直流電機(jī)釋疑

張文海

(成都精密電機(jī)廠，四川成都 610500)

1 單波繞組的直流力矩電動(dòng)機(jī)為什么可以均磁?

永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)是一種多磁極電機(jī)，每對(duì)磁極永磁體的磁性能的一致性雖然已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，但仍很難達(dá)到絕對(duì)一致，磁場(chǎng)的不均勻?qū)⒅苯佑绊戅D(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)于一臺(tái)固定電機(jī)，在電樞電流一定的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩是正比于氣隙磁通的。單波繞組能把每對(duì)磁極同極性下所有的繞組元件串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)支路，再把另一同極性磁極下所有元件串聯(lián)起來(lái)組成另一個(gè)支路，從而只形成一對(duì)并聯(lián)支路，由此可等效成一對(duì)磁極，一對(duì)磁極當(dāng)然也就不存在磁場(chǎng)不均勻了，這是從宏觀上說(shuō)的。微觀上則可作這種描述:因?yàn)榇?lián)關(guān)系，盡管每對(duì)極磁場(chǎng)強(qiáng)弱會(huì)影響磁極下元件中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不等，但每對(duì)磁極下同位置元件產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)是同方向加的，這樣，每對(duì)極下每一個(gè)同位置元件反電動(dòng)勢(shì)同向相加的總幅值則必然相等(因串聯(lián)的情況一樣)，這也就等效于每對(duì)極磁場(chǎng)相等了。一臺(tái)固定的電機(jī)，在同一轉(zhuǎn)速下，反電動(dòng)勢(shì)正比于磁通。如果采用單疊繞組，有多少對(duì)磁極，就有多少對(duì)并聯(lián)支路，而每一對(duì)并聯(lián)支路是用電刷并聯(lián)的，每對(duì)磁極磁場(chǎng)不均勻?qū)⒁鸶髦贩措妱?dòng)勢(shì)不等，電流則不等，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)必然產(chǎn)生，而且它是低頻的，對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響更大。而單波繞組的這種串聯(lián)關(guān)系能減小磁場(chǎng)不均勻?qū)D(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，所以說(shuō)它有一定的均磁作用。同理，低速永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)也是多極的，因?yàn)橛袉尾ɡ@組的均磁作用，所以輸出電壓紋波系數(shù)很小。

2 怎樣理解自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)臨界電阻?

自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)靠剩磁自勵(lì)發(fā)電，勵(lì)磁繞組按增磁方向與電樞繞組并聯(lián)，勵(lì)磁電壓取自于發(fā)電機(jī)的輸出電壓。當(dāng)磁場(chǎng)電阻(包括調(diào)節(jié)電阻和勵(lì)磁繞組電阻)太小，輸出電壓高于勵(lì)磁壓降，輸出電壓上升的過(guò)程，會(huì)使勵(lì)磁電流迅速增大，直至磁極磁飽和，此時(shí)電機(jī)空載特性曲線(勵(lì)磁電流與空載輸出電壓關(guān)系曲線)彎曲成飽和曲線，勵(lì)磁壓降等于輸出電壓，輸出電壓即達(dá)到穩(wěn)定值，發(fā)電機(jī)有較高的穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)磁場(chǎng)電阻太大，勵(lì)磁電流太小，勵(lì)磁壓降高于輸出電壓，發(fā)電機(jī)便不能自勵(lì)發(fā)電。當(dāng)勵(lì)磁電阻介于上述兩種情況之間，勵(lì)磁電流較小，電機(jī)雖能自勵(lì)發(fā)電，但輸出電壓不高，勵(lì)磁電流工作在電機(jī)空載特性曲線的線性段，勵(lì)磁電流稍有變化，電機(jī)輸出電壓便會(huì)發(fā)生較大變化，輸出很不穩(wěn)定。磁場(chǎng)臨界電阻是這種將勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)在電機(jī)空載特性曲線線性段的勵(lì)磁回路電阻。

自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速有不同的空載特性曲線(飽和曲線)，所以也就有不同轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)臨界電阻。

一臺(tái)自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)有規(guī)定的額定輸出電壓，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速不變的情況下，若想通過(guò)改變磁場(chǎng)電阻大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓是很不安全的，因?yàn)榇藭r(shí)的磁場(chǎng)電阻必然是臨界電阻，發(fā)電機(jī)輸出很不穩(wěn)定。

3 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)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(huì)變大?

