教學(xué)課件控制電機(第四版)-2

1、1.1 控制電機在自動控制系統(tǒng)中的作用 1.2 控制電機的種類和特點 1.3 如何學(xué)習(xí)“控制電機”這門課程 第1章 緒論1.1 控制電機在自動控制系統(tǒng)中的作用 在各類自動控制系統(tǒng)、 遙控和解算裝置中， 需要用到大量的各種各樣的元件。 控制電機就是其中的重要元件之一。 它屬于機電元件， 在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、 檢測和解算的功能。 雖然從基本原理來說， 控制電機與普通旋轉(zhuǎn)電機沒有本質(zhì)上的差別， 但后者著重于對電機的力能指標(biāo)方面的要求， 而前者則著重于對特性、 高精度和快速響應(yīng)方面的要求， 滿足系統(tǒng)對它提出的要求。 控制電機已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件。

2、它的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如，火炮和雷達的自動定位， 艦船方向舵的自動操縱，飛機的自動駕駛，遙遠目標(biāo)位置的顯示， 機床加工過程的自動控制和自動顯示， 閥門的遙控， 以及機器人、 電子計算機、 自動記錄儀表、 醫(yī)療設(shè)備、 錄音錄像設(shè)備等中的自動控制系統(tǒng)。 下面以雷達掃描及自動跟蹤飛機的過程為例， 具體說明控制電機在自動控制系統(tǒng)中所起的作用和所處的地位。 雷達天線控制系統(tǒng)的原理線路如圖 1 - 1 所示。 這個系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)。 一種是當(dāng)雷達還沒有捕捉到飛機時， 要由雷達操縱手操作，使天線旋轉(zhuǎn)去搜索飛機， 這就是雷達的搜索過程。 這時圖 1 - 1 上的閘刀S合在位置。 第二種狀態(tài)是當(dāng)天線捕捉到目

3、標(biāo)時， 把閘刀立即合向位置。 這時雷達天線作自動跟蹤飛機的運動， 系統(tǒng)處于自動跟蹤狀態(tài)。 下面分別討論系統(tǒng)的這兩種狀態(tài)。圖 1 - 1 雷達天線控制系統(tǒng)原理線路 1.1.1 雷達天線控制系統(tǒng)的搜索狀態(tài) 在搜索飛機時， 我們希望雷達天線按照要求在空間不斷旋轉(zhuǎn)， 使雷達發(fā)射機發(fā)出的強大的電磁波束跟著天線的轉(zhuǎn)動在空中進行掃描。 由于雷達天線又大又重， 人是搖不動的， 這時雷達操縱手只需要搖動手把7， 使自整角發(fā)送機1的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 通過自動控制系統(tǒng)的作用， 就可使雷達天線3跟著自整角發(fā)送機的轉(zhuǎn)角自動地旋轉(zhuǎn)。 發(fā)送機轉(zhuǎn)幾度，天線也轉(zhuǎn)幾度； 發(fā)送機正轉(zhuǎn)， 天線也正轉(zhuǎn)； 發(fā)送機反轉(zhuǎn)， 天線也反轉(zhuǎn)。 自整角接

4、收機 2 的轉(zhuǎn)軸是和天線的轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)在一起的。 自整角發(fā)送機和自整角接收機一般不單獨使用而是成對地使用。 當(dāng)發(fā)送機的轉(zhuǎn)角和接收機的轉(zhuǎn)角相等， 也就是轉(zhuǎn)角差=- 等于零時， 接收機的輸出電壓U1也等于零。 當(dāng)轉(zhuǎn)角和不等時， 接收機就有和轉(zhuǎn)角差成正比的交流電壓U1 輸出。 這樣， 自整角接收機就好像自動控制系統(tǒng)的眼睛一樣， 可以很靈敏地感覺出天線的轉(zhuǎn)角是否跟上自整角發(fā)送機的轉(zhuǎn)角。 當(dāng)跟上時， 轉(zhuǎn)角等于轉(zhuǎn)角， 沒有電壓輸出； 當(dāng)沒有跟上， 即轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角不等時， 通過自整角接收機輸出電壓U1, 就可把轉(zhuǎn)角差測量出來， 因此自動控制系統(tǒng)中的自整角機被稱為敏感元件。 假如雷達手向某一方向搖動手輪 7， 產(chǎn)生

5、一個轉(zhuǎn)角差， 這時自整角接收機就有交流電壓U1輸出， 這個電壓經(jīng)過交流放大器放大后， 由環(huán)形解調(diào)器轉(zhuǎn)換成直流電壓U2， 并送入直流放大器放大， 放大后的直流電壓U3被輸入到可控硅控制線路的差動放大器， 去控制可控硅的導(dǎo)通和截止。 當(dāng)可控硅VD和VD導(dǎo)通時， 就有一定極性的信號電壓通入直流伺服電動機 5， 直流伺服電動機就立即向一個方向旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)手輪 7 向另一方向轉(zhuǎn)動， 電壓U1的相位就相反了， 因而使電壓U2、 U3的極性相反， 這時可控硅VD和VD導(dǎo)通， 通入直流伺服電動機的信號電壓極性也隨之相反， 直流伺服電動機就立即向另一方向旋轉(zhuǎn)。 這里直流伺服電動機將電信號變?yōu)檗D(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動， 執(zhí)行了電信

6、號所給予的控制任務(wù)， 所以常稱為執(zhí)行元件。 直流伺服電動機轉(zhuǎn)動以后， 經(jīng)過變速箱 4 帶動天線 3 旋轉(zhuǎn)， 同時也帶動自整角接收機。 直流伺服電動機應(yīng)該是朝著天線和發(fā)送機之間的轉(zhuǎn)角差減小的方向旋轉(zhuǎn)， 直到轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角相等。 這時U1、 U2、 U3都等于零， 伺服電動機才停止轉(zhuǎn)動。 這樣， 雷達天線的轉(zhuǎn)角就能自動地跟隨手輪而轉(zhuǎn)動， 以達到手控天線的目的。 為了改善自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)， 在系統(tǒng)中還采用了校正元件直流測速發(fā)電機。 測速發(fā)電機的輸出電壓U4與它的轉(zhuǎn)速n成正比， 并把它反饋到直流放大器中。整個控制系統(tǒng)的工作原理可以用圖 1 - 2 這樣的方框圖來表示。 圖上各個元件和實際線路對應(yīng)如下：敏

7、感元件自整角發(fā)送機和接收機。轉(zhuǎn)換元件放大器和解調(diào)器。放大元件直流放大器和可控硅控制線路。執(zhí)行元件直流伺服電動機。校正元件直流測速發(fā)電機?？刂茖ο罄走_天線。圖 1 - 2 雷達天線控制系統(tǒng)方框圖 1.1.2 雷達天線控制系統(tǒng)的自動跟蹤狀態(tài) 當(dāng)雷達手從顯示器的熒光屏上看到雷達已經(jīng)捕捉到飛機以后，立即把閘刀S合向位置，系統(tǒng)就工作在跟蹤狀態(tài)。 這時，雷達接收機收到從飛機反射回來的回波， 并把它轉(zhuǎn)換成電信號直接輸入到放大器去控制天線的旋轉(zhuǎn)， 此時天線不需要手控而自動作跟蹤飛機的運動。 上述控制系統(tǒng)中所用的自整角發(fā)送機、 自整角接收機、直流伺服電動機、直流測速發(fā)電機都屬于電機類型，統(tǒng)稱為控制電機。可以看出

