1.2 直流电动机调速传动

1.2.1 直流电动机的工作原理

图1-1 直流电动机模型

1—主磁极 2—励磁绕组 3—电枢铁心 4—换向器

为方便起见，现以他励直流电动机为例进行分析。

图1-1表示一台直流电动机模型。

在定子的主磁极1上装有励磁绕组2，当绕组2通上一直流电流I_f时，就在空间产生一个固定方向的主磁通Φ_M。转子是一个用导磁材料做成的圆柱体（也称为电枢铁心），在电枢铁心3上放置了一组电枢绕组，当电枢绕组通过换向器4与外部直流电源相连接时，通电的导体在固定的磁通作用下就产生旋转力。又由于电枢绕组的电流I_a是经过集电环、电刷组成的换向器通入的，所以绕组的电流方向也是固定不变的。因此，产生的转矩方向也不变，转子就始终沿一个方向旋转。

1.2.2 直流电动机的电枢反应及对策

由于电枢电流I_a也要在空间产生一个磁通Φ_A（称为副磁通）。因电枢电流I_a方向不变，所以该磁通方向也不变，而副磁通Φ_A方向与主磁通Φ_M方向互差90°，副磁通Φ_A和主磁通Φ_M在空间的合成磁通就发生了很大变化，也就是说电枢电流对主磁通影响很大，我们称这种现象为电枢反应。电枢反应一方面使气隙磁通发生畸变，另一方面对主磁通有去磁作用，致使电动机无法正常工作。为了消除电枢反应的不良影响可增加补偿绕组。补偿绕组嵌放在主极靴上专门冲出的槽内，其产生的磁通Φ_c与电枢绕组产生的副磁通Φ_A刚好抵消。

1.2.3 直流电动机的电磁转矩

当直流电动机通电后，电枢绕组就有电流通过，电枢绕组在磁场中就受到磁力的作用，这个力对转轴所产生的转矩就叫电磁转矩。

根据电磁力的定律，已知磁通密度B、导体长度l、导体电流i，则导体产生的电磁力为

f=Bli （1-5）

设电枢直径为D，则一根导体的电磁转矩T_x为

式中 i——一条支路的电流，它与电枢总电流I_a的关系为

式中 a——电枢的支路数目。

又因电枢绕组全部导体数N等于每一个磁极内的导体数N_τ乘以总磁极数πD/（2p_nτ），所以，一个磁极内的导体数

式中 τ——电动机极距；

p_n——电动机磁极对数。

则一个极距内的电磁转矩T为

对某一电动机来讲，p_nN/（2aπ）为一常数，用转矩常数C_T来表示。

对某一电动机来讲，Blτ为每一磁极下的总磁通，用Φ表示，所以式（1-9）可以写为

T=C_TΦI_a （1-10）

式中 T——电磁转矩（N·m）；

I_a——电枢电流（A）；

Φ——经补偿后的磁通（Wb）。

1.2.4 直流电动机的调速方法

在分析直流电动机的调速方法之前，首先应对直流电动机的电压、电动势、转矩、磁通、转速之间的关系进行分析。

直流电动机的电压、电动势、转矩、磁通、转速之间的关系如图1-2所示。

图1-2 直流电动机电动势与转矩

a）发电机 b）电动势和电流的方向 c）电动机

当外力拖动电枢转动时，如图1-2a所示为发电状态；发电机E_a＞U_a，如图1-2b所示；当外加直流电压加于电枢绕组后为电动机状态，如图1-2c所示，根据T=C_TΦI_a；理论上就会产生转矩，电枢就要旋转，称为电动机，同时电枢导体切割气隙磁力线就会产生感应电动势E_a，很明显E_a＜U_a。其大小可用式（1-11）表示。

