第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.1直流電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)2.2直流電機(jī)的電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.3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2.5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)2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢2/26/202411.了解直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，尤其注意換向器和電刷的作用，電樞繞組排列的規(guī)律以及它們在實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中的功用。本章基本要求2.熟練掌握感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)機(jī)電能量變換要素的物理意義和計(jì)算公式。3.掌握直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性和誤差產(chǎn)生的原因及其減小誤差的方法。4.掌握直流測速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。5.了解測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用。2/26/202422.1直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)

2.1.1工作原理直流電機(jī)的工作是基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，即運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢；或者說交鏈線圈的磁通發(fā)生變化，在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。載流導(dǎo)體在磁場中受到的力2/26/20243NS一、直流發(fā)電機(jī)的工作原理NS－E＋－E＋電刷換向片外接負(fù)載，導(dǎo)條中有電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？2/26/20244輸出直流電換向原動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢、電流Φ電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）做功1.電磁關(guān)系2.直流發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：

電刷間的電勢與導(dǎo)體電勢的性質(zhì)不同；

電樞電勢與電流同方向；

電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)的轉(zhuǎn)向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電刷間電勢為直流電勢，導(dǎo)體電勢為交變電勢；2/26/20245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

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)。3.直流電勢的波形前面的討論，只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論，但其大小和波形是否隨時(shí)間變化，還需進(jìn)一步分析。2/26/20246

對(duì)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ei∝Bx。磁場分布在整個(gè)磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布，而是按圖所示規(guī)律分布的。導(dǎo)體處于不同位置，產(chǎn)生的電勢大小不同，其隨時(shí)間變化的規(guī)律與Bx相同。2/26/20247為減小電勢的脈動(dòng)程度，實(shí)際電機(jī)中不是只有一個(gè)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。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(dòng)，如圖所示。這樣的電勢不是直流電勢，稱其為脈動(dòng)電勢。電刷電勢2/26/20248

若有兩個(gè)元件，有四個(gè)元件邊，元件邊空間位置夾角90°，則元件電勢時(shí)間相位差90°。四個(gè)元件邊時(shí)電刷輸出電勢的波形比較可見，此時(shí)輸出電勢平均值變大，脈沖相對(duì)來說變小。電刷電勢是支路中兩個(gè)元件電勢曲線之合成，即曲線3。2/26/20249

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(dòng)更小，就得到大小和方向都不變的直流電勢。若電機(jī)每極下的導(dǎo)體數(shù)大于8，電勢脈動(dòng)幅度已小于1%，可以認(rèn)為是恒定直流分量。直流發(fā)電機(jī)工作原理表明，直流電機(jī)電樞繞組所感應(yīng)的電勢為交變電勢；由換向器配合電刷的作用把交流電勢“換向”成為直流電勢；上述這種電機(jī)稱為換向器式直流電機(jī)。2/26/202410NS－U＋二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理NS＋U－2/26/202411NS直流電動(dòng)機(jī)的工作原理NS＋U－＋U－電刷線圈邊切割磁感線會(huì)產(chǎn)生什么？換向片2/26/202412直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩)換向機(jī)械負(fù)載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動(dòng)勢做功電磁關(guān)系2/26/202413作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行：用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞，電刷端引出直流電動(dòng)勢，作為直流電源，輸出電能。直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：

通過電刷間的電流與導(dǎo)體電流的性質(zhì)不同；

電樞電勢與電流反方向，稱為反電勢。

電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通過電刷電流為直流電流，導(dǎo)體電流為交變電流；直流電機(jī)的可逆性原理：作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行：在直流電機(jī)的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能；2/26/202414三、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。匝數(shù)等于1的元件稱為單匝元件，匝數(shù)大于1的稱為多匝元件。直流電機(jī)一般都采用多匝元件。實(shí)際電機(jī)模型2/26/202415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(gè)有效邊分別安放在電樞圓周兩個(gè)相對(duì)的槽中，且一個(gè)有效邊放在槽的上層(靠近槽口)，另一個(gè)有效邊放在槽的下層(靠近槽底)，并用上層邊所在的槽號(hào)表示元件號(hào)。電樞元件2/26/202416單迭繞組的連接（設(shè)共有8個(gè)元件，兩組電刷）AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB結(jié)論：整個(gè)電樞繞組通過換向片連成一個(gè)閉合回路。AB12345678四、直流電樞繞組展開圖的畫法2/26/202417NSNS123456789101112123456789101112A1B1A2B2單疊繞組的展開圖A1A2B1B236'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12※并聯(lián)支路對(duì)數(shù)：a=2。n2/26/202418單疊繞組的展開圖※習(xí)慣稱“電刷放在幾何中心線位置”。磁極中心線幾何中心線※

