任务一、直流电动机

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电磁力矩换向器励磁方式机械特性

直流电动机

看懂转子怎么被磁场推着转,掌握换向器与励磁方式的本质区别

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电磁力矩换向器励磁方式机械特性

直流电动机

看懂转子怎么被磁场推着转,掌握换向器与励磁方式的本质区别

1第 1 页 · 直流电动机

直流电动机的基本原理

上一页我们看到直流电动机的转子会转起来——但为什么转?归根结底,它依赖一个更基础的物理规律:通电的导体放在磁场里,会受到一个推力。

两个必要条件
必须同时具备外部磁场和通电导体,缺一就不受力
安培力方向
由左手定则判定:磁感线穿手心,四指电流,拇指即受力方向
安培力大小
F = BIL,磁感应强度、电流、导体在磁场中有效长度三者相乘
本质:两个磁场对话
电流本身也激发磁场,它和外加磁场同极相斥、异极相吸,这就是受力的来源
两块磁铁同极相斥对应 →通电导体在磁场中受力

电流会产生自己的小磁场,这块'小磁铁'和外加磁场互动,斥力或吸力表现为安培力

F=BILsinθF = BIL\sin\theta
2第 2 页 · 直流电动机的基本原理

直流电机的结构

从总到分:先把电机拆成定子、转子两大块,再看各自包含哪些零件

图解渲染中…
b1静止部分,不转动,专门提供磁场b2旋转部分,把电能转成机械能d3换向器:保证电枢电流方向持续换向c4电刷装置:接通外电路的滑动触点
3第 3 页 · 直流电机的结构

换向过程解析

线圈每转半圈,电流方向就要换一次,靠的是换向器与电刷的机械配合。

1
A边在N极下
电流方向配合磁场,受力向左,线圈获得顺时针转矩
2
接近中性面
线圈即将越过N、S极分界,若不换向,力将反向、转矩刹车
3
换向器换片
电刷从一个换向片滑到相邻片,线圈接入外电路的方向被翻转
4
B边进入N极下
所处磁极翻了一面,但电流也反了,受力方向依旧向左
4第 4 页 · 换向过程解析

什么是励磁

上一页我们看到换向器切换电枢电流的方向,但电机还有另一半没有交代:磁场从哪儿来?线圈本身不会自己变成磁铁,它需要被「唤醒」。唤醒它的,就是励磁。

励磁
给励磁绕组通入直流电流的动作
通电前
绕组只是铜线圈,无磁极、无吸力
通电后
绕组变电磁铁,建立方向固定的主磁场
磁通关系
励磁电流越大,主磁通越强(未饱和前)
给电磁铁接上电源对应 →励磁绕组通电

本质都是「电→磁」的因果链:电源是源头,绕组是载体,一通电磁极立现,一断电磁极消失

Φ=kNIf\Phi = k \cdot N \cdot I_f
5第 5 页 · 什么是励磁

他励直流电动机

上页说清了"励磁"——给磁场绕组通电产生主磁通。那再追问一句:励磁绕组的电源和电枢绕组的电源,是同一个还是分开的?这就引出了直流电机的不同家族。他励,就是这两个电源彻底分开的那一种。

双独立电源
电枢回路 A-A 与励磁绕组 F-F 各自接独立直流电源,电气上完全分离
磁通仅由 If 决定
主磁通 φ 只取决于励磁电流 If,与电枢电流 Ia 和负载大小无关
调速手段丰富
可单独调电枢电压 U(基速以下)或单独弱磁(基速以上),调速范围宽
机械特性较硬
负载变化时转速变化率小,特性曲线近似一条下降直线
厨房两个独立水龙头对应 →他励电机的双电源结构

一个龙头专管"磁力大小",一个龙头专管"推力大小",开哪个、开多大互不干扰

n=UIaRaCeϕn = \dfrac{U - I_a R_a}{C_e \phi}
6第 6 页 · 他励直流电动机

并励直流电动机

励磁与电枢并联同一电源

并励直流电动机
励磁与电枢并联同一电源
7第 7 页 · 并励直流电动机

串励直流电动机

前页并励电机把励磁绕组并联在电源两端,励磁电流独立、磁通稳定。这次反过来——把励磁绕组塞进电枢回路里,让同一股电流既驱动转子又建立磁场,会得到完全不同的性格。

电路串联
励磁绕组与电枢串联,共用同一电流 Ia = If
磁通随电流变
未饱和时 Φ 与 Ia 近似线性,Ia 变 Φ 必变
软机械特性
负载↑ → Ia↑ → Φ↑ → n 急剧↓,曲线很陡
启动转矩大
启动瞬间 M ∝ Ia²,可达额定转矩 3~5 倍
严禁空载运行
Ia→0 时 Φ 仅剩残磁,n 趋向无穷大 → 飞车损毁
推着装满货的独轮车爬坡对应 →串励电机带载运行

货越重(Ia 越大)越吃力、转得越慢,但扭矩越大;突然卸货(空载)会被惯性甩出去(飞车)

T=kMΦIa,ΦIaTIa2T = k_M \cdot \Phi \cdot I_a,\quad \Phi \propto I_a \Rightarrow T \propto I_a^2
8第 8 页 · 串励直流电动机

复励直流电动机

串励电机启动猛但空载会飞车,并励电机速度稳但启动绵软——能不能兼得两者长处?复励电机的答案是:在主极上同时装两套励磁绕组,把「爆发力」和「稳定器」装进同一台电机。

