直流测速发电机测速误差分析及减小误差的方法研究[摘要]直流测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性，实际特
性与要求的线性特性之间存在误差。

阐述了引起误差的各种原因，并提出了减少误差的方法。

[关键词]直流测速发电机误差分析减少误差
直流测速发电机作为自动控制系统中的校正元件，就其物理本质来说，是一种测量转速的微型直流发电机；从能量转换的角度看，它把机械能转换为电能，输出直流电；从信号转换的角度看，它把转速信号转换成与转速成正比的直流电压信号输出，因而可以用来测量转速。

一、自动控制系统对直流测速发电机的要求
自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。

据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：
1．输出电压与转速的关系曲线（输出特性）；
2．输出特性的斜率要大；
3．温度变化对输出特性的影响要小；
4．输出电压的纹波要小；
5．正、反转两个方向的输出特性要一致。

二、直流测速发电机的误差及其减小的方法
实际上，测速发电机的输出特性不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差。

（一）温度影响。

直流测速发电机Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁通Ф为常数。

实际上，电机周围环境温度的变化以及电机本身发热（由电机各种损耗引起）都会引起电机绕组电阻的变化。

当温度升高时，励磁绕组电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。

反之，当温度下降时，输出电压就升高。

为了减少温度变化对输出特性的影响，采取的措施一为将测速发电机的磁路设计得比较饱和。

因为磁路饱和后，励磁电流变化所引起的磁通的变化较小。

措施二为在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流；附
加电阻（丝）可以用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金或铜镍合金。

尽管温度升高将引起励磁绕组电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多。

对于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合，可采用在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络。

（二）电枢反应影响电机空载时,只有励磁绕组产生的主磁场。

电机负载时，电枢绕组中流过电流也要产生磁场，称为电枢磁场。

所以，负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。

当励磁电流流过励磁绕组时，主磁通便由N 极出来，经过空气隙及电枢，进入S极，然后分别从两边的磁轭回到N极，形成闭合回路。

在极中心下面主磁通密度最大，靠近极尖处逐渐减小，在极靴范围以外则减小很快，在几何中心线上则等于零。

而电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反。

不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在空间的分布情况始终不变。

亦即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。

（三）延迟换向去磁影响。

直流电机中，电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。

电机旋转，当电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，其电流反向，由+ia变成-ia。

在理想换向情况下，当换向元件的两个有效边处于几何中性线位置时，其电流应该为零。

但实际上在直流测速发电机中并非如此。

虽然此时元件只切割主磁通产生的电势为零，但仍然有电势存在，使电流过零时刻延迟，出现延迟换向去磁。

（四）纹波影响。

根据Ea=CeФn,当Ф、n为定值时,电刷两端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。

然而，实际的电机并非如此，其输出电势总带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。

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。

由于电枢槽数及电枢元件数有限，在输出电势中将引起脉动。

纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利，实用的测速机在结构和设计上都采取了一定的措施来减小纹波幅值。

措施一，增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波，但是由于工艺所限，电机槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，因此纹波的产生不可避免；措施二，采用无槽电枢工艺（电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起），就可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值，与有槽电枢相比，输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。

（五）电刷接触压降影响为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直流测速发电机中，常常采用接触压降较小的银-石墨电刷。

在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在它与换向器接触的表面镀上银层，使换向器不易磨损。

电刷和换向器的接触情况还与化学、机械等因素有关，它们引起电刷与换向器滑动接触的不稳定性，以致使电枢电流含有高频尖脉冲。

为了减少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干扰，常常在测速机的输出端连接滤波电
路。

三、结束语
在理想条件下,输出特性为一条直线。

而实际的特性与直线有偏差。

电枢反应和延迟换向的去磁效应使线性误差随着转速的增高或负载电阻的减小而增大。

因此，在使用时必须注意电机转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不可小于给定值。

纹波电压、电刷和换向器接触压降的变化造成了输出特性的不稳定，因而降低了测速发电机的精度。

测速机的输出特性对于温度的变化是比较敏感的。

凡是温度变化较大，或是对变温输出误差要求严格的场合，还需对测速机进行温度补偿。

通过以上措施，就可以大大提高直流测速发电机的精确度和灵敏度，使其可靠性更好。

直流测速发电机的发展趋势是：提高灵敏度和线性度，减少纹波电压和变温所引起的误差，减轻重量，缩小体积，增加可靠性，发展新品种。

1．发展高灵敏度测速发电机；
2．改进电刷与换向器的接触装置，发展无刷直流测速发电机；
3．发展永磁式无槽电枢、杯形电枢、印制绕组电枢测速发电机。

参考文献：
[1]姜孝定，电机原理及应用---北京:机械工业出版社,1980.6
[2]李宗坊，微电机及其应用---西南交通大学出版社,1986.12
[3]陈隆昌，控制电机---西安:西安电子科技大学出版社,2000.5。