無刷式測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理

外定子中的永磁磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布情況如圖3 所示，磁力線經(jīng)過外定子、空氣隙、杯形轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子后形成閉合回路。由于永磁磁鋼與霍爾元件的安裝位置在空間上錯(cuò)開45°角，因此永磁磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)與霍爾元件不存在交鏈。

當(dāng)杯形轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，如圖3中( a) 所示，由于永磁磁鋼產(chǎn)生的恒定磁通沒有穿過霍爾元件，因此霍爾元件不產(chǎn)生霍爾電勢(shì); 當(dāng)杯形轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即存在瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度，如圖3中( b) 所示。此時(shí)杯形轉(zhuǎn)子開始切割永磁磁鋼的恒定磁通，將杯形轉(zhuǎn)子的杯體看作是很多根的導(dǎo)條，則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，杯形轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生與瞬時(shí)角速度對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

假設(shè)杯形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，則根據(jù)右手定則，杯形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向如圖3中( b)所示。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生相應(yīng)的短路電流，短路電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相同。此時(shí)短路電流會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，如圖3中( b) 所示，該磁場(chǎng)經(jīng)由內(nèi)定子、霍爾元件、空氣隙、杯形轉(zhuǎn)子和外定子后形成閉合回路。 由于該磁通與霍爾元件匝鏈，則根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電勢(shì)。

無刷式測(cè)速發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖一所示，其中圖一下圖為圖一上圖對(duì)應(yīng)的A－A 剖面。發(fā)電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)軸、杯形轉(zhuǎn)子、隔磁套筒、永磁磁鋼、機(jī)座、內(nèi)外定子和霍爾元件。

其中測(cè)速發(fā)電機(jī)的外定子通過外隔磁套筒固定在機(jī)座的內(nèi)側(cè); 永磁磁鋼嵌放在各部分之間的夾槽中; 內(nèi)定子通過內(nèi)隔磁套筒與右端蓋固定，內(nèi)隔磁套筒中心位置設(shè)有通孔，霍爾元件嵌放在各部分之間的夾槽中; 杯形轉(zhuǎn)子的杯壁置于內(nèi)、外定子之間的空氣隙中; 內(nèi)定子之間的霍爾元件與外定子之間的永磁磁鋼，在空間相互錯(cuò)開45°角。

角速度是描述物體運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，分為傾角角速度和旋轉(zhuǎn)角速度。通過對(duì)瞬時(shí)角速度的測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而對(duì)其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制。目前，角速度測(cè)量已經(jīng)在汽車、軍事、航天、工業(yè)、電子等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來關(guān)于傾角角速度傳感器的研究主要包括磁流體動(dòng)力學(xué)角速度傳感器、微熱對(duì)流角速度傳感器、新型MEMS 仿生三維角速度傳感器和基于Coriolis 效應(yīng)的微機(jī)械陀螺等。

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，因此旋轉(zhuǎn)角速度檢測(cè)裝置的使用范圍也更大。目前測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時(shí)角速度的裝置主要是測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)由于電刷接觸電阻和電樞反應(yīng)的影響，其輸出特性的線性誤差較大，約為0．3%左右，且存在低速失靈區(qū)和紋波影響;

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)不存在電刷接觸電阻產(chǎn)生的影響，但運(yùn)行時(shí)由于轉(zhuǎn)子漏阻抗和激磁繞組漏阻抗的影響，同樣導(dǎo)致其輸出特性的線性誤差較大; 此外，由于交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的兩相定子繞組不完全垂直，或是氣隙不均，磁路不對(duì)稱，亦或是空心杯轉(zhuǎn)子的壁厚不均以及制造杯型轉(zhuǎn)子的材料不均，會(huì)造成一定的剩余電壓。

基于此，研究了一種無刷式測(cè)速發(fā)電機(jī)。

無刷式測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性

1、根據(jù)磁路的歐姆定理，永磁磁鋼產(chǎn)生的恒定磁通量為公式（1）:

式中

F_p——為永磁磁鋼的磁勢(shì)；

R_mP——為永磁磁鋼產(chǎn)生的磁通所經(jīng)過磁路的磁阻。

2、根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)杯形轉(zhuǎn)子以瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度Ω 逆時(shí)針切割永磁磁鋼的磁通時(shí)，產(chǎn)生的切割電動(dòng)勢(shì)為公式（2）:

式中

C_e——為與杯形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。

3、根據(jù)歐姆定律，杯形轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生的電流為公式（3）:

式中

r_R——為杯形轉(zhuǎn)子的等效電阻。

4、根據(jù)磁路的歐姆定理，杯形轉(zhuǎn)子4的電流產(chǎn)生的磁通量為公式（4）:

式中:

N_R——為杯形轉(zhuǎn)子的等效匝數(shù)；

R_mR——為杯形轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁通所經(jīng)過磁路的磁阻。

5、根據(jù)霍爾效應(yīng)可知，霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)為公式（5）:

式中

K_H——為與霍爾元件結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；

I——為霍爾元件的控制電流。

6、聯(lián)立上述公式（1）~（5）即可得到公式（6）：

由式( 6) 可知，霍爾元件的電勢(shì)與杯形轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度成正比。

無刷式測(cè)速發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)

當(dāng)杯形轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角速度發(fā)生變化時(shí)，杯形轉(zhuǎn)子中的電流也會(huì)發(fā)生變化，由于杯形轉(zhuǎn)子存在電抗，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，杯形轉(zhuǎn)子的電壓平衡方程為公式（7）:

由此可得測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為公式（9）:

由此可知，由于杯形轉(zhuǎn)子電抗的存在，測(cè)速發(fā)電機(jī)為一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)_R /r_R，因此可選用電阻率較大的材料制作杯形轉(zhuǎn)子。以改善測(cè)速發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

《電氣工程名詞》第一版。

直流永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的機(jī)電式信號(hào)元件，是伺服系統(tǒng)中的基本元件之一。作為測(cè)速、校正、解算元件，它被廣泛應(yīng)用于各種速度和位置控制系統(tǒng)中。直流永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和電刷部件等組成。它用永久磁鋼激磁，不需要另外加激磁電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。一般情況下自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)其元件的要求主要是高的精確度、靈敏度、可靠性等。因此，永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下要求：

(1)輸出電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。

(2)輸出特性的斜率大，即其靈敏度高。

(3)溫度變化對(duì)輸出特性的影響小。

(4)輸出電壓紋波小。

(5)正、反轉(zhuǎn)的輸出特性應(yīng)一致。

不難看出，要求(1)和(3)-(5)是為了提高測(cè)速機(jī)的精度。

永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性如圖1所示。從圖1中可以看出其輸出電壓V與轉(zhuǎn)速n成正比，隨著負(fù)載電阻R變小，其輸出電壓下降，而且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。它的輸出電壓還會(huì)隨著溫度的變化而變化。。永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大，可以直接作為反饋信號(hào) 。