2.2 他励直流电动机的工作原理
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图2.1 他励直流电动机的工作原理
若在A、B之间外加一个直流电压，A接电源正极，B接负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图2.1所示位置时，有效边ab在N极下，cd在s极上，两边中的电流方向为a→b，c→d。由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为：
F=BIL
式中，I为导线中的电流，单位为安（A）。根据左手定则知，两个F的方向相反，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向、电磁转矩方向都不变。
由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。
在直流电动机中，除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不用。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。
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图2.2 他励电动机
第三章 他励直流电动机的调速
为了提高劳动生产率和保证产品质量，要求生产机械在不同情况下有不同的工作速度，如扎钢机在扎制不同的品种和不同厚度的钢材时，就必须有不同的工作速度以保证生产的需要，这种人为改变速度的方法称为调速。
可以用机械的方法或电气的方法实现调速。这里只分析电气调速方法及其性能特点。电气调速是人为的改变电气参数，有意识地使电动机工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电动机转速进行的一种控制，它与电机在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念。
根据直流电动机调速公式n=
U?Ia(Ra?Rpa)
Ce?可见，当电枢电流不变时（即负载不变），只要在电枢电压U、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中，任意改变一个，都能引起转速的变化。因此，他励直流电动机可以有三种调速方法。
为了评价各种调速方法的优缺点，对对调速方法提出了一定的技术经济指标，通常称为调速指标。下面对调速指标做一简要说明。
3.1调速指标
（1）调速范围
调速范围是只指电动机在额定负载下调素时，其最高转速与最低转速之比，用D表示，即
D=
nmax nmin不同的生产机械对对调速范围的要求不同，如车床D=20~100，龙门刨床D=10~40，扎钢机D=1.20~3等。
电动机最高转速nmax受电动机的换向及机械强度限制，最低转速相对稳定（即静差率）要求的限制。
（2）静差率（调速的相对稳定性）
静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落△n与该机械特性的理想空载转速n0之比，用*表示，即
?nn0?nσ=n0=n0
式中，n为额定负载转矩Tem=TL时的转速
n0n▲nNn01TN
图3.1
图3-1从上式可以看出，在△n相同时，机械特性越“硬”，额定负载时转速降越小，静差率σ越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。图3-1中机械特性1比机械特性2“硬”。静差率除了与机械特性硬度有关外，还与理想空载转速n0
成反比。对于同样“硬度”的特性，如图3.2中特性1和特性3，虽然转速将相同，但其静差率却不同。为了保证转速的相对稳定性，常要求静差率应不大于某一允许值（允许值）。
nn0nN▲n11▲n2nine2TN图3-23
图3.2
调速范围D与静差率σ两项性能指标是相互制约的，当采用同一种方法调速时，静差率要求较低时，则可以得到较低的调速范围；反之，静差率要求较高时，则调速范围小。如果静差率要求一定时，采用不同的调速方法，其调速范围不同，如果改变电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大。调速范围与静差率是相互制约的，因此需要调速生产机械，必须同时给出静差率与调速范围这两项指标，以便选择适当的调速方法。
（3）调速的平滑性
调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数ψ表示，即
ni Ψ=ni?1
平滑系数Ψ越接近1，说明调速的平滑性越好。如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，Ψ=1，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。
（4）调速的经济性
经济性包含两方面的内容，一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗，另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用。一台电动机当采用不同的调速方法时，电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的，但电动机实际输出的功率和转
矩是有负载需要所决定的，而不同的负载，其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的，因此在选择调速方法时，既要满足伏在要求，又要尽可能是电动机得到充分利用。经分析可知，电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速，而若此调速适用于恒功率负载的调速。
3.2 电枢串电阻调速
他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同阻值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图3—3所示，图中的负载为恒转矩负载。
从图3.3可以看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。
nn0AnA1n1A2n2RaRa+R1Ra+R20TL图3.3 电枢串电阻调速机械特性
Tem
如图3.3中传入的电阻R2>R1,交点A2的转速n2低于交点A1的转速n1，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。
电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。