單極測速發(fā)電機特性

單極測速發(fā)電機輸出特性

1、空載

當轉速為n（r/min）， 空載磁通為

式中

為空載輸出斜率。

在單極電機中，氣隙磁通

2、負載

從理論分析， 在負載狀態(tài)下， 存在著電樞反應。在直流換向器電機中， 電樞反應的性質取決于電刷偏離幾何中性線的位置而在直流單極電機中， 電樞反應的性質則取決于集電裝置的結構采用電刷集電的單極電機， 在電樞中將會出現不平衡電流， 它建立的縱軸電樞反應， 在發(fā)電機狀態(tài)下起去磁作用， 而橫軸電樞反應使主磁場畸變， 且引起向刷邊擠流。

電機的工作點通常處在磁化曲線的非線性部分， 因而將引起總磁通減少和相應的電動勢降低。在低電壓、大電流的大功率單極電機中， 橫軸電樞反應磁勢要比換向器電機強烈得多， 而它的橫軸磁阻又是很小的， 因此， 電樞反應磁場很大。曾在試驗中已經證實， 在大電流的情況下， 若不采取克服電樞反應的有效措施， 輸出特性的線性度將是很差的。但是， 在微機測試中， 通過單極電機本身的測試電流極小， 而電樞的導體數為1， 因此， 電樞反應磁勢與激磁磁勢相比則微不足道， 電機實際處于空載狀態(tài)。故這種電機在測試狀態(tài)下仍有良好的線性度。

單極測速發(fā)電機紋波系數

單極測速發(fā)電機， 電樞無齒槽， 無換向器， 不象直流測速發(fā)電機那樣， 存在著電勢多邊形和齒諧波引起的電壓脈動單極測速發(fā)電機輸出無紋波的直流電壓信號。它不存在換向問題以及由于換向火花而產生的無線電干擾。這對于轉速測量的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測試精度以及排除微機測試中的干擾源無疑是一個突出的優(yōu)點。

單極測速發(fā)電機無信號區(qū)

無信號區(qū)的大小取決于無信號區(qū)的邊界轉速n_z， 由測速發(fā)電機原理可知：

即無信號區(qū)的范圍僅取決于電刷的接觸壓降

由圖可知， 由于微機測試的電流極小， 即電刷的電流密度極小， 電刷壓降是很小的。已經證明， 只要合理的選擇電刷和電刷壓力， 即使空載輸出斜率為毫伏級， 在微機測試中， 無信號區(qū)域仍然是很小的。

單極測速發(fā)電機輸出電壓不對稱度

由于單極電機為一單根導體在勻強磁場中運動， 正、反向運轉運行性能完全一樣，故輸出電壓對稱性能好。

單極測速發(fā)電機最大允許轉速

單極測速發(fā)電機不象直流測速發(fā)電機受換向片間電壓的限制， 從而限制了最高轉速。單極測速發(fā)電機最高轉速僅受軸承結構限制， 故轉速可以很高。

單極測速發(fā)電機瞬態(tài)響應

單極測速發(fā)電機導體數N=1， 電樞電感很?。挥捎诎l(fā)出的是無紋波的直流電壓信號， 不需要濾波電路。因此， 瞬態(tài)響應好。

綜合上述， 單極測速發(fā)電機無論是穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)， 都具有優(yōu)良的品質， 是一種理想的測速元件。

單極測速發(fā)電機的原理為一個圓柱式或圓盤式電樞在極性不變的勻強磁場中旋轉，并在電樞中感應電勢。 眾所周知， 此時所產生的電勢：

n——為工作轉速。

測速發(fā)電機一般要求體積小， 轉動慣量小， 結構簡單， 工作可靠。故單極測速發(fā)電機選用圓筒式空芯懷轉子， 半利川的永磁式結構。為了保證磁場的勻強性， 不宜采用非磁性墊塊的方法來克服電樞反應在流引時， 可采用回路補償法。對于這種低電壓的電刷引流裝置， 為了防止電刷的跳動和接觸壓降的波動， 電刷裝置和電刷壓力的設計相當重要。

