他勵電機

直流電機分為自勵和他勵，他勵電機是指電機的勵磁線圈和電樞繞組是分開的，勵磁電流單獨提供，與電樞電流無關。

控制方便，容易實現調速，控制器控制正反轉不需要安裝切換接觸器 一般被廣泛使用在電動叉車，電動汽車，電動觀光車，電動牽引車。

問題

1、改變他勵直流電動機機械特性有哪些方法？

2、他勵直流電動機在什麼情況下，從電動機運行狀態進入回饋制動狀態？他勵直流電動機回饋制動時，能量傳遞關係，電動勢平衡方程式及機械特性又是什麼情況？

重點

掌握直流電機的電動和回饋制動特性

難點

調節直流電動機M的額定值（三個條件互相制約，同時滿足。）

1、額定電流IN

2、額定勵磁電流IfN

3、額定轉速nN

了解和測定他勵直流電動機在R2=0時電動及回饋制動狀態下的機械特性

直流他勵電動機機械特性測定的實驗原理圖

設備中常用的電動機主要分兩類：一類是驅動電機，一類是控制電機。驅動電機是設備的主要動力源，包括各種類型的交、直流電動機。交流非同步電動機較其它類型的電動機結構簡單，價格便宜，運行可靠，維護方便，某些設備或者輔助用電動機在不要求調速時可採用該類型電動機；如果要求調節轉速，則可選用直流電動機、整流於式電動機或電磁調速非同步電動機(滑差電動機)。控制電機又稱特種電動機，常見的有步進電動機、伺服電動機、測速發電機等，這些電機不是作為動力來使用的，它的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的傳遞是次要的。

直流電動機是將直流電能轉換為機械能的旋轉機械。它與交流電動機(如三相非同步電動機)相比，雖然因結構比較複雜、生產成本較高、故障較多等不利因素，目前已不如交流電動機應用普遍，但由於它具有優良的調速性能和較大的起動轉矩，仍然得到廣泛應用 。

結構

直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成。

(1) 磁極。

磁極是電動機中產生磁場的裝置，它分成極心和極掌兩部分。極心上放置勵磁繞組，極掌的作用是使電動機的磁感應強度的分佈最為合適，並用來擋住勵磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機座(即電機外完)上；機座也是磁路的一部分。機座常用鑄鋼製成。

(2) 電樞。

電樞是電動機中產生感應電動勢

的部分。直流電動機的電樞是旋轉的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組。

(3) 換向器(整流子)。

換向器是直流電動機的一種特殊裝置，主要由許多換向片組成，每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯接。換向器是直流電動機的結構特徵，易於識別。

工作原理

圖2-5是直流電動機的示意圖。若在A、B之間外加一個直流電壓，A按電源正極，B按負極，則線圈中有電流流過。當線圈處於圖2-5所示位置時，有效邊曲在N極下，cd在S極上，兩邊中的電流方向為a-b，c-d。由安培定律可知，ab邊和cd邊所受的電磁力為： F=BLI，式中，I為導線中的電流，單位為安(A)。根據左手定則知，兩個力的方向相反，形成電磁轉矩，驅使線圈逆時針方向旋轉。當線圈轉過180°時，cd邊處N極下，ab邊處於S極上。由於換向器的作用，使兩有效邊中電流的方向與原來相反，變為d c、b a，這就使得兩極面下的有效邊中電流的方面保持不變，因而其受力方向，電磁轉矩方向都不變 。

由此可見，正是由於直流電動機採用了換向器結構，使電摳線圈中受到的電磁轉矩保持不變，在這個電磁轉矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉。這時電動機可作為原動機帶動生產機械旋轉，即由電動機向機械負載輸出機械功率。

