直流电动机及其调速特性解析

直流电动机（DC Motor）将直流电能转换为机械能。直流电动机具有良好的起动、制动和调速特性，可以很方便地在较宽范围内实现无级调速，故多用在对电动机的调速性能要求较高的生产设备中。

直流电动机的结构主要包括三大部分：

（一）定子

定子（Stator）磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。

（二）转子

转子（Rotor）又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。

（三）电刷与换向片

为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷（Brush）与外加直流电源相接，换向片（Commutator）与电枢导体相接。

直流电动机是依据电磁感应定律中载流导体在磁场中受到电磁力作用的理论工作的，如果导体在磁场中的长度为L，其中流过的电流为I，导体所处的磁通密度为B，那么导体受到的电磁力的值为F=IBL，式中，F的单位为N；B的单位为Wb/m2；L的单位为m；I的单位为A；力F的方向用左手定则来确定。

现用两极直流电动机模型图来说明直流电动机的工作原理，如图5-1所示。两极直流电动机的定子上装有一对直流励磁的静止主磁极N、S，在N极和S极之间有一个可以旋转的线圈abcd，线圈的两端分别与两个彼此绝缘而且和线圈同轴旋转的换向片连接，A、B为电刷，与外电源连接。在电刷A、B两端加以直流电压U，A端接正电源，B端接负电源。则有电流z流经导体abcd，N极下的导体电流方向为a至b，S极下导体电流方向为d至c。由于导体ab与cd均流过电流。所以在磁场中均受到电磁力F的作用，F的方向可由左手定则判断。由于ab与dc两电流方向相反，因此电磁力的方向也相反，这样就产生了一个如图所示的逆时针方向电磁转矩，从而驱动转子旋转。

图5-1　直流电动机原理结构图(www.xing528.com)

当电枢恰好转过90°时，电枢线圈abcd处于磁极的中心线，由于气隙中的磁场等于零，所以电磁转矩也等于零。但是由于惯性的作用，电圈将继续转动。

当换向片与电刷变换接触点时，导体ab与dc中的电流方向也要改变，这就保证了电磁转矩的方向不变，从而维持电动机不停地转动。

实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。按励磁方式可将直流电动机分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。

另外一种性能更好的直流电动机是无刷直流电动机，它主要由电动机主体和驱动器组成。无刷直流电动机没有电刷及换向器。它属于永磁式同步电动机，以霍尔传感器取代电刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，相比于一般的传统直流电动机有很大优势：高效率，高效区域大，功率和转矩密度高，功率因数（Power Factor，在交流电路中为电压与电流之间的相位差少的余弦，用来衡量电气设备效率高低）接近1，系统效率＞90%；负电压特性好，转矩过载特性强，起动转矩大（堵转特性），起动电流小；特别是稀土永磁无刷直流电动机，以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域优势明显。

由直流电动机的基本原理分析得到，直流电动机电枢转速n=（u-IaRa）/ke，其中n为电枢的转速（r/min）；u为电枢电压；Ra为电枢电阻；ke为电势系数。从式子可以看出，调节电动机的转速有3种方法。

（1）改变电枢电压u，其调节范围大，直流伺服电动机常用此方法调速。

（2）改变磁通量（即改变ke的值），其调速范围小，常常作为调速的补助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法相互配合，可以获得很宽的调速范围，又可以充分利用电动机的容量。

（3）在电枢回路中串联调节电阻Rt。此时有n=[u-Ia（Ra+Rt）]/ke，可以看出，在电枢回路中串联电阻的方法，只能调低转速，而且电阻上的铜耗较大，并不经济，仅用于较少的场合。

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）调速是直流电动机应用非常广泛的一种调速方法。它是将脉冲信号的开关频率及周期T固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变负载的平均电压，因此属于改变直流电动机电枢电压调速。