4.2 直流测速发电机的基本结构与工作原理
直流测速发电机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，它把机械能转换成电能，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 n 成正比的直流电压信号输出，其输出电压 U 可表示为
U = kn
直流测速发电机的工作原理与直流发电机相同。下面分别介绍电磁式直流测速发电机、永磁式直流测速发电机和电子换向式无刷直流测速发电机的基本结构和工作原理。
4.2.1 电磁式直流测速发电机
（1）电磁式直流测速发电机的基本结构
电磁式直流测速发电机一般采用他励形式，直流励磁绕组由外部直流电源供电。电磁式直流测速发电机由定子、电枢、电刷装置等组成，其结构如图4-2所示。
图4-2 电磁式直流测速发电机结构简图
1—机壳；2—定子铁芯；3—电枢；4—电刷座；5—电刷；6—换向器
①定子。定子由定子铁芯和励磁绕组等组成。定子铁芯通常由硅钢片冲制叠装而成，磁极和磁轭整体相连，在磁极铁芯上套有励磁绕组，如图4-3所示。
图4-3 电磁式直流测速发
1—磁极；2—磁轭；3—励磁线圈
定子作为发电机的机械支撑，同时产生主磁场，一般将定子铁芯的主磁极和磁轭加工成一体，由0.35～0.5mm厚的电工钢板冲片叠压而成，用铆钉把冲片铆紧，固定在机座上。主磁极铁芯分成极靴和极身。极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀，并减小气隙磁阻。
励磁绕组由铜线制成，将励磁绕组包上绝缘材料后套在磁极上，励磁绕组通入直流电时，产生磁场，形成磁极，即N、S极。
②电枢。直流测速发电机的转子通常称为电枢，电枢由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁芯是主磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的电工钢板冲片叠压而成，并用绝缘漆作为片间绝缘。电枢铁芯冲片如图4-4所示，电枢外圆均匀地分布许多槽，在电枢槽内嵌放电枢绕组。
图4-4 电枢铁芯冲片
电枢绕组由铜线绕成，预先制成元件，嵌放在槽内，然后将元件的两个端头按照一定的规律分别接到两片换向片上，构成电枢绕组。
换向器把交流电变换成直流电，因此又称“换流装置”，它由多个换向片组成，换向片间用塑料或云母绝缘，每个换向片与元件相连。
③电刷装置。电刷装置是直流测速发电机的重要组成部分，它连接外部电路和换向器，把电枢绕组中的交变电动势变成外电路的直流电动势。电刷被安装在电刷座中，用弹簧将它压在换向器表面上，使之有良好的滑动接触。
（2）电磁式直流测速发电机的工作原理
直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，所不同的是测速发电机不以输出电功率为主要目的，而是输出一个电压信号，如图4-5所示。
图4-5 电磁式直流测速发电机工作原理
空载时，电枢电流 I a =0，直流测速发电机的输出电压 U a 和电枢感应电动势 E a 相等，即
式中， p 为极对数； N 为电枢绕组总导体数； Φ 为每极磁通量，Wb； a 为电枢绕组并联支路对数； K e 为电动势常数； n 为转速。
负载时，电枢电流 I a ≠0，直流测速发电机的输出电压为
U a = E a - I a R a
式中， R a 为电枢回路的总电阻。它包括电枢绕组电阻、电刷和换向器之间的接触电阻。
带负载后，测速发电机的输出电压比空载时小，这正是由电阻 R a 的电压降造成的。负载时电枢电流为
式中， R L 为测速发电机的负载电阻。
将上式代入 U a = E a - I a R a 中，得
则测速发电机的输出电压为
将 E a = C e Φ n = K e n 代入上式得
