[科普中国]-直流永磁式测速发电机

简介

永磁式测速发电机是用于测量机械转动速度的直流电机。该电机能精确地把输入参数转动速度变换成直流电压，然后显示其值或将电压输入到控制设备中对速度进行控制调节。

制造永磁式直流测速发电机，要求其转动惯量要小，要有稳定的刚度，良好的防护性能。最重要的是要求发电机转速——电压特性曲线在较大的转速变化范围内是线性的，而且速度变化必须在瞬间引起电压变化，即电枢电路时间常数要小，输出电压不能含高次谐波。

外界磁场、机械应力、大气压变化都会对输出电压产生影响，因此要求此类影响尽量要小。发电机反转或在各种工作周期中输出电压也会出现误差，必须将这些误差保持在允许范围内。由于使用环境的变化，温度会发生波动，而温度对输出电压的影响是无法避免的，必须采取相应的措施把温度的影响降低到最小程度2。

特点直流永磁式测速发电机是一种将转子速度转换为电气信号的机电式信号元件，是伺服系统中的基本元件之一。作为测速、校正、解算元件，它被广泛应用于各种速度和位置控制系统中。直流永磁式测速发电机主要由定子、转子和电刷部件等组成。它用永久磁钢激磁，不需要另外加激磁电源，结构简单。一般情况下自动控制系统对其元件的要求主要是高的精确度、灵敏度、可靠性等。因此，永磁直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：

(1)输出电压和转速成线性关系。

(2)输出特性的斜率大，即其灵敏度高。

(3)温度变化对输出特性的影响小。

(4)输出电压纹波小。

(5)正、反转的输出特性应一致。

不难看出，要求(1)和(3)-(5)是为了提高测速机的精度。

永磁直流测速发电机的输出特性如图1所示。从图中可以看出其输出电压V与转速n成正比，随着负载电阻R变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间不能严格保持线性关系。它的输出电压还会随着温度的变化而变化。。永磁式直流测速发电机的特点是输出斜率大，可以直接作为反馈信号1。

运行误差分析永磁式直流测速发电机运行中误差的产生主要有四方面原因：温度的影响，电枢反应的影响，换向延迟的影响以及纹波的影响。除以上四种影响因素外，对于有刷的永磁式直流测速发电机，电刷和换向器之间滑动接触的不稳定性会使电枢电流产生高频分量并产生无线电干扰信号。此外，由于电刷没有严格与几何中性线上的元件相连接，而引起的正反转特性轻度的不一致，亦可在运行过程中产生误差。主要介绍温度，电枢反应，换向延迟，纹波产生的误差。

（1）温度的影响

① 温度对输出电压产生影响是由于永磁式直流发电机用永磁磁铁作为激励磁场，温度变化时磁通量会发生变化，变化的大小因磁性材料的不同而有所差异，常用优质铝镍钴合金作永久磁铁。这种材料在温度变化时磁通量变化较小，发电机电动势 ，因而输出电压的变化也较小。经测试，温度每变化10℃，输出电压变化0.3%，而铁氧体磁铁却变化3%。但对于极精密的控制设备，温度的影响还是不可忽视的，必须要考虑减小以至消除这种影响，所以要考虑永磁式直流发电机磁路的温度补偿。

② 永磁式直流测速发电机的温度补偿可从磁路结构考虑，增添一个用软磁材料制作的磁分路。添置磁分路能在0—60℃范围内作温度补偿。假设磁通量为0.0065～0.01T，用磁分路短路漏磁部分，并从一开始就降低输出电压。这种软磁材料具有负的温度系数，即温度增加、磁路变热时，磁通量减少。同时磁分路磁阻增加，引起磁短路的漏磁通减弱，因此补偿了有效磁通量的减少。其温度补偿效果取决于构成磁路的材料、截面面积和磁路结构。

另外，还有一种温度补偿方法，如图3所示。该方法适合于实验室对发电机温度影响的测试。把2台电气参数相同的永磁式直流发电机A，B相互联接，并使其转速一样，A，B发电机输出电压反接，并在A发电机的电路中调节分压器，平衡时，电流计读数为零。分压器采用精密可变电阻，若测试A，B电压在达到稳定温度后实现平衡，A发电机因分压器电流引起的电压变化由于其高内阻而忽略不计，B发电机升温时分压器和A发电机所处的环境温度保持不变。升温后的B发电机的输出电压变化值为：

式中， ——升温的B发电机的电压变化；

——测试开始时B发电机的空载电压；

——分压器的固定电阻；

——测试开始时可变电阻值；

——测试过程中可变电阻的变化值。

所有电压单位为V，电阻单位为Ω。

（2）电枢反应的影响

电枢反应会使磁路的总磁通变小，而且负载越小或转速越高，负载电流就越大，磁通被削弱得越多。因此在使用直流测速发电机时，转速不得超过规定的最大转速，所接负载电阻不得小于给定的电阻值，否则非线性误差将变大。

（3）换向延迟的影响

换向元件被电刷短路，在换向元件中会产生附加电流，其方向与感应电势的方向一致。此电流产生的磁通对主磁通起去磁作用，其数值大小与转速的平方成正比。因此为改善线性度，一般采取限制转速的措施削弱延迟换向产生的去磁作用。这一点与限制电枢反应去磁作用所采取的措施是一致的。

（4）纹波的影响

纹波电压，即直流测速电机输出电压的交流分量，相应的纹波系数规定为直流测速电机在一定转速下输出电压交流分量的有效值与输出电压直流量之比。影响纹波电压的因素可分为原理眭和工艺性的因素，可以证明，换向是影响直流测速发电机的使用寿命和性能指标，包括输出电压脉动的关键问题。纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所引起的。它对于测速机在用于阻尼)或速度控制方面都是不利的。因此若要降低输出电压的交流分量，可以选用电枢绕组的元件数和换向片数较多的测速机3。

应用永磁式直流测速发电机在低速控制系统中作为反馈元件或作为稳速阻尼元件。它除具有一般永磁直流测速发电机的优点外，还具有结构简单、紧凑、耦合刚度好、输出比电势高，反馈灵敏度高，输出斜率大、反应快，线性误差小、低速精确度高，可靠性好、寿命长等特点。因此被广泛应用于惯性导航的稳定平台、雷达天线驱动系统、陀螺仪实验台的稳定与跟踪系统及单晶炉直接驱动低速伺服系统1。