[科普中国]-单极测速发电机

原理

单极测速发电机的原理为一个圆柱式或圆盘式电枢在极性不变的匀强磁场中旋转，并在电枢中感应电势。1众所周知， 此时所产生的电势：

式中——为磁通量；

n——为工作转速。2

特性输出特性1、空载

当转速为n（r/min）， 空载磁通为（Wb）。则空载感应电势：

式中

为空载输出斜率。

在单极电机中，气隙磁通保持恒定不变。因此， 直流电势E0和工作转速n成线性关系。

2、负载

从理论分析， 在负载状态下， 存在着电枢反应。在直流换向器电机中， 电枢反应的性质取决于电刷偏离几何中性线的位置而在直流单极电机中， 电枢反应的性质则取决于集电装置的结构采用电刷集电的单极电机， 在电枢中将会出现不平衡电流， 它建立的纵轴电枢反应， 在发电机状态下起去磁作用， 而横轴电枢反应使主磁场畸变， 且引起向刷边挤流。

电机的工作点通常处在磁化曲线的非线性部分， 因而将引起总磁通减少和相应的电动势降低。在低电压、大电流的大功率单极电机中， 横轴电枢反应磁势要比换向器电机强烈得多， 而它的横轴磁阻又是很小的， 因此， 电枢反应磁场很大。曾在试验中已经证实， 在大电流的情况下， 若不采取克服电枢反应的有效措施， 输出特性的线性度将是很差的。但是， 在微机测试中， 通过单极电机本身的测试电流极小， 而电枢的导体数为1， 因此， 电枢反应磁势与激磁磁势相比则微不足道， 电机实际处于空载状态。故这种电机在测试状态下仍有良好的线性度。

纹波系数单极测速发电机， 电枢无齿槽， 无换向器， 不象直流测速发电机那样， 存在着电势多边形和齿谐波引起的电压脉动单极测速发电机输出无纹波的直流电压信号。它不存在换向问题以及由于换向火花而产生的无线电干扰。这对于转速测量的稳态和瞬态测试精度以及排除微机测试中的干扰源无疑是一个突出的优点。

无信号区无信号区的大小取决于无信号区的边界转速nz， 由测速发电机原理可知：

即无信号区的范围仅取决于电刷的接触压降和测速发电机的空载输出斜率的比值。电刷的接触压降、与电刷电流密度有一定的函数关系，见图。

由图可知， 由于微机测试的电流极小， 即电刷的电流密度极小， 电刷压降是很小的。已经证明， 只要合理的选择电刷和电刷压力， 即使空载输出斜率为毫伏级， 在微机测试中， 无信号区域仍然是很小的。

输出电压不对称度由于单极电机为一单根导体在匀强磁场中运动， 正、反向运转运行性能完全一样，故输出电压对称性能好。

最大允许转速单极测速发电机不象直流测速发电机受换向片间电压的限制， 从而限制了最高转速。单极测速发电机最高转速仅受轴承结构限制， 故转速可以很高。

瞬态响应单极测速发电机导体数N=1， 电枢电感很小；由于发出的是无纹波的直流电压信号， 不需要滤波电路。因此， 瞬态响应好。

综合上述， 单极测速发电机无论是稳态或瞬态， 都具有优良的品质， 是一种理想的测速元件。

结构型式的选择测速发电机一般要求体积小， 转动惯量小， 结构简单， 工作可靠。故单极测速发电机选用圆筒式空芯怀转子， 半利川的永磁式结构。为了保证磁场的匀强性， 不宜采用非磁性垫块的方法来克服电枢反应在流引时， 可采用回路补偿法。对于这种低电压的电刷引流装置， 为了防止电刷的跳动和接触压降的波动， 电刷装置和电刷压力的设计相当重要。

优点单极测速发电机结构简单， 没有换向纹波和齿谐波带来的测量误差， 也不会因为需要采用滤波措施而增加了时间常数或滤掉了有用的波形，它的瞬态响应好， 灵敏度高。因此， 单极测速发电机无论是稳态或瞬态都具有优良的品质， 尤其在速度的动态测量中， 它是一种理想的测速元件。随着现代电子技术的发展和微计算机的应用， 研究单极测速发电机及其在转速测量中的应用， 对研究动态参数， 满足现代快速驱动的要求是一项有意义的工作。2