第1章
直流测速发电机
1.1 直流测速发电机的工作原理和结构
第 1 章 直流测速发电机
中国矿大信电学院
1.2 直流测速发电机的输出特性 1.3 直流测速发电机的误差和减小方法 1.4 直流测速发电机的性能指标及应用 1.5 直流测速发电机的应用举例 1.6 直流测速发电机的发展动向
第1章
直流测速发电机
本 章 要 求 ： 熟练掌握直流测速发电机的工作原理。 了解直流测速发电机的结构和型式。 熟练掌握直流测速发电机的输出特性。 搞清直流测速发电机的误差及其减小方法。 搞清直流测速发电机的性能指标。 熟练掌握直流测速发电机的应用。
1.1 直流测速发电机的原理和 结构 一、直流测速发电机的结构
直流电机
N
定子
+
n
定 子 铁 心
空 气 隙
转子
-
S
励 机 端 电 磁 绕 组 壳 盖 刷
电 换 电 转 枢 向 枢 绕 器 铁 组 心 轴
控制电机
控制电机
直流电机的定子
直流电机的转子
1
控制电机
控制电机
励磁方式：电磁式和永磁式 直流永磁电机
直流永磁电机 永磁直流测速发电机
控制电机
控制电机
永 磁 直 流 测 速 发 电 机
2577稀土直流伺服测速机组
用途：在随动系统中提供驱动力矩和 速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄 准具随动系统中 。
控制电机
控制电机
二、直流测速发电机的工作原理
N
b
+
a c
n
d
A
-
B
S
导体ab,cd切割 磁力线产生感应 电势，N极下电 势方向由b指向 a，s极下导体cd 中电势由c指向d, 因此电刷A为 正，B为负
当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电 势由d到c ，S极下导体电势由a到b，仍然A刷 为正，B刷为负。
N
d
+
c a
n
b
A
-
B
S
电枢连续旋转，导体 ab.cd轮流交替地切割N极和S 极下的磁力线,ab.cd中产生交 变电势，但是换向器的作 用，使电刷通过换向片只与 处于一定极性下的导体相连 接，从而使电刷两端得到的 电势极性不变，这就是直流 发电机的最基本工作原理。
原理动画
2
1.2 特性 一、基本概念
直流测速发电机的输出
控制电机
二、自动控制系统对测速发电机的要求： 1.输出电压与转速的关系曲线（即输 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。 5.正，反转两个方向的输出特性要一 致。
根据已学过的直流发电机的工作原理 知，电刷两端的感应电势 ： Ea = Ceфn=Ke n 由上可知：1.电刷两端的感应电势与 电机的转速成正比。2.直流发电机能够把 转速信号换成电势信号，从而用来测速。
控制电机
控制电机
三、输出特性 Ia Uj Ea RL
由直流电机电势公式得：
输出特性曲线： Ua
RL =无穷大
Ea=Ceфn=Ke n Ua
在图示正方向下得：
C eφ Ua = n 1 + Ra / RL
Ua=Ea-IaRa Ia=Ua/RL
RL1
由上式知：若Φ、 RL 、 Ra 都能保持常数，则 Ua ∝n
RL2
负载时测速发电机的输出电压为：
Ua = C eφ n 1 + Ra / RL
RL1 >RL2
但随RL减小， 特性斜率变小，实 际特性与理论特性 n 间存在误差。
控制电机
图中实线为 直流测速发电机 理想输出特性， 虚线为实际输出 特性，实际特性 与要求的线性特 性间存在误差， 且该误差与负载 电阻有关。
Ua
RL =无穷大 RL1
1.3 直流测速发电机的误差和减小 方法 一 温度的影响 由于电机周围环 Ia Ea Ua
RL
If RL2
Uj
RL1 >RL2
n
境温度的变化以及电 机本身发热，使电机 绕组的电阻发生变 化。 温度t 升高，励磁绕 组电阻R 增大，磁通 ф减小输出电压U 降 低。反之，U 升高。
3
控制电机
控制电机
减小误差的考虑：
为了减小温度变化对输出特性的影响，测 速发电机的磁路应较为饱和。当磁路饱和时， 励磁电流变化引起的磁通变化较小。但是，由 于绕组电阻随温度变化的变化太大，要使输出 稳定，还必须采取措施以减小温度对输出特性 的影响。 φ If
具体方法：
Uj
Ia R EU L
