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1、直流测速发电机 物理本质 测量转速的微型直流发电机 能量转换 机械能转换成电能 输出直流电 信号转换 速度信号转换成与转速成正比的直流电压信号 U K n 说明 2 1 1直流发电机工作原理2 1 2直流电势的形成2 1 3直流电机基本结构 2 1直流发电机工作原理和结构 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 在线圈中产生感应电势 2 1 1直流发电机工作原理 基本原理 直流发电机原理图 在空间固定不动的磁极N S之间 有一个铁质圆柱体 电枢铁心 装在转轴上 磁极与铁心间的气隙称为空气隙 导体ab cd固定在电枢铁心表面
2、径向相对的位置并连成一个线圈 元件 且假设初始状态为 ab在N极下 cd在S极下 模型设定 换向片之间 换向片与转轴之间均相互绝缘 这部分称为换向器 整个转动部分称为电枢 固定不动的导电片A B 电刷 压在换向片上 为滑动接触 N与S极间的中心线 两个重要位置 磁极轴线 几何中性线 N S磁极的中心线 分别用 表示电势方向 线圈两个有效边中的电势大小相等方向相反 整个线圈电势是两个有效边电势之和 即为一个有效边电势的两倍 电势方向是由d指向a 故a为正 d为负 电源 电刷A通过换向片与线圈的a端相接触 电刷B与线圈的d端相接触 此时A电刷为正 B电刷为负 电刷电势EBA eda edc eba
3、 c和b短接 0 瞬时电势 磁极磁通由N极穿过电枢铁心进入S极 假设电枢以转速n逆时针方向被拖动旋转 则导体ab cd切割磁力线产生电势 根据右手定则 此时 导体ab中电势的方向由b指向a 纸面向外 导体cd中电势由d指向c 纸面向内 导体cd处于N极下 导体ab处于S极下 这时它们的电势与0 瞬时电势大小相等方向相反 线圈电势的方向由a到d 此时d为正 a为负 两电刷间电势EBA ead eab ecd 仍然是A刷为正 B刷为负 180 瞬时电势 电刷A总是与处于正电位的换向片接触 而电刷B总是与处于负电位的换向片接触 虽然ab和cd感应的电势是交变的 但电刷AB两端的电压却是直流的 实际直
4、流电机的换向片较多 电刷和换向器配合起机械整流器的作用 电刷和换向器配合 每个绕组元件内部感应电势是交流的 但 一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和 因此 电刷间的电势为合成电势 是一个脉动的直流电势 工作状态下的电势 换向器 无论线圈转到什么位置 电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接 如电刷A始终与处在N极下的导体相连接 而处在一定极性下的导体电势方向是不变的 因而电刷两端得到的电势极性不变 小节要点 工作原理分析 换向器作用 导体切割磁通产生的电势 ei BxlvBx 导体所处位置的气隙磁通密度 l 导体有效长度 电枢铁心的长度 定值v 导体切割磁场的线速度 电枢圆周速度
5、常值 2 1 2直流电势的形成 ei Bx 因此 直流要求 方向和大小都不随时间变化 在整个磁极下 气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布 实际磁场分布 经换向器换向后 电刷间电势虽然方向不变 但有很大的脉动 这样的电势不是直流电势 而是脉动电势 为减小电势的脉动程度 实际电机中不是只有一个线圈 元件 而是由很多元件组成电枢绕组 这些元件均匀分布在电枢表面 并按一定的规律连接 导体处于不同位置 产生的电势ei大小不同 其随时间变化的规律与Bx相同 实际电势 实际电枢铁心表面有齿有槽 槽中安放元件 直流测速发电机一般都采用多匝元件 放在槽中的元件边为有效边 连接有效边的导线称为端部连线 淡红虚线 元
6、件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽中 一个有效边放在槽的上层 靠近槽口 另一个有效边放在槽的下层 靠近槽底 上层边所在的槽号表示元件号 上层边出线端称头 红色实线 下层边出线端称尾 蓝色实线 电枢饶组 每个绕组元件内部感应电势是交流的 但 一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和 因此 电刷间的电势为合成电势 是一个脉动电势 等值电路 电枢表面槽数增多 元件数增多 则电刷间串联的元件数增多 输出电势的平均值将更大 脉动更小 就得到大小和方向都不变的直流电势 输出电势 小节要点 元件和电刷两端电量的性质 电刷 换向器 的作用 2 1 3直流电机基本结构 1 定子铁心和励磁绕组2 电