式中
为测速发电机输出特性的斜率。
4.2.2 永磁式直流测速发电机
（1）永磁式直流测速发电机的基本结构
永磁式直流测速发电机的基本结构与一般小型永磁式直流发电机相似，分为定子和电枢（又称转子）两个部分。定子磁极一般采用铁氧体永磁；电枢主要由电枢铁芯和电枢绕组构成，在电枢结构形式上，可以做成有槽式电枢，也可以做成无槽式电枢以及盘式印制绕组电枢等；另外还有换向器和电刷装置等。
（2）永磁式直流测速发电机的工作原理
永磁式直流测速发电机的工作原理与永磁式直流发电机相似，所不同的是测速发电机不以输出电功率为主要目的，而是输出一个电压信号，这个电压信号的大小应与被测机械的运动速度成正比。因此，其主要技术指标与普通直流发电机完全不同。永磁式直流测速发电机的电气原理图如图4-6所示。
图4-6 永磁式直流测速发电机电气原理图
永磁式直流测速发电机定子的永磁体磁极在电机气隙中将建立一个恒定磁场。当电枢与原动机轴一起旋转时，电枢导体便切割气隙磁场，并产生感应电动势。在不同磁极下，导体感应电动势的方向是不同的，通过换向器换向，就可以在电刷两端获得极性不变的直流电压信号。
根据电机学原理，当直流测速发电机空载时，电枢电流 I a =0，电刷两端的端输出电压 U a 等于电枢绕组的感应电动势 E a ，它们与转速 n 之间的关系为
式中， p 为极对数； N 为电枢绕组总导体数； Φ 为每极磁通量，Wb； a 为电枢绕组并联支路对数； K e 为电动势常数； n 为转速，r/min； U a 为输出电压，V； E a 为电枢绕组的感应电动势，V。
可以看出，由于电机空载时永磁体磁极的每极磁通量 Φ 是恒定不变的，因此，永磁直流测速发电机电刷两端输出的空载直流电压 U a 与转速 n 成正比。这就是永磁直流测速发电动机的基本工作原理。
4.2.3 电子换向式无刷直流测速发电机
无刷直流测速发电机包括霍尔无刷直流测速发电机和电子换向式无刷直流测速发电机两种。
电子换向式无刷直流测速发电机是一种机电一体化产品。它以电子换向电路代替了有刷直流测速发电机的电刷及换向器，从而克服了有刷直流测速发电机因机械换向所引起的种种缺点，又保持了有刷直流测速发电机外特性的优点。无刷直流测速发电机原则上可使用于有刷直流测速发电机的所有应用领域，特别适用于高真空、低气压、强振动冲击、存在有害介质及易燃易爆等一般有刷直流测速发电机难以适应的恶劣环境。
（1）电子换向式无刷直流测速发电机的基本结构
电子换向式无刷直流测速发电机由发电机本体、电子换向电路和位置传感器三部分组成。测速发电机本体是一台多相永磁交流发电机，其定子上放置有多相对称绕组，转子为永磁体磁极。电子换向电路主要由电子开关电路、加法放大电路以及采样信号形成电路等组成。一般利用霍尔元件作为转子位置传感器。图4-7为电子换向式无刷直流测速发电机的原理图。电子换向式无刷直流测速发电机的原理框图如图4-8所示。
图4-7 电子换向式无刷直流测速发
图4-8 电子换向式无刷直流测速发电机原理框图
（2）电子换向式无刷直流测速发电机的工作原理
当永磁转子由原动机驱动旋转时，定子绕组中将感应出多相对称的梯形波电动势，各相定子绕组的输出端子与电子开关电路的输入端相连。位置传感器信号经过逻辑处理，用来控制开关电路的通断，对多相交流电压梯形波依次进行分段采样，然后在加法放大电路中将各段采样信号组合成正比于转速的直流电压输出。
当被反向驱动时，交流发电机发出的梯形波电动势的相序改变，通过采样后从加法放大器输出极性相反的直流电压。
无刷直流测速发电机中的多相永磁式交流发电机与普通永磁式交流发电机的不同点在于，其定子每相绕组的感应电动势为梯形波，并且对梯形波的顶部宽度和平坦度有严格要求，而普通永磁式交流发电机则要求尽可能地削弱谐波电动势分量，使电动势波形为正弦形。
这种测速发电机的特点是不存在不灵敏区，没有电刷与换向器接触等所造成的缺陷，性能较好，但它的结构较复杂。