電刷的中心線對(duì)著磁極的中心線：①電刷之間的電動(dòng)勢最大。②被電刷短接的元件電動(dòng)勢為零。A1B1A2B2NSNS12345678910111212356891112n電刷應(yīng)放在軸線與主極軸線重合的元件所接的換向片的分界線上。2/26/202419直流電機(jī)示意圖2/26/202420

2.1.2直流的電機(jī)基本結(jié)構(gòu)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)。定子由主磁極、換向極、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)示意圖如圖所示。2/26/202421直流電機(jī)剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機(jī)座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風(fēng)扇8—電樞繞組9—電樞鐵心2/26/2024222/26/202423一、直流電機(jī)的定子部分1.主磁極2.換向極(1)主磁極鐵心(2)勵(lì)磁繞組(3)機(jī)座(1)換向極鐵心(2)換向極繞組3.機(jī)座：用來固定主磁極、換向極和端蓋；又作為磁路的一部分。

2/26/202424

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0.35～0.5mm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，無換向極。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(lì)磁繞組牢固地套在磁極鐵心上。勵(lì)磁繞組由銅線繞制而成，包上絕緣材料以后套在磁極上。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電時(shí)，就產(chǎn)生磁通，形成N、S極。直流電機(jī)可以做成多對(duì)極，但控制用的直流電機(jī)一般做成一對(duì)極。2/26/202425上述的勵(lì)磁方式稱為電磁式。此外，在控制電機(jī)中，定子磁極還可以用永久磁鋼做成，稱為永磁式。小型電機(jī)定子結(jié)構(gòu)簡圖2/26/202426二、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分4.電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮1.電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心電刷放在電刷座中，用彈簧將它壓在換向器上，使之和換向器有良好的滑動(dòng)接觸。2/26/2024272.電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導(dǎo)體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3.換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片2/26/202428在直流發(fā)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。

在直流電動(dòng)機(jī)中，電刷和換向器的作用是將直流電流變成電樞繞組中的交變電流。2.1.3直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定值有：1.額定功率PN(W或kW)：輸出功率2.額定電壓UN(V)：電刷間電壓3.額定電流IN(A)：流過電刷的電流4.額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速5.額定勵(lì)磁電壓UfN(V)發(fā)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)：2/26/2024292.2直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩電刷A、B間的電動(dòng)勢，應(yīng)該等于正、負(fù)電刷所連的導(dǎo)體的電勢之和，即一條支路的電勢：直流電機(jī)無論作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，還是發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電樞內(nèi)部都感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，所以這兩個(gè)物理量在電機(jī)中是非常重要的。2.2.1電樞電勢的計(jì)算2/26/202430對(duì)于已制成的電機(jī)，l為常數(shù)，當(dāng)速度v一定時(shí)，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ei∝Bx。電樞表面不同位置上的導(dǎo)體瞬時(shí)感應(yīng)電勢ei不同，取一個(gè)磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bp，求出一個(gè)導(dǎo)體在一個(gè)磁極下的平均電勢為eav：eav=Bplv電刷間的電勢Ea便等于一個(gè)磁極下導(dǎo)體的平均電勢乘上一條支路所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)S,即Ea=Seav=SBplv2/26/202431D為電樞直徑，單位為(m)；n為電樞轉(zhuǎn)速，單位為(r/min)。