7、枢铁心和电枢绕组3 换向器和电刷 主要部件 本节要点 如何产生极性不变的电势 如何产生直流电势 电刷的作用 位置 电枢饶线与换向片连接 基本构造 定 转子 电刷 换向器作用 起机械整流器作用 后续基本原理中进一步介绍 元件交流 电刷两端直流 注意 各部件的作用 一 构造 风叶 磁极 电刷 电枢转子 转轴 换向器 换向片 压紧环 电枢绕组 绕组端部 结构细说 换向器 2 2直流电势的关系式 电刷间的电势 ei Bxlv Bx极中心处最小 极尖处较大 电刷间电势 Ea sep导体感应电势 ep Bplv所以Ea sBplv 导体的感应电势ei随Bx变化 且Bx非常数 为简化分析 取一个磁极下气隙磁
8、通密度的平均值为Bp 一个磁极下所有导体的平均电势为ep 电刷间的电势Ea即为一个磁极下导体的平均电势乘上一对电刷所串联的导体数s 模型假定 平均磁通密度 电枢表面圆周速度 导体感应电势 电刷间电势 考虑实际电机结构 一对电刷所串联的导体数s等于电刷间每条并联支路中的导体数 s值等于电枢绕组总导体数N除以电刷间的并联支路数2a 电刷电势关系式简化为 Ea Ce n 工程关系式 Ce pN 60a 一定时 Ea Ken Ke Ce 称为电势系数 本节要点 电刷电势的推导过程 电势关系式 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2 3 2自动控制系统对直流测速发电机的要求2
9、 3 3输出特性 按照励磁方式划分1 永磁式永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成 没有励磁绕组 结构简单 但永磁材料贵 2 3 1直流测速发电机的型式 2 电磁式电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电 通电时产生磁场 永磁按照应用场合划分 1 普通速度电机 一般几千转 分 最高可达1 104r min以上 2 低速电机 几百转 分以下 最低可达一转 分以下 总体要求 精确度高 灵敏度高 可靠性好 1 输出电压与转速的关系曲线 称为输出特性 应为线性 2 输出特性的斜率要大 3 温度变化对输出特性的影响要小 4 输出电压的纹波要小 即要求在一定的转速下输出电压要稳定 波动要小
10、5 正 反转两个方向的输出特性要一致 2 3 2自动控制系统对直流测速发电机的要求 测速发电机的理想输出特性 2 3 3输出特性 直流电势公式 Ea Ce n 当每极总磁通 为常数时 Ea n带载输出电压 Ua Ea IaRa 直流发电机电压平衡方程式 2 4直流测速发电机的误差及其减小的方法 2 4 1温度影响 2 4 2电枢反应影响 2 4 3延迟换向去磁 2 4 4纹波 2 4 5电刷接触压降 Ua f n 为线性关系的条件之一是励磁磁通 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
11、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 2 4 1温度影响 一 产生原因及影响 1 一般情况下 采用励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流 2 对于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合 可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络 选择并联网络参数的方法是 作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线1 再作并联网络电阻随温度变化的曲线2 前者温度系数为正 后者温度系数为负 确保这两条曲线的斜率相等 则励磁回路的总电阻就不会随温度而变化3 因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化 二 减小措施 2 4 2电枢反应影响 主磁场电枢磁场合成磁场 电枢导体的
