單極測速發電機

單極測速發電機是指一個圓柱式或圓盤式電樞在極性不變的勻強磁場中旋轉，並在電樞中感應電勢的一種發電機。

基本介紹

• 中文名：單極測速發電機
• 外文名：homopolar tachogenerator
• 學科：電機學
• 特性：輸出特性、紋波係數等
• 優點：瞬態回響好， 靈敏度高
• 原理：電磁感應原理

原理

單極測速發電機的原理為一個圓柱式或圓盤式電樞在極性不變的勻強磁場中旋轉，並在電樞中感應電勢。眾所周知， 此時所產生的電勢：

式中——為磁通量；

n——為工作轉速。

特性

輸出特性

1、空載

當轉速為n（r/min）， 空載磁通為（Wb）。則空載感應電勢：

式中

為空載輸出斜率。

在單極電機中，氣隙磁通保持恆定不變。因此， 直流電勢E₀和工作轉速n成線性關係。

2、負載

從理論分析， 在負載狀態下， 存在著電樞反應。在直流換向器電機中， 電樞反應的性質取決於電刷偏離幾何中性線的位置而在直流單極電機中， 電樞反應的性質則取決於集電裝置的結構採用電刷集電的單極電機， 在電樞中將會出現不平衡電流， 它建立的縱軸電樞反應， 在發電機狀態下起去磁作用， 而橫軸電樞反應使主磁場畸變， 且引起向刷邊擠流。

電機的工作點通常處在磁化曲線的非線性部分， 因而將引起總磁通減少和相應的電動勢降低。在低電壓、大電流的大功率單極電機中， 橫軸電樞反應磁勢要比換向器電機強烈得多， 而它的橫軸磁阻又是很小的， 因此， 電樞反應磁場很大。曾在試驗中已經證實， 在大電流的情況下， 若不採取克服電樞反應的有效措施， 輸出特性的線性度將是很差的。但是， 在微機測試中， 通過單極電機本身的測試電流極小， 而電樞的導體數為1， 因此， 電樞反應磁勢與激磁磁勢相比則微不足道， 電機實際處於空載狀態。故這種電機在測試狀態下仍有良好的線性度。

紋波係數

單極測速發電機， 電樞無齒槽， 無換向器， 不象直流測速發電機那樣， 存在著電勢多邊形和齒諧波引起的電壓脈動單極測速發電機輸出無紋波的直流電壓信號。它不存在換向問題以及由於換向火花而產生的無線電干擾。這對於轉速測量的穩態和瞬態測試精度以及排除微機測試中的干擾源無疑是一個突出的優點。

無信號區

無信號區的大小取決於無信號區的邊界轉速n_z， 由測速發電機原理可知：

即無信號區的範圍僅取決於電刷的接觸壓降和測速發電機的空載輸出斜率的比值。電刷的接觸壓降、與電刷電流密度有一定的函式關係，見圖。

由圖可知， 由於微機測試的電流極小， 即電刷的電流密度極小， 電刷壓降是很小的。已經證明， 只要合理的選擇電刷和電刷壓力， 即使空載輸出斜率為毫伏級， 在微機測試中， 無信號區域仍然是很小的。

輸出電壓不對稱度

由於單極電機為一單根導體在勻強磁場中運動， 正、反向運轉運行性能完全一樣，故輸出電壓對稱性能好。

最大允許轉速

單極測速發電機不象直流測速發電機受換向片間電壓的限制， 從而限制了最高轉速。單極測速發電機最高轉速僅受軸承結構限制， 故轉速可以很高。

瞬態回響

單極測速發電機導體數N=1， 電樞電感很小；由於發出的是無紋波的直流電壓信號， 不需要濾波電路。因此， 瞬態回響好。

綜合上述， 單極測速發電機無論是穩態或瞬態， 都具有優良的品質， 是一種理想的測速元件。

結構型式的選擇

測速發電機一般要求體積小， 轉動慣量小， 結構簡單， 工作可靠。故單極測速發電機選用圓筒式空芯懷轉子， 半利川的永磁式結構。為了保證磁場的勻強性， 不宜採用非磁性墊塊的方法來克服電樞反應在流引時， 可採用迴路補償法。對於這種低電壓的電刷引流裝置， 為了防止電刷的跳動和接觸壓降的波動， 電刷裝置和電刷壓力的設計相當重要。

優點

單極測速發電機結構簡單， 沒有換向紋波和齒諧波帶來的測量誤差， 也不會因為需要採用濾波措施而增加了時間常數或濾掉了有用的波形，它的瞬態回響好， 靈敏度高。因此， 單極測速發電機無論是穩態或瞬態都具有優良的品質， 尤其在速度的動態測量中， 它是一種理想的測速元件。隨著現代電子技術的發展和微計算機的套用， 研究單極測速發電機及其在轉速測量中的套用， 對研究動態參數， 滿足現代快速驅動的要求是一項有意義的工作。