永磁式直流测速发电机及其应用

1．概述

测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，常用作测速元件、校正元件和解算元件，与伺服电机配合，广泛使用于许多速度控制或位置控制系统中，如在稳速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为速度反馈信号，可达到较高的稳定性和较高的精度，在计算解答装置中，常作为微分、积分元件。

测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机和霍尔效应测速发电机三类。其中直流测速发电机具有输出电压斜率大、没有剩余电压及相位误差、温度补偿容易实现等优点；而交流测速发电机的主要优点是不需要电刷和换向器，不产生无线电干扰火花，结构简单，运行可靠，转动惯量小，摩擦阻力小，正、反转电压对称等。

自动控制系统对测速发电机的性能要求如下：

（1）输出电压与转速之间有严格的正比关系。

（2）输出电压的脉动要尽可能小。

（3）温度变化对输出电压的影响要小。

（4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大。

（5）正、反转时输出电压应对称。

2．直流测速发电机

直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，适用于在各种精度要求的自动控制系统中作反馈元件。其结构和工作原理与普通的小型直流发电机相同，由定子、转子（电枢）、电刷和换向器四个部分组成。按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种，如图7-37所示。永磁式直流测速发电机定子磁极是由永久磁铁制成的，一般为凸极式；转子上有电枢绕组和换向器，用电刷与外电路相连。由于不需要另加励磁电源，也不存在因励磁绕组温度变化而引起的特性变化，故在实际中得到了较广泛的应用。

图7-37　直流测速发电机工作原理图

（a）电磁式；（b）永磁式

1）直流测速发电机工作原理

测速发电机输出电压和转速的关系，即Ua=f（n），称为输出特性。直流测速发电机的工作原理与小功率直流发电机完全相同。根据直流电机理论，在磁极磁通量Φ为常数时，直流发电机电枢绕组的感应电动势为

式中，Ce——电动势系数

在空载时，电枢电流Ia=0，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，即Ua=Ea，因而输出电压与转速成正比。

有负载时，如图7-37所示，因为电枢电流Ia≠0，故直流测速发电机的输出电压为

式中，ΔUb——电刷接触压降；

Ra——电枢回路电阻。

在理想情况下，若不计电刷和换向器之间的接触电阻，即ΔUb=0，则

显然，带负载后，由于电阻Ra上有电压降，故测速发电机的输出电压比空载时小。负载时电枢电流为

式中，RL——测速发电机的负载电阻。

整理上面两式，可得

因此

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都能保持为常数时，斜率C也是常数，输出特性便有线性关系，因此，直流测速发电机的输出电压与转速成正比。对于不同的负载电阻RL，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图7-38中实线所示。

图7-38　直流测速发电机的输出特性

2）直流测速发电机的性能指标

直流测速发电机的技术指标主要有线性误差、最大线性工作转速和负载电阻等。

（1）线性误差ΔU%。表示在工作速度范围内，实际输出特性和理想的直线输出特性之间的最大绝对误差值与理想直线输出特性的最大输出电压之比。一般系统要求ΔU%=1%～2%，较精密系统要求ΔU%=0.1%～0.25%。

（2）最大线性工作转速nN。指在允许的线性范围内的最高电枢转速，即测速发电机的额定转速nN。

（3）负载电阻RL。指保证输出特性在线性范围内的最小电阻值，在使用时，接到电枢两端的电阻应不小于这个值，否则电枢电流会比较大，使线性度变差。

（4）不灵敏区Δn。测速发电机在转速小于一定数值时，电枢电动势比电刷换向器的接触压降还要低，发电机输出电压Ua=0。这个较低转速所在的区域称为不灵敏区。

（5）输出特性的不对称度。指直流测速发电机正、反转时，在相同的转速下，输出电压绝对值之差与两者平均值之比的百分数。

（6）静态放大系数。指直流测速发电机的输出特性的斜率。通常希望这个值尽可能大一些，因为采用较大的负载电阻可提高测速发电机的静态放大系数。(www.xing528.com)

3）直流测速发电机的特点及应用

直流测速发电机具有输出电压斜率大、没有剩余电压（即转速为0时，输出电压也为0）、没有相对误差等优点，在自动控制系统中应用较为广泛，可起到测量或自动调节转速的作用，并且在自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。图7-39所示为恒速自动调节系统原理图。

图7-39　恒速自动调节系统原理图

3.交流测速发电机

交流测速发电机可分为同步测速发电机和异步测速发电机。同步测速发电机又可分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。

永磁式交流测速发电机实质上就是一台单向永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变电动势的大小和频率都随输入信号（转速）而变化，所以它的输出不再和转速成正比。因此，不适用于自动控制系统，通常只作为指示式转速计。

感应子式测速发电机和脉冲式测速发电机的工作原理基本相同，都是利用定、转子齿槽相互位置的变化，使输出绕组中的磁通发生脉动，从而感应出电动势。这种发电机电动势的频率随转速而变化，致使负载阻抗和发电机本身的内阻抗大小均随转速而改变，所以也不宜用于自动控制系统中。但是，采用二极管对这种测速发电机的三相输出电压进行桥式整流后，可取其直流输出电压作为速度信号用于自动控制系统。

脉冲式测速发电机是以脉冲频率作为输出信号的，它的特点是输出信号的频率相当高，即使在较低的转速下（如每分钟几转或几十转）也能输出较多的脉冲数，因而以脉冲个数显示的速度分辨率比较高，适用于转速比较低的调节系统，特别适用于鉴频锁相的速度控制系统。

异步测速发电机又分为笼型转子和杯型转子两种。笼型转子异步测速发电机的结构和笼型转子交流伺服电动机结构相似，它的主要性能有输出斜率大、线性度差、相位误差大、剩余电压高，一般仅用于精度要求不高的控制系统中；杯型转子异步测速发电机的性能精度比笼型的要高得多，因而在自动控制系统中有着广泛的 应用。