單極測速發(fā)電機結構簡單， 沒有換向紋波和齒諧波帶來的測量誤差， 也不會因為需要采用濾波措施而增加了時間常數或濾掉了有用的波形，它的瞬態(tài)響應好， 靈敏度高。因此， 單極測速發(fā)電機無論是穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)都具有優(yōu)良的品質， 尤其在速度的動態(tài)測量中， 它是一種理想的測速元件。隨著現代電子技術的發(fā)展和微計算機的應用， 研究單極測速發(fā)電機及其在轉速測量中的應用， 對研究動態(tài)參數， 滿足現代快速驅動的要求是一項有意義的工作。

交流測速電機分異步與同步測速電機兩種。

測速發(fā)電機異步測速發(fā)電機

異步測速發(fā)電機輸出交流電壓頻率與勵磁頻率相同，其幅值與轉子轉速成正比的交流測速發(fā)電機。異步測速發(fā)電機的結構和普通兩相籠型感應電動機相同， 定子上互差90°的兩相繞組中， 一相為勵磁繞組，接在50 Hz或400 Hz的交流電源上，另一相輸出轉速信號。當轉子堵轉時，定子勵磁繞組在轉子多相對稱繞組中只產生變壓器電動勢， 于是轉子磁通勢和定子磁通勢方向相反，起去磁作用，與這兩個磁通勢垂直的輸出繞組中不產生電動勢。當轉子轉動后，籠型繞組中除產生變壓器電動勢外還將產生切割電動勢。由切割電動勢產生的磁通勢具有交軸的性質， 它交鏈輸出繞組并在其中產生和轉速成正比的信號電壓。信號電壓的頻率和電源電壓的相同， 信號電壓對電源電壓的相位差隨旋轉方向改變， 所以很適于和交流伺服電動機配套使用?；\型轉子異步測速發(fā)電機的結構簡單，可靠性高，輸出斜率大;但線性度差，相位誤差大，剩余電壓高。為了提高異步測速發(fā)電機的精度，應用較廣的是杯形轉子異步測速發(fā)電機。這種電機的轉子是一個薄殼非磁性圓環(huán)， 由電阻率較高的硅錳青銅或錫鋅青銅制成，杯的內外由內定子和外定子構成磁路，杯壁也不是鐵磁材料。為了減小氣隙，杯壁必須較薄，約為0.2～0.3 mm。

阻尼型測速發(fā)電機是具有較高的堵轉理論加速度值和較低的零速輸出電壓 (轉速等于零時輸出繞組兩端產生的電壓為零速輸出電壓，它是轉子位置的函數)的異步測速發(fā)電機。比率型測速發(fā)電機是速敏輸出電壓(輸出電壓中為速度函數的基波輸出電壓分量。它在數值上等于在相同轉速和試驗條件下， 按兩個旋轉方向所測得的基波輸出電壓之和的1/2) 對零速輸出之比較高，轉子轉動慣量較低，整個速度范圍內輸出電壓線性度較高的異步測速發(fā)電機。積分型測速發(fā)電機是輸出電壓隨溫度變化偏差小、加熱時間短的異步測速發(fā)電機， 通常具有溫度控制和補償網絡。

異步測速發(fā)電機的勵磁繞組中如果通以直流， 直軸磁通就將不再脈振而變成恒定磁通。當轉速恒定時，由切割電動勢產生的交軸磁通亦將恒定不變， 所以輸出繞組中不產生電動勢。當轉速發(fā)生變化時，交軸磁通的大小將隨著轉速的變化而變化， 它交鏈輸出繞組并在其中產生和轉子加速度成正比的電動勢， 所以向異步測速發(fā)電機的勵磁繞組中送入直流， 就成為一個加速度檢測器。