電樞表面圓周速度Φ為每極總磁通，單位(Wb)；τ為極距，極距=電樞圓周長/極數(shù)，單位為(m)；l為電樞鐵心長度，單位為(m)。在電機(jī)中，通常用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通Φ表示電樞表面圓周速度v和平均磁通密度Bp2/26/202432所以而πD/τ=2p(p為電機(jī)的極對(duì)數(shù))，所以上式變成電刷間的總電勢S=N/(2a)一對(duì)電刷所串聯(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)2a2/26/202433所以電樞電勢和電磁轉(zhuǎn)矩是直流電機(jī)中非常重要的關(guān)系式，希望同學(xué)們牢記，并能熟練應(yīng)用?；?qū)懗蒃a=CeΦn單位：Φ的單位為Wb;n的單位為r/min，則Ea的單位為V

；Ce=pN/(60a)，稱為電勢常數(shù)，由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。當(dāng)每極磁通Φ一定時(shí)，Ea=Ken2/26/2024341.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生F→T2.電磁轉(zhuǎn)矩的定義

Bl極距電樞電流i

磁場Φ2.2.2電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算載流導(dǎo)體在磁場中將受到力的作用；此力作用在電樞外圓的切線方向，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；2/26/202435

一根導(dǎo)體的電磁力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為設(shè)空氣隙中平均磁通密度為Bav，電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N，若電刷位于幾何中性線上，各導(dǎo)體電流產(chǎn)生的沿切線方向的電磁力方向相同，則電機(jī)轉(zhuǎn)子所受到的總轉(zhuǎn)矩為式中，ia為導(dǎo)體的電流；D為電樞直徑。2/26/202436將Bp用每極總磁通Φ表示，Bp=Φ/(τl)，導(dǎo)體電流ia用電樞總電流Ia表示，ia=Ia/(2a)，a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù)。則或者寫成其中稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。2/26/202437若每極磁通Φ的單位為Wb，電樞電流Ia的單位為A時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N·m。對(duì)發(fā)電機(jī)：T與n方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)電動(dòng)機(jī)：T與n方向相同，為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)Φ不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩可寫成Te=KTIaKT=CTΦ,稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。感應(yīng)電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)Ce與CT有如下關(guān)系：2/26/202438概述測速發(fā)電機(jī)(TG)是一種能把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的機(jī)電式元件。輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系：

Ua=Kn

或Ua=K'=K'd/dtTG可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)和解算裝置中作為測速元件、校正元件、解算元件

等。

TG有直流和交流之分，直流TG分為模擬型和數(shù)字型兩大類，交流TG分為異步和同步兩大類。首先介紹直流TG2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2/26/2024391.模擬型雙輸出：一個(gè)作速度檢測，另一個(gè)作速度反饋，在系統(tǒng)中作檢測和反饋元件。永磁低速式：可與系統(tǒng)工作軸直耦合，在高精度低速伺服系統(tǒng)中作阻尼和反饋元件?；魻栃?yīng)：無刷、齒槽及繞組，便于小形化，可作為低速精密測速元件。對(duì)制造精度、霍爾元件及永磁材料的性能要求高，且輸出信號(hào)弱。有永磁式和電磁式。2.3.1直流測速發(fā)電機(jī)的型式2/26/202440永磁式直流測速發(fā)電機(jī)電磁式直流測速發(fā)電機(jī)此外還有無刷式、直線式、無槽電樞等。2/26/2024412.數(shù)字型（1）感應(yīng)子脈沖測速發(fā)電機(jī)（包括雙輸出）特性：輸出的脈沖頻率f與轉(zhuǎn)速成正比。特點(diǎn)：無刷，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價(jià)格低。單輸出不能判別轉(zhuǎn)速方向，雙輸出能(輸出兩路幅值、頻率相同、相位差90o的脈沖信號(hào))。用途：在鑒相及鎖相伺服系統(tǒng)中，作檢測和積分元件。（2）光電式測速元件利用光電脈沖檢測轉(zhuǎn)速，精度高。但耐高溫、耐沖擊及耐潮濕性能差。2/26/202442

(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱為輸出特性)應(yīng)為線性；

(2)輸出特性的斜率要大；

(3)溫度變化對(duì)輸出特性的影響要??；

(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(dòng)要?。?/p>

(5)正、反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致。

自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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：2.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)直流測速發(fā)電機(jī)的要求2/26/202443發(fā)電機(jī)電刷兩端接上負(fù)載電阻RL后，RL兩端的電壓是輸出電壓。負(fù)載時(shí)測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓等于感應(yīng)電勢減去它的內(nèi)阻壓降，即

