[科普中国]-测速发电机

介绍

测速发电机输出的信号(电压值或频率)与转速成正比例关系， 某些测速发电机的输出信号还能反映转向。测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度; 在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用， 或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。1

测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。测速发电机分为直流和交流两种。

直流测速发电机直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。

用永磁材料制成的直流测速发电机还分有限转角测速发电机和直线测速发电机。它们分别用于测量旋转或直线运动速度，其性能要求与直流测速发电机相近，但结构有些差别。

结构直流测速发电机 采用直流电机结构的测速发电机，其输出直流电压的大小正比于转速，极性与转向有关。直流测速发电机按励磁方式可分为电磁式和永磁式。按电枢结构不同可分为有槽电枢、无槽电枢、空心电枢和圆盘式印制绕组电枢。电磁式采用他励式，不仅复杂而且输出电压变化较大，用得不多。永磁式的定子用高性能永久磁钢构成，输出电压变化小，受温度变化的影响小，线性误差小，输出斜率(在规定条件下，单位转速产生的输出电压)高。永磁式测速发电机在20世纪80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。永磁式有槽电枢的直流测速发电机应用较多。永磁式低速直流测速发电机的工作转速可低达每分钟十转或数百转以下，或有较高的输出斜率。无刷直流测速发电机是没有电刷和换向器结构， 由电机和电子电路结合的测速发电机。

原理直流测速发电机的工作原理与直流发电机相同。在恒定磁场下，旋转的电枢导体切割磁通，就会在电刷间产生感应电动势。空载时，电机的输出电压与转速成正比。负载时，由于负载电阻、电枢电阻和电刷接触电阻引起的电压降，温度变化、磁极和电枢的磁滞及涡流的影响，电枢反应、齿槽效应以及换向过程对感应电动势瞬时值的影响等，使电机输出特性[输出电压U与转速n的关系， 即U=f(n)]的线性度变差；电刷与换向器的接触压降导致产生不灵敏区。

特点直流测速发电机的主要优点是：输出为零时，无剩余电压;输出斜率大，负载电阻较小;温度补偿较容易。主要缺点是：由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大;输出电压有纹波;正反转输出电压不对称; 对无线电有干扰。

交流测速发电机交流测速电机分异步与同步测速电机两种。

异步测速发电机异步测速发电机输出交流电压频率与励磁频率相同，其幅值与转子转速成正比的交流测速发电机。异步测速发电机的结构和普通两相笼型感应电动机相同， 定子上互差90°的两相绕组中， 一相为励磁绕组，接在50 Hz或400 Hz的交流电源上，另一相输出转速信号。当转子堵转时，定子励磁绕组在转子多相对称绕组中只产生变压器电动势， 于是转子磁通势和定子磁通势方向相反，起去磁作用，与这两个磁通势垂直的输出绕组中不产生电动势。当转子转动后，笼型绕组中除产生变压器电动势外还将产生切割电动势。由切割电动势产生的磁通势具有交轴的性质， 它交链输出绕组并在其中产生和转速成正比的信号电压。信号电压的频率和电源电压的相同， 信号电压对电源电压的相位差随旋转方向改变， 所以很适于和交流伺服电动机配套使用。笼型转子异步测速发电机的结构简单，可靠性高，输出斜率大;但线性度差，相位误差大，剩余电压高。为了提高异步测速发电机的精度，应用较广的是杯形转子异步测速发电机。这种电机的转子是一个薄壳非磁性圆环， 由电阻率较高的硅锰青铜或锡锌青铜制成，杯的内外由内定子和外定子构成磁路，杯壁也不是铁磁材料。为了减小气隙，杯壁必须较薄，约为0.2～0.3 mm。

阻尼型测速发电机是具有较高的堵转理论加速度值和较低的零速输出电压 (转速等于零时输出绕组两端产生的电压为零速输出电压，它是转子位置的函数)的异步测速发电机。比率型测速发电机是速敏输出电压(输出电压中为速度函数的基波输出电压分量。它在数值上等于在相同转速和试验条件下， 按两个旋转方向所测得的基波输出电压之和的1/2) 对零速输出之比较高，转子转动惯量较低，整个速度范围内输出电压线性度较高的异步测速发电机。积分型测速发电机是输出电压随温度变化偏差小、加热时间短的异步测速发电机， 通常具有温度控制和补偿网络。

异步测速发电机的励磁绕组中如果通以直流， 直轴磁通就将不再脉振而变成恒定磁通。当转速恒定时，由切割电动势产生的交轴磁通亦将恒定不变， 所以输出绕组中不产生电动势。当转速发生变化时，交轴磁通的大小将随着转速的变化而变化， 它交链输出绕组并在其中产生和转子加速度成正比的电动势， 所以向异步测速发电机的励磁绕组中送入直流， 就成为一个加速度检测器。

同步测速发电机同步测速发电机 采用同步电机结构， 输出交流电压的幅值和频率均与转速成正比的测速发电机。同步测速发电机又分为永磁式、感应子式和脉冲式。永磁式不需要励磁电源，转子为永磁励磁，具有结构简单易于维修的优点，但极数比较少，用二极管整流后纹波比较大，滤波比较困难。感应子式按定、转子之间可变磁阻效应产生感应电动势原理工作，极数比较多，整流后纹波比较小且便于滤波，但结构复杂维修困难。以上两种测速发电机既可用输出电压的幅值去反映转速，也可用输出电压的频率去代表转速。前者是模拟量，需要整流和滤波;后者是数字量，可以直接输入微处理机。如果将幅值和频率合起来使用，就有可能实现高灵敏度的转速检测，但不能判别旋转方向，这一点不如直流测速发电机。脉冲式以脉冲频率作为输出信号，可以直接输入微处理机， 是测速码盘中每转发出脉冲数较少的一种。由于其结构简单，坚固耐用，可以判别旋转方向，20世纪90年代后期随着数字技术的发展被广泛应用。3