基本公式

(1)電磁轉矩 

當存在磁場而且電樞繞組中有電流時，電樞電流和磁場相互作用而產生電磁力矩，電磁力矩方向和電樞轉動方向一致，公式（1）：

其中 是轉矩常數(對於已製成的電動機是固定的)， 為勵磁磁通量， 為通過電樞繞組的電流。電磁轉矩的方向與轉速一致，其大小隻決定於 和 ，而與轉速無關。

(2)感應電動勢

當轉子(電樞)轉動起來之後，電樞繞組必然會切割磁感線，導線中必然會產生一個電動勢E。公式（2）：

其中 為電勢常數(對於已製成的電動機是固定的)，n為轉速。感應電動勢的方向與電樞電流方向相反，所以耍向電樞中輸入電流，必須要有 。

(3)電樞電壓平衡公式

公式（3）：

其中U為電樞繞組端電壓，Ia為電樞繞組端電流，Ra為電樞迴路電阻。

根據三個表達式可得：電動機轉速

起動

當電動機從靜止到運動的過程中，電樞繞組不切割磁感線，所以感應電動勢E=0，則根據公式(3)，U=0+IaRa因為Ra是固定的，所以一開始會使得電樞中電流非常大，會達到額定電流的10—20倍，因此不許加全部電壓直接起動。他勵電動機起動時，必須設法限制起動電流。起動的方法一般採用下列兩種：

(1)電樞迴路中外串電阻起動：

如圖2-10所示，通過電摳的電流 ，Rst為可變電阻，開始時Rst較大，Ist較小，隨著轉速的提高，感應電動勢E增大，逐漸減小Rst的阻值，就使得電機逐漸進入平穩運行狀態。在實際中，一般將起動電阻分為幾部分，逐段加以短路來實現。

(2)降壓起動

通過電樞的電流 ，U為加在電樞兩端的電壓，在開始起動時U較小，此時電樞電流Ist也比較小，故起動電流不會很大。隨著電動機轉速的提高，反電動勢增大。電流減少，這時再逐步提高U的值，這樣電動機升速比較平穩。

反轉

因為電磁轉矩是主磁極磁通和電樞電流相互作用而產生的，根據左手定則，任意改變兩者之一時，作用力方向就改變。所以改變轉向的方法有兩種：一種是電摳繞組兩端極性不變，格勵磁繞組反接?另一種是勵磁繞組不變，將電樞繞組反接。但是由於他勵電動機勵磁繞組匝數較多，電感比較大，反方向勵磁磁通的建立過程緩慢，從而反轉的過程不能很快的進行。如果要使電機快速的進行反轉，一般採用改變電樞電流的方法。

調速

他勵直流電動機與交流非同步電動機相比，且然結構複雜，價格簡，維修也不方便，但是在調道姓能上有其獨特的優點，直流電動機能無級調速，機械傳動機構比較簡單。因此．對調運要求高的設備，均採用宜流電動機。

由直流電動機的轉速公式可知，Ra、 和U中的任意一個值，都可使轉速改變。改變電樞電路中外電阻的方法也可進行調速。但其缺點是耗電多，調速範圍小，且只能進行有級調速，故這種方法目前已較少採用。現常用的對直流電動機調速的方法有調磁法和調壓法 。

(1)調磁法

即改變磁通量 。當保持電源電壓U為額定值時，調節Rf，改變勵磁電流If以改變磁通量。由公式可知，在一定負載下，愈小，則n愈高。

由於電動機在額定狀態運行時，它的磁路已接近飽和，所以通常都是減小磁通，將轉速往上調。

調速的過程是：當電壓U保持恆定時，減小磁通 。由於機械慣性，轉速產立即發生變化，於是反電動勢就減小，Ia隨之增加。由於Ia增加的影響超過 減小的影響，所以轉矩也就增加。如果阻轉矩Tc未變，則T>Tc轉速n上升。隨著n的升高，反電動勢E增大，Ia和T也著減小，直到T=Tc時為止。但這時轉速已比原來升高了。

必須指出，若電動機在額定狀態下運行，則電樞電流Ia為額定值，如果調速時負載轉短仍舊保持不變(為額定值)，由於 ,故減小磁通量 后Ia必然超過額定值，因此調速后負載轉矩必須城小。這種調速方法適用於轉矩與轉速成反比而輸出功率基本不變(恆功率調速)的場合。