8、，這些電機在自動控制系統(tǒng)中起到了很重要的作用， 是必不可少的元件。 自動控制系統(tǒng)和它所用到的控制電機的關(guān)系是整體和局部的關(guān)系， 是一對矛盾的兩個對立面。 一方面控制電機的性能和作用要服從于整個系統(tǒng)對它的要求， 控制電機性能好壞要看它能不能滿足系統(tǒng)的要求； 另一方面控制電機的性能又直接影響整個控制系統(tǒng)的性能， 控制電機的性能不好或者使用不恰當(dāng)， 整個控制系統(tǒng)的性能就無法提高； 控制電機的革新又可以帶來整個系統(tǒng)的革新。 既然自動控制系統(tǒng)和控制電機是整體和局部的關(guān)系， 因此， 從事自動控制系統(tǒng)工作的技術(shù)人員， 不但要了解控制系統(tǒng)的整體以及系統(tǒng)中各個元件的相互關(guān)系， 而且對系統(tǒng)中的各個元件和控制電機也

9、要熟悉， 只有這樣， 才能恰當(dāng)?shù)剡x擇和使用各種元件， 并有可能了解整個自動控制系統(tǒng)。1.2 控制電機的種類和特點 1.2.1 控制電機的種類 控制電機的種類很多， 除了自整角機、 直流伺服電動機和測速發(fā)電機外， 還有交流伺服電動機、 交流測速發(fā)電機、 旋轉(zhuǎn)變壓器、 無刷直流電動機、 步進電動機等。 根據(jù)它們在自動控制系統(tǒng)中的作用， 可以作如下的分類。 1. 執(zhí)行元件(功率元件) 主要包括直流伺服電動機、 交流伺服電動機、 步進電動機和無刷直流電動機等。 這些電動機的任務(wù)是將電信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度以及直線位移和線速度， 并帶動控制對象運動。 理想的直流伺服電動機和交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速與

10、控制信號的關(guān)系如圖 1-3 所示， 轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系成正比關(guān)系， 而轉(zhuǎn)速的方向由控制電壓的極性來決定。 步進電動機的轉(zhuǎn)速與脈沖電壓的頻率成正比， 如圖 1 - 4 所示。圖 1 - 3 伺服電動機的控制特性 圖 1 - 4 步進電動機的控制特性 2. 測量元件(信號元件) 測量元件包括自整角機, 交、 直流測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器等。 它們能夠用來測量機械轉(zhuǎn)角、 轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速， 一般在自動控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件。 自整角機可以把發(fā)送機和接收機之間的轉(zhuǎn)角差轉(zhuǎn)換成與角差成正弦關(guān)系的電信號， 如圖 1-5 所示。 測速發(fā)電機可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號，它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比， 如圖1-6所

11、示。 旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角成正、 余弦或線性關(guān)系， 如圖 1 - 7 所示。圖 1 - 5 自整角機的控制特性 圖 1 - 6 測速發(fā)電機的控制特性 圖 1 - 7 旋轉(zhuǎn)變壓器的控制特性 1.2.2 控制電機的特點 人們在日常的工作和生活中也經(jīng)常要用到電機， 例如電燈所用的電是由發(fā)電機發(fā)出的， 抽水機要用電動機來帶動， 工廠里車床要用電動機才能旋轉(zhuǎn)， 手電鉆里裝的也是電機。 這些電機與上面研究的控制電機有些什么不同呢? 從所舉的例子中可以看出， 日常生活和工作中遇到的電機一般是作為動力來使用的， 它們的主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換， 發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)換成電能， 電動機是把電能轉(zhuǎn)換

12、成機械能，它們的主要問題是提高能量轉(zhuǎn)換的效率。 控制電機在自動控制系統(tǒng)中， 只起一個元件的作用， 其主要任務(wù)是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換， 而能量轉(zhuǎn)換是次要的。 根據(jù)它們使用的場合及所完成任務(wù)的特點， 決定了對它們的主要要求是運行可靠、 動作迅速和準(zhǔn)確度高。 眾所周知， 自動控制系統(tǒng)由成百個、 成千個各種各樣的元件所組成， 每個元件都按照系統(tǒng)對它的特定要求而工作。 因此， 每個元件工作的好壞， 直接影響到整個系統(tǒng)的工作。 為了使整個自動控制系統(tǒng)能夠敏捷地、 準(zhǔn)確地按照人們的要求而動作， 這就要求組成系統(tǒng)的每一個元件都要動作迅速、 準(zhǔn)確和可靠。 同時， 控制電機的使用范圍很廣， 從地下、 水面、

13、海洋到高空、 太空以至原子能反應(yīng)堆等地方都在使用， 而且工作環(huán)境條件常常十分復(fù)雜， 如高溫、 低溫、 鹽霧、 潮濕、 沖擊、 振動、 輻射等， 這就要求電機在各種惡劣的環(huán)境條件下仍能準(zhǔn)確、 可靠地工作。 另外，很多使用場合(尤其在航空航天技術(shù)中使用)還要求控制電機體積小、重量輕、耗電少，所以我們常見到的控制電機很多都是體積很小的微電機。像電子手表中用的步進電動機，直徑只有6 mm，長度為4 mm左右， 耗電僅幾微瓦，重量只有十幾克。1. 如何學(xué)習(xí)“控制電機”這門課程 控制電機的種類雖然很多， 可以列舉出數(shù)十種來， 但是這些電機的基本原理都是建立在以下兩個基本規(guī)律的基礎(chǔ)上的： 一是電磁轉(zhuǎn)化規(guī)律，

14、 就是在一定條件下電和磁可以相互轉(zhuǎn)化； 二是電流在磁場中要受到力的作用。 因此在“控制電機”這門課程中， 我們選擇了直流伺服電動機、 變壓器和交流伺服電動機這三種最基本的電機作為典型， 比較深入地研究和分析其中的電磁關(guān)系和它們的基本原理及特性。 通過這三種電機的解剖和分析， 使大家對控制電機中普遍存在的電磁規(guī)律及其分析方法有所了解。 讀者在學(xué)習(xí)時要抓主要矛盾， 以這三種電機作為重點進行學(xué)習(xí)。 首先應(yīng)將這三種電機中的一些電磁關(guān)系搞清楚， 并掌握分析問題和解決問題的方法， 這樣學(xué)習(xí)其它幾種電機就不困難了。 即使在學(xué)習(xí)每一種電機時， 也要掌握重點。 每一種電機牽涉的問題也很多、 很廣， 要集中精力掌

