直流测速发电机..
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理直流测速发电机是一种常用的测速、测量设备，它通过转动磁场产生电势差来测量物体的转速。
它是基于霍尔效应和电磁感应原理设计制造的一种精密仪器。
本文将详细介绍直流测速发电机的工作原理及其应用。
直流测速发电机的内部结构包括转子、定子和霍尔元件。
转子由永磁体和几个磁极组成，固定在被测物体上。
定子由线圈组成，是发电机的主要发电部件。
霍尔元件位于定子上方，并与磁铁相对应，用于感应磁场的变化。
当被测物体旋转时，磁铁的磁场也随之变化。
这种变化被霍尔元件感应到，霍尔元件将磁场变化转化为电压变化，并将其输出给直流测速发电机。
发电机接收到电压信号后，将其转换为测量物体的转速信息。
直流测速发电机的工作原理主要依赖于两个物理规律，即霍尔效应和电磁感应。
首先是霍尔效应。
霍尔效应是指当导电材料通过电流的作用，竖立在磁场中时，会在其两侧产生一定的电压。
这是因为磁场会使电子在导体内发生偏移，产生一种电势差。
直流测速发电机中的霍尔元件利用了这一效应，将转速变化转化为电压变化。
其次是电磁感应。
根据电磁感应原理，当导体相对磁场运动时，导体内部会产生感应电流。
直流测速发电机中的定子线圈通过电磁感应的方式，将被测物体的转速转化为电流输出。
基于霍尔效应和电磁感应原理，直流测速发电机能够准确测量物体的转速。
通过将测得的电压信号进行放大和处理，可以得到精确的转速数据。
直流测速发电机的应用非常广泛。
在工业生产中，它常被用于测量各种旋转设备的转速，如发动机、风机、电机等。
此外，直流测速发电机还可以用于运动控制系统中，实时监测运动的速度和位置。
值得注意的是，在实际使用直流测速发电机时，需要根据被测物体的特性和要求进行合适的参数设置。
例如，可以根据实际需要选择合适的线圈匝数、永磁体的强度和霍尔元件的位置。
总之，直流测速发电机是一种基于霍尔效应和电磁感应的测速设备，其工作原理简单而有效。
通过将物体转速转化为电压信号，它可以提供准确的转速测量数据。
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理概述直流测速发电机是一种将机械能转化为电能的设备，其工作原理是通过将旋转的磁场和导体之间的相对运动转化为感应电动势，进而产生电流。
电磁感应电磁感应是直流测速发电机工作的基础原理。
它是指当导体在磁场中运动或磁场变化时，导体内会产生感应电动势和感应电流。
这是由于磁场变化引起了导体中的电子运动，从而生成电动势。
旋转磁场直流测速发电机中需要产生一个旋转的磁场，以便与导体相对运动，从而产生感应电动势。
旋转磁场可以通过使用定子绕组和电流通路进行实现。
定子绕组通常由直流电源供电，电流通过电枢绕组，产生一个磁场。
导体和电枢导体是指直流测速发电机中的旋转部分，它通常由铜制成，在转子上安装有导条或导线。
导体与旋转的磁场之间的相对运动将导致感应电动势的产生。
电枢是连接到导体的电路系统，它可以将感应电动势转化为电流。
电枢是直流测速发电机的输出端，通过连接负载，可以将电能传送到外部电路。
工作过程当导体中的旋转磁场相对电枢运动时，由于电磁感应的作用，电枢中将产生感应电动势。
感应电动势的大小和方向取决于磁场的大小、导体与磁场的相对速度以及导体的几何形状。
一旦感应电动势产生，电枢中将流过感应电流。
感应电流的大小和方向取决于电枢的阻抗和外部电路的负载特性。
直流发电机的稳定性直流测速发电机具有优良的稳定性，这是由于旋转磁场和导体之间的相对运动产生了恒定的感应电动势。
即使负载发生变化，感应电流也可以自动调整以适应负载特性。
然而，在高速旋转时，还需考虑惯性力对导体的影响，以及电机的机械稳定性和动态特性。
应用领域直流测速发电机的工作原理和稳定性使其在许多领域得到广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：1.火车牵引2.汽车发电机3.风力发电4.水力发电5.汽轮机发电6.车载发电结论直流测速发电机是一种将机械能转化为电能的设备，其工作原理是通过将旋转的磁场和导体之间的相对运动转化为感应电动势，进而产生电流。
它具有良好的稳定性和多种应用领域。
直流测速发电机的优缺点
要求：自动控制系统对测速发电机的基本要求是：⑴ 输出电压应与转
速成正比且比例系数要大；⑵ 转动惯量小。此外，还要求它对无线电 通讯干扰小、噪声低、工作可靠等。
5.2 直流测速发电机
5.2.1 输出特性
5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法
5.2.3 直流测速发电机的主要性能指标
5.2 直流测速发电机
6. 纹波系数
5.2.3 直流测速发电机的主要性能指标
1.线性误差 l
它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与过OB的线性输出特性 之间的最大差值 ΔU m与最高线性转速 nmax 在线性特性曲线上对应的 电压 U m之比。
l
5 6
ΔU m 100% Um
