测速发电机
测速发电机的工作原理
测速发电机的工作原理
1.测速原理：流体通过装置时，会带动装置旋转，同时间隙上面开有
触头，而在这个装置上旋转的转子采用磁钢做产生磁场，触头与转子表面
上的磁场穿过铁芯引线产生感应电动势。
2.法拉第电磁感应定律：根据法拉第电磁感应定律，当导体相对于磁
场发生运动时，磁场中的磁感线将穿过导体，从而在导体上引起电势差。
当与导体相连的电阻接通时，将产生电流。
3.贴近斯密斯效应原理：当流体通过测速发电机时，将带动转子旋转。
转子上的励磁磁场由磁钢提供。
当流体通过转子的旋转，磁感线将穿过转
子上的铁芯，从而在铁芯内产生感应电动势。
同时，为了使转子旋转更为
顺畅，常常在环形的转子上放置一些电刷，把通过铁芯产生的感应电动势
剥离出来，形成短路电流。
4.电流产生：出于测速发电机的负载特性需要，通常在电刷处放置一
组分流电阻。
当感应电动势的大小超过了分流电阻的电压降，剩余的电势
差将用于驱动负载电压。
因此，负载电压的大小主要取决于流体流速和负
载电阻。
需要注意的是，测速发电机的转子和外转子发电机相比相对较为复杂，因为它需要通过电刷将感应电动势输出到外部负载。
此外，流体流速越快，产生的电流也就越大，最大电流取决于流体流速的限制。
(三)特种电机知识
（三）特种电机知识1．测速发电机是一种反映转速信号的电器元件，它的作用是将输入的机械转速变换成电压信号输出。
（√）2．测速发电机分为交流和直流两大类。
（√）3．直流测速发电机的结构与直流伺服电动机基本相同，原理与直流发电机相似。
（√）4．直流测速发电机由于存在电刷和换向器的接触结构，所以寿命较短，对无线电有干扰。
（√）5．永磁式测速发电机的转子是用永久磁铁制成的。
（×）6．他励式直流测速发电机的结构简单，应用较为广泛。
（√）7．直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机有区别。
（×）8．直流测速发电机的输出电压与转速成正比，转向改变将引起输出电压极性的改变。
（√）9．测速发电机在自动控制系统和计算装置中，常作为电源来使用。
（×）10．电磁式直流测速发电机虽然复杂，但因励磁电源是外加的，不受环境等因素的影响，其输出电动势斜率高，特性线性好。
（×）11．永磁式测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性呈线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。
（√）12．测速发电机主要应用于速度伺服、位置伺服和计算解答等三类控制系统。
（×）13．交流测速发电机的主要特点是其输。
出电压与转速成正比。
（√）14．交流测速发电机可分为永磁式和电磁式两种。
（×）15．交流测速发电机的励磁绕组必须接在频率和大小都不变的交流励磁电压上。
（√）16．交流测速发电机有异步式和同步式两类，应用较为广泛的是交流异步测速发电机。
（√）17．交流测速发电机的杯形转子由铁磁材料制成。
当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不产生感应电动势。
（×）18．交流测速发电机不能判别旋转方向。
（×）19．在计算解答系统中，为了满足误差小、剩余电压低的要求，交流同步测速发电机往往带有温度补偿及剩余电压补偿电路。
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
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。
测速发电机的工作原理(一)