15、握一些基本規(guī)律和一些主要的理論， 對一些枝節(jié)問題可不必過于深究。 由于各種控制電機的原理都是建立在基本的電磁規(guī)律基礎(chǔ)上的， 因而它們之間不是孤立的， 它們既有共性， 也有個性。 在以后學(xué)習(xí)中就會發(fā)現(xiàn)， 一種電機與另一種電機之間在電磁關(guān)系上、 在基本特性上有很多相同之處， 但它們各自又具有與眾不同的特點。 因此， 在學(xué)習(xí)時也要用辯證法的觀點來學(xué)， 將各種控制電機聯(lián)系起來， 著重分析和掌握一些共同規(guī)律， 同時也要研究每個電機所具有的特殊性質(zhì)。 為了便于理解， 本教材不是按控制電機的性質(zhì)進行分類的， 而是把電磁關(guān)系比較接近的放在一起， 按照由淺入深、 循序漸進的原則安排章、 節(jié)次序。 對自動控制系統(tǒng)

16、專業(yè)的學(xué)生來說， 今后的工作中主要是使用控制電機， 所以通過本門課程主要是學(xué)習(xí)控制電機的特性和使用方法。 但同時我們還需要學(xué)習(xí)電機的基本原理， 因為對電機來說， 其使用時的條件只是外因， 電機之所以有各種特性的根本原因是在于電機本身的內(nèi)部矛盾。 我們要通過學(xué)習(xí)電機的基本原理， 了解電機內(nèi)部的基本矛盾， 這樣才能正確而主動地掌握控制電機的使用方法。2.1 直流發(fā)電機工作原理和結(jié)構(gòu) 2.2 直流電勢的關(guān)系式 2.3 直流測速發(fā)電機及其輸出特性 2.4 直流測速發(fā)電機誤差及其減小的方法 2.5 直流測速發(fā)電機的應(yīng)用 2.6 直流測速發(fā)電機的性能指標(biāo) 2.7 直流測速發(fā)電機的發(fā)展趨勢 思考題與習(xí)題 第

17、2章 直流測速發(fā)電機2.1 直流發(fā)電機工作原理和結(jié)構(gòu) 2.1.1 工作原理 直流發(fā)電機的工作是基于電磁感應(yīng)定律，即：運動導(dǎo)體切割磁力線， 在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢； 或者說匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化， 在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢。圖 2 - 1 直流發(fā)電機原理圖 為簡明易懂， 用一個簡單的兩極電機模型來說明直流發(fā)電機的工作原理。圖2-1(a)是該模型的示意圖。 如圖示， 在空間固定不動的磁極N , S之間， 有一個鐵質(zhì)圓柱體(電樞鐵心)裝在轉(zhuǎn)軸上，磁極與鐵心間的氣隙稱為空氣隙。導(dǎo)體ab , cd固定在電樞鐵心表面徑向相對的位置并連成一個線圈(元件)。換向片之間、 換向片與轉(zhuǎn)軸之間均相互絕緣， 這部分稱為換向

18、器。 整個轉(zhuǎn)動部分稱為電樞， 固定不動的導(dǎo)電片A、 B(電刷)壓在換向片上，為滑動接觸。 磁極的中心線稱為磁極軸線， N , S極之間的中心線稱為幾何中性線， 如圖 2 - 1(b)。 在圖 2 - 1中， 磁極產(chǎn)生的磁通由N極出發(fā)經(jīng)過電樞鐵心進入S極。 用原動機拖動電樞以轉(zhuǎn)速n逆時針方向旋轉(zhuǎn)， 則導(dǎo)體ab, cd切割磁力線而產(chǎn)生電勢。 根據(jù)右手定則， 在圖示瞬時， N極下導(dǎo)體ab中電勢的方向由b指向a, S極下導(dǎo)體cd中電勢由d指向c。 在圖 2 - 1(b)中分別用、 表示。 線圈兩個有效邊中的電勢大小相等方向相反， 因此， 整個線圈電勢是兩個有效邊電勢之和， 即為一個有效邊電勢的兩倍，

19、電勢方向是由d指向a, 故a為正， d為負。 電刷A通過換向片與線圈的a端相接觸， 電刷B與線圈的d端相接觸， 故此時A電刷為正， B電刷為負， 電刷兩端電勢E BA=eda=e dc+e ba。 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180以后， 導(dǎo)體cd處于N極下， 導(dǎo)體ab處于S極下， 這時它們的電勢與前一時刻大小相等方向相反， 于是線圈電勢的方向也變?yōu)橛蒩到d, 此時d為正， a為負， 而兩電刷間電勢E BA=e ad=e ab+e cd， 仍然是A刷為正， B刷為負。 電樞連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 導(dǎo)體ab和cd輪流交替地切割N極和S極下的磁力線， 因而ab和cd中的電勢及線圈電勢是交變的。 在兩極情況下， 線圈每轉(zhuǎn)一圈，

20、電勢交變一次。 但是， 電刷電勢的極性始終不變。 這是由于通過換向器的作用， 無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置， 電刷通過換向片只與處于一定極性下的導(dǎo)體相連接， 如電刷A始終與處在N極下的導(dǎo)體相連接， 而處在一定極性下的導(dǎo)體電勢方向是不變的， 因而電刷兩端得到的電勢極性不變。 這就是直流發(fā)電機的最基本工作原理。 2.1.2 直流電勢的形成 前面的討論， 只是得出了電刷電勢極性不變的結(jié)論， 但其大小是否隨時間變化， 還需進一步分析。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律， 導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢為 ei=Bxlv (2 - 1) 圖 2 - 2 磁場分布和電刷電勢 式中， Bx為導(dǎo)體所處位置的氣隙磁通密度； l為導(dǎo)體有效

21、長度(即電樞鐵心的長度)； v為導(dǎo)體切割磁場的線速度(即電樞圓周速度)。 對已制成的電機，l為定值， 若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以eiBx。 實際上， 在整個磁極下，氣隙磁通密度沿電樞圓周不是均勻分布， 而是按圖 2 - 2(a)所示規(guī)律分布的。 導(dǎo)體處于不同位置， 產(chǎn)生的電勢大小不同， 其隨時間變化的規(guī)律與Bx相同。 經(jīng)換向器換向后， 電刷間電勢雖然方向不變， 但卻有很大的脈動， 如圖 2 - 2(b)所示。 顯然， 這樣的電勢不是直流電勢， 暫且稱其為脈動電勢。為減小電勢的脈動程度， 實際電機中不是只有一個線圈(元件)， 而是由很多元件組成電樞繞組。 這些元件均勻分布在電樞表面，

22、并按一定的規(guī)律連接。 圖 2 - 3 是一個實際電機的模型， 電樞鐵心表面有齒有槽， 槽中安放元件， 元件形狀如圖 2 - 4 所示。 匝數(shù)等于 1 的元件稱為單匝元件， 匝數(shù)大于 1 的稱為多匝元件。 直流測速發(fā)電機一般都采用多匝元件。 放在槽中的元件邊為有效邊， 連接有效邊的導(dǎo)線稱為端部連線。 元件的兩個有效邊分別安放在電樞圓周兩個相對的槽中， 且一個有效邊放在槽的上層(靠近槽口)， 另一個有效邊放在槽的下層(靠近槽底)， 并用上層邊所在的槽號表示元件號。 圖 2 - 3 實際電機模型 圖 2 - 4 電樞元件 圖 2 - 5 等值電路 圖 2 - 6 描繪了電刷A、 B之間輸出電勢隨時間

