探究他励直流电动机的机械特性

直流电动机的发明在人类的技术史上具有划时代的意义。直流电动机一直是传统的调速手段，应用十分广泛。尽管近几年交流电动机调速的发展势头已经超过直流电动机，但是，直流电动机是天然的矢量控制原理，调速的理论和技术仍然是交流电动机调速的基础。考虑到交流变频电动机在通电瞬间需要数百毫秒的建立励磁时间，有些频繁起动的电动机仍然需要使用直流电动机，所以直流电动机在电气传动领域中仍占有一席之地。

直流电动机的励磁方式有他励、永磁、并励、串励和复励等方式（见图5-1）。不同励磁方式的直流电动机特性差异很大。永磁方式也可以归类于他励方式，只是没有弱磁功能。稀土永磁直流电动机作为高动态性能电动机，用作数控机床和机器人的伺服电动机，最大功率已达到数十千瓦。

可以使电动机正反方向旋转的电气传动系统称为可逆电气传动系统。改变直流电动机电枢电压的极性或者改变励磁电压的极性都可以改变旋转方向。

直流电动机在旋转时，在励磁磁场的作用下，电枢绕组产生旋转的反电动势E_a（简称反电势）。电枢电压U_a、反电势E_a和电枢回路电阻R_a之间的关系为电压平衡方程：

U_a=E_a+R_aI_a （5-1）这里的电枢回路电阻R_a应当包括电枢回路的全部电阻，例如：电枢电阻、补偿绕组的电阻、电枢回路电缆的电阻和电源的内阻等。

直流电动机的电枢反电势为

E_a=C_eΦn或E_a=kΦω （5-2）

式中 Φ——气隙磁通；

C_e，k——电动势常数

p_n——电动机的极对数；

N——电枢绕组的有效导体数；

a——电枢绕组的并联支路数。

直流电动机的电磁转矩正比于电枢电流和气隙磁通

式中。

图5-1 直流电动机分类示意图

这里可以看出，当我们采用ω作为转速的变量时，常用的转矩常数和电动势常数在数值上相等，这会使计算更加方便。

由式（5-1）、（5-2）和（5-3）很容易得到他励直流电动机的机电特性ω=f（I_a）

和机械特性ω=f（T）

如果气隙磁通恒定，可以认为kΦ是常数，并令kΦ=C，上面的公式可以简化成为

电磁转矩T=CI_a

电枢电动势E_a=Cω

机电特性

机械特性

严格说来，气隙磁通并不是恒定的。这是因为负载变化时电枢电流随之变化，由于电枢电流对气隙磁通起到去磁作用（电枢反应），使得气隙磁通随着电枢电流变化。为了消除电枢反应的影响，在大型直流电动机的磁极下面增加了与电枢绕组串联的补偿绕组。补偿绕组的作用是抵消电枢电流的去磁作用。所以在工程计算时往往不考虑电枢反应的去磁影响，认为他励直流电动机的机械特性是直线特性。永磁直流电动机的电枢反应实际上很不明显，机械特性相同。

他励直流电动机的机械特性如图5-2所示。

图5-2 他励直流电动机的机械特性

直流电动机机械特性的硬度β很高，并等于(www.xing528.com)

他励直流电动机的机械特性是一条直线，它与纵轴相交于理想空载转速ω₀之处。

由式（5-8）和（5-9）可以得到机械特性公式

根据机械特性表达式（5-5）可以得到他励直流电动机的三种调速方法：

（1）调压调速——气隙磁通不变，改变电枢的电压，改变理想空载转速；

（2）弱磁调速——改变励磁电流，减小磁通，使转速上升；

（3）串电阻调速——在电枢回路增加附加电阻使机械性变软进行调速。

调压调速

改变加到直流电动机电枢的电压是目前最流行的调速方法。一般只向额定转速（基速）以下进行调压调速。调压调速的机械特性如图5-3所示，第Ⅰ和第Ⅱ象限加到电枢电压为正，第Ⅲ和Ⅳ象限加到电枢的电压为负。降低电枢电压只是降低理想空载转速ω₀，而机械特性的硬度不变。高于额定电压的调压调速是不允许的，因为这样做将使整流子工作恶化，火花加大。直流电动机调压调速的优点是调速平滑、机械特性硬度大、能量损失很小。

图5-3 直流电动机调压调速的机械特性

弱磁调速

在反电势恒定的情况下，根据公式E_a=kΦω可知转速和磁通成反比，减小磁通会使转速上升。根据公式（5-9），减小气隙磁通Φ实际上是提高理想空载转速ω₀，也就是说弱磁调速使机械特性变软。减小磁通或者减小励磁电流就可以实现在额定速度以上调速。或许有人要问，是否可以实施增磁调速呢？回答是增加励磁电流进行调速是不可行的。因为磁路趋于饱和，在额定励磁电流以上继续增大励磁电流，磁通并不能相应增加，只能白白增加励磁绕组的发热量。