測速發(fā)電機同步測速發(fā)電機

同步測速發(fā)電機 采用同步電機結構， 輸出交流電壓的幅值和頻率均與轉速成正比的測速發(fā)電機。同步測速發(fā)電機又分為永磁式、感應子式和脈沖式。永磁式不需要勵磁電源，轉子為永磁勵磁，具有結構簡單易于維修的優(yōu)點，但極數比較少，用二極管整流后紋波比較大，濾波比較困難。感應子式按定、轉子之間可變磁阻效應產生感應電動勢原理工作，極數比較多，整流后紋波比較小且便于濾波，但結構復雜維修困難。以上兩種測速發(fā)電機既可用輸出電壓的幅值去反映轉速，也可用輸出電壓的頻率去代表轉速。前者是模擬量，需要整流和濾波;后者是數字量，可以直接輸入微處理機。如果將幅值和頻率合起來使用，就有可能實現高靈敏度的轉速檢測，但不能判別旋轉方向，這一點不如直流測速發(fā)電機。脈沖式以脈沖頻率作為輸出信號，可以直接輸入微處理機， 是測速碼盤中每轉發(fā)出脈沖數較少的一種。由于其結構簡單，堅固耐用，可以判別旋轉方向，20世紀90年代后期隨著數字技術的發(fā)展被廣泛應用。

直流測速發(fā)電機有永磁式和電磁式兩種。其結構與直流發(fā)電機相近。永磁式采用高性能永久磁鋼勵磁，受溫度變化的影響較小,輸出變化小，斜率高,線性誤差小。這種電機在80年代因新型永磁材料的出現而發(fā)展較快。電磁式采用他勵式，不僅復雜且因勵磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。

用永磁材料制成的直流測速發(fā)電機還分有限轉角測速發(fā)電機和直線測速發(fā)電機。它們分別用于測量旋轉或直線運動速度，其性能要求與直流測速發(fā)電機相近，但結構有些差別。

測速發(fā)電機結構

直流測速發(fā)電機 采用直流電機結構的測速發(fā)電機，其輸出直流電壓的大小正比于轉速，極性與轉向有關。直流測速發(fā)電機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式。按電樞結構不同可分為有槽電樞、無槽電樞、空心電樞和圓盤式印制繞組電樞。電磁式采用他勵式，不僅復雜而且輸出電壓變化較大，用得不多。永磁式的定子用高性能永久磁鋼構成，輸出電壓變化小，受溫度變化的影響小，線性誤差小，輸出斜率(在規(guī)定條件下，單位轉速產生的輸出電壓)高。永磁式測速發(fā)電機在20世紀80年代因新型永磁材料的出現而發(fā)展較快。永磁式有槽電樞的直流測速發(fā)電機應用較多。永磁式低速直流測速發(fā)電機的工作轉速可低達每分鐘十轉或數百轉以下，或有較高的輸出斜率。無刷直流測速發(fā)電機是沒有電刷和換向器結構， 由電機和電子電路結合的測速發(fā)電機。

測速發(fā)電機原理

直流測速發(fā)電機的工作原理與直流發(fā)電機相同。在恒定磁場下，旋轉的電樞導體切割磁通，就會在電刷間產生感應電動勢?？蛰d時，電機的輸出電壓與轉速成正比。負載時，由于負載電阻、電樞電阻和電刷接觸電阻引起的電壓降，溫度變化、磁極和電樞的磁滯及渦流的影響，電樞反應、齒槽效應以及換向過程對感應電動勢瞬時值的影響等，使電機輸出特性[輸出電壓U與轉速n的關系， 即U=f(n)]的線性度變差；電刷與換向器的接觸壓降導致產生不靈敏區(qū)。

測速發(fā)電機特點

直流測速發(fā)電機的主要優(yōu)點是：輸出為零時，無剩余電壓;輸出斜率大，負載電阻較小;溫度補償較容易。主要缺點是：由于有電刷和換向器，構造和維護比較復雜，摩擦轉矩較大;輸出電壓有紋波;正反轉輸出電壓不對稱; 對無線電有干擾。