测速发电机的工作原理(一)测速发电机的工作原理测速发电机是一种将机械或液压能转化为电能的装置，通常用于测量或控制某些设备的运行速度。
下面将对测速发电机的工作原理进行详细介绍。
什么是测速发电机测速发电机，也称为速度发电机，是一种将运动机械或流体的运动能转化为电能的装置。
测速发电机通常采用磁场和导体间相对运动的方式产生感应电动势，将机械或液压能转化为电能。
测速发电机的结构测速发电机的结构一般包括转子、定子和电路等部分。
转子内部由一定数量的永磁体和磁铁组成，定子内部则包括多个线圈，线圈与永磁体或磁铁相对排列。
当转子旋转时，永磁体或磁铁在定子线圈中产生交变电动势，从而产生电能输出。
测速发电机的工作原理测速发电机的工作原理是利用磁感线与导体间的相互感应现象，将机械或液压能转化为电能。
当测速发电机接收到运动机械或流体的能量时，转子开始旋转，磁铁和永磁体不断相对运动，产生磁场变化，从而在定子线圈中感应出交变电动势。
这样就可以将机械或液压能转化为电能输出，提供给相应的设备使用。
测速发电机的应用领域测速发电机广泛应用于各种工业领域，例如轮船、火车、航空航天、机动车、发电机组等。
测速发电机通常用于测量或控制机械或液压系统的运行速度，可以实现对各种自动化控制系统的准确测量和控制。
测速发电机的优缺点测速发电机具有以下优点：1.可以将机械或液压能直接转化为电能，输出电压和电流稳定。
2.体积小，结构简单，安装和维护方便。
3.适用于高速旋转和液压系统等特殊环境。
但是，测速发电机也存在以下缺点：1.输出电流较小，无法满足大功率设备的需求。
2.要求机械或液压系统运行速度稳定，否则会影响电能输出的稳定性。
3.成本较高，适用范围受到一定限制。
结论测速发电机是一种将机械或液压能转化为电能的装置，可以实现对各种自动化控制系统的准确测量和控制。
测速发电机具有结构简单、安装维护方便、适用于特殊环境等优点，但也存在输出电流小、成本较高等缺点。
第四章直流测速发电机和直流伺服发电机
第四章直流测速发电机和直流伺服发电机(1)
图５
3.纹波电压 Ku=1/2(Emax －Emin) /Eav100% 输出电压交流 分量与直流分 量之比最高为 １％．
三、传递函数和动态特性 若将直流测速发电机理想化，即不考 虑电枢回路的电感、电枢反应和电刷 的接触压降，由上节已知其输出电压 表达式是 U＝un · u’n · n＝ Ω 对上式两边取拉氏变换，即可求出直 流测速发电机的传递函数 W(s)＝U(s)/ Ω(s)= u’n
转速下降是由电枢电阻电 压降引起的，因伺服电动 机电枢电阻较大，所以转 速下降较大。当考虑电枢 反应的去磁作用，磁通Φ 将略有下降，这就使转速 下降稍小些。 特性曲线表明以下点： (1)当n =0时，Tem = Tst，称为启动转矩或堵 转转矩Td。 (2)当Tem =0时,n=no， 称为理想空载转速。
第四章 直流测速发电机和直流伺服发电机
直流测速发电机和直流伺服电动机属 于控制电机。在自动控制系统中，直 流伺服电动机用作执行元件，直流测 速发电机用作信号元件。 控制电机的功率一般都在几百W以下， 最小的不到1 W。外形尺寸也较小，机 壳外径一般不大于160 mm。
第四章 直流测速发电机和直流伺服发电机
第四章直流测速发电机和直流伺服发电机(2)
与交流伺服电动机相比，它在 控制方便，工作特性线性度好 等方面有着突出的优点，因此 目前在要求高的调速装置的控 制系统中，都是选用直流电动 机与整流型（或直流斩波型） 调速装置组合使用。
第四章直流测速发电机和直流伺服发电机(2)
它的缺点是：有换向器和电刷的滑 动接触，接触电阻的变化使工作性 能的稳定性受到影响；电刷下的火 花使换向器需要经常维护，又不能 在易爆炸的地方使用，且产生无线 电干扰，又因控制电源是直流，使 得放大元件变得复杂。