1）杯型转子异步测速发电机的结构

杯型转子异步测速发电机的结构如图7-40所示，其转子是一个薄壁非磁性杯（杯厚为0.2～0.3 mm），通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90°电角度，其中一相作为励磁绕组，外加频率和电压都稳定的电源励磁；另一相作为输出绕组，其中两端的电压U2即为测速发电机的输出 电压。

图7-40　杯型转子异步测速发电机的结构

1—杯型转子；2—外定子；3—内定子；4—机壳；5—端盖

2）异步测速发电机工作原理

空心杯转子异步测速发电机的工作原理如图7-41所示，励磁绕组接到幅值和频率均不变化的电压Uf上。

图7-41　空心杯转子异步测速发电机的工作原理

（a）转子静止时；（b）转子旋转时

当电动机的励磁绕组外施加恒频恒压的交流电源Uf时，便有电流If通过绕组，产生以电源频率ƒ脉振的磁势Fd和相应的脉振磁通Φd，磁通Φd在空间按励磁绕组轴线方向（称为直轴d）脉振。

当转子静止（n=0）时，如图7-41（a）所示，直轴脉振磁通Φd只能在空心杯转子中感应出变压器电势Er，因输出绕组的轴线和励磁绕组轴线空间位置相差90°电角度，它与直轴磁通并无匝链，故不产生感应电势，输出电压U1=0。

当转子旋转（n≠0）时，转子切割直轴磁通，并在转子杯中产生切割电势Er，在图7-41（b）所示瞬间，转子杯上电势的方向如图中外圈的符号所示。由于直轴磁通Φd为脉振磁通，电势Er亦为交变电势，故其交变频率即为磁通Φd的脉振频率ƒ。它的大小应为

若磁通Φd的幅值恒定，则电动势Er与转子的转速n成正比关系。

由于转子杯为短路线组，电动势Er就在转子杯中产生短路电流Ir，电流Ir为频率ƒ的交变电流，其大小正比于电动势Er。若考虑到转子杯中漏抗的影响，电流将在时间相位上滞后电动势一个电角度；若忽略转子杯中漏抗的影响，电流Ir在时间相位上与转子杯电动势Er同相位，即在任一瞬时，转子杯中的电流方向与电动势方向一致。

当然，转子杯中的电流Ir也要产生脉振磁通（交轴磁通）Φq其脉振频率仍为ƒ，而大小则正比于电流Ir，即

无论转速如何，由于转子杯上半周导体的电流方向与下半周导体的电流方向总相反，而转子导条沿着圆周又是均匀分布的。因此，转子杯中的电流Ir产生的交轴磁通Φq在空间的方向总是与磁通Φd垂直，而与输出绕组W2的轴线方向一致。Φq将在输出绕组中感应出频率为ƒ的电动势E2，从而产生测速发电机的输出电压U2，它的大小正比于Φq，即

所以，异步测速发电机输出电动势的频率即为励磁电源的频率，而与转子转速的大小无关，它的大小正比于转子转速n。故克服了同步测速发电机存在的缺点，使负载阻抗不会因转子转速的变化而改变。因此空心杯转子异步测速发电机在自动控制系统中得到了广泛的应用。

3）交流异步测速发电机的性能指标

交流异步测速发电机的技术指标主要有线性误差、相位误差和剩余电压。

（1）线性误差。交流异步测速发电机在理想状态下其输出电压和转速之间的关系是线性关系，但实际上它是非线性的。两者的绝对误差与理想状态下对应的最大输出电压之比，称为线性误差。造成线性误差的原因是气隙磁通不是常数。

（2）相位误差。在自动控制系统中，希望异步测速发电机的输出电压与励磁电压相位相同。但实际上，它们之间总是存在相位移，并且相位移的大小还随着转子的转速而变化。通常将最大超前相位移和最大滞后相位移的绝对值之和称为相位误差，可在励磁绕组中串入适当的电容加以补偿。

（3）剩余电压。在理想状态下，交流异步测速发电机的转速为0时，其输出电压也将为0。但实际上并非如此，如果测速发电机已经供电，转子处于静止状态，而输出绕组将输出一个很小的电压，这个电压称为剩余电压。它一般是由磁路不对称、绕组匝间短路、铁芯片间短路和转子电压不对称引起的，减小异步测速发电机的剩余电压的措施如下：

①采用单层集中绕组；

②采用定子铁芯和空心杯转子。

另外还可以采用定子铁芯旋转形叠装法、补偿绕组等方法降低异步测速发电机的剩余电压。

4）交流异步测速发电机的特点及应用

与直流测速发电机相比，交流异步测速发电机具有结构简单、维护容易、运行可靠等优点。

由于没有电压和换向器，因而无滑动接触，输出特性稳定、精度高。但它存在相位误差和剩余电压；输出斜率小，输出特性随负载性质而不同。

交流异步测速发电机可用来作为角加速度的信号元件。其原理是：异步测速发电机的励磁绕组外施稳压直流电源，电动机中产生恒定磁场，因为转子转速不变，故转子空心杯切割恒定磁通感应出转子电动势，并由它在空心杯中产生短路电流，建立交轴磁场Φq。而交轴磁场也为恒定磁场，所以输出绕组中不会有感应电动势，这时输出电压为0。只有当转子转速变化时，交轴磁场也随之变化，在输出绕组中才感应出变压器电动势，并有输出电压。在这种情况下，输出电压将正比于转子的加速度。所以，采用直流励磁的交流异步测速发电机在原理上可以作为角加速度信号元件，但是这种角加速度计的灵敏度较低。