23、變化的曲線。 圖中曲線 1 和 2表示相鄰兩個元件的電勢， 因為元件空間位置夾角90， 則元件電勢時間相位差90。 電刷電勢是支路中兩個元件電勢曲線之合成， 即曲線 3。 與圖 2 - 2(b)比較可見， 此時輸出電勢平均值變大， 脈沖相對來說變小。 可以推論， 如果電樞表面槽數(shù)增多， 元件數(shù)增多， 則電刷間串聯(lián)的元件數(shù)增多， 輸出電勢的平均值將更大， 脈動更小， 就得到大小和方向都不變的直流電勢。圖 2 - 6 電刷輸出電勢 圖 2 - 7 直流電機示意圖 2.1.3 直流電機基本結(jié)構(gòu) 各種型號直流電機的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的， 這里簡述小型直流電機結(jié)構(gòu)的主要部分。 直流電機總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大

24、部分： 靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。 定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。 定子由定子鐵心、 勵磁繞組、 機殼、 端蓋和電刷裝置等組成。 轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、 電樞繞組、 換向器、 軸等組成。 一般小型電機的軸是通過軸承支撐在端蓋上的。 直流電機的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 - 8 所示。圖 2 - 8 直流電機結(jié)構(gòu)簡圖 電機主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用如下： 1. 定子鐵心和勵磁繞組 小容量直流電機的定子鐵心往往將磁極和磁軛連成一體， 用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成。 鐵心外處的機殼由鋁合金澆鑄而成， 如圖 2 - 9 所示。為了使主磁通在空氣隙中的分布更為合理

25、， 磁極的極掌(或稱極靴)較極身為寬， 這樣也可使勵磁繞組牢固地套在磁極鐵心上。 勵磁繞組由銅線繞制而成， 包上絕緣材料以后套在磁極上(見圖 2 - 9)。 當(dāng)勵磁繞組通以直流電時， 就產(chǎn)生磁通， 形成N、 S極。 直流電機可以做成多對極， 但控制用的直流電機一般做成一對極。上述的勵磁方式稱為電磁式。 此外， 定子磁極還可以用永久磁鋼做成， 稱為永磁式。圖 2 - 9 定子結(jié)構(gòu)簡圖圖 2 - 10 電樞鐵心沖片 2. 電樞鐵心和電樞繞組 電樞鐵心用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成， 沖片形狀如圖2-10 所示。 鐵心上的槽是安放繞組的， 電樞鐵心又作為主磁通磁路的組成部分。

26、由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)， 所以電樞鐵心也切割磁通。 為了減少鐵心中的渦流損耗， 鐵心沖片要涂絕緣漆， 作為片間絕緣。 電樞繞組的組成方法是： 將絕緣銅導(dǎo)線預(yù)先制成元件， 并嵌在槽內(nèi)， 然后將元件的兩個端頭， 按照一定的規(guī)律接到換向器上， 如圖 2 - 11 所示。 3. 換向器和電刷 換向器是由許多換向片(銅片)疊裝而成的。 換向片之間用塑料或云母絕緣， 各換向片和元件相連。常用的換向器有金屬套筒式換向器與塑料換向器。圖 2 - 12 是塑料換向器的剖面圖。圖 2 - 11 電樞鐵心和繞組 圖 2 - 12 塑料換向器剖面圖 電刷放在電刷座中， 用彈簧將它壓在換向器上， 使之和換向器有良好的滑動接觸(

27、見圖 2 - 8)。 在直流電機中， 電刷和換向器的作用是將電樞繞組中的交變電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。 2.2 直流電勢的關(guān)系式 在討論直流發(fā)電機工作原理時曾經(jīng)指出， 當(dāng)電刷A、 B通過換向片與幾何中心線上的導(dǎo)體相連接時， 電刷A、 B就把處于一個磁極下元件的電勢串聯(lián)起來， 因此電刷間的電勢應(yīng)該等于正負電刷所連接的導(dǎo)體的電勢之和， 即(2 - 2) 式中， ei為每一導(dǎo)體的感應(yīng)電勢； s為一對電刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。由式(2 - 1)可知， 電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢值除了與導(dǎo)體在磁場中的長度l, 導(dǎo)體切割磁通的線速度v有關(guān)外， 還與導(dǎo)體所在點的磁通密度有關(guān)。 為此要研究磁極下各點磁通密度的分布。 圖2-

28、13表示一對磁極時勵磁磁通所經(jīng)過的路徑。 當(dāng)勵磁電流流過勵磁繞組時， 磁通便由N極出來， 經(jīng)過空氣隙及電樞， 進入S極， 然后分別從兩邊的磁軛回到N極， 形成閉合回路。 在直流電機中， 磁極和電樞之間的氣隙是不均勻的， 在極中心部分最小， 在極尖處較大， 因此， 電樞表面各點的磁通密度也不同。 在極中心下面磁通密度最大， 靠近極尖處逐漸減小， 在極靴范圍以外則減小很快， 在幾何中心線上則等于零。 若不考慮電樞表面齒槽的影響， 在一個磁極下面， 電樞表面各點磁通密度的分布情況如圖 2 - 14 所示。圖 2 - 13 直流電機磁路 圖 2 - 14 氣隙中磁通密度分布圖 現(xiàn)在來研究導(dǎo)體的電勢。

29、對于已制成的電機， l 為常數(shù)， 當(dāng)速度v一定時， 導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei便正比于該導(dǎo)體所在處的磁通密度Bx， 即eiBx。 因此圖 2 - 14也可以看成是當(dāng)導(dǎo)體連續(xù)分布在電樞表面時， 在一個磁極下電樞導(dǎo)體感應(yīng)電勢的分布曲線。 由于電樞表面不同位置上的導(dǎo)體的感應(yīng)電勢ei 不同， 不妨取一個磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bp， 一個磁極下所有導(dǎo)體的平均電勢為ep， 這樣， 電刷間的電勢Ea便等于一個磁極下導(dǎo)體的平均電勢乘上一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s, 即 Ea=sep (2 - 3) 而其中 ep=Bplv (2 - 4) 因此 Ea=sBplv (2 - 5) 實際工作中， 使用轉(zhuǎn)速n和每極總磁通比

30、用電樞表面圓周速度v和平均磁通密度Bp來得方便， 故把v, Bp轉(zhuǎn)化成n、 。Bp等于一個磁極的總磁通除以磁極的面積， 即(2 - 6) 式中， 為每極總磁通， 單位為韋伯(Wb); 為極距， =電樞圓周長/極數(shù)， 單位為米(m); l為電樞鐵心長，單位為米(m)。電樞表面圓周速度(2 - 7) 式中，D為電樞直徑，單位為米(m)；n為電樞轉(zhuǎn)速， 單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。 這樣式(2 - 4)便可寫成由于D/=2p(p為電機的極對數(shù))， 所以上式變成 (2 - 8) 把式(2 - 8)代入式(2 - 3)便得電刷間的總電勢(2 - 9) 因為一對電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)s應(yīng)等于電刷間每條并聯(lián)支路