Ia (1）在励磁回路中串联一 EU Uj 个阻值比励磁绕组电阻大 几倍的附加电阻来稳流。 附加电阻用温度系数较低的合金材料 制成，如锰镍铜合金。虽然温度升高励磁 电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加 不多。 (2)如果对于温度变化引起的误差要求 比较严格时，可在励磁回路串联负温度系 数的热敏电阻并联网络。
控制电机
R(t) 热敏网络参数选择方法： 1）作出励磁绕组电阻随温度 R Rf(t) 变化的曲线1； Uf 2）作并联网络电阻随温度变 化的曲线2。 曲线1温度系数为正; R 3 曲线2温度系数为 负；当两条曲线的斜 1 率相等，励磁回路的 2 总电阻就不随温度而 t 变化,曲线3 。 0
控制电机
二 电枢磁场的影响 N 不论转子 转到哪个位 置，电枢导体 电流在空间分 布情况始终不 变，因此电枢 磁场在空间是 S 固定不动的恒 电枢磁场 定磁场。 N
S 主磁场
控制电机
控制电机
减小误差的考虑：
电枢磁场产生附加去磁作用，负载时 的气隙磁通较空载时小，从而产生误差。 当负载电阻越小或转速越高，负载电 流就越大，电枢磁场产生的附加去磁作用 就越强，磁通被削弱的就越多，输出特性 偏离直线越远，非线性误差越大。 N Ua n S
为了减小电枢反应对输出特性的影响，测 速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中 规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件 给定的电阻值，以保证非线性误差较小。
三、其它影响
除了以上两种原因引起输 出特性的误差外，还有延迟换 向去磁、电势的纹波以及电刷 接触压降等都会引起输出特性 的误差，对此在电机中都采用 了相应减小误差的措施。
Uj
Ia EU
4
1.4 直流测速发电机的性能指标及 使用 一、主要性能指标 1、线性误差 在工作转速范围内， 输出电压与理想输出电压 之差对最大理想输出电压 之比 ∆U
δx = Um × 100%
控制电机
U(V)
实测值
Um
理论值
o
5 nb一般为 nmax , δ x 一般为0.5%左右 6
nb nmax
n
2 、输出斜率 在额定的激磁条件下，单位转速 （1000r/min）时产生的输出电压。 3 、最大线性工作转速nmax 在允许的线性误差范围内的电枢最高转速。 额定转速就是最大线性工作转速。 4 、负载电阻RL 保证输出特性在误差范围内的最小负载电阻值。 此外，还包括不灵敏区、输出电压的不对称度、 纹波系数、变温输出误差和输出电压温度系数等 性能指标。
控制电机
控制电机
二、直流测速发电机的使用 1、直流测速发电机的选用 选用直流测速发电机时，应根据其在 系统中的用途来选择。 1）当作为运算元件或用于恒速控制时，应 着重考虑其线性度和纹波电压，而对输出 斜率的要求则是第二位的； 2）当作为校正元件时，应着重考虑其输出 斜率，而对其其线性度和纹波电压的要求 并不是很严格的。
2、直流测速发电机的接线
电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清 楚电枢绕组端头和激磁绕组端头。
S1 F1
一般标有F1和F2的为 激磁绕组，标有S1和S2的 为电枢绕组。 如果标记看不清或已 脱落，如何判断？
F2 S2
1.5 直流测速发电机的应用 举例 直流测速发电机在自动控制系统和计 算装置中可以作为测速元件、校正元件、 解算元件和角加速度信号元件。它可以测 量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓 慢的转速。 下面以测速发电机在速度控制系统中 作为转速负反馈元件调节电动机的转速， 以稳定系统的转速为例，介绍测速发电机 的使用。
控制电机 电磁滑差离合器的异步调速系统 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
给定
控制器
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
系统由异步电动机、电磁滑差离合器、测速发电机 和控制电路组成。通过离合器来调节负载速度。
5
给定
控制器
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
给定
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
