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。 众所周知， 此时所产生的电势：

n——为工作转速。

单极测速发电机输出特性

1、空载

当转速为n（r/min）， 空载磁通为

式中

为空载输出斜率。

在单极电机中，气隙磁通

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。

单极测速发电机纹波系数

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。

单极测速发电机无信号区

无信号区的大小取决于无信号区的边界转速n_z， 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

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。

单极测速发电机输出电压不对称度

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。

单极测速发电机最大允许转速

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。

单极测速发电机瞬态响应

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。

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。

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。

交流测速电机分异步与同步测速电机两种。

测速发电机异步测速发电机

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。

测速发电机同步测速发电机

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。

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。

测速发电机结构

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。

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。

测速发电机特点

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。