31、中的導(dǎo)體數(shù)， 所以s值等于電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)N除以電刷間的并聯(lián)支路數(shù)2a(a為支路對數(shù)。 在圖 2 - 3 中支路對數(shù)為 1， 支路數(shù)為 2)， 即s=N/(2a)。 支路數(shù)2a與繞組的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)， 這里不作深究。 這樣式(2 - 9)便可寫成 或者寫作Ea=Cen (2 - 10) 式中， Ce=pN/(60a)， 是一個常數(shù)， 其值由電機本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。 式(2 - 10)中, Ea的單位為V; 的單位為Wb; n的單位為r/min。 式(2 - 10)是直流電機中非常重要的關(guān)系式， 希望讀者牢記此式， 并能熟練應(yīng)用。 當(dāng)每極磁通一定時， Ea=Ken (2 - 11) 式中， Ke=

32、Ce， 稱為電勢系數(shù)。 2.3 直流測速發(fā)電機及其輸出特性 2.3.1 直流測速發(fā)電機的型式 按照勵磁方式劃分， 直流測速發(fā)電機有兩種型式。 1. 永磁式 永磁式直流測速發(fā)電機的定子磁極由永久磁鋼做成， 沒有勵磁繞組， 以圖 2 - 15 所示的符號表示。 2. 電磁式 電磁式直流測速發(fā)電機的定子勵磁繞組由外部電源供電， 通電時產(chǎn)生磁場，以圖 2 - 16 所示的符號表示。圖 2 - 15 永磁式直流測速發(fā)電機 圖 2 - 16 電磁式直流測速發(fā)電機 2.3.2 自動控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機的要求 自動控制系統(tǒng)對其元件的要求， 主要是精確度高、 靈敏度高、 可靠性好等。 據(jù)此， 直流測速發(fā)電機

33、在電氣性能方面應(yīng)滿足以下幾項要求：圖 2 - 17 測速發(fā)電機的理想輸出特性 (1) 輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱為輸出特性)應(yīng)為線性， 如圖 2 - 17 所示； (2) 輸出特性的斜率要大； (3) 溫度變化對輸出特性的影響要??； (4) 輸出電壓的紋波要小，即要求在一定的轉(zhuǎn)速下輸出電壓要穩(wěn)定， 波動要?。?(5) 正、 反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致。2.3.3 輸出特性在2.2節(jié)中已經(jīng)推導(dǎo)了直流電勢公式: Ea=Cen當(dāng)每極總磁通為常數(shù)時， 則 Ean 即輸出電勢與轉(zhuǎn)速成正比。 測速發(fā)電機電刷兩端接上負載電阻RL后， RL兩端的電壓才是輸出電壓。 由圖 2 - 18 可知， 負載時測速發(fā)

34、電機的輸出電壓等于感應(yīng)電勢減去它的內(nèi)阻壓降， 即 Ua=Ea-IaRa (2 - 12) 此式稱為直流發(fā)電機電壓平衡方程式。 式中， Ra為電樞回路的總電阻， 它包括電樞繞組的電阻、 電刷和換向器之間的接觸電阻； Ia為電樞總電流， 且有 (2 - 13) 將式(2 - 13)代入式(2 - 12)得 經(jīng)化簡后為 (2 - 14) 式(2 - 14)是負載時輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 如果式中、 Ra和RL都能保持為常數(shù)， 則Ua與n之間仍呈線性關(guān)系， 只不過是隨著負載電阻的減小， 輸出特性的斜率變小而已， 如圖 2 - 19 所示。 但該圖是理想情況下， 即、 Ra不變， RL為一定時的輸出特性

35、。 實際上， 測速發(fā)電機的輸出特性Ua=f(n)不是嚴(yán)格地呈線性特性， 實際特性與要求的線性特性間存在誤差。 下一節(jié)將分析引起誤差的原因和減小誤差的方法。圖 2 - 18 直流測速發(fā)電機接上負載 圖 2 - 19 不同負載電阻時的理想輸出特性 2.4 直流測速發(fā)電機的誤差及其減小的方法 2.4.1 溫度影響 得出Ua=f(n)為線性關(guān)系的條件之一是勵磁磁通為常數(shù)。 實際上， 電機周圍環(huán)境溫度的變化以及電機本身發(fā)熱(由電機各種損耗引起)都會引起電機繞組電阻的變化。 當(dāng)溫度升高時， 勵磁繞組電阻增大， 勵磁電流減小， 磁通也隨之減小， 輸出電壓就降低。 反之， 當(dāng)溫度下降時， 輸出電壓便升高。 對

36、于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格的場合， 可在勵磁回路中串聯(lián)負溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖 2-20 所示。選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法是： 作出勵磁繞組電阻隨溫度變化的曲線(圖 2 - 21中曲線 1)， 再作并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻隨溫度變化的曲線(圖 2 - 21中曲線 2)； 前者溫度系數(shù)為正， 后者溫度系數(shù)為負。 只要使得這兩條曲線的斜率相等， 勵磁回路的總電阻就不會隨溫度而變化(圖 2 - 21 中曲線 3)， 因而勵磁電流及勵磁磁通也就不會隨溫度而變化。圖 2 - 20 勵磁回路中的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 圖 2 - 21 電阻隨溫度變化的曲線 2.4.2 電樞反應(yīng)影響 電機空載時， 只有勵磁繞組

37、產(chǎn)生的主磁場。 電機負載時， 電樞繞組中流過電流也要產(chǎn)生磁場， 稱為電樞磁場。 所以， 負載運行時， 電機中的磁場是主磁場和電樞磁場的合成。 圖 2 - 22(a)是定子勵磁繞組產(chǎn)生的主磁場， 圖 2 - 22(b)是電樞繞組產(chǎn)生的電樞磁場， 圖 2 - 22(c)是主磁場和電樞磁場的合成磁場。圖 2 - 22 直流電機磁場 主磁場的分布在第 2.2 節(jié)已作了分析， 在此主要研究電樞電流單獨產(chǎn)生的電樞磁場。 因為電樞導(dǎo)體的電流方向總是以電刷為其分界線， 即電刷兩側(cè)導(dǎo)體中的電流大小相等， 方向相反。 不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪個位置， 電樞導(dǎo)體電流在空間的分布情況始終不變。 因此， 電樞電流所產(chǎn)生的磁場在空