测速发电机
3-1何为测速发电机？答：测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置。
它能把机械转速变换成电压信号输出，其输出电压与输入的转速成正比关系。
3-2．何为直流测速发电机的输出特性？在什么条件下是线性特性？产生误差的原因有哪些?答：输出电压与转速之间的关系称为直流测速发电机的输出特性；当不考虑电枢反应，且认为Φ、a R 及L R 都不变时，输出电压 a U 与转速成线性关系，即直流测速发电机的输出特性是线性特性。
产生误差的原因：电枢反应的影响、电刷接触电阻的影响、电刷位置的影响、温度的影响、文波影响。
3-3为什么直流测速发电机在使用时转速不宜超过规定的最高转速?而负载电阻不能小于规定值?答：因为电枢反应和延迟换向的去磁效应使线性误差随着转速的增高或负载电阻的减少而增大。
因此，在使用时必须注意发电机的转速不能超过规定的最高转速，负载电阻不能小于规定的最小电阻值。
3-4．若直流测速发电机的电刷没有放在几何中性线的位置上，试问此时电机正、反转时的输出特性是否—样?为什么?答：当直流测速发电机带负载运行时，若电刷没有严格地位于几何中性线上，会造成测速发电机正反转时输出电压不对称，即在相同的转速下，测速发电机正反向旋转时，输出电压不完全相等。
因为，当电机正转时，电刷顺转子旋转方向偏离几何中性线，电枢直轴磁动势起去磁作用，使气隙磁通减小，电枢绕组的感应电动势减少，输出电压也随之减少；当电机反转时，电刷逆转子旋转方向偏离几何中性线，电枢直轴磁动势起增磁作用，使气隙磁通增加，电枢绕组的感应电动势增大，输出电压也随之增大；所以此时电机正、反转时的输出特性是不一样的。
3-5．为什么异步测速发电机的转子都用非磁性空心杯结构，而不用鼠笼式结构？ 答：根据结构特点笼形转子异步测速发电机输出斜率大，但线性度差，相位误差大，剩余电压高。
而空心杯形转子异步测速发电机的精度较高，转子转动惯量也小，性能稳定好。
因此，异步测速发电机的转子都用非磁性空心杯结构，而不用鼠笼式结构。
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纹波的影响
• 直流测速发电机在和n固定时，输出电压 也不是稳定的直流电压，而总带有微弱的 波动，成为纹波 • 原因：主要是电机本身的固有结构和加工 误差所引起 • 对策：增加支路元件数，电枢采用斜槽结 构，无槽结构
直流测速发电机的性能指标
1. 2. 3. 4. 5. 6. 线性误差U% 最大线性工作转速nm 输出斜率Kg 最小负载电阻RL 不灵敏区n 输出电压的不对称度
主要类型：
电磁式 直流 测速发电机 异步 永磁式
交流
同步
3.2 直流测速发电机
工作原理与普通直流发电机相同。 电枢电势为：
Ea Ce n Ke n
空载时，Ia=0, Ua=Ea
负载时，
0 U
n
U a Ea I a Ra
Ua Ia RL
Ua U a Ea Ra RL
励磁绕组轴线与输出绕组轴线 不垂直；或磁路不对称； 定子加工不良，造成气隙不均 匀。
内定子椭圆引起的剩余电压
旋转分量
由于铁心材料各向磁滞变化的情况不同，或者铁心片 间短路以及空心杯转子的材料和壁厚不均匀，都会导 致去磁效应不同，使电机气隙圆周上各点磁密相位不 一致，而形成一个椭圆形旋转磁场，使输出绕组产生 感应电动势，产生剩余电压 。
U m U % 100% U am
K ub U a 2 100% U av
举例：
• 例:一台直流测速发电机在转速3000r/min时的 空载输出电压为52V,接上 2000欧负载后的输 出电压为50V,求转速为1500r/min,负载5000 欧时的输出电压Ua.