這種調速方法的局限是轉速只能升高，即調速后的轉速要超過額定轉速。因為電機不允許超速太多，因此限制了它的調速範圍。在實際工作中，這種方法常作為電壓調速的一種補充手段。

(2)調壓法

即改變電壓U。當保持他勵電動機的勵磁電流If為額定值時，降低電樞電壓U，則由公式可見，在一定負載下，U愈低，則n愈低。由於改變電樞電壓只能向小於電動機額定電壓的方向改變，所以轉速將下調。

調速的過程是：當磁通 保持不變時，減小電壓U，由於轉速不會立即發生變化，反電動勢E便暫不變化，於是電流Ia減小，轉矩T也減小。如果阻轉矩Tc未變，則T

由於調速時磁通不變，如在一定的額定電流下調運，則電動機的輸出轉矩便是一定的(恆轉矩調速)。

這種調速方法的缺點是調壓需用專門的設備，投資較高。近年來由於採用了單片機PWM信號對電動機進行調壓和調速，使這種方法得到了廣泛應用。

制動

1.制動的目的 

1)使電力拖車系統停車

2)使電力拖車系統的轉速降低

3)對於位能負載的工作機械，用制動可獲得穩定的下降速度

2.制動的方法

1)自由停車，斷開電摳電源，電動機就會饅下來，最後停車，這種方法停車時時間長，特別是空載自由停車，更需要較長時間。

2)電磁製動器，也叫“抱閘”。用這種方法可以加快制動過程。

3)電氣制動，他是使電動機產生一個與旋轉方向相反的電磁轉短(即制動轉矩)，以加強減速，使系統較快的停下來．電氣制動的優點是產生的制動轉矩大，制動強度控制比較容易．在電力拖動系統中多採用這種方祛，或者與電磁製動配合使用。

用電動機的制動狀態來限制位能負載的運動速度，是重物下降時電動機的轉速不變，這屬於穩定的制動狀態。而減速或停車制動時，電動機的速度是變化的，則屬於過渡的制動運轉狀態。這兩種制動狀態的區別在於轉速是有變化的，而它們的共同點則是電動機產生的轉矩T與其轉速n的方向相反，用電動機來吸收或消耗機械能(位能或動能) 。

在直流他勵電動機的運行中，可以用三種方法得到制動運轉狀態，即：能耗制動、回饋制動及反接制動。

〔1)能耗制動

通過雙向開關的切換，將電樞兩端從電網上斷開，連接到一個制動電阻Rs上，在這一瞬間，由於磁通量和轉速都沒有變，所以電動勢Ea也沒有交，電壓U=0，所以Ea因此會在電樞閉合電路中產生電流Ia， ，其方向與轉速方向相反，因此產生的電磁轉矩也與之相反，起著制動作用，直到電動機停止轉動為止，制動過程中，電動機的作用像一台發電機，將動能變為電能，井消耗在電樞電路內的電阻Rs上。

(2) 反接制動

 當電動機處於運轉狀態時，維持勵磁電流不變，突然改變電樞兩端的電壓的極性，即電壓由原來與Ea反向變為與Ea同向，此時電樞電流Ia變為，這樣電磁轉矩與轉速反方向，起制動作用。反接制動時，電樞電流非常大，制動作用非常強。如果制動的目的是為了停車，必須在轉速到零以前，用控制電路使電樞電壓斷開，否則系統便會有反轉的可能性。

(3) 回饋制動

回饋制動又稱為再生制動，如果電動機在電動狀態的運行中，出於某種因素使電動機的轉速高於理想空載轉速時，此時感應電動勢E>U，所以電樞電流 ，與原來的方向相反，因為磁通量未變，所以電磁轉矩隨著Ia方向的變向而變向，而對電動機起制動作用，這時，工作機械帶動電動機發電，把機械能變成電能，向電源饋送。在降低電動機電樞電壓方法來降低速度的過程中，便會出現回饋制動狀態。同樣，電動機在弱磁狀態用增加磁通的方法來減速時，也能獲得過渡的回饋制動狀態，來實現迅速減速的目的 。