4.3　直流测速发电机的输出特性与误差分析

4.3.1　直流测速发电机的输出特性

测速发电机的输出电压 U _a （V）与被测转速 n （r/min）之间的函数关系 U _a = f （ n ）称为输出特性。

由前面的分析可知，直流测速发电机空载时，其输出的直流电压 U _a 与转速 n 成正比。然而，当测速发电机的输出端与伺服系统相连接（即负载）时，电枢电流 I _a ≠0，此时测速发电机输出特性斜率 K 为

当不计电枢反应、温度及电刷接触电阻等因素影响时， Φ ， R _a ， R _L 均为常值，斜率 K 也是一个常数，这时直流测速发电机的输出特性曲线为直线，如图4-9中的实线所示。

可以看出，对于不同的负载电阻 R _L ，其输出特性的斜率也不同，随着负载电阻 R _L 的减小，斜率 K 将逐渐降低。为了使测速发电机具有较高的灵敏度，应使之具有较高的斜率，因此，负载电阻 R _L 应取较大值。

4.3.2　直流测速发电机的误差分析

实际上直流测速发电机的输出特性并不是严格的线性特性，而是与线性特性之间存在有误差。下面讨论产生误差的原因及减小误差的方法。

（1）电枢反应的影响

当直流测速发电机带负载时，负载电流流经电枢，产生电枢反应的去磁作用，使电机气隙磁通减小。因此，在相同转速下，负载时电枢绕组的感应电动势比在空载时电枢绕组的感应电动势小。负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应的去磁作用越强，气隙磁通减小得越多，输出电压下降越显著，致使输出特性向下弯曲，如图4-9中的虚线所示。

为了减小电枢反应对输出特性的影响，应尽量使电机的气隙磁通保持不变。通常采取以下一些措施：

①对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组 W _C 。有时为了调节补偿的程度，还接有分流电阻 R ，如图4-10所示。

②在设计电动机时，选择较小的线负荷和较大的空气隙。

③在使用时，转速不应超过最大线性工作转速，所接负载电阻不应小于最小负载电阻。

（2）电刷接触电阻的影响

直流测速发电机电枢电路总电阻中包括电刷与换向器的接触电阻。测速发电机带负载时，由于电刷与换向器之间存在接触电阻，会产生电刷的接触压降，使输出电压降低。

电刷接触电阻是非线性的，它与流过的电流密度有关。当电枢电流较小时，接触电阻大，接触压降也大；电枢电流较大时，接触电阻较小，而且基本上趋于稳定的数值，线性误差相对而言小得多。可见接触电阻与电流成反比。只有电枢电流较大，电流密度达到一定数值后，电刷接触压降才可近似认为是常数。考虑到电刷接触压降的影响，直流测速发电机的输出特性如图4-11所示。

当输入的转速较低时，接触电阻较大，使此时本来就不大的输出电压变得更小，造成线性误差很大。由图4-11可见，在转速较低时，输出特性上有一段输出电压极低的区域，这一区域叫不灵敏区。以符号Δ n 表示，即在此区域内，测速发电机虽然有输入信号（转速），但输出电压很小（甚至为零），对转速的反应很不灵敏。接触电阻越大，不灵敏区也越大。

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，常常采用导电性能较好的黄铜-石墨电刷或含银金属电刷。

（3）电刷位置的影响

当直流测速发电机带负载运行时，若电刷没有严格地位于几何中性线上，会造成测速发电机正反转时输出电压不对称，即在相同的转速下，测速发电机正反向旋转时，输出电压不完全相等。这是因为当电刷偏离几何中性线一个不大的角度时，电枢反应的直轴分量磁通在一种转向下起着去磁作用，而在另一种转向下起着增磁作用。因此，在两种不同的转向下，尽管转速相同，电枢绕组的感应电动势不相等，其输出电压也不相等。

（4）温度的影响

电磁式直流测速发电机在实际工作时，由于周围环境温度的变化以及电机本身发热（由电动机各种损耗引起），都会引起电机中励磁绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大。这时即使励磁电压保持不变，励磁电流也将减小，从而引起气隙磁通也随之减小，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压降低，输出特性斜率减小，使输出特性向下弯曲。

为了减小温度变化对输出特性的影响，通常可采取下列措施。

①设计直流测速发电机时，通常把磁路设计为饱和状态。根据磁化曲线可知，当温度变化时引起励磁电流变化，在磁路饱和时励磁电流变化引起的磁通变化要比磁路非饱和时小得多，从而减小非线性误差。

②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。附加电阻可用温度系数较低的合金材料制成。这样尽管温度变化，引起励磁绕组电阻变化，但整个励磁回路总电阻的变化不大，磁通变化也不大，从而减小温度变化而产生的线性误差。其缺点是励磁电源电压也需增高，励磁功率随之增大。

③励磁回路由恒流源供电，但相应的造价会提高。

当然，温度的变化也要影响电枢绕组的电阻。但是由于电枢电阻数值较小，所造成的影响也较小，所以可不予考虑。