Ua=Ea-IaRa

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，且有直流電勢公式:Ea=CeΦn

2.3.3

直流測速發(fā)電機(jī)的輸出特性2/26/202444只要保持

、Ra和RL不變，Ua與n就成正比關(guān)系。根據(jù)Ua=Ea-IaRa和Ia=Ua

/

RL得Ua

=1+(Ra/RL)EaUa

=Ce

1+RaRLn

Ea=Cen指輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。=

K

nIaTGUa+Ea-RLn輸出特性:2/26/202445輸出特性曲線當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，輸出特性斜率將發(fā)生變化。改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，Ua的極性隨之改變。系統(tǒng)還要求直流TG的正反向特性對(duì)稱。UanoRL1RL2onUaUa

=Ce

1+RaRLn>2/26/202446輸出特性是負(fù)載時(shí)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如果式中Φ、Ra和RL都能保持為常數(shù)，則Ua與n之間仍呈線性關(guān)系，只不過是隨著負(fù)載電阻的減小，輸出特性的斜率變小而已。上述的輸出特性是理想情況下，即Φ、Ra不變，RL為一定時(shí)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。下面將分析引起誤差的原因和減小誤差的方法。2/26/2024472.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法產(chǎn)生非線性誤差的主要因素有電樞反應(yīng)、延遲換向、溫度、紋波和電刷接觸壓降等。Ua

=Ce

1+RaRLn要保證Ua=Kn，必須保持主磁通

和電樞回路總電阻Ra恒定不變。實(shí)用中，Ua—n之間并不能嚴(yán)格地保持正比關(guān)系，即會(huì)出現(xiàn)誤差。oUan理想特性實(shí)際特性2/26/202448

2.4.1電樞反應(yīng)影響

一、直流電機(jī)的磁場電機(jī)空載時(shí)，只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的主磁場。電機(jī)負(fù)載時(shí)，電樞繞組中流過電流也要產(chǎn)生磁場，稱為電樞磁場。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)中的磁場是主磁場和電樞磁場的合成。電樞磁場對(duì)氣隙磁場的影響叫電樞反應(yīng)。下圖（a）是定子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的主磁場，即空載磁場；（b）是電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場，（c）是主磁場和電樞磁場的合成磁場。2/26/202449直流電機(jī)磁場2/26/2024501.電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場①電樞導(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。②不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置，電樞導(dǎo)體電流在空間的分布情況始終不變。③電樞電流所產(chǎn)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(dòng)的恒定磁場。④其磁力線的分布可以根據(jù)右手螺旋定則作出，上圖(b)。⑤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(duì)稱的，電刷軸線就是電樞磁場的軸線。2/26/2024512.電樞反應(yīng)的特點(diǎn)

(2)對(duì)主磁場起去磁作用(1)使氣隙磁場發(fā)生畸變空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線一個(gè)角，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。磁路不飽和時(shí)，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極下的磁通量與空載時(shí)相同。磁路飽和時(shí)，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，使增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。2/26/202452二、電樞反應(yīng)對(duì)輸出誤差的影響發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞中有電流Ia通過，故產(chǎn)生電樞磁場

a。

a的大小與Ia有關(guān)，由于鐵磁物質(zhì)具有飽和性，所以電樞反應(yīng)的結(jié)果使合成磁場減小并產(chǎn)生畸變。①RL一定都使電樞反應(yīng)強(qiáng)烈，去磁作用增強(qiáng)，導(dǎo)致輸出特性非線性嚴(yán)重。②n一定n過高

Ua大

Ia大RL過小

Ia大三、解決辦法限制最高轉(zhuǎn)速nmax

和最小負(fù)載電阻值RLmin。2/26/202453一、換向概述為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。電樞移到電刷與換向片1、2接觸時(shí)，元件1的被短路，電流如圖所示。電刷與換向片1接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小為

i=ia。元件1122.4.2.延遲換向的影響2/26/202454換向問題很復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機(jī)械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象。元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為換向周期Tk