38、間的分布情況也不變， 即電樞磁場在空間是固定不動的恒定磁場。 其磁力線的分布可以根據(jù)右手螺旋定則作出，如圖2 - 22(b)。 由于電刷位于幾何中性線上，所以電樞磁場在電刷軸線兩側(cè)是對稱的，電刷軸線就是電樞磁場的軸線。 由圖 2 - 22(b)可以看出， 電樞磁場也是一個兩極磁場， 主磁極軸線的左側(cè)相當(dāng)于該磁場的N極， 右側(cè)相當(dāng)于S極。 另外， 在每個主磁極下面， 電樞磁場的磁通在半個極下由電樞指向磁極， 在另外半個極下則由磁極指向電樞， 即半個極下電樞磁通和主磁通同向， 另外半個極下電樞磁通和主磁通反向， 因此合成磁場的磁通密度在半個極下是加強了， 在另外半個極下是削弱了， 如圖 2 - 2

39、2(c)所示。 由于電樞磁場的存在， 氣隙中的磁場發(fā)生畸變， 這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。 如果電機的磁路不飽和(即磁路為線性)， 磁場的合成就可以應(yīng)用疊加原理。 例如， N極右半個極下的合成磁通等于 1/2 主磁通與 1/2 電樞磁通之和， 左半個極下的合成磁通等于 1/2 主磁通與 1/2 電樞磁通之差。 因此， N極左半個極的削弱和右半個極的加強相互抵消， 整個極的磁通保持不變， 僅僅磁場的分布發(fā)生了變化。圖 2 - 23 直流測速發(fā)電機輸出特性(圖中R L1R L2) 2.4.3 延遲換向去磁 直流電機中， 電樞繞組元件的電流方向以電刷為其分界線。 電機旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電

40、刷進入另一條支路時， 其中電流反向， 由+ia變成-ia。 但是， 在元件經(jīng)過電刷而被電刷短路的過程中， 它的電流既不是+ia也不是-ia， 而是處于由+ia變到-ia的過渡過程。 這個過程叫元件的換向過程。 正在進行換向的元件叫換向元件。 換向元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間為換向周期。 參看圖 2 - 24。 從圖 2 - 24(a)到圖 2 - 24(c)， 元件 1 從等值電路的左邊支路換接到右邊支路， 其中電流從一個方向(+ia)變?yōu)榱硪粋€方向(-ia); 而在圖 2 - 24(b)所示時刻， 元件 1 被電刷短路， 正處于換向過程， 其中電流為ik。 1 號元件為換向元件。 從

41、圖 2 - 24(a)到圖2 - 24(c)所經(jīng)歷的時間為一個換向周期。圖 2 - 24 元件的換向過程 在理想換向情況下， 當(dāng)換向元件的兩個有效邊處于幾何中性線位置時， 其電流應(yīng)該為零。但實際上在直流測速發(fā)電機中并非如此。 雖然此時元件中切割主磁通產(chǎn)生的電勢為零， 但仍然有電勢存在， 使電流過零時刻延遲， 出現(xiàn)所謂的延遲換向。 分析如下：由于元件本身有電感， 因此在換向過程中當(dāng)電流變化時， 換向元件中要產(chǎn)生自感電勢: 式中， L為換向元件的電感； i 為換向元件的電流。 根據(jù)楞次定律， eL的方向?qū)⒘D阻止換向元件中的電流改變方向， 即力圖維持換向元件換向前的電流方向， 所以eL的方向應(yīng)與換

42、向前的電流方向相同， 是阻礙換向的。 同時， 換向元件在經(jīng)過幾何中性線位置時， 由于切割電樞磁場而產(chǎn)生切割電勢ea, 根據(jù)右手定則可以確定, ea所產(chǎn)生的電流的方向也與換向前的電流方向相同， 也是阻礙換向的。 因此， 換向元件中有總電勢ek=eL+ea。 顯然， 由于總電勢ek的阻礙作用而使換向過程延遲， 即換向元件中的電流由+ia變?yōu)?ia的時間延遲了。 換向元件被電刷短路， 于是總電勢ek在換向元件中產(chǎn)生附加電流ik, ik方向與ek方向一致。 由ik產(chǎn)生磁通k， 其方向與主磁通方向相反， 如圖 2-25 所示， 對主磁通有去磁作用。 這樣的去磁作用叫延遲換向去磁。 圖 2 - 25 換向

43、元件中的電勢 圖 2 - 26 延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊?如果不考慮磁通變化， 則直流測速發(fā)電機電勢與轉(zhuǎn)速成正比， 當(dāng)負載電阻一定時， 電樞電流及繞組元件電流也與轉(zhuǎn)速成正比； 另外， 換向周期與轉(zhuǎn)速成反比， 電機轉(zhuǎn)速越高， 元件的換向周期越短； eL正比于單位時間內(nèi)換向元件電流的變化量。 基于上述分析， e必正比轉(zhuǎn)速的平方， 即eLn2。 同樣可以證明ean2。 因此， 換向元件的附加電流及延遲換向去磁磁通與n2成正比， 使輸出特性呈現(xiàn)圖 2 - 26 所示的形狀。 所以， 直流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上限要受到延遲換向去磁效應(yīng)的限制。 2.4.4 紋波 根據(jù)Ea=Cen, 當(dāng)、 n為定值時， 電刷兩

44、端應(yīng)輸出不隨時間變化的穩(wěn)定的直流電勢。 然而， 實際的電機并非如此， 其輸出電勢總是帶有微弱的脈動， 通常把這種脈動稱為紋波。 紋波主要是由于電機本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差所引起的。 在第一節(jié)中我們已經(jīng)看到， 由于電樞槽數(shù)及電樞元件數(shù)有限， 在輸出電勢中將引起脈動。 當(dāng)然， 增加每條支路中的串聯(lián)元件數(shù)可以減小紋波。 但是由于工藝所限， 電機槽數(shù)、 元件數(shù)及換向片數(shù)不可能無限增加， 因此產(chǎn)生紋波是不可避免的。 同時， 由于電樞鐵心有齒有槽， 以及電樞鐵心的橢圓度、 偏心等等， 也會使輸出電勢中紋波幅值上升。 紋波電壓的存在對于測速機用于阻尼或速度控制都很不利， 實用的測速機在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上都采取了一

45、定的措施來減小紋波幅值。 例如， 無槽電樞直流電機可以大大減小因齒槽效應(yīng)而引起的輸出電壓紋波幅值， 與有槽電樞相比， 輸出電壓紋波幅值可以減小五倍以上。 2.4.5 電刷接觸壓降 Ua=f(n)為線性關(guān)系的另一個條件是電樞回路總電阻Ra為恒值。 實際上， Ra中包含的電刷與換向器的接觸電阻不是一個常數(shù)。 為了考慮此種情況對輸出特性的影響 ， 我們把電壓方程式Ua=Ea-IaRa改寫為Ua=Ea-IaRw-Ub。 其中Rw為電樞繞組電阻； Ub為電刷接觸壓降。 這樣， 式(2 - 14)也可改寫為(2 - 15) 電刷接觸壓降Ub與下述因素有密切關(guān)系: 電刷和換向器的材料； 電刷的電流密度； 電