在图5-10中，B点为 nb nmax时实 际输出特性的对应点。
第5章 测速发电机
5.1 概述 5.2 直流测速发电机 5.3 感应测速发电机 5.4 测速发电机的选择及应用举例
5.1概述
功能：测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式元件。 它的输出电压与转速成正比关系，即 U a Kn
或
U a K K d dt
测速发电机的输出电压能表征转速，因而可用来测量转速；测速发电机 的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为 微分或积分元件。 分类：按结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、 感应测速发电机和同步测速发电机，近年来还有采用新原理、新结构 研制的霍尔效应测速发电机等。
出特性斜率发生变化。 改变转子转向，Ua的极性随之改变。 图5-2 不同负载时的理想输出特性
5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法
1. 电枢反应的影响 2. 延迟换向的影响
直流测速发电机原理检修
直流测速发电机维修原理--------------------------------------------------------------------------------一、直流测速发电机的工作原理：在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势。
显然输出电压与转速成正比。
另外，直流测速发电机输出的是一个脉动电压，其交变分量对速度反馈控制系统、高精度的解算装置有较明显的影响。
二、直流测速发电机的误差分析：直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际的输出特性为图中实线，造成这种非线性误差的原因主要有以下三个方面：（1）电枢反应直流测速发电机负载时电枢电流会产生电枢反应，电枢反应的去磁作用使气隙磁通Φ0减小，使输出电压减小。
从输出特性看，斜率将减小，而且电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越显著，输出特性斜率减小越明显，输出特性直线变为曲线。
（2）温度的影响如果直流测速发电机长期使用，其励磁绕组会发热，其绕组阻值随温度的升高而增大，励磁电流因此而减小，从而引起气隙磁通减小，输出电压减小，特性斜率减小。
温度升得越高，斜率减小越明显，使特性向下弯曲。
可在励磁回路中串接一个阻值较大而温度系数较小的锰铜或康铜电阻，以减小由于温度的变化而引起的电阻变化，从而减小因温度而产生的线性误差。
（3）接触电阻如果电枢电路总电阻包括电刷与换向器的接触电阻，那么输出电压受接触电阻压降影响总是随负载电流变化而变化，当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成的线性误差很大；当电流较大的，接触电阻较小而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。
电机测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。
在自动控制系统中作为检电机测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。
测速发电机
直流伺服电动机 控制对象（火炮）
直流测速发电机
图7.3.4 模拟式随动系统原理图
教学重点： 教学难点：
小结
1 掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差方法 2 掌握交流异步测速发电机的工作原理 3 掌握交流异步测速发电机的输出特性及误差
异步测速发电机的输出特性为什么是线性的？
作 业：
P338：7.10
减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向 特性一致的磁性材料，在机加工和发电机的应用 测速发电机在自动控制系统和计算装置中通常作 为测 速元件、校正元件、解算元件等。
直流测速发电机在模拟式随动系统中的应用，如图7.3.4。
手轮
自整角机
放大器
图7.3.2 异步测速发电机工作原理
1、n=0电机不转 输出电压 U2=0
2、n 0 电机旋转
切割电动势大小:
Er Crd n
q Frq Fr Er n
切割电动势 计算公式
E2 q n
即：输出绕组的感应电动势的幅值正 比于电机的转速。
二、异步测速发电机的输出特性
U2 理想输出 特性
态
⑷ 纹波的影响。电机结构和加工误差引起，加入滤波电路
7.3.2 交流异步测速发电机
分为同步测速发电机和异步测速发电机两种，其中异步测速发电机应用 广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、 转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。