控制器
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
电磁滑差离合器的电枢与异步电动机同轴旋转，其 中有短路绕组；磁极与负载同轴旋转，其中的励磁 绕组通入直流电流，在离合器的磁路中产生磁通。 电枢旋转时，其绕组切割气隙磁场，感应电势，产 生电流，该电流与气隙磁场作用就产生电磁转矩， 使磁极和负载随着电枢向同一个方向旋转。
电磁滑差离合器的电枢与磁极必须有转差，才能产 生电磁转矩，所以叫电磁滑差离合器。 调节电磁滑差离合器的励磁电流，可以调节电磁转 矩的大小，从而可以控制磁极和负载的速度。
控制电机 电磁滑差离合器的机械特性 机械特性特点： 1、励磁固定时，负载转矩增 加，转速下降很大，即特性 软。 2、励磁电流越小特性越软。 3、对恒转矩负载，电磁滑差离 合器本身的调速范围小。 n If1
TL
给定
+ 控制器 Ua 信号处 理电路
UC
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
L
测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
为了提高特性的硬度扩大调速范围，需要采用速度负反 馈构成的闭环系统。由于负载的变化而引起的转速变化 由速度负反馈系统进行自动调节，使转速维持恒定。调 速范围可达10：1。 该系统采用测速发电机检测速度，来构成速度负反馈的 闭环系统。改变速度给定控制信号，就可以得到不同的 闭环特性，从而实现调速。
1.6 直流测速发电机的发展 动向 一、发展高灵敏度直流测速发电机 二、改进电刷与换向器的接触装置，发 展无刷直流测速发电机 三、发展永磁式无槽电枢、环形电枢、印 刷绕组电枢直流测速发电机
控制电机
作业：1、2-4 (p26) 2、查找一个带直流测速发电机的自控系 统，分析其工作原理。
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直流测速发电机
1.1 直流测速发电机的工作原理和结构
第 1 章 直流测速发电机
中国矿大信电学院
1.2 直流测速发电机的输出特性 1.3 直流测速发电机的误差和减小方法 1.4 直流测速发电机的性能指标及应用 1.5 直流测速发电机的应用举例 1.6 直流测速发电机的发展动向
第1章
直流测速发电机
本 章 要 求 ： 熟练掌握直流测速发电机的工作原理。 了解直流测速发电机的结构和型式。 熟练掌握直流测速发电机的输出特性。 搞清直流测速发电机的误差及其减小方法。 搞清直流测速发电机的性能指标。 熟练掌握直流测速发电机的应用。
1.1 直流测速发电机的原理和 结构 一、直流测速发电机的结构
直流电机
N
定子
+
n
定 子 铁 心
空 气 隙
转子
-
S
励 机 端 电 磁 绕 组 壳 盖 刷
电 换 电 转 枢 向 枢 绕 器 铁 组 心 轴
控制电机
控制电机
直流电机的定子
直流电机的转子
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控制电机
控制电机
励磁方式：电磁式和永磁式 直流永磁电机
直流永磁电机 永磁直流测速发电机
控制电机
控制电机
永 磁 直 流 测 速 发 电 机
2577稀土直流伺服测速机组
用途：在随动系统中提供驱动力矩和 速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄 准具随动系统中 。
控制电机
控制电机
二、直流测速发电机的工作原理
N
b
+
a c
n
d
A
-
B
S
导体ab,cd切割 磁力线产生感应 电势，N极下电 势方向由b指向 a，s极下导体cd 中电势由c指向d, 因此电刷A为 正，B为负
当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电 势由d到c ，S极下导体电势由a到b，仍然A刷 为正，B刷为负。
N
d
+
c a
n
b
A
-
B
S
电枢连续旋转，导体 ab.cd轮流交替地切割N极和S 极下的磁力线,ab.cd中产生交 变电势，但是换向器的作 用，使电刷通过换向片只与 处于一定极性下的导体相连 接，从而使电刷两端得到的 电势极性不变，这就是直流 发电机的最基本工作原理。
原理动画
2
1.2 特性 一、基本概念
直流测速发电机的输出
控制电机