46、流的方向； 電刷單位面積上的壓力； 接觸表面的溫度； 換向器圓周線速度； 換向器表面的化學(xué)狀態(tài)和機械方面的因素， 等等。 換向器圓周線速度對Ub影響較小， 在小于允許的最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 可認為速度不會引起Ub的變化。 但是隨著轉(zhuǎn)速的升高， 電樞電流Ia增大， 電刷電流密度增加。 當(dāng)電刷電流密度較小時， 隨著電流密度的增加， Ub也相應(yīng)地增大。 當(dāng)電流密度達到一定數(shù)值后， Ub幾乎等于常數(shù)。 一般情況下， 電流自換向器流向電刷時電刷壓降較大， 因此， 通常直流機的接觸壓降Ub是指正負電刷下的總壓降。 圖 2 - 27 考慮電刷接觸壓降后的輸出特性 根據(jù)式(2 - 15)以及上述Ub和電流密度的關(guān)

47、系， 就可以得出考慮電刷接觸壓降后直流測速發(fā)電機的輸出特性， 如圖 2 - 27 所示。 由圖 2 - 27 可見， 在轉(zhuǎn)速較低時， 輸出特性上有一段斜率顯著下降的區(qū)域。 此區(qū)域內(nèi)， 測速機雖有輸入信號(轉(zhuǎn)速)， 但輸出電壓很小， 對轉(zhuǎn)速的反應(yīng)很不靈敏， 所以此區(qū)域叫不靈敏區(qū)。 為了減小電刷接觸壓降的影響， 縮小不靈敏區(qū)， 在直流測速發(fā)電機中， 常常采用接觸壓降較小的銀石墨電刷。 在高精度的直流測速發(fā)電機中還采用銅電刷， 并在它與換向器接觸的表面上鍍上銀層， 使換向器不易磨損。 如上所述， 電刷和換向器的接觸情況還與化學(xué)、 機械等因素有關(guān)， 它們引起電刷與換向器滑動接觸的不穩(wěn)定性， 以致使電樞

48、電流含有高頻尖脈沖。 為了減少這種無線電頻率的噪聲對鄰近設(shè)備和通訊電纜的干擾， 常常在測速機的輸出端連接濾波電路。 2.5 直流測速發(fā)電機的應(yīng)用 測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)中作為測量或自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速之用； 在隨動系統(tǒng)中用來產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度； 在計算解答裝置中作為微分和積分元件。 它還可以測量各種機械在有限范圍內(nèi)的擺動或非常緩慢的轉(zhuǎn)速， 并可代替測速計直接測量轉(zhuǎn)速。 測速發(fā)電機有交、 直流兩大類。 由于直流測速機有電刷、 換向器接觸裝置， 使它的可靠性變差， 精度也受到影響， 因此在系統(tǒng)中使用交流異步測速機較為廣泛(將在第8章詳述)。 但是， 與交流異步測速機相比， 直流測

49、速機具有輸出電壓斜率大， 沒有剩余電壓(即轉(zhuǎn)速為零時沒有輸出電壓)， 沒有相位誤差(勵磁和輸出電壓之間沒有相位移)， 溫度補償容易實現(xiàn)等優(yōu)點， 所以在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還是很廣泛的。 下面舉例說明它在兩個方面的用途。 2.5.1 作為系統(tǒng)的阻尼元件 在圖 1 - 1 所示的雷達天線自動控制系統(tǒng)中， 直流伺服電動機的輸出軸上耦合一臺直流測速發(fā)電機。 它輸出一個與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓 ，并負反饋到放大器的輸入端， 所以放大器的輸入電壓為 測速發(fā)電機在該系統(tǒng)中所起的阻尼作用可以簡要地解釋如下： 假定暫不接測速發(fā)電機， 并且當(dāng)時， 直流伺服電動機在正比于k1(-)的信號電壓作用下轉(zhuǎn)動， 使角增加，-

50、值減小。當(dāng)=時， 雖然誤差信號電壓k1(-)=0， 但是由于電動機及負載具有轉(zhuǎn)動慣量， 電動機在-=0 的位置時其轉(zhuǎn)速并不為零，而繼續(xù)向角增加的方向轉(zhuǎn)動，使。此時，由于，誤差信號電壓極性變反。在此電壓的作用下， 電動機由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。 樣， 由于電動機及其負載的慣性， 反轉(zhuǎn)又沖過了頭， 這樣系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。 如果接上測速發(fā)電機， 則當(dāng)=時， 由于 ， 故信號電壓為 ，此電壓與原來的(指時)誤差信號電壓極性相反， 因此伺服電動機在=時就得到與d/dt成正比、 極性與原來的信號電壓相反的電壓， 此電壓使電動機制動(關(guān)于電動機加反向電壓制動將在 3.7 節(jié)中敘述)， 因而電動機就很快地停留在=的位

51、置。 可見， 由于系統(tǒng)中加入了測速發(fā)電機， 就使得由電動機及其負載慣量所造成的振蕩得到了阻尼， 從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 2.5.2 對旋轉(zhuǎn)機械作恒速控制 圖2-28為恒速控制系統(tǒng)的原理圖。 負載是一個旋轉(zhuǎn)機械。 當(dāng)直流伺服電動機的負載阻力矩變化時， 電動機的轉(zhuǎn)速也隨之改變。為了使旋轉(zhuǎn)機械在給定電壓不變時保持恒速，在電動機的輸出軸上耦合一測速發(fā)電機，并將其輸出電壓與給定電壓相減后加入放大器， 經(jīng)放大后供給直流伺服電動機。 當(dāng)負載阻力矩由于某種偶然的因素減小， 電動機的轉(zhuǎn)速便上升， 此時測速發(fā)電機的輸出電壓增大， 給定電壓與輸出電壓的差值變小， 經(jīng)放大后加到直流電動機的電壓減小， 電動機減速；

52、 反之， 若負載阻力矩偶然變大， 則電動機轉(zhuǎn)速下降， 測速機輸出電壓減小， 給定電壓和輸出電壓的差值變大， 經(jīng)放大后加給電動機的電壓變大， 電動機加速。 這樣， 盡管負載阻力矩發(fā)生擾動， 但由于該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用， 使旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速變化很小， 近似于恒速。 給定電壓取自恒壓電源， 改變給定電壓便能達到所希望的轉(zhuǎn)速。圖 2 - 28 恒速控制系統(tǒng)原理圖 2.6 直流測速發(fā)電機的性能指標(biāo) 直流測速發(fā)電機的主要性能指標(biāo)列在表 2 - 1 中。 表 2 - 1 直流測速發(fā)電機主要性能指標(biāo) 2.7 直流測速發(fā)電機的發(fā)展趨勢 2.7.1 發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機 近年來國外較重視發(fā)展永磁式高靈敏度直流測速發(fā)電