一、空心杯转子异步测速 发电机的工作原理
U2
Ea 1 Ra
Cn
RL
n
图7.3.1 不同负载电阻时的输出特性
二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法
1. 直流测速发电机的误差 ⑴ 电枢反应的影响； ⑵ 电刷接触电阻的影响； ⑶ 温度的影响； ⑷ 纹波的影响。
直流测速发电机的工作原理
Ia
=
Ua RL
（3-4）
经化简后为
U a= Ea
−
U R
a L
Ra
Ua
=
Ea
1+
Ra RL
=
Ke
1+
Ra RL
n = Cn
（3-5）
式中
C
=
Ke
1+
Ra RL
C 为测速发电机输出特性的斜率。当不考虑电枢反应，且认为Φ、 Ra 和 RL 都能保持为常
数，斜率 C 也是常数，输出特性便有线性关系。对于不同的负载电阻 RL ，测速发电机输出特性
（1）输出电压与转速保持良好的线性关系； （2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； （3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向； （4）温度变化对输出特性的影响小； （5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大； （6）摩擦转矩和惯性要小。 此外，还要求它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声 小等。
1
此外，还有性能和可靠性更高的无刷测速发电机。
§3-2 直流测速发电机
一、直流测速发电机的型式 直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。 １．电磁式 表示符号如图 3-2（a）所示。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生 磁场。目前，我国生产的 CD 系列直流测速发电机为电磁式。 2．永磁式 表示符号如图 3-2（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省 去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较 贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用 矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的 CY 系列直流测速发电机为永磁式。
直流测速发电机的基本结构和工作原理
正比，因此只要用一个直流压表就可测出速度大
小及方向
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结构
原理 课堂练习
Block Diagram
基本结构 工作原理
课堂练习
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结构原理 课堂练习流测速发电机的结构直流测速发电机的外形如图所示，其结构与直 流伺服电机基本相同，定子装有励磁绕组，加 直流励磁电压。电枢有有槽电枢、无槽电枢、 空心杯电枢、印刷绕组电枢等，电枢接测量仪 器或仪表。
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结构
原理 课堂练习
1.直流测速发电机的结构与直流伺服电机基本相同，
定子装有
，加
。电
枢有有槽电枢、无槽电枢、
电枢、印
刷绕组电枢等，电枢接
或仪表。
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结构
原理 课堂练习
课堂练习——原理
1、直流测速发电机的电枢静止时，不会产生感
应电动势，输出电压为
；电枢转动时，电
枢切割磁力线，产生感应电动势，输出电动势和
与 成正比。由于输出电压与转子的转速成
直流测速发电机的原理
直流测速发电机的工作原理如图，电枢静止时，不会 产生感应电动势，输出电压为零；电枢转动时，电枢 切割磁力线，产生感应电动势，输出电动势和输出电 压与转速成正比。由于输出电压与转子的转速成正比， 因此只要用一个直流压表就可测出速度大小及方向。
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结构
原理 课堂练习
课堂练习——结构
直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理
1. 引言
直流测速发电机是一种能将机械能转换为直流电能的装置。
它
在测速领域起着重要的作用，可以用于测量机械转速或流速等参数。
本文将探讨直流测速发电机的工作原理。
2. 基本构造
直流测速发电机由以下几部分构成：导体线圈、磁场、转子、
电刷和电路等。
导体线圈固定在转子上，转子与磁场之间存在相对
运动，导致导体线圈中产生感应电动势。
3. 工作原理
