永磁直流電動機問答

張文海

(成都精密電機廠，四川成都610500)

1 為什么有的微型直流電動機有三只電刷，它有何優缺點?

這是一種簡易變速永磁直流電動機。其中一對電刷正常安放在幾何中性線上，第三只電刷則偏離幾何中性線一個角度安裝，并用一鈕子開關控制與另一個電刷接通(短路)和斷開。斷開時，電機處于正常的低轉速運行;接通時，在不改變電樞電壓的情況下，電機處于一種高轉速運行狀態，即在不改變永磁直流電動機電樞電壓的條件下，用三只電刷可獲得兩種不同的轉速。調速簡單、方便，優點顯著。但也存在下述顯著缺點:(1)第三只電刷因偏離幾何中性線，當與另一只電刷接通時，馬上變為非幾何中性線換向，火花大，換向損耗大，空載電流大;同時，因轉速增高空載損耗也會變大，所以空載電流更大。(2)兩并聯支路的電阻變得明顯不等，電流不等，電動力也不等，所以電動機支行不如正常運行平穩。

第三只電刷與為一只電刷接通，等效于電樞的有效元件數減少，電機反電勢系數降低，所以在同樣的電樞電壓下所以電機的轉速會升高，調速簡單的優點則在這里。

2 直流電動機加額定負載時轉速偏低，可否通過磨小電樞外圓，減小氣隙磁通來提高電動機額定轉速?

不能。電樞外圓磨小，電動機空載轉速升高，但額定轉速不會升高，甚至會出現降低的結果，這可用弱磁恒功率調速來說明這一問題。電機額定轉速偏低，說明電機額定輸出功率偏小。電樞外圓磨小，等效于弱磁升速，電機輸出功率不變，仍然偏小。因轉速升高后，同樣的負載電流下，電機的輸出轉矩會變小，機械特性會變軟，要達到額定負載轉矩，必須要加大負載電流，電樞壓降增大，所以額定轉速可能較原來的還要低。

因此，直流電動機若出現額定轉速偏低，不能從降低氣隙磁通入手，而應從怎樣減小電樞電阻入手。例如電刷接觸電阻是否太大?或者繞組線徑是否小了?因在氣隙磁通一定的情況下，電樞電阻越大，直流電動機的機械特性越軟，空載轉速須高，額定轉速則可能出現不合格。若不能減小電樞電阻，則應更換磁性能好的磁鋼，以增大氣隙磁通。因在電樞電阻一定的情況下，氣隙磁通越大，直流電動機的機械特性越硬，加載后轉速變化越小，額定轉速一般不會偏低，但這時空載轉速也會降低。若既增大氣隙磁通，又減少電樞繞組匝數，效果更好，電機的空載轉速不變，機械特性卻變得較硬，一般不會出現額定轉速偏低。

3 功率較大的直流電動機，為什么采用電勵磁(電磁式)而不采用永磁體勵磁(永磁式)?

電勵磁的優點是磁極通過勵磁安匝可以產生很強的磁動勢。即在達到同樣磁性能條件下，電勵磁磁極可以做得較小，而永磁體磁極卻做得較大。缺點是電勵磁磁極結構復雜。另外，電勵磁調節方便，可以滿足對電機性能調節的各種要求，而永磁體卻無法做到。所以，對于體積較小而無特殊調控要求的小型直流電動機，為避免結構復雜，制造困難，一般采用永磁體勵磁，而對于一些功率較大的直流電機，為了減小體積，節約材料和滿足對性能的調控要求，一般不選用永磁體勵磁，而選用電勵磁。

4 永磁直流力矩電動機為什么大多設計成長徑比很小的圓盤形?

永磁直流力矩電動機是以輸出轉矩為主，常以低轉速和大力矩為主要特征。要達到低轉速和大力矩兩個要求，必須增大電樞直徑D。在其它結構參數和電樞電壓一定的情況下，直流電動機的轉速與電樞直徑D成反比，即電樞直徑越大，同樣電樞電壓下轉速越低。所以要獲得低轉速，增大電樞外徑是主要途徑。增加鐵心長度也可獲得低轉速，但由此會增加嵌線和磁鋼粘貼工藝難度。而直流電動機的電磁轉矩和電樞直徑D2成正比，所以永磁直流力矩電動機要獲得大轉矩，增大電樞直徑最有效。雖然增加電樞鐵心長度也可獲得大轉矩，但與轉矩僅是正比關系，不如電樞直徑以平方正比關系增大電磁轉矩更有效。另外，電機常數(相當于驅動電機的效率)也是和電樞直徑成正比關系，要增大電機常數，也須增大電樞外徑。基于以上三個原因，永磁直流力矩電動機大多設計成長徑比很小的圓盤形結構。

5 為什么永磁直流力矩電動機常采用槽楔式換向器?它有何優缺點?

