直流電機釋疑

張文海

(成都精密電機廠，四川成都 610500)

1 單波繞組的直流力矩電動機為什么可以均磁?

永磁直流力矩電動機是一種多磁極電機，每對磁極永磁體的磁性能的一致性雖然已經過嚴格篩選，但仍很難達到絕對一致，磁場的不均勻將直接影響轉矩波動，對于一臺固定電機，在電樞電流一定的情況下，電磁轉矩是正比于氣隙磁通的。單波繞組能把每對磁極同極性下所有的繞組元件串聯起來組成一個支路，再把另一同極性磁極下所有元件串聯起來組成另一個支路，從而只形成一對并聯支路，由此可等效成一對磁極，一對磁極當然也就不存在磁場不均勻了，這是從宏觀上說的。微觀上則可作這種描述:因為串聯關系，盡管每對極磁場強弱會影響磁極下元件中產生的反電動勢不等，但每對磁極下同位置元件產生的反電動勢是同方向加的，這樣，每對極下每一個同位置元件反電動勢同向相加的總幅值則必然相等(因串聯的情況一樣)，這也就等效于每對極磁場相等了。一臺固定的電機，在同一轉速下，反電動勢正比于磁通。如果采用單疊繞組，有多少對磁極，就有多少對并聯支路，而每一對并聯支路是用電刷并聯的，每對磁極磁場不均勻將引起各支路反電動勢不等，電流則不等，轉矩波動必然產生，而且它是低頻的，對轉矩波動影響更大。而單波繞組的這種串聯關系能減小磁場不均勻對轉矩波動的影響，所以說它有一定的均磁作用。同理，低速永磁直流測速發電機也是多極的，因為有單波繞組的均磁作用，所以輸出電壓紋波系數很小。

2 怎樣理解自勵直流發電機的磁場臨界電阻?

自勵直流發電機靠剩磁自勵發電，勵磁繞組按增磁方向與電樞繞組并聯，勵磁電壓取自于發電機的輸出電壓。當磁場電阻(包括調節電阻和勵磁繞組電阻)太小，輸出電壓高于勵磁壓降，輸出電壓上升的過程，會使勵磁電流迅速增大，直至磁極磁飽和，此時電機空載特性曲線(勵磁電流與空載輸出電壓關系曲線)彎曲成飽和曲線，勵磁壓降等于輸出電壓，輸出電壓即達到穩定值，發電機有較高的穩定輸出電壓。當磁場電阻太大，勵磁電流太小，勵磁壓降高于輸出電壓，發電機便不能自勵發電。當勵磁電阻介于上述兩種情況之間，勵磁電流較小，電機雖能自勵發電，但輸出電壓不高，勵磁電流工作在電機空載特性曲線的線性段，勵磁電流稍有變化，電機輸出電壓便會發生較大變化，輸出很不穩定。磁場臨界電阻是這種將勵磁電流調節在電機空載特性曲線線性段的勵磁回路電阻。

自勵直流發電機不同的轉速有不同的空載特性曲線(飽和曲線)，所以也就有不同轉速的磁場臨界電阻。

一臺自勵直流發電機有規定的額定輸出電壓，在驅動轉速不變的情況下，若想通過改變磁場電阻大小來調節輸出電壓是很不安全的，因為此時的磁場電阻必然是臨界電阻，發電機輸出很不穩定。

3 串勵直流電動機直流電壓條件下工作火花小，為什么交流電壓條件下工作火花會變大?

串勵直流電動機的特點是既可以在直流條件下工作，也可以在交流條件下工詐。但在交、直流條件下，電樞繞組內部通的電流剛好與電源電壓相反。即在交流電壓條件下工作時，電樞實際通的是脈動直流電(電刷換向器整流)，這樣，交流條件的電樞繞組就變成了一個電感性直流電路，電感性直流電路電流斷開瞬間，線圈中儲存的磁埸能量不能很快釋放，所以換向時電刷產生較大火花。而在直流條件下工作時，電樞實際通的是交流電(電刷換向器逆變)，這樣，直流條件下的電樞繞組，應是一個交流電路，交流電路中繞圈儲存的磁埸能量能隨電流交變自動吸收，所以換向時火花很小。由于電樞電流有這兩種差異，所以在直流條件下工作火花很小的串勵直流電動機，在交流條件下工作火花會變大。因串勵直流電動機在交流條件下換向器有這種整流特性，故在交流條件下應用的串勵直流電動機常稱為串勵交流整流子電動機。

4 三槽式直流電動機為什么比一般直流電動機火花大?如何減小換向火花?