E_a=C_enΦ （1-11）

式中 E_a——电枢电动势（V）；

C_e——电动势常数；

n——转速（r/min）；

Φ——磁通（Wb）。

从式（1-11）说明，电动势与转速和每极磁通的乘积成正比。

从图1-2中，可以分析出直流电动机的电压平衡方程式为

U=E_a+I_aR_a （1-12）

将式（1-11）代入式（1-12），即可得出直流电动机转速公式为

从式（1-13）中可以分析得出，直流电动机调速的方法有3种：调电枢电压U、调电枢电阻R_a、调磁通Φ。

1.2.5 直流电动机的调速特性

所谓直流电动机的调速特性是指电动机在电枢电压、励磁电流，电枢总电阻为一定的条件下，电动机转速和电磁转矩的关系曲线n=f（T）。又由于T=C_TΦI_a，当Φ恒定时，就可以认为n=f（T）的关系也就是n=f（I_a）的关系。

对式（1-13）进行分解也可以证明这一点。

其中，令U/（C_eΦ）=n₀，称n₀为电动机理想空载转速，即I_a=0的转速公式；

令I_aR_a/（C_eΦ）=Δn，称Δn为电动机带负载后的转速降。所以式（1-14）可以改写为

n=n₀-Δn （1-15）

1.自然机械特性

所谓自然机械特性是当电动机的工作电压和磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时电枢电阻为R₀的机械特性，根据式（1-14）画出图1-3所示的自然机械特性。从图中可看出，随着负载电流I_a的增加，转速就会下降，但固有的自然机械特性还是比较硬的。

2.电枢串电阻的人为机械特性

用调速公式表示就是

即电压与励磁电流都是额定值，只改变R_i，R_i为电枢外加电阻。

机械特性如图1-3所示。它是一组通过n₀点且具有不同斜率的直线，与自然机械特性相比，同样的负载电流随着附加电阻R_i增加，转速降就增大。当R_i不变，随着负载电流I_a的增加，转速降也增大，这种特性很软。该调速方法有两个缺点：第一，浪费电能，其值为I_a²R_i；第二，随着负载增加转速下降较快。但是小功率电动机在不易调压情况下常采用此方法调速。

3.改变电枢电压的人为机械特性

当Φ=Φ_N、R_a为电动机固有内阻时，特性方程的关系式为n=f（U），如图1-4所示。

图1-3 改变电枢电阻特性

由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此电压在改变时，只能在低于额定电压的范围内变化，与自然机械特性曲线相比，特性曲线斜率不变。理想空载转速n₀随电压减小成正比地减小。从图1-4可看出，改变电压时的人为机械特性曲线是一组低于自然机械特性而与之平行的直线。此种调速方法的特点是特性硬、转速降不随负载变化而变化。当电压可以随意平滑调节时，转速就可以实现无级调速。显然，这是一种在额定转速以下调速的最好方法。

4.减磁通时的人为机械特性

减磁通可以通过在励磁回路中串接电阻或降低励磁电压来实现。此时U=U_N，R_a为电动机固有内阻，如I_a=I_K，I_K为堵转电流。即n=（U-I_aR_a）/（C_eΦ）=0，此时I_a=I_K=U_N/R_a为定值，n=f（Φ）的关系如图1-5所示。

图1-4 改变电枢电压特性

图1-5 改变磁通特性

根据n₀=U_N/（C_eΦ）公式可知，Φ的减少使同步转速成反比增大，因此n=f（Φ）人为机械特性是一组通过横坐标I=I_K点的直线，磁通越小，特性的硬度越小。这是因为当Φ特别小时，随着负载电流I_a的增加其转速降Δn=I_aR_a/（C_eΦ）也增大很多，因此这种方法较少采用。只有在额定转速以上调速时才采用此调速方法。

1.2.6 直流电动机的起动、调速与制动

由于直流电动机的励磁电流I_f与负载电流I_a是两个互相无干扰的独立量，所以起动、调速与制动都非常方便。起动时，首先I_f足够大，使Φ=Φ_N，然后慢慢调节直流电压，使转速平稳地上升，并稳定在所需的转速上运行。需要制动时，只需逐步降低电压到低速时，断开直流电源进入动力制动，也可根据需要采取发电反馈制动。特别要强调指出的是，当转速等于零时，才能停止励磁电流I_f，以防飞车。

直流电动机的调速性能好，但由于直流电动机构造复杂、故障多，又由于换向器所限，电动机功率不能做得太大，适应不了生产的需要和环境的需求，所以直流电动机调速传动的发展受到限制。