• 解 :由 U E K n a0 e
测速发电机
3.1 概述
测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将 输入的机械转速变换成为电压信号输出。 要求： 输出电压与转速成正比，U2=Kn, 并保持稳定； 剩余电压(转速为零时的输出电压）要小； 输出电压的极性或相位能反映被测对象的转向； 温度变化对输出特性的影响小； 灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏， 输出特性斜率要大； 转动惯量和摩擦转矩小，以保证反应迅速。
2. 工作原理：
转子静止时
转子旋转时
转子杯导条切割磁通d而产生旋转电动势Er，其交 变频率为f，大小为 E r C 2 n d 当磁通d的幅值恒定时，则电动势Er与转子的转速 成正比。
n Er I r q
U 2 E2 q n
产生误差的原因及减小的措施：
温度的影响
电机温度的变化，会使励磁绕组和空心杯转子的电阻以及 磁性材料的磁性能发生变化，从而使输出特性发生改变。 温度升高使输出电压降低，而相角增大。为此，在设计空 心杯时应选用电阻温度系数较小的材料。在实际使用时， 可采用温度补偿措施。最简单的方法是在励磁回路、输出 回路或同时在两个回路串联负温度系数的热敏电阻来补偿 温度变化的影响。
3.3 交流异步测速发电机
1. 基本结构
1） 同步测速发电机 因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗 及负载阻抗均随转速而变化，因此，输出电压不再与 转速成正比关系，应用较少。 2） 异步测速发电机 结构与杯形转子交流伺服电动机类似，由内、外定 子，非磁性材料制成的杯形转子等部分组成。 定子上放置两个在空间相互垂直的单相绕组，一个 为励磁绕组，另一个为输出绕组。
电刷位置的影响
• 当直流测速发电机带负载运行时，若电刷 没有严格位于几何中心线上，会造成测速 发电机正反转时输出电压不对称。 • 即：在相同的转速下，发电机正反向旋转 时，输出电压不完全相等。 • 措施：让电刷严格位于中性线上。
温度的影响
对策： 将磁路设计的较饱和； 在励磁回路中串电阻； 在励磁回路中串联具有负温度系数的热敏 电阻； 励磁回路由恒流源供电
电枢反应 对策： 选用较大气隙和较小线负荷； 转速不超过最大线性工作速度，负载电阻不小于 最小负载电阻； 补偿绕组；
电刷接触电压降
U a Ea I a Ra U b Ke U b n Ra Ra 1 1 RL RL Cn C U b Ke
对策：选用导电性能较好的电刷
Ua Ea Ke n Cn Ra Ra 1 1 RL RL
Ua
RL RL1 RL 2
n
可见，理想情况下C为常数，所 以，直流测速发电机负载时的输出 特性仍然是一条直线。负载电阻越 大，直线斜率就越大。 实际情况是，输出特性会偏离直 线，如图中虚线所示。
0
RL1 > RL 2
产生误差的原因和改进方法
异步测速发电机的技术指标：
1. 线性误差
U m 100% U 2m
3 * n nm 2
* c
2. 相位误差
3.剩余电压（零速电压）
转速为零时输出绕组所产生的电压，包括基波分量和高次谐波分量。一 般几十毫伏。
剩余电压对输出特性的影响
剩余电压基波分量
变压器分量、旋转分量和电容分量
产生变压器分量的原因：
1. 气隙磁通d的变化； 2. 励磁电源的影响；
3. 温度的影响。
气隙磁通d的变化
改进措施：
减小励磁绕组漏阻抗； 增大转子电阻； 提高励磁电源频率
励磁电源的影响
电源电压幅值不稳定，会直接引起输出电压 的波动。 频率的变化对输出电压的大小和相角也有明 显的影响。 随着频率的增加，在电感性负载时，输出电 压稍有增长；而在电容性负载时，输出电压的增 加比较明显；在电阻负载时，输出电压的变化是 最小的。 频率的变化对相角的影响更为严重。因为频率 的增加使得电机中的漏阻抗增加，输出电压的相 位更加滞后。但当转子电阻较大时，相位滞后的 要小一些。此外，波形的失真会引起输出电压中 含有高次谐波分量。
得
Ra (
Ke
U ao 52 n 3000
U a Ke n /(1 Ra / 3000 1) RL ( 1) 2000 80 Ua 50
U a Ke n /(1 Ra / RL )
=(52/3000)(1500)/[1+(80/5000)]=26/1.016=25.5V