12、电流方向总是以电刷为其分界线 即电刷两侧导体中的电流大小相等 方向相反 不论转子转到哪个位置 电枢导体电流在空间的分布情况始终不变 因此 电枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变 即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场 由于电刷位于几何中性线上 所以电枢磁场在电刷轴线两侧是对称的 电刷轴线就是电枢磁场的轴线 电枢磁场产生分析 电枢磁场也是一个两极磁场 主磁极轴线的左侧相当于该磁场的N极 右侧相当于S极 在每个主磁极下面 电枢磁场的磁通在半个极下由电枢指向磁极 在另外半个极下则由磁极指向电枢 即半个极下电枢磁通和主磁通同向 另外半个极下电枢磁通和主磁通反向 因此合成磁场的磁通密度在半个极下是加强
13、了 在另外半个极下是削弱了 由于电枢磁场的存在 气隙中的磁场发生畸变 电枢反应 1 磁路不饱和磁路为线性 磁场的合成就可以应用叠加原理 例如 N极右半个极下的合成磁通等于1 2主磁通与1 2电枢磁通之和 左半个极下的合成磁通等于1 2主磁通与1 2电枢磁通之差 N极左半个极的削弱和右半个极的加强相互抵消 整个极的磁通保持不变 仅仅磁场的分布发生了变化 电机磁场分析 2 磁路饱和磁路非线性 不可简单叠加 增加部分将小于两着之和 减小部分还等于两着之差 因此总体减小 电枢对主磁场起到去磁作用 减小的措施 1 最大线性工作转速nmax2 最小负载电阻值 使用时 转速不得超过最大线性工作转速 所接负载
14、电阻不得小于最小负载电阻 以保证线性误差在限定的范围内 电枢对主磁场有去磁作用 即使电机励磁电流不变 空载时 Ia 0 的磁通 0和有载时 Ia 0 的合成磁通 是不等的 0 直流电机中 电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线 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 但是 在元件经过电刷且被电刷短路的过程中 它的电流既不是 ia也不是 ia 而是处于由 ia变到 ia的过渡过程 这个过程叫元件的换向过程 正在进行换向的元件叫换向元件 换向元件从开始换向到换向结束所经历的时间为换向周期 2 4 3延迟换向去磁 由于元件本身有电感 因此在换向过
15、程中当电流变化时 换向元件中要产生自感电势 eL的方向应与换向前的电流方向相同 产生分析 一 阻碍换向的自感电势 二 切割电枢磁场产生的电动势 换向元件在经过几何中性线位置时 由于切割电枢磁场而产生切割电势ea ea所产生的电流的方向也与换向前的电流方向相同 换向元件中有总电势ek eL ea 由于总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟 即换向元件中的电流由 ia变为 ia的时间延迟了 换向元件被电刷短路 于是总电势ek在换向元件中产生附加电流ik ik方向与ek方向一致 由ik产生磁通 k 其方向与主磁通方向相反 对主磁通有去磁作用 这样的去磁作用叫延迟换向去磁 三 合成效果 不考虑磁通变化
16、则直流测速发电机电势与转速成正比 负载电阻一定时 电枢电流及绕组元件电流也与转速成正比 另外 换向周期与转速成反比 电机转速越高 元件的换向周期越短 eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量 因此e 正比转速的平方 即eL n2 同样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 减小的措施 限制转速 根据Ea Ce n 当 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 实际的电机并非如此 其输出电势总是带有微弱的脉动 纹波 2 4 4纹波 产生原因 电机本身的固有结构及加工误差所引起的 由于电枢槽数及电枢元件数有限 在输出电势中将引起脉动 增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波 但是由于工艺所限 电机槽数 元件数及换向片数不可能无限增加 因此产生纹波是不可避免的 同时 由于电枢铁心有齿有槽 以及电枢铁心的椭圆度 偏心等等 也会使输出电势中纹波幅值上升 减小的措施 实用的测速机在结构和设计上采取一定的措施来减小纹波幅值 例如 无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值 与有槽电枢相比