二、自动控制系统对测速发电机的要求： 1.输出电压与转速的关系曲线（即输 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。 5.正，反转两个方向的输出特性要一 致。
根据已学过的直流发电机的工作原理 知，电刷两端的感应电势 ： Ea = Ceфn=Ke n 由上可知：1.电刷两端的感应电势与 电机的转速成正比。2.直流发电机能够把 转速信号换成电势信号，从而用来测速。
控制电机
控制电机
三、输出特性 Ia Uj Ea RL
由直流电机电势公式得：
输出特性曲线： Ua
RL =无穷大
Ea=Ceфn=Ke n Ua
在图示正方向下得：
C eφ Ua = n 1 + Ra / RL
Ua=Ea-IaRa Ia=Ua/RL
RL1
由上式知：若Φ、 RL 、 Ra 都能保持常数，则 Ua ∝n
RL2
负载时测速发电机的输出电压为：
Ua = C eφ n 1 + Ra / RL
RL1 >RL2
但随RL减小， 特性斜率变小，实 际特性与理论特性 n 间存在误差。
控制电机
图中实线为 直流测速发电机 理想输出特性， 虚线为实际输出 特性，实际特性 与要求的线性特 性间存在误差， 且该误差与负载 电阻有关。
Ua
RL =无穷大 RL1
1.3 直流测速发电机的误差和减小 方法 一 温度的影响 由于电机周围环 Ia Ea Ua
RL
If RL2
Uj
RL1 >RL2
n
境温度的变化以及电 机本身发热，使电机 绕组的电阻发生变 化。 温度t 升高，励磁绕 组电阻R 增大，磁通 ф减小输出电压U 降 低。反之，U 升高。
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控制电机
控制电机
减小误差的考虑：
为了减小温度变化对输出特性的影响，测 速发电机的磁路应较为饱和。当磁路饱和时， 励磁电流变化引起的磁通变化较小。但是，由 于绕组电阻随温度变化的变化太大，要使输出 稳定，还必须采取措施以减小温度对输出特性 的影响。 φ If
具体方法：
Uj
Ia R EU L
Ia (1）在励磁回路中串联一 EU Uj 个阻值比励磁绕组电阻大 几倍的附加电阻来稳流。 附加电阻用温度系数较低的合金材料 制成，如锰镍铜合金。虽然温度升高励磁 电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加 不多。 (2)如果对于温度变化引起的误差要求 比较严格时，可在励磁回路串联负温度系 数的热敏电阻并联网络。
控制电机
R(t) 热敏网络参数选择方法： 1）作出励磁绕组电阻随温度 R Rf(t) 变化的曲线1； Uf 2）作并联网络电阻随温度变 化的曲线2。 曲线1温度系数为正; R 3 曲线2温度系数为 负；当两条曲线的斜 1 率相等，励磁回路的 2 总电阻就不随温度而 t 变化,曲线3 。 0
控制电机
二 电枢磁场的影响 N 不论转子 转到哪个位 置，电枢导体 电流在空间分 布情况始终不 变，因此电枢 磁场在空间是 S 固定不动的恒 电枢磁场 定磁场。 N
S 主磁场
控制电机
控制电机
减小误差的考虑：
电枢磁场产生附加去磁作用，负载时 的气隙磁通较空载时小，从而产生误差。 当负载电阻越小或转速越高，负载电 流就越大，电枢磁场产生的附加去磁作用 就越强，磁通被削弱的就越多，输出特性 偏离直线越远，非线性误差越大。 N Ua n S
为了减小电枢反应对输出特性的影响，测 速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中 规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件 给定的电阻值，以保证非线性误差较小。
三、其它影响
除了以上两种原因引起输 出特性的误差外，还有延迟换 向去磁、电势的纹波以及电刷 接触压降等都会引起输出特性 的误差，对此在电机中都采用 了相应减小误差的措施。
Uj
Ia EU
4
1.4 直流测速发电机的性能指标及 使用 一、主要性能指标 1、线性误差 在工作转速范围内， 输出电压与理想输出电压 之差对最大理想输出电压 之比 ∆U
δx = Um × 100%
控制电机
U(V)
实测值
Um
理论值
o
5 nb一般为 nmax , δ x 一般为0.5%左右 6
nb nmax
n