。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機(jī)在運(yùn)行中，電樞繞組每個(gè)元件在經(jīng)過電刷時(shí)都要經(jīng)歷換向過程。電刷僅與換向片2接觸時(shí)，元件1中的電流方向如圖所示，大小i=-ia。2/26/202455二、換向的電磁理論1.換向元件中的電動(dòng)勢：電抗電勢eL：nNSeLeL根據(jù)楞次定律自感電動(dòng)勢的方向與換向前電流方向相同，即總是阻礙換向的。在換向周期Tk內(nèi)，換向元件電流要從(+ia)變到(-ia)，所以，換向元件內(nèi)有自感電動(dòng)勢:eL

=-Ldiadt=-L2IaTk2/26/202456換向元件中的合成電動(dòng)勢為：根據(jù)右手定則，判斷電勢的方向，如圖。nNS

aeaceac

k在幾何中性線處，電樞反應(yīng)磁密不為零，在換向元件中感應(yīng)切割電動(dòng)勢。換向區(qū)域的磁場有三種：主極磁場、換向極磁場和電樞反應(yīng)磁場。電樞反應(yīng)電勢eac：旋轉(zhuǎn)電勢ec：換向元件切割換向區(qū)域內(nèi)的磁場感應(yīng)的電勢。eac與換向前電流方向相同，即總是阻礙換向的。2/26/202457以圖所示的電流和電動(dòng)勢的正方向?yàn)閰⒖挤较颍梢粤谐鲈?回路的電動(dòng)勢平衡方程式

i1Rb1-i2Rb2=Σe

為了清楚，將換向元件1單獨(dú)畫出。圖中i表示換向電流，i1、i2表示元件出線端和1和2中的電流；Rb1和Rb2表示電刷與換向片1和2的接觸電阻，元件電阻略去不計(jì)；2.換向元件中的電流2/26/202458式中稱為附加電流。稱為直線換向電流；

Rb1和Rb2分別表示時(shí)間為t時(shí)，換向片1和2與電刷的相應(yīng)的接觸電阻，則由于Σe的阻礙作用，使換向過程延遲，總電勢在換向元件中產(chǎn)生附加電流ik，ik產(chǎn)生磁通

k。

k

對(duì)主磁通起去磁作用。2/26/202459解決辦法：也是限制最高轉(zhuǎn)速nmax和最小負(fù)載電阻。所以：當(dāng)轉(zhuǎn)速太高或RL太小時(shí),會(huì)使輸出特性產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性。其中轉(zhuǎn)速的影響較大。三、延遲換向的影響：轉(zhuǎn)速與負(fù)載的影響n高Tk小Ua高Ia大eL=Ls2IaTk大→eL∝n2n高切割速度快Ua高Ia大

a大ea大→ea∝n2RL小Ia大eL

和

ea都增大2/26/202460實(shí)用中，電磁式TG的勵(lì)磁繞組長期通電會(huì)發(fā)熱。如銅導(dǎo)線的溫度系數(shù)是0.0041/℃,即溫度每增加25℃,勵(lì)磁繞組電阻Rf便增加10%。

Rf的增加，導(dǎo)致

下降，Ua降低，破壞了原有的比例關(guān)系。熱敏電阻應(yīng)具有負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度增加時(shí)，并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻的減小補(bǔ)償了勵(lì)磁繞組電阻Rf的增加，勵(lì)磁回路總電阻基本不變。2.4.3.溫度的影響解決方法：

(1)勵(lì)磁回路串聯(lián)熱敏電阻UfLfIfRttoCRfNfR2/26/202461當(dāng)溫度增加時(shí),勵(lì)磁回路總電阻(R+Rf)變化甚微；

R用溫度系數(shù)很小的錳鎳或鎳銅合金制成。H∝If

，電流變化較大時(shí),磁通變化很小。(2)勵(lì)磁回路串聯(lián)較大的附加電阻R(3)將磁路設(shè)計(jì)得比較飽和R>>Rf→If=UfR+Rf