永磁直流力矩電動機一般轉速不高，對換向器的結構強度要求也不高，槽楔式換向器不但能簡化換向器工藝，節約成本，還能縮短電機軸向尺寸，緊湊安裝空間。缺點是電流承載能力差，結構強度低，換向器與鐵心的爬電距離短，易受導電粉末污染，電樞絕緣降低。故槽楔式換向器多用在小機座號力矩電機上，而大機座號力矩電機仍多采用整體式換向器。另外，槽楔式換向器只能用于直槽電樞，不能用于斜槽電樞。

6 小機座號永磁直流力矩電動機為什么很少采用斜槽結構?

電樞采用斜槽可減小磁阻轉矩，由此可減小力矩電動機的轉速波動。但斜槽后，導體變長，有效長度卻不變，等效于電樞繞組端部加長，銅耗增大，電機常數(等效于驅動電機的效率)降低，這是小機座號力矩電機所不希望的。小機座號力矩電機就是因為電樞直徑小，電機常數小，因斜槽而減小電機常數，這對電機的力能指標不利。另外，小機座號力矩電動機的轉速一般較高，對轉矩波動系數要求較低，也沒有必要將電樞設計成斜槽結構。更主要的原因是為了簡化換向器工藝，小機座號力矩電機多采用槽楔式換向器，要采用槽楔式換向器，電樞則不能采用斜槽，否則換向片槽楔插入槽中，換向器卻無法成型。

7 永磁直流力矩電動機的空載電流可否估算?怎樣估算?

可以估算。因永磁直流力矩電動機的空載電流同其它直流電動機的空載電流一樣，主要是由空載損耗決定的。對于低速直流力矩電動機來說，80% ～90%空載損耗都是鐵耗，電磁線的損耗(銅耗)、機械耗、風磨耗都很小，這就為永磁直流力矩電動機空載電流計算提供了方便。電機設計時，根據電機空載轉速、電樞齒槽數、極對數，計算出電樞鐵心的磁場變化頻率，再根據所使用的硅鋼片、所選用的磁密，從手冊上查出該硅鋼片單位體積的鐵耗，再根據鐵心的重量，計算出電機的總鐵耗，總鐵耗除以電樞電壓，則是電機空載電流。因查書本曲線，很難查準硅鋼片單位體積鐵耗，故計算誤差較大。另一種方法是數理統計。實踐證明，直流力矩電動機的鐵耗主要來自于齒槽磁場脈振。因為直流力矩電動機的電樞齒槽數一般很多，齒槽磁場脈振頻率通常是磁場交變頻率的數倍到數十倍，所以鐵損主要來自于齒槽磁場脈振。雖然氣隙磁密對鐵損的影響也很大，但電機設計時，磁負荷一般相差不會很大，故數理統計時，只統計不同電機在不同的齒槽脈振頻率下產生的單位體積鐵耗即可。計算電機空載電流時，根據電機的轉速、齒槽數，便可算出齒槽磁場脈振頻率。根據鐵損與磁場脈振頻率的平方成正比，便可算出總鐵耗，由此估算出電機空載電流，準確度較高。表1則是永磁直流力矩電動機(鐵心均采用DR510－50軟磁材料，在磁負荷相差不大的情況下)在不同齒槽磁場脈振頻率下的單位鐵心鐵耗的統計數據。

從表中數據可以看出，DR510－50軟磁材料在磁通密度B為0.7 T左右，磁場脈振頻率80 Hz時，單位鐵耗近似為1 W/kg，1#、2#、3#電機均這樣。磁場脈振頻率增加1倍，單位鐵損則增加平方倍，16種電機基本一致。例如5#電機磁場脈振頻率是1#電機頻率的2倍，單位鐵耗是1#電機的4倍，為4.1 W/kg。8#電機也這樣，單位鐵耗為 3.5 W/kg，稍小一點，原因是氣隙磁密B稍小。

表1 永磁直流力矩電機不同磁場頻率下的鐵心鐵耗

8 永磁直流力矩電動機同其它控制電機一樣，為什么高溫試驗后對絕緣電阻要求低，只大于10 MΩ，低溫試驗后對絕緣電阻要求高，應大于500 MΩ?

絕緣材料的絕緣電阻包括兩部分:體電阻和表面泄漏電阻，它們以并聯形式影響電機的絕緣。因絕緣材料多具有負電阻溫度系數性質，且體電阻受溫度影響很大，溫度每升高10℃，絕緣材料的體電阻會減小一半。因此，電機高溫試驗后絕緣電阻降低很正常，所以標準規定永磁直流力矩電機高溫試驗后絕緣電阻只大于10 MΩ。低溫后絕緣材料的絕緣電阻只會增大，所以低溫試驗后標準規定絕緣電阻應大于500 MΩ。表面泄漏電阻受濕度影響較大，所以潮熱試驗后對絕緣電阻要求更低，只大于1 MΩ。