎn)速， 并可代替測速計(jì)直接測量轉(zhuǎn)速。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)有交、 直流兩大類。 由于直流測速機(jī)有電刷、 換向器接觸裝置， 使它的可靠性變差， 精度也受到影響， 因此在系統(tǒng)中使用交流異步測速機(jī)較為廣泛(將在第8章詳述)。 但是， 與交流異步測速機(jī)相比， 直流測速機(jī)具有輸出電壓斜率大， 沒有剩余電壓(即轉(zhuǎn)速為零時沒有輸出電壓)，

41、 沒有相位誤差(勵磁和輸出電壓之間沒有相位移)， 溫度補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)， 所以在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還是很廣泛的。 下面舉例說明它在兩個方面的用途。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.5.1 作為系統(tǒng)的阻尼元件作為系統(tǒng)的阻尼元件 在圖 1 - 1 所示的雷達(dá)天線自動控制系統(tǒng)中， 直流伺服電動機(jī)的輸出軸上耦合一臺直流測速發(fā)電機(jī)。 它輸出一個與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓 ，并負(fù)反饋到放大器的輸入端， 所以放大器的輸入電壓為2ddkt12d()dkkt第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)在該系統(tǒng)中所起的阻尼作用可以簡要地解釋如下： 假定暫不接測速發(fā)電機(jī)， 并且當(dāng)時， 直

42、流伺服電動機(jī)在正比于k1(-)的信號電壓作用下轉(zhuǎn)動， 使角增加，-值減小。當(dāng)=時， 雖然誤差信號電壓k1(-)=0， 但是由于電動機(jī)及負(fù)載具有轉(zhuǎn)動慣量， 電動機(jī)在-=0 的位置時其轉(zhuǎn)速并不為零，而繼續(xù)向角增加的方向轉(zhuǎn)動，使。此時，由于，誤差信號電壓極性變反。在此電壓的作用下， 電動機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 樣， 由于電動機(jī)及其負(fù)載的慣性， 反轉(zhuǎn)又沖過了頭， 這樣系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。 如果接上測速發(fā)電機(jī)， 則當(dāng)=時， 由于 ， 故信號電壓為 ，此電壓與原來的(指時)誤差信號電壓極性相反， 因此伺服電動機(jī)在=時就得到與d/dt成正比、 極性與原來的信號電壓相反

43、的電壓， 此電壓使電動機(jī)制動(關(guān)于電動機(jī)加反向電壓制動將在 3.7 節(jié)中敘述)， 因而電動機(jī)就很快地停留在=的位置。 可見， 由于系統(tǒng)中加入了測速發(fā)電機(jī)， 就使得由電動機(jī)及其負(fù)載慣量所造成的振蕩得到了阻尼， 從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。0dtd02dtdk第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.5.2 對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制 圖2-28為恒速控制系統(tǒng)的原理圖。 負(fù)載是一個旋轉(zhuǎn)機(jī)械。 當(dāng)直流伺服電動機(jī)的負(fù)載阻力矩變化時， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械在給定電壓不變時保持恒速，在電動機(jī)的輸出軸上耦合一測速發(fā)電機(jī)，并將其輸出電壓與給定電壓相減后加入放大器， 經(jīng)放大

44、后供給直流伺服電動機(jī)。 當(dāng)負(fù)載阻力矩由于某種偶然的因素減小， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速便上升， 此時測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓增大， 給定電壓與輸出電壓的差值變小， 經(jīng)放大后加到直流電動機(jī)的電壓減小， 電動機(jī)減速； 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 反之， 若負(fù)載阻力矩偶然變大， 則電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降， 測速機(jī)輸出電壓減小， 給定電壓和輸出電壓的差值變大， 經(jīng)放大后加給電動機(jī)的電壓變大， 電動機(jī)加速。 這樣， 盡管負(fù)載阻力矩發(fā)生擾動， 但由于該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用， 使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化很小， 近似于恒速。 給定電壓取自恒壓電源， 改變給定電壓便能達(dá)到所希望的轉(zhuǎn)速。第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)

45、 圖 2 - 28 恒速控制系統(tǒng)原理圖第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.6 直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo) 直流測速發(fā)電機(jī)的主要性能指標(biāo)列在表 2 - 1 中。 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 表表 2 - 1 直流測速發(fā)電機(jī)主要性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)主要性能指標(biāo) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 2.7 直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢 2.7.1 發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī)發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī) 近年來國外較重視發(fā)展永磁式高靈敏

46、度直流測速發(fā)電機(jī)。 這種電機(jī)直徑大， 軸向尺寸小，電樞元件數(shù)多， 刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多， 因而輸出電壓斜率大， 其靈敏度比普通測速機(jī)高1 000 倍。 這種電機(jī)的換向器是用塑料或絕緣材料制成薄板基體， 并在板面上印制換向片而構(gòu)成的， 因此換向片數(shù)很多； 第第2 2章章 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 并且換向器固定在轉(zhuǎn)軸的端面上， 故稱為印制電路端面換向器。 由于這種電機(jī)的電樞元件數(shù)及換向片數(shù)比普通直流機(jī)多得多， 因而紋波電壓可以大大降低。 例如美國Inland公司直徑為 250 mm的產(chǎn)品， 其速比范圍為 1 3 000, 最低轉(zhuǎn)速可低于 1 轉(zhuǎn)每天， 紋波系數(shù)小于 0.1%， 線性誤差低于 0.1%， 靈敏度(即電壓斜率)為 10 V/(r/min)， 每天 1 轉(zhuǎn)時的輸出信號電壓約 7 mV。 國內(nèi)已有高靈敏度測速發(fā)電機(jī)系列產(chǎn)品， 其技術(shù)數(shù)據(jù)見表 2 - 2。 第第2 2章章 直流