H較大

B較小BHoUfLfIfRfNfR≈RUf2/26/2024622.4.4.紋波的影響

TG的輸出電壓含脈動(dòng)成份，這種脈動(dòng)稱為紋波。

(1)引起脈動(dòng)的因素

①換向片數(shù)有限；

②換向器表面粗糙，與電刷接觸不良引起電刷跳動(dòng)；

③電樞鐵心橢圓或偏心等造成氣隙不均勻。

④換向的影響；還有：齒、槽效應(yīng)；轉(zhuǎn)速變化；勵(lì)磁電源波動(dòng)等。oeat兩個(gè)元件的電勢波形四個(gè)元件的電勢波形(2)紋波對(duì)速度反饋、加速度反饋系統(tǒng)不利，對(duì)解算裝置(如微積分運(yùn)算)的影響更大。2/26/202463①使每極下串聯(lián)的元件數(shù)盡量多；②采用銀—石墨電刷,改善滑動(dòng)接觸；③加工時(shí)保證定、轉(zhuǎn)子同心度；④減小換向區(qū)氣隙磁密，以削弱換向電勢。⑤保證電刷位于中性線,并減小電刷寬度,以減小氣隙磁場的變化。(3)降低紋波的辦法(1)引起脈動(dòng)的因素①換向片數(shù)有限；②換向器表面粗糙，與電刷接觸不良引起電刷跳動(dòng)；③電樞鐵心橢圓或偏心等造成氣隙不均勻。④換向的影響；還有：齒、槽效應(yīng)；轉(zhuǎn)速變化；勵(lì)磁電源波動(dòng)等。2/26/202464接觸電阻隨電流增大而減小接觸電阻基本不變2.4.5.電刷接觸壓降的影響n較低時(shí)，ia較小，電刷接觸電阻較大且基本不變。設(shè)電刷接觸壓降為

Ub，則輸出特性為Ua

=Ce

n-

Ub1+RLRwRw是電樞回路中除電刷接觸電阻外的總電阻。

Uboian較高時(shí)，ia

較大，電刷接觸電阻隨ia的增大而減小，

Ub隨ia的增加而增大；

Ub可認(rèn)為是常數(shù)。2/26/202465

Ub的存在使輸出特性出現(xiàn)不靈敏區(qū)

Ub主要與下列因素有關(guān)：

①電刷與換向器材料；

②電刷中電流密度、方向；

③電刷單位面積壓力；

④表面接觸溫度；

⑤換向器圓周線速度；

⑥化學(xué)與機(jī)械方面的原因。解決措施采用銀—石墨電刷；采用銅電刷，并在換向器表面鍍銀。Uano

Ub不靈敏區(qū)nbL2/26/2024662.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用舉例一、選擇測速發(fā)電機(jī)的基本原則1.考慮系統(tǒng)的頻率、電壓、工作速度范圍；2.考慮在系統(tǒng)中所起的作用：

作解算元件、高精度伺服系統(tǒng)中的測量元件時(shí)，要求線性誤差要小、輸出電壓的穩(wěn)定性要好；

作一般速度檢測或阻尼元件時(shí)，靈敏度K要高；

對(duì)要求快速響應(yīng)的系統(tǒng)則應(yīng)選轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的測速發(fā)電機(jī)。3.若交、直TG都能滿足要求時(shí)，則需考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)：2/26/202467交流TG的特點(diǎn)沒有電刷換向器，構(gòu)造簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠；無滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高；摩擦力矩小，慣量小，無火花干擾；正反轉(zhuǎn)輸出電壓對(duì)稱。不足：存在相位誤差和剩余電壓；輸出斜率?。惠敵鎏匦噪S負(fù)載性質(zhì)的改變而有所不同。直流TG的特點(diǎn)輸出電壓沒有相移；無剩余電壓；輸出功率較大，可帶較大負(fù)載；溫度補(bǔ)償較容易。不足：有電刷換向器，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，且摩擦轉(zhuǎn)距較大，對(duì)無線電有干擾，存在不靈敏區(qū)。2/26/202468二、應(yīng)用舉例1.作速度測量元件這是一個(gè)單閉環(huán)恒速控制系統(tǒng)。用直流TG作速度檢測元件，使M恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)Rw改變給定值Ug，即可改變轉(zhuǎn)速n。～+-=M-ETGnUaUgU=K(Ug-Ua)ULRw2/26/202469