三槽式微型永磁直流電動機是一種結構簡單的直流電動機。只有3個繞組元件，元件數太少，故線圈匝數較多，換向電感大，換向電抗電勢大，火花也大。因電樞只有3槽，繞組節距與磁極極距相差較大，換向器沒有準確的幾何中性線，電刷只能放在近似幾何中性線上，從而引起火花大。兩支路元件數不對稱，引起電流不對稱，電動力不對稱，電樞會產生振動，引起電刷振動，火花增大。減小火花的方法是在3個元件上并聯3只壓敏電阻(△接法)吸收火花電動勢，壓敏電阻的“閾值”電壓應稍高于電源電壓，這樣效果較好。

5 釤鈷磁體工作溫度達200℃以上，也不退磁，為什么釤鈷直流電動機在高低溫條件下轉速仍有明顯變化?

這是電樞鐵心磁導率變化而引起轉速變化。高溫條件下，鐵心磁導率降低，磁路磁阻增大，氣隙磁通減小，電動機轉速增高。相反，低溫條件下，鐵心磁導率增大，磁路磁阻減小，氣隙磁通增大，電動機轉速降低。所以，受磁極和電樞鐵心磁導率雙重因素影響，不管什么材料的永磁直流電動機，高低溫條件下轉速都會發生變化。采用小溫度系數磁體的電動機，轉速變化小;采用大溫度系數磁體的電動機，轉速變化大。

6 直流力矩電動機的堵轉轉矩等于電磁轉矩?為什么?

準確地說，電磁轉矩應等于堵轉轉矩加勵磁靜摩擦力矩。有觀點認為，靜態堵轉時磁拉力不會發生作用，所以堵轉轉矩應等于電磁轉矩。這種看法的偏頗之處在于，如果沒有力矩作用于電樞，磁拉力不會發生作用。而當有力矩作用于電樞時，磁拉力就會發生作用。所以測試永磁直流力矩電動機的堵轉轉矩時，會有勵磁靜摩擦力矩參與。盡管如此，因勵磁靜摩擦力矩在永磁直流力矩電動機堵轉轉矩中占的比例很小，故可忽略。因此永磁直流力矩電動機的堵轉轉矩可近似等于電磁轉矩。

7 有刷直流電動機是可逆的，勵磁后驅動能變成直流發電機，無刷直流電動機也可逆嗎?

不可逆。原因是二者換向的差異性:有刷直流電機是用電刷換向。電刷換向器換向具有可逆性，即旋轉時，它既能把直流電變成交流電，使直流電動機旋轉(直流電動機內部每一個繞組元件實質通的是交流電，以始終獲得定向的電磁力);也能把交流電變成直流電，使直流發電機內部發出的交流電變成直流電輸出(直流發電機內部發的是交流電)。所以有刷直流電動機是可逆的。而無刷直流電動機是用電子開關和位置傳感器等電路組成的電子換向器換相，電子換向器不具可逆性，它只能將直流電變成方波脈沖而使無刷直流電動機旋轉。若將無刷直流電動機高速驅動，內部繞組也有方波交流電輸出，但電子換向器卻無法逆向工作，所以也就不能輸出直流電，故不可逆。有刷直流電動機在用“對拖法”測功時，基于的理念則是有刷直流電動機能可逆，因此可用同型號電機兩臺“對拖法”測功:一臺可作為被測的電動機，另一臺被拖電機則變成發電機作負載調節。無刷直流電動因不具可逆性，故不能用“對拖法”測功。

［1］張文海.控制電機問答［J］.微特電機，2011(9):76－78.