2 、输出斜率 在额定的激磁条件下，单位转速 （1000r/min）时产生的输出电压。 3 、最大线性工作转速nmax 在允许的线性误差范围内的电枢最高转速。 额定转速就是最大线性工作转速。 4 、负载电阻RL 保证输出特性在误差范围内的最小负载电阻值。 此外，还包括不灵敏区、输出电压的不对称度、 纹波系数、变温输出误差和输出电压温度系数等 性能指标。
控制电机
控制电机
二、直流测速发电机的使用 1、直流测速发电机的选用 选用直流测速发电机时，应根据其在 系统中的用途来选择。 1）当作为运算元件或用于恒速控制时，应 着重考虑其线性度和纹波电压，而对输出 斜率的要求则是第二位的； 2）当作为校正元件时，应着重考虑其输出 斜率，而对其其线性度和纹波电压的要求 并不是很严格的。
2、直流测速发电机的接线
电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清 楚电枢绕组端头和激磁绕组端头。
S1 F1
一般标有F1和F2的为 激磁绕组，标有S1和S2的 为电枢绕组。 如果标记看不清或已 脱落，如何判断？
F2 S2
1.5 直流测速发电机的应用 举例 直流测速发电机在自动控制系统和计 算装置中可以作为测速元件、校正元件、 解算元件和角加速度信号元件。它可以测 量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓 慢的转速。 下面以测速发电机在速度控制系统中 作为转速负反馈元件调节电动机的转速， 以稳定系统的转速为例，介绍测速发电机 的使用。
控制电机 电磁滑差离合器的异步调速系统 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
给定
控制器
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
系统由异步电动机、电磁滑差离合器、测速发电机 和控制电路组成。通过离合器来调节负载速度。
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给定
控制器
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
给定
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
控制器
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
L
信号处 理电路 测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
电磁滑差离合器的电枢与异步电动机同轴旋转，其 中有短路绕组；磁极与负载同轴旋转，其中的励磁 绕组通入直流电流，在离合器的磁路中产生磁通。 电枢旋转时，其绕组切割气隙磁场，感应电势，产 生电流，该电流与气隙磁场作用就产生电磁转矩， 使磁极和负载随着电枢向同一个方向旋转。
电磁滑差离合器的电枢与磁极必须有转差，才能产 生电磁转矩，所以叫电磁滑差离合器。 调节电磁滑差离合器的励磁电流，可以调节电磁转 矩的大小，从而可以控制磁极和负载的速度。
控制电机 电磁滑差离合器的机械特性 机械特性特点： 1、励磁固定时，负载转矩增 加，转速下降很大，即特性 软。 2、励磁电流越小特性越软。 3、对恒转矩负载，电磁滑差离 合器本身的调速范围小。 n If1
TL
给定
+ 控制器 Ua 信号处 理电路
UC
控制电机 电磁滑差 磁极 离合器 电枢
L
测速发电机
M
直流励 磁绕组
Uu Uv Uw
为了提高特性的硬度扩大调速范围，需要采用速度负反 馈构成的闭环系统。由于负载的变化而引起的转速变化 由速度负反馈系统进行自动调节，使转速维持恒定。调 速范围可达10：1。 该系统采用测速发电机检测速度，来构成速度负反馈的 闭环系统。改变速度给定控制信号，就可以得到不同的 闭环特性，从而实现调速。
1.6 直流测速发电机的发展 动向 一、发展高灵敏度直流测速发电机 二、改进电刷与换向器的接触装置，发 展无刷直流测速发电机 三、发展永磁式无槽电枢、环形电枢、印 刷绕组电枢直流测速发电机
控制电机
作业：1、2-4 (p26) 2、查找一个带直流测速发电机的自控系 统，分析其工作原理。
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