当转子与磁场之间存在相对运动时，导体线圈中会产生感应电
动势。
这是基于法拉第电磁感应定律的原理，即当导体线圈与磁场
之间相对运动时，会产生感应电流。
直流测速发电机的工作原理可
以简单概括为以下几个步骤：
3.1 磁场产生
在直流测速发电机中，磁场可以由永磁体或电磁体产生。
当电流通过线圈时，线圈中产生的磁场与永磁体或电磁体的磁场相互作用，形成一个稳定的磁场。
3.2 相对运动
直流测速发电机中的转子与磁场之间必须存在相对运动，这样才能产生感应电动势。
转子可以通过机械装置实现相对运动，例如风力发电机中的风车叶片转动，或水力发电机中的水轮转动。
3.3 感应电动势产生
由于转子与磁场之间存在相对运动，导体线圈中会产生感应电动势。
这个电动势的大小取决于导体线圈的长度、磁场的强度以及相对运动的速度等因素。
感应电动势的方向根据楞次定律确定，它的方向与转子与磁场之间的相对运动方向有关。
3.4 输出电能
直流测速发电机的最终目的是将机械能转换为电能，输出到外部电路中进行使用。
为了实现这一点，直流测速发电机通常配备了。
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随着负载电阻的减小， 输出特性 的斜率变小；
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。
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
换向器圆周线速度对ΔUb影响较 小， 在小于允许的最大转速范围 内， 可认为速度不会引起ΔUb的 变化。
但是随着转速的升高，电枢电流Ia 增大，电刷电流密度增加。当电刷 电流密度较小时，随着电流密度的 增加，ΔUb也相应地增大。
当 电 流 密 度 达 到 一 定 数 值 后 ， 考虑电刷接触压降后的输出特性 ΔUb几乎等于常数。
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， --不灵敏区。
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 表面上镀上银层， 使换向器不易磨损。
2.5 直流测速发电机的应用
场， 称为电枢磁场。 负载运行时， 电机中的磁场是主磁场和电枢磁
场的合成。
直流测速发电机
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。
如果电机的磁路饱 和，增加少，减少 多，电枢反应去磁
CYD系列直流高灵敏度测速发电机
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，发展无刷 直流测速发电机 窄电刷、印刷电路端面换向器：使接触面积 和接触半径减小，因而降低了摩擦转矩。 无刷测速发电机：霍尔测速发电机、两极管 式测速发电机
2.7.3 永磁式无槽电枢、 杯形电枢、 印制绕组电 枢测速发电机 转动惯量小， 线性度好， 纹波电压小。
个常数。 电刷接触压降ΔUb与下述因素
Ua
Cen Ub 1 Rs
n
有密切关系:
RL
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。
k2
d
dt
U
k3 (U g
U
f
)
k1k3 (
) k2k3
d
dt
无测速机
(α-β)>0，但趋近0时，因惯
β
性n≠0，使(α-β)<0；
α
(α-β)<0，但趋近0时，因惯
性n≠0，使(α-β)>0；
t
有测速机
(α-β)>0，但趋近0时，因 -
Uf<0，使U=0,n=0；
直流测速发电机
解决办法：
在励磁回路中串联温度系数较低的电阻。 在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络。
励磁回路中的热敏电阻并联网络
电阻随温度变化的曲线
直流测速发电机
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
线性； (2) 输出特性的斜率大； (3) 温度变化对输出特性的影响小； (4) 输出电压的纹波要小， 即要求在一定的转速下
输出电压稳定， 波动小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性一致。
2.3.3 输出特性
直流电势:Ea=CeΦn
当每极总磁通Φ为常数时， 则 Ea∝n 即 输 出 电 势 与 转 速 成 正 比 。
2.7.1 发展高灵敏度测速发电机
电机直径大; 轴向尺寸小; 电枢元件数多 刷间的串联导体数多;
输出电压斜率大， 灵敏度比普通 测速机高1000 倍, 纹波系数小。
美国Inland公司直径为 250 mm的产品： 其速比范围为 1∶3000, 最低转速可低于 1 转每天， 纹波系数小于 0.1%， 线性误差低于 0.1%， 灵敏度(即电压斜率)为 10 V/(r/min)， 每天 1 转时的输出信号电压约 7 mV。
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。
