直流电动机调速设计

综述直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。

与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。

但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。

随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。

直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。

本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。

1 直流电动机调速原理1.1直流电动机的定义输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。

1.2直流电动机的基本结构直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。

其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。

直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。

其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。

直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。

其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。

电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。

换向器是一种机械整流部件。

由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。

各换向片间互相绝缘。

换向器质量对运行可靠性有很大影响。

图1-1直流电动机的基本结构1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。

1.3直流电动机的工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。

这种电磁情况表示在图上。

由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。

因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷A始终有正极性。

同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。

如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。

这就是直流发电机的工作原理。

同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。

从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。

在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。

同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理．在电机理论中称为可逆原理。

图1-2直流发电机的工作原理图1.4直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电动机可分为下列几种类型。

1.4.1他励直流电动机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电动机称为他励直流电动机，接线如图（a）所示，图中M表示电动机。

永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。

1.4.2并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。

作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

1.4.3串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。

这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。

1.4.4复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。

图1-3直流电动机的励磁方式1.5他励直流电动机的机械特性1.5.1他励直流电动机的固有特性公式1-1为他励电动机的机械特性公式。

图1-3为他励电动机的固有特性曲线。

由于电阻Ra 很小，所以机械特性的斜率γ很小，硬度α很大，固有特性为硬特性。

图中，N 对应于电动机的额定状态，说明了电动机的长期运行能力。

M 点对应电动机的临界状态，说明了电动机的短时过载能力。

ememT e e T n T C C RC U n β-=Φ-Φ=02公式1-1T 0T N T en 0n 0'n Nn图1-4他励电动机的固有特性1.5.2他励直流电动机的人为特性1．增加电枢电路电阻时的人为特性在电枢电路中串入一外接电阻，由公式1-1可知理想空载转速n。

不变,γ增加,α减小,机械特性如图1-5。

图1-5增加电枢电路电阻的人为特性2. 改变电枢电压时的人为特性Ua降低时，n。

减小，γ不变，α不变，人为特性如图1-6，机械特性平行下移。

图1-6降低电枢电压时的人为特性3．减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流I f,则磁通φ减小,n。

增加，α增加，人为特性如图1-7。

图1-7减小励磁电流时的人为特性1.6直流电动机调速概述在由直流电动机作为原动机的电力拖动系统中，被拖动的生产机械为适应工艺过程的要求，往往需要改变运行速度。

如车床切削工件，粗加工时用低速，精加工时用高速。

又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。

所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。

这是生产机械经常提出的要求。

调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。

实现生产机械转速变化的要求有两种办法：一是机械调速，即通过改变机械传动机构速比的方法来使速度变化；二是电气调速，即通过改变电动机电气参数，在负载不变的条件下，得到不同的运行速度的方法。

在很多的情况下，采用电气调速方法较机械调速方法在技术上、经济各项指标上都优越得多,其调速方法有三种：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。

这里需要强调，调速和转速变化是两个不同的概念。

由于负载的变化而引起的电动机转速变化称为转速变化。

2直流电动机调速方法2.1电枢电路串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图2-1所示，图中的负载为恒转矩负载。

从图2-1可以看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。

如图2-1中串入的电阻值交点A2的转速n2低于交点A1的转速n1，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。

采用电枢回路串接电阻调速，调速方向是往下的；调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式；调速的稳定性差，因为Ra增加后，机械特性硬度降低，静差率增大；调速的经济性差，虽然初期投资不大，但损耗增加，运行效率低；调速范围不大，因受低速时静差率的限制调速；允许的负载为恒转矩负载。

图2-1电枢串电阻调速机械特性曲线2.2改变电枢电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。

励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。

电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，如图2-2所示，图中的负载为恒转矩负载。

从图2-2中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1，转速为n1；电压为U2，交点为A2，转速为n2；电压为U3，交点为A3，转速为n3；电枢电源电压越低，转速也越低。

同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。

改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。

当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。

采用改变电枢电源电压调速，调速的方向往下；调速平滑性好，只要均匀的调节电枢电压就可实现无级调速；调速的为稳定性好，但随着电压的减小，转速降低，稳定性会变差；调速的经济方面初期投资大，但运行费用不大；调速范围大。

这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。

图2-2 改变电枢电压调速机械特性2.3改变励磁电流调速保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高，其带恒转矩负载时弱磁调速，如图2-3所示。

从图2-3中可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；励磁磁通减少时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为A1，转速为n1；励磁磁通减少为时，交点为A2，转速为n2 。

弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调节，至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制，一般约为1.2 nN左右，特殊设计的调速电动机，可达3 nN或更高。

单独使用弱磁调速方法，调速的范围不会很大。

采用改变励磁电流调速，调速方向为往上调，因为励磁电流不能超过额定值；调速的平滑性好，只要均匀调节励磁电流的大小就可以实现无级调速；调速的稳定性好，，励磁电流减小时，机械特性硬度下降，理想空载转速增加，静差率不变；调速的经济性好，运行费用低，但初投资大；调速范围不大。

图2-3改变励磁电流的调速特性3直流电动机调速参数设计一台他励电动机KW P N 5=，V U aN 170=，A I aN 36=，min 1480r n N =3.1采用电枢串电阻调速参数设计他励电动机拖动通风机负载转矩，采用电枢串电阻调速，将转速调至1200r/min 电动机的电枢电阻()Ω=-=86.0II P R aNaNNaU在额定状态下运行时V E I R U aN a aN 04.139=-=094.0/==Φn C N EE897.055.9=Φ=ΦC C E Tm N nP TNNN∙==26.3255.9由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比，故n=1200r/min 时的转矩为：()m N NT Tn NN∙==21.212min 18090r CU n EaN=Φ=min 6090r n n n =-=∆由于()2Φ⨯+=∆C C R R T E r a Tn由此求得：Ω=-Φ∆=561.12R CC R a TErT n3.2 采用降低电枢电压调速参数设计他励电动机拖动恒转矩负载，采用改变电枢电压调速，将转速调至1000r/min由上步1已经求得：Ω=86.0Ra，094.0=ΦC E ，897.0=ΦC T ，m N T N ∙=26.32电枢电压减小后：min 04.3292r Tn C C R T E a =Φ=∆min 04.13290r n n n =∆+=由此求得：V n C U E a 9.1240=Φ= 3.3采用改变励磁电流调速参数设计他励电动机拖动恒功率负载，采用改变励磁电流调速，将电压调至1800转。