當(dāng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻力矩變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。～+-=M-ETGnUaUgU=K(Ug-Ua)ULRw2/26/202470～+-=M-ETGnUaUgU=K(Ug-Ua)ULRw

為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械在給定電壓不變時(shí)保持恒速，在電動(dòng)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)放大后供給直流伺服電動(dòng)機(jī)。2/26/202471

當(dāng)負(fù)載阻力矩由于某種因素減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速便上升，此時(shí)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(dòng)機(jī)的電壓減小，電動(dòng)機(jī)減速；～+-=M-ETGnUaUgU=K(Ug-Ua)ULRw2/26/202472

若負(fù)載阻力矩偶然變大，則電動(dòng)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(dòng)機(jī)的電壓變大，電動(dòng)機(jī)加速。

盡管負(fù)載阻力矩發(fā)生擾動(dòng)，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。2/26/202473不接TG：U=U'=K(

-)當(dāng)

<時(shí)，U'>0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，使向靠近；到

=

時(shí)，雖然U'=0，但由于慣性的作用，n并不為0，而是繼續(xù)向

增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；到

>時(shí)，U'<0，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)距，并反轉(zhuǎn)。同樣，反轉(zhuǎn)時(shí)也能沖過頭，使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩。2.作阻尼元件雷達(dá)天線控制系統(tǒng)原理示意圖前置放大器與解調(diào)器直流功率放大器直流力矩電動(dòng)機(jī)直流TG

--UU'Ua2/26/202474接上TG：當(dāng)接近

時(shí)，就出現(xiàn)U'<0，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使系統(tǒng)很快停留在

=的位置上。ddt>0在

增加過程中,前置放大器與解調(diào)器直流功率放大器直流力矩電動(dòng)機(jī)直流TG

--UU'UaddtK'U'=K(a-

)

-d

dtK'2/26/202475

3.作解算元件

Ua=K

U，因K相當(dāng)大，Ua為有限值，故可認(rèn)為

U=U1(t)-U

≈0。dtdU

=K'實(shí)現(xiàn)了輸入量對(duì)時(shí)間的積分。SMTGU1(t)U

UUa

放大倍數(shù)K很大的放大器

+EU2即

U1(t)dtd-K'≈0=K'1∫U1(t)dt2/26/202476

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)的主要性能指標(biāo)列在P23表2-1中。2/26/202477直流TG的主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.線性誤差含義：在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和規(guī)定的負(fù)載條件下，實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之最大誤差對(duì)理想輸出特性最大輸出電壓之比：在實(shí)際特性的b點(diǎn)向原點(diǎn)引一條參考直線，

UmnmaxUam理想特性Uano實(shí)際特性nb

=56nmax

該直線為理想輸出特性。

x=

UamaxUam

100%意義：反映精度。范圍：0.5%～1%；精密TG的

x

為0.1%～0.25%。bnb2/26/202478

2.靈敏度K(輸出斜率)含義：在額定勵(lì)磁條件下，單位轉(zhuǎn)速(1000rpm)時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓。意義：反映靈敏度。K是輸出特性的斜率，又稱靜態(tài)放大系數(shù)，其值越大，靈敏度越高。一般指標(biāo)：(2～200)V/krpm。機(jī)座號(hào)大，K大。3.不靈敏區(qū)nbL含義：由于換向器和電刷間的接觸壓降

Ub

而導(dǎo)致在零速附近輸出特性斜率顯著下降的轉(zhuǎn)速范圍。意義：設(shè)計(jì)低速系統(tǒng)時(shí)考慮。n<nbL時(shí)，Ua≈0。2/26/2024794.最高線性工作轉(zhuǎn)速nmax

和最小負(fù)載電阻RLminnmax：在允許線性誤差范圍內(nèi)的最高電樞轉(zhuǎn)速，也是額定轉(zhuǎn)速；一般為1500～104rpmRLmin：保證輸出特性在線性范圍內(nèi)的最小負(fù)載電阻值。