直流电机的介绍

直流电机的介绍

直流电机的特点是他们的多功用性。依靠不同的并励、串励和他励励磁绕组的组合，他们可以被设计为动态的和静态的运转方式从而呈现出宽广范围变化的伏安、－特性或速度－转矩特性。因为它简单的可操纵性，直流系统经常被用于需要大范围发动机转速或精确控制发动机的输出量的场合。

直流电机的总貌如图所示。定子上有凸极，而且由一个或几个励磁线圈励磁。气隙磁通量以磁极中心线为轴线对称分布。这条轴线叫做磁场轴线或直轴。

我们都知道，在每个旋转电枢线圈中产生的交流电压，经由一与电枢联接的旋转的换向器和静止的电刷，在电枢线圈出线端转换成直流电压。换向器－电刷组合构成了一个机械整流器，它形成了一个直流电枢电压和一个被固定在空间中的电枢磁势波形。电刷的位置应使换向线圈也处于磁极中性区，即两磁极之间。这样，电枢磁势波的轴线与磁极轴线相差90度,也就是在交轴上。在示意图中，电刷位于交轴上，因为这是线圈和电刷相连的位置。这样，电枢磁势波的轴线也是沿着电刷轴线的（在实际电机中，电刷的几何位置大约偏移图例中所示位置90度，这是因为元件的末端形状构成图示结果与换向器相连。）。电刷上的电磁转矩和旋转电势与磁通分布的空间波形无关；为了方便我们可以假设在气隙中有一个正弦的磁通密度波形。转矩可以从磁场的观点分析得到。

转矩可以用每个磁极的直轴气隙磁通d φ和电枢磁势波的空间基波分量1a F 相互作用的结果来表示。在交轴上的电刷和这个磁场的夹角为90度，其正弦值等于1，对于一台P 极电机

2

122d P T Fa πφ⎛⎫= ⎪⎝⎭

（1-1） 式中带负号被去掉因为转矩的正方向可以由物理的推论测定出来。锯齿电枢磁势波的空间基波是它最大值的28

π。代替上面的等式可以给出： ()2a a a PC T i N m m

φπ=• （1-2） 其中：a I =电枢外部点路中的电流；

C a =电枢绕组中总导体数；

m =通过绕组的并联支路数；

及 2a a PC K m

π= （1-3） 其为一个由绕组设计而确定的常数。

简单的单个线圈的电枢中的整流电压前在面已被讨论过。将绕组分散在几个槽中的效果可用图形表示，在图示中每一个整流的正弦波是在线圈中产生的电压,换向线圈边处于磁中性区。从电刷观察到的电压是电刷间所有串联线圈中整流电压的总和，在图中标以a e 的文波表示。每个磁极用12个或更多换向片,可以使波动变得很小。从电刷中观测到平均产生的电压等于整流线圈电压的平均值的总和。电刷之间整流电压a e ，即旋转电势为

2a a d m a d m PC e K m

φωφωπ== （1-4） a K 为常数。分布绕组的整流电压与集中绕组有相同的平均值，不同的是波动大大减低了。

在上面的等式中，所有的变量都是标准国际单位制。

a a m e i T ω= （1-5）

这个等式清楚地说明，与旋转电势相关的瞬间功率等于与磁场转矩有关的瞬时机械功率，能量的流向是由设备的确定，是发动机还是发电机。

直轴气隙磁量由励磁绕组的合成磁势f f N i ∑产生，其磁通—磁势曲线就是电机的

具体铁磁材料的几何尺寸决定的磁化曲线。在磁化曲线中, 假设电枢磁势波的轴线与磁场轴垂直，因此假定电枢磁势对直轴磁通不产生作用。在本文的后面有必要重新检验这一假设，饱和效应会深入研究。因为电枢电势是与磁通、时间、速度成比例，所

以通常用恒定转速0m ω下的电枢电势0a e 来表示磁化曲线更为方便。任意转速电压m

ω时，任一给定磁通下的电压a e 与转速成正比，也就是说 0

m a a m e e ωω= （1-6）

图中磁化曲线只有一个励磁绕组励磁的，这种曲线可以通过测试的方法轻松获得，不需要任何设计步骤的知识。

大范围励磁下的铁磁阻与空气气隙相比可以忽略不计，在这种情况下磁通与励磁绕组的总磁势成线性比例关系，比例常数就是直轴的气隙导磁性。

直流电机的显著优势源自于通过选择励磁绕组的励磁方式而获得不同的运转方式。励磁绕组可以从外部直流电源以他励的方式励磁，也可以以自励的方式励磁。换句话，直流电机可以提供自身励磁。励磁方式不仅极大地影响它的静态特性，而且极大地影响在控制系统中电机的动态性能。

他励发电机的联接图解已经给出的。所需的励磁电流只是电枢电流中的一小部分。在励磁电路中少量的功率可以控制相对一大部分电枢电路的功率。换句话说，发电机是一个功率放大器，当需要在大范围控制电枢电压时，他励发电机通常在反馈控制系统中使用。自励发电机的励磁绕组可以有三种不同的供电方式。励磁线圈可以与电枢串联起来，这便是串励发电机；励磁绕组可以与电枢并联在一起，这便是并励发电机。也可以同时以两种方式相连接组成一个复励发电机。为了引起自励过程，在自励发电机中必须存在剩磁。

在典型的静态伏-安特性中，假定原动机速度恒定，稳态电动势与端电压之间的关系为

t a a a V E I R =- （1-7）

其中a I 是电枢输出电流，a R 是电枢回路电阻。在发动机中，a E 大于t V 。电磁转矩T 是一个反转矩。

他励发电机的端电压随着负载电流的增大而轻微的减小，主要是因为电压在电枢电阻上的压降。串励发电机中的励磁电流与负载电流相同，所以气隙磁通和电压随负载变化很大，因此很少采用串励发电机。并励发电机电压随负载增加会有所下降，但在许多应用场合，这并不妨碍使用。复励发电机的连接通常使串励绕组的磁势与并励绕组磁势相加，其优点是通过串励绕组作用，每极磁通随着负载增加，从而产生一个随负载增加近似为常数的输出电压。通常，并励绕组匝数多，导线细；而绕在外部的串励绕组由于它必须承载电机的整个电枢电流，所以其构成的导线相对较粗。不论是并励还是复励发电机的电压都可借助并励磁场中的变阻器在适度的范围内得到调节。

所有励磁的方法在电动机上同样适用。在电动机典型的静态转速—转矩特性中，