53、機。 這種電機直徑大， 軸向尺寸小，電樞元件數(shù)多， 刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多， 因而輸出電壓斜率大， 其靈敏度比普通測速機高1 000 倍。 這種電機的換向器是用塑料或絕緣材料制成薄板基體， 并在板面上印制換向片而構(gòu)成的， 因此換向片數(shù)很多； 并且換向器固定在轉(zhuǎn)軸的端面上， 故稱為印制電路端面換向器。 由于這種電機的電樞元件數(shù)及換向片數(shù)比普通直流機多得多， 因而紋波電壓可以大大降低。 例如美國Inland公司直徑為 250 mm的產(chǎn)品， 其速比范圍為 13 000, 最低轉(zhuǎn)速可低于 1 轉(zhuǎn)每天， 紋波系數(shù)小于 0.1%， 線性誤差低于 0.1%， 靈敏度(即電壓斜率)為 10 V/(r/min)，

54、每天 1 轉(zhuǎn)時的輸出信號電壓約 7 mV。 國內(nèi)已有高靈敏度測速發(fā)電機系列產(chǎn)品， 其技術(shù)數(shù)據(jù)見表 2 - 2。 表 2 - 2 CYD系列直流高靈敏度測速發(fā)電機 2.7.2 改進電刷與換向器的接觸裝置， 發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機由于存在電刷和換向器， 因而帶來一系列缺點： (1) 電刷和換向器的存在使電機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 維護比較困難， 可靠性較差， 并使應(yīng)用環(huán)境受到限制。 例如在高空、 高真空中換向困難， 在高溫環(huán)境中容易起火等。 (2) 電刷與換向器的摩擦所引起的摩擦轉(zhuǎn)矩， 增加了伺服電動機的粘滯轉(zhuǎn)矩。 (3) 電刷與換向器的間斷接觸引起射頻噪音。 (4) 電刷與換向器接觸壓降

55、的變化， 引起輸出電壓不穩(wěn)定， 等等。 目前， 有關(guān)人員正努力從換向器、 電刷的接觸結(jié)構(gòu)和工藝方面采取措施， 以減輕上述各種弊病， 提高測速機的性能指標(biāo)及可靠性。 例如在高靈敏度測速機中所采用的電刷是經(jīng)過特殊處理的， 因而能在高真空中運行。 在該機中還采用窄電刷、 印刷電路端面換向器， 使接觸面積和接觸半徑減小， 因而降低了摩擦轉(zhuǎn)矩。 為了提高軍事裝備的可靠性， 特別是為了滿足宇宙飛船和導(dǎo)彈系統(tǒng)等尖端技術(shù)對元件可靠性的嚴(yán)格要求， 各國除了在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高接觸部分的可靠性外， 還大力開展對無刷測速發(fā)電機的研制， 其中包括霍爾測速發(fā)電機， 兩極管式測速發(fā)電機等， 其工作原理可參閱其它有關(guān)資料

56、。 直流測速發(fā)電機由于存在電刷和換向器的接觸結(jié)構(gòu)， 使其發(fā)展前途受到了限制。 近年來無刷測速發(fā)電機的發(fā)展， 使之能從根本上取消接觸結(jié)構(gòu)， 改善了電機的性能， 提高了運行的可靠性， 為直流測速機注入了新的活力。 2.7.3 發(fā)展永磁式無槽電樞、 杯形電樞、 印制繞組電樞測速發(fā)電機 這種電機的結(jié)構(gòu)與 3.10 節(jié)中所述的低慣量電動機相同。 它們不僅轉(zhuǎn)動慣量小， 而且線性度好， 紋波電壓小， 因此也是直流測速發(fā)電機的發(fā)展方向之一。思考題與習(xí)題 1. 為什么直流發(fā)電機電樞繞組元件的電勢是交變電勢而電刷電勢是直流電勢? 2. 如果圖 2 - 1 中的電樞反時針方向旋轉(zhuǎn)， 試問元件電勢的方向和A、 B電刷

57、的極性如何? 3. 為了獲得最大的直流電勢， 電刷應(yīng)放在什么位置? 為什么端部對稱的鼓形繞組(見圖 2 - 3)的電刷放在磁極軸線上? 4. 為什么直流測速機的轉(zhuǎn)速不得超過規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速? 負載電阻不能小于給定值? 5. 如果電刷通過換向器所連接的導(dǎo)體不在幾何中性線上， 而在偏離幾何中性線角的直線上，如圖 2 - 29 所示， 試綜合應(yīng)用所學(xué)的知識， 分析在此情況下對測速機正、 反轉(zhuǎn)的輸出特性的影響。(提示： 在圖中作一輔助線。) 6. 具有 16 個槽， 16 個換向片的兩極直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖 2 - 30 所示。 (1) 試畫出其繞組的完整連接圖； (2) 試畫出圖示時刻繞組的等值電路圖；

58、 (3) 若電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)， 試在上兩圖中標(biāo)出感應(yīng)電勢方向和電刷極性； (4) 如果電刷不是位于磁極軸線上，例如順時針方向移動一個換向片的距離， 會出現(xiàn)什么問題?圖 2 - 29 圖 2 - 30 結(jié)構(gòu)簡圖 3.1 直流電動機的工作原理 3.2 電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩平衡方程式 3.3 直流電動機的反電勢和電壓平衡方程式 3.4 直流電動機的使用 3.5 直流發(fā)電機與直流電動機的異同性 3.6 直流伺服電動機及其控制方法 3.7 直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.8 直流伺服電動機在過渡過程中的工作狀態(tài)3.9 直流伺服電動機的過渡過程 3.10 直流力矩電動機3.11 低慣量直流伺服電動機思考題與習(xí)題

59、第3章 直流伺服電動機 直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和直流測速發(fā)電機相同， 所不同的是電動機的輸入為電壓信號， 輸出為轉(zhuǎn)速信號。 下面分析直流電動機的工作原理。 為簡明起見，仍采用具有4個槽的兩極電機模型, 如圖2-3。在A、B兩電刷間加直流電壓時，電流便從B刷流入，A刷流出。N極下導(dǎo)體中的電流流出紙面， 用表示；S極下導(dǎo)體中的電流流入紙面， 用 表示， 見圖 3 - 1。3.1 直流電動機的工作原理圖 3 - 1 直流電動機工作原理圖 根據(jù)電磁學(xué)基本知識可知， 載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用。 如果導(dǎo)體在磁場中的長度為l, 其中流過的電流為i， 導(dǎo)體所在處的磁通密度為B， 那末導(dǎo)體受到的電磁力的

60、值為 F=Bli (3 - 1) 式中， F的單位為牛頓(N)； B的單位為韋伯/米2(Wb/m2); l的單位為米(m); i的單位為安培(A)； 力F的方向用左手定則來確定。 據(jù)此，作出圖3-1中N、S極下各根導(dǎo)體所受電磁力的方向， 如圖中箭頭所示。 電磁力對轉(zhuǎn)軸形成順時針方向的轉(zhuǎn)矩， 驅(qū)動轉(zhuǎn)子而使其旋轉(zhuǎn)。由于每個磁極下元件中電流方向不變， 故此轉(zhuǎn)矩方向恒定， 稱為直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。 如果電機軸上帶有負載， 它便輸出機械能，可見直流電動機是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的電氣裝置。 我們用同一個模型，既分析了直流發(fā)電機的工作原理， 又分析了直流電動機的工作原理。 可見直流電機是可逆的， 它根據(jù)