直流测速发电机
Ua=Ea-IaRa Ia=Ua / RL
Ua
Ea 1 Ra
Ce 1 Ra
n
RL
RL
Ua
Ea 1 Ra
Ce 1 Ra
n
RL
RL
输出特性：负载时输出电压与 转速的关系，Ua=f(n)。
α
(α-β)<0，但趋近0时，因 -
β
Uf>0，使U=0,n=0；
有阻尼作用，改善系统动态性能；
t
2.5.2 对旋转机械作恒速控制
直流测速发电机
恒速控制系统原理图
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
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
Φk
ik
eL∝n2；ea∝n2。 因此， 换向 元件的附加电流及延迟换向去 磁磁通与n2成正比；
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。
直流测速发电机
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。
s
s
Ea
ei
Bilv
i 1
i 1
其中：s=N/(2a)
气隙磁密分布：
Bp l
电枢表面圆周速度
D n
60
2.2 直流电势的关系式
Ea
pN n
60a
或：Ea=CeΦn，其中Ce=pN/60a
直流测速发电机
磁通一定时：
Ea=Ken， 式中： Ke=CeΦ， 称为电势系数。
直流测速发电机
2.1.1 工作原理
直流发电机的工作是基于电磁感应定律， 即： 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。
2.1.2 直流电势的形成
导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv 磁场分布和电刷电势
直流测速发电机
旋转部分(称为转子)：转子由电枢铁心、 电枢绕组、 换向器、 轴等组成。
定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。
定子主磁极
控制用的直流电机一对极。 励磁方式：电磁式，永磁式。
电枢铁心和电枢绕组
直流测速发电机
换向器和电刷
直流测速发电机
2.2 直流电势的关系式
当电刷A、 B通过换向片与几何中心线上的导体相连接时， 电刷A、 B就把处于一个磁极下元件的电势串联起来， 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：
直流测速发电机
（R L1>R L2)
直流测速发电机
2.4.3 延迟换向去磁
换向过程：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的过渡过程。
va
i i iiiaa iiaa22
2.4.1 温度影响
Ua=f(n)为线性关系的条件是励磁磁通Φ、Ra、RL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。
直流测速发电机
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， 直流测速发电机有两种型式。
永磁式 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
主要是精确度高、 灵敏度高、 可靠性好等。 (1) 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为
2.1.2 直流电势的形成 导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv 磁场分布和电刷电势 电枢绕组和输出电势
电枢元件
直流测速发电机
等值电路
直流测速发电机
输出电势
直流电机示意图
直流测速发电机
2.1.3 直流电机基本结构
静止部分(称为定子)：定子铁心、 励磁绕组、 机壳、 端盖和电刷装置等组成；
直流测速发电机
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。
2.5.1 作为系统的阻尼元件
直流测速发电机
直流测速发电机
伺服电动机控制电压
U g k1( )
Uf
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，是阻碍换向的。
直流测速发电机
2.4.3 延迟换向去磁
换生与附主向加磁元电通件流方被向i电k, 相刷ik方反短向，路与，对e主k方于磁向是通一总有致电去。势磁e由作k=i用ek产L+。生ea延磁在迟通换换Φ向k向元，去件其磁中方产向
第2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 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 2.5 直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标