由式（5-4）得到弱磁调速的机电特性ω=f（I_a）如图5-4b所示。各机电特性与横轴相交于一点，这点对应于电动机转速ω=0时的情况，即短路电流I_sc=U_a/R_a。这里需要注意的是图5-4的a和b图中坐标的起点与常规不同。

图5-4 直流电动机弱磁调速的机械特性和机电特性

当直流电动机的负载转矩不变的情况下，由弱磁调速的机械特性可以看出，随着磁通减弱，速度随之增加。为了维持原有的电磁转矩，电枢电流相应随之增加。如果电动机的负载转矩等于额定转矩，在电枢电压等于额定电压值时，则电动机的工作点在图5-4a中的点1处。如果磁通减弱为额定磁通的一半，空载转速增加到2倍为ω₀₂。如果这时负载转矩仍然是额定转矩，电动机的工作点将会在点4处。根据电动机功率的公式P=Tω，电动机的功率将超过额定值，这是不允许的。由此可见，在弱磁提高转速的同时，必须减小负载转矩。在弱磁调速时允许的额定负载转矩值如图5-4a中的曲线1-2-3所示（和额定电流相对应）。同样，受整流子和电刷所能承受的电流的限制，电动机的最大可能过载的转矩值也受到限制，不能超过图中的T_max曲线所示的界限。

弱磁调速时的转速大约与弱磁深度成反比，最大允许的转矩大约与弱磁深度成正比。电动机的功率保持基本不变，所以弱磁调速又叫做恒功率调速方式。为了加以区别，把恒定磁通调节电枢电压的调速方式叫做恒转矩调速方式。

直流电动机的机械特性可以分为两个调速区域，恒转矩调速区和恒功率调速区（见图5-5）。在恒转矩调速区中，电动机的调速范围是从0到额定转速ω_0N。在这个区域中，磁通保持不变，通过改变电枢电压来调速，额定转矩不变。在恒功率调速区域，电枢电压保持在额定值，通过减小励磁电流（即减小磁通）来调速，额定转矩随着磁通减小而成比例减小。弱磁调速的最高允许转速由转子的机械强度和整流子火花所限制。在电动机产品目录上可以查到最高允许转速的数据。

串电阻调速

在电枢回路串入附加电阻的方法不改变理想空载转速，只是改变机械特性的斜率，也就是减小了机械特性的硬度（见图5-6）。由于较多的能量损失在附加电阻上，很不经济，目前已经很少使用。

图5-5 直流电动机的恒转矩调速区和恒功率调速区

图5-6 电枢回路串入附加电阻的机械特性

前文提到的交流同步电动机和异步电动机都有与工频相对应的额定转速。而直流电动机的额定转速没有硬性规定，在电动机的产品目录中只列出额定转速和最高转速。例如，一台电动机的功率为1000kW，额定转速为1000r/min，最高转速为2000r/min。可以在1000～2000r/min之间选择基速，例如选择适当的励磁电流，以转速1600r/min作为基速，这时电动机的功率仍然是100kW。这种选择基速的方法对于工作机械的力学设计带来很大的方便。

在数控机床、机器人等高动态性能的电气传动系统中，经常使用小功率（20kW以下）大转矩的稀土永磁直流伺服电动机。这种电动机具有大起动转矩，在低速时也可以输出大转矩。稀土永磁直流电动机的起动转矩能够达到额定转矩的8～10倍，而普通由励磁绕组励磁的直流电动机的起动转矩只有额定转矩的2～4倍。

有些场合他励的直流电动机的主磁极上还装有一个匝数很少的串励补偿绕组，这个绕组与电枢绕组相串联。当电枢电流达到额定电流的20%左右，串励补偿绕组开始起增磁作用，其结果使转速稳定。这种混合励磁的直流电动机适用于多电动机同轴驱动的场合，例如用多台电动机驱动一台皮带运输机，这时要求各台电动机的速度相同。但是，由于电动机特性的分散性以及负载分配的不均匀性，各台电动机的速度不能相同。由于有了串励补偿绕组，负载较大的电动机的电枢电流增大，相应的串励磁场增强，电枢反电动势增加，使得电枢电流减小，转速下降。反之，对于负载较小的电动机，串励补偿绕组的作用使得电枢电流和转速上升。串励补偿绕组的增磁作用使得各台电动机的电枢电流和速度趋于均衡一致。