双绕组结构
主极铁心上同时绕有串励与并励两套绕组,分别与电枢串联和并联
磁通叠加方式
长复励两磁通同向相加;差复励两磁通反向相减
复合运行特性
启动转矩大(继承串励),调速范围宽、转速较稳(继承并励)
典型应用场景
压力机、起重机、电梯等需要大启动转矩且转速相对稳定的负载
兼具耐力与爆发力的运动员对应 →复励直流电动机

耐力对应并励(转速稳),爆发力对应串励(转矩大),复合电机兼具两家所长

Φ=Φ±Φ\Phi = \Phi_{并} \pm \Phi_{串}
9第 9 页 · 复励直流电动机

四种励磁方式对比

并励和串励是直流电机里最容易被搞混的两种接法——接法差一字,转速特性却天差地别。

并励电动机
  • 励磁绕组与电枢并联
  • 励磁电流稳定,转速近似恒定
  • 启动转矩较小,调速范围宽
  • 适用:机床、鼓风机等恒速负载
串励电动机
  • 励磁绕组与电枢串联
  • 负载越重转速越低,空载会飞车
  • 启动转矩很大,调速范围窄
  • 适用:电车、起重机等重载启动
要稳速选并励,要大启动转矩选串励。串励绝不允许空载——否则转速飙升毁机。
10第 10 页 · 四种励磁方式对比

铭牌参数解读

四种励磁方式对比告诉我们:励磁绕组接在哪里,电流的路径就不同。现在看电动机铭牌,先别把三个“额定”当成同一种数——它们分别约束输出、供电和取电。

额定功率 P_N
铭牌标的是额定工况下轴上可持续输出的机械功率,不含电机内部损耗。
额定电压 U_N
铭牌规定的额定工作电压;电枢与励磁分开供电时,还要分别核对两者的电压。
额定电流 I_N
铭牌规定的额定工况电流;电枢与励磁分开供电时,要按铭牌口径分别读,不能漏掉励磁电流。
输入与输出
若 U_N、I_N 表示总输入,U_NI_N 是电输入;输出 P_N 要扣除铜损、铁损和机械损耗,效率小于 1。
额定边界
额定值是在规定散热、负载和接线条件下可持续工作的标称点;它不是启动电流,也不代表可长期过载。
汽车仪表盘对应 →电动机铭牌

额定功率像持续输出能力,额定电压像供电规格,额定电流像实际负荷;只有同一工况下三项才配套。

PN=ηUNIN(η<1)P_N=\eta\,U_N I_N\quad(\eta<1)
11第 11 页 · 铭牌参数解读

转速与励磁数据

上页我们把铭牌拆成了几大块,这页专门盯住「转速」和「励磁」两组数据——它们往往是电机选型的决定项。

额定转速
额定电压、额定负载下的稳态转速,单位 r/min,4 极直流电机常见 1500 左右
励磁电压
励磁绕组两端的工作电压,与电枢电压分两行标注,他励机常见 110V / 220V
励磁方式标识
型号字母里藏着接线方式,Z2 中第二个 Z 表并励,C 表串励,F 表复励
弱磁升速边界
n 与磁通 Φ 近似反比,减励磁可升速,但不能减到零,受换向与机械强度制约
汽车油门的行程与档位对应 →电机的励磁与转速

油门行程(励磁)调「出力强度」,档位(转速)决定输出范围;两者组合定义车辆性格

12第 12 页 · 转速与励磁数据

铭牌实例分析

铭牌像身份证,先分区再逐项识读

图解渲染中…
b1左上区域,告诉你是什么电机b2中部区域,决定供电和接线b3下部区域,告诉你输出能力b4右侧角落,决定能用多久
13第 13 页 · 铭牌实例分析

自测检验

点击作答

串励直流电动机严禁空载运行,主要原因是?

14第 14 页 · 自测检验

知识要点回顾

  • 直流电动机=电能→机械能,靠电磁力与换向器协同工作
  • 励磁方式决定性能:并励稳速,串励大启动转矩
  • 换向器是核心部件,机械换向带来磨损与火花
  • 铭牌参数Ua、Ia、Pn、n 定义电机额定工作点
  • 调速本质:n∝(U−IaRa)/Φ,调压与调磁两手抓
延伸主题:直流电动机的启动与制动电枢反应与补偿绕组无刷直流电机原理对比
15第 15 页 · 知识要点回顾

课后思考

先自己想一想,再翻开参考答案。三个问题,三个层次。

1直流电动机为什么必须有换向器?拆掉换向器会怎样?

参考答案没有换向器,电枢电流方向不会随转子切换,转过半圈后电磁力由驱动变阻力,电机转两下就停了。提示:回想"换向过程解析"页。

2起重机吊重物用串励电机,精密车床切削用并励电机——为什么不能互换?

参考答案串励电机轻载会"飞车",转速飙升;并励电机启动转矩小,吊重物拉不起来。提示:看四种励磁方式对比表里的转速-负载特性。

3他励直流电机运行时突然断开励磁回路,会发生什么?

参考答案磁通骤降→反电动势消失→电枢电流暴增,可能烧毁电枢绕组和换向器。提示:磁通由独立电源维持,想象励磁归零的极端情形。

16第 16 页 · 课后思考