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)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(nèi)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(shí)，電樞實(shí)際通的是脈動(dòng)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(gè)電感性直流電路，電感性直流電路電流斷開(kāi)瞬間，線圈中儲(chǔ)存的磁埸能量不能很快釋放，所以換向時(shí)電刷產(chǎn)生較大火花。而在直流條件下工作時(shí)，電樞實(shí)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(yīng)是一個(gè)交流電路，交流電路中繞圈儲(chǔ)存的磁埸能量能隨電流交變自動(dòng)吸收，所以換向時(shí)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)，在交流條件下工作火花會(huì)變大。因串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在交流條件下?lián)Q向器有這種整流特性，故在交流條件下應(yīng)用的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)常稱(chēng)為串勵(lì)交流整流子電動(dòng)機(jī)。

4 三槽式直流電動(dòng)機(jī)為什么比一般直流電動(dòng)機(jī)火花大?如何減小換向火花?

三槽式微型永磁直流電動(dòng)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)。只有3個(gè)繞組元件，元件數(shù)太少，故線圈匝數(shù)較多，換向電感大，換向電抗電勢(shì)大，火花也大。因電樞只有3槽，繞組節(jié)距與磁極極距相差較大，換向器沒(méi)有準(zhǔn)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(shù)不對(duì)稱(chēng)，引起電流不對(duì)稱(chēng)，電動(dòng)力不對(duì)稱(chēng)，電樞會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，引起電刷振動(dòng)，火花增大。減小火花的方法是在3個(gè)元件上并聯(lián)3只壓敏電阻(△接法)吸收火花電動(dòng)勢(shì)，壓敏電阻的“閾值”電壓應(yīng)稍高于電源電壓，這樣效果較好。

5 釤鈷磁體工作溫度達(dá)200℃以上，也不退磁，為什么釤鈷直流電動(dòng)機(jī)在高低溫條件下轉(zhuǎn)速仍有明顯變化?

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

6 直流力矩電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等于電磁轉(zhuǎn)矩?為什么?

準(zhǔn)確地說(shuō)，電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加勵(lì)磁靜摩擦力矩。有觀點(diǎn)認(rèn)為，靜態(tài)堵轉(zhuǎn)時(shí)磁拉力不會(huì)發(fā)生作用，所以堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于電磁轉(zhuǎn)矩。這種看法的偏頗之處在于，如果沒(méi)有力矩作用于電樞，磁拉力不會(huì)發(fā)生作用。而當(dāng)有力矩作用于電樞時(shí)，磁拉力就會(huì)發(fā)生作用。所以測(cè)試永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，會(huì)有勵(lì)磁靜摩擦力矩參與。盡管如此，因勵(lì)磁靜摩擦力矩在永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩中占的比例很小，故可忽略。因此永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可近似等于電磁轉(zhuǎn)矩。

7 有刷直流電動(dòng)機(jī)是可逆的，勵(lì)磁后驅(qū)動(dòng)能變成直流發(fā)電機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也可逆嗎?

不可逆。原因是二者換向的差異性:有刷直流電機(jī)是用電刷換向。電刷換向器換向具有可逆性，即旋轉(zhuǎn)時(shí)，它既能把直流電變成交流電，使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)(直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部每一個(gè)繞組元件實(shí)質(zhì)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(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)出的交流電變成直流電輸出(直流發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)的是交流電)。所以有刷直流電動(dòng)機(jī)是可逆的。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是用電子開(kāi)關(guān)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。若將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部繞組也有方波交流電輸出，但電子換向器卻無(wú)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(dòng)機(jī)在用“對(duì)拖法”測(cè)功時(shí)，基于的理念則是有刷直流電動(dòng)機(jī)能可逆，因此可用同型號(hào)電機(jī)兩臺(tái)“對(duì)拖法”測(cè)功:一臺(tái)可作為被測(cè)的電動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)被拖電機(jī)則變成發(fā)電機(jī)作負(fù)載調(diào)節(jié)。無(wú)刷直流電動(dòng)因不具可逆性，故不能用“對(duì)拖法”測(cè)功。

［1］張文海.控制電機(jī)問(wèn)答［J］.微特電機(jī)，2011(9):76－78.