直流电机主要性能特点优化

直流电机的主要性能包括电枢电动势、电磁转矩、励磁磁通和电磁功率等。

在直流电机中，电流都是通过电刷引入或引出的，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。图3-17所示的直流电机中，电枢上半部的电流为流出，电枢下半部的电流流入，根据右手定则，该电枢磁动势所建立的磁场如虚线所示。电枢磁动势的轴线与电刷的轴线重合，当电刷位于几何中心线上时，电枢磁动势是交轴电动势；当电刷从几何中心线移过一定的角度时，电枢磁动势既会产生交轴电动势，还会产生直轴电动势。

负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另外半个极内起增磁作用，去磁和增磁作用引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度为零的位置（物理中心线）偏离几何中心线，对电动机而言，物理中心线逆着电机旋转方向移过一定的角度；对发电机而言，物理中心线顺着电机旋转方向移过一定的位置。直流电机的电枢反应如图3-18所示。

图3-17 直流电机的电枢磁动势

图3-18 直流电机的电枢反应

电枢绕组的电动势E_a与转速n及磁通Φ的关系为

E_a=C_enΦ （3-2）

式中，Φ=B_avlτ，表示每极的总磁通量；C_e=pZ_a/（60a），表示电动势常数；B_av为平均气隙磁通密度，τ为极距，p为极对数，Z_a为电枢绕组总导体数，2a为支路数。

式（3-2）称为电动势公式。

不考虑磁饱和的影响，磁通Φ与励磁电流I_f呈正比关系，即Φ=K_fI_f，于是电枢绕组电动势E_a可表示为

E_a=C_enΦ=C_enK_fI_f （3-3）

当电枢绕组内通有电流时，载流导体与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩T_e。电磁转矩T_e和磁通Φ与电枢电流I_a的关系为(www.xing528.com)

T_e=C_TΦI_a （3-4）

式中，C_T=pZ_a/（2πa），为转矩常数。

式（3-4）称为转矩公式。

不考虑磁饱和的影响，磁通量Φ=K_fI_f，式（3-4）可修改为

T_e=C_TK_fI_fI_a （3-5）

直流电机定型后，其电动势常数C_e和转矩常数C_T保持不变，电枢的磁动势仅与电机转速和磁通呈正比关系，电磁转矩仅与电机的磁通和电枢电流呈正比关系。在电动机状态，调节电枢电压或励磁电流，可实现电动机转速的无级调节，电磁转矩也随之调整；在发电机状态，通过调节原动机的转速或励磁电流，可方便地调节输出电压的大小。

电动势公式和转矩公式是理解直流电机的基础公式。实际应用中，电枢电动势E_a、电枢绕组R的压降、电刷接触电压降ΔU_s和输入或输出电压U处于同一回路中，若电机为电动机时，U=E_a+RI_a+2ΔU_s；若电机为发电机时，E_a=U+RI_a+2ΔU_s。由于励磁方式的不同，励磁电流I_f、电枢电流I_a、励磁电压U_f和电枢电压E_a存在某种关联性，分析直流电机的过程中，需要特别注意励磁和电枢回路中的“关联性”。电磁转矩T_e、电机机械阻力转矩T_o和原动机驱动转矩或电机输出转矩T通过同一转轴相连接，电动机状态下，T_e=T_o+T；发电机状态下，T_o=T_e+T。

直流电机的电磁功率是能量转换过程中电能转换为机械能或机械能转换为电能的转换功率，能量转换发生在电枢的电路和电枢的铁心部分，转换功率的大小与电枢电流和励磁电流的大小（耦合场的强弱）有关。电磁功率P_e为电动势E_a与电枢电流I_a的乘积，即

P_e=E_aI_a=T_eΩ （3-6）

式中，Ω为机械角速度。

表征直流电动机输出机械性能的主要参数为转矩和转速，直流电机的主要运行特性为转矩-转速特性、工作特性和励磁特性。直流电动机接通电源后，转速从零达到额定转速的过程称为起动过程。在开始起动时，转速n≈0，电枢的感应电动势E_a=C_enΦ≈0，电枢电阻R_a较小，因此起动电流I≈U/R_a将达到较大的数值，需要对I进行限制；限制后的起动电流将导致起动转矩T的降低，影响起动性能，因此通常采用选择合适的“起动电阻”的方式来保证直流电动机具有足够的起动转矩和尽量小的起动电流。常用的起动方式有直接起动、串入电阻器起动和减压起动等方式。供电电压为U的直流电动机，转速n=（U-I_aR_a）/（C_eΦ），通过改变U、R_a和Φ，可方便地实现电机的无级调速。若Φ接近零，则转速n接近无穷大，此种现象称为直流电动机的“飞车”现象，实际应用中应避免此种现象的发生。

直流发电机的稳态运行特性主要为表征其输出电压质量的外特性、表征其调节性能的励磁调整特性和表征其力能指标的效率特性。