直流串激电机的构造和调速方法

一、直流串激电机的定义

直流串激电机是一种特殊的直流电动机，其独特之处在于其电枢和励磁线圈是串联连接的。直流串激电机，又称励磁电源在电枢和电枢端子上串联的直流电动机。这种电机的特点在于其电枢和励磁线圈串联连接，因此电枢中所产生的电动势不仅要克服外电路负载电动势，还需克服自身电枢中的反电动势。这种连接方式使得直流串激电机在特定应用场景下具有独特的优势。

直流串激电机的主要组成部分包括定子、转子、电枢绕组和励磁绕组。其中，定子和转子的结构与其他直流电机相似，而电枢绕组是绕制在电枢上的导体，励磁绕组则包绕在电枢上方或下方的铁心上。这种结构使得电机在运行时能够产生强大的磁场和转矩。

直流串激电机的工作原理主要基于电流通过定子线圈产生的磁场与转子磁场之间的相互作用。具体来说，当外部直流电源将电流引入定子线圈时，线圈内会产生一个磁场（定子磁场）。同时，转子由一组永磁体或永磁钢组成，产生恒定的磁场（转子磁场）。当定子磁场与转子磁场之间存在相对运动时，即电机转子开始旋转时，两个磁场之间的相互作用会产生转矩，从而驱动电机旋转。

由于电枢和励磁线圈串联连接，直流串激电机在低速时表现出良好的性能，因为此时电枢中的反电动势较小，能够产生较大的转矩。然而，当电机转速增加时，电枢中的反电动势也会增加，导致电流减小，转矩降低，从而影响电机的稳定性。

直流串激电机在多个领域有着广泛的应用。例如，在交通运输领域，直流串激电机广泛应用于电动车、电动自行车等交通工具中，其高效、节能、稳定的特性深受用户喜爱。此外，直流串激电机还常用于电动工具、医疗设备、印刷设备等领域，其优异的调速性能和稳定性使得这些设备能够更好地满足各种工作需求。

二、直流串激电机的构造

在结构方面，该电机几乎在所有方面都与任何其他类型的直流电机相似。它由所有基本部件组成，例如容纳励磁绕组的定子或承载电枢导体的转子，以及其他重要部件（例如换向器或电刷段），所有这些部件都按照正确的顺序连接，就像通用直流电机一样。

然而，如果我们仔细观察该直流电机的励磁线圈和电枢线圈的接线，就会发现它与该类型的其他成员有明显的区别。
为了理解这一点，让我们回到上面提到的基本事实，即该电机具有与电枢绕组串联的励磁线圈。由于这个原因，相对较高的电流流过励磁线圈，并且其设计如下所述。

直流串激电机的励磁线圈绕制的匝数相对较少，因为通过励磁的电流是其电枢电流，因此对于所需的 mmf 来说，需要较少的匝数。

电线较重，因为直径显着增加，以便为满电枢电流的流动提供最小的电阻。

尽管存在上述差异，但由于线圈匝数较少，该直流电机的运行仍然不受影响，因为通过磁场的电流相当高，足以产生足够强的磁场来产生所需的扭矩量。为了更好地理解这一点，让我们看看直流串联电机的电压和电流方程。

三、直流串激电机电路图

在该电机中，磁场以及定子绕组彼此串联耦合。因此，电枢电流和励磁电流是等效的。

巨大的电流直接从电源流向励磁绕组。巨大的电流可以由励磁绕组承载，因为这些绕组匝数少而且很粗。通常，铜排形成定子绕组。这些厚铜条可以非常有效地散发大电流产生的热量。注意，定子励磁绕组S1-S2与旋转电枢A1-A2串联。

在串联电动机中，电力在串联励磁绕组的一端和电枢的一端之间供应。当施加电压时，电流从电源端子流过串联绕组和电枢绕组。电枢和励磁绕组中存在的大导体提供了对该电流流动的唯一阻力。由于这些导体很大，因此它们的电阻非常低。这导致电机从电源汲取大量电流。当大电流开始流过磁场和电枢绕组时，线圈达到饱和，从而产生可能最强的磁场。

这些磁场的强度为电枢轴提供了尽可能大的扭矩。大扭矩使电枢开始以最大功率旋转，电枢开始旋转。

直流串激电机的调速方法是一个涉及电机性能优化和控制系统设计的关键领域。下面将详细介绍直流串激电机的几种主要调速方法。

四、直流串激电机的调速方法

1、电阻调速

电阻调速是直流串激电机调速的一种常见方法，其原理是通过改变电枢电阻来改变电机的转速。具体实现方式是在电机电路中加入一个可变电阻，通过调整电阻值来改变电机的电枢电阻，进而改变电机的转速。

电阻调速的优点在于其结构简单、易于实现。然而，这种调速方法也存在一些缺点。首先，由于电阻的加入，电机在运行时会产生额外的热量，导致能量损耗增加，效率低下。其次，电阻调速的调速范围有限，且调速过程中电机的转速变化不够平滑，容易产生抖动。

在实际应用中，电阻调速常用于对转速要求不高、负载变化较小的场合。通过合理设计电阻值和调整策略，可以在一定程度上实现电机的平稳调速。

2、电压调速

电压调速是直流串激电机调速的另一种常用方法，其原理是通过改变电机的电源电压来改变电机的转速。具体实现方式是在电机电路中加入一个可变电压源，通过调整电压源的输出电压来改变电机的电源电压，进而改变电机的转速。

电压调速的优点在于其调速范围广、效率高。由于电压调速直接控制电机的电源电压，因此可以实现较为平滑的调速效果，且电机在运行时能量损耗较小。然而，电压调速也存在一些缺点，如对电源质量要求较高，成本较高等。

在实际应用中，电压调速常用于对转速要求较高、负载变化较大的场合。通过采用高性能的电压源和精确的控制系统，可以实现电机的精确调速和高效运行。

3、PWM调速

PWM（脉宽调制）调速是一种新型的直流串激电机调速方法，其原理是通过改变电机的占空比来改变电机的转速。具体实现方式是在电机电路中加入一个PWM模块，通过调整PWM模块的占空比来改变电机的电枢电压平均值，进而改变电机的转速。

PWM调速的优点在于其调速精度高、效率高、噪音小。由于PWM调速是通过控制占空比来改变电机的电枢电压平均值，因此可以实现非常精确的调速效果，且电机在运行时噪音较小。此外，PWM调速还具有响应速度快、动态性能好等优点。

然而，PWM调速也存在一些缺点，如成本较高，对电源质量要求较高等。在实际应用中，PWM调速常用于对转速要求高、负载变化大、噪音要求高的场合。通过采用高性能的PWM模块和精确的控制系统，可以实现电机的精确调速和高效运行。

4、串并联电机法

串并联电机法是一种通过改变电机的连接方式来实现调速的方法。在低速运行时，将两台串励电动机串联，这样每台电动机所受电压为电源电压的一半；在高速时，将串励电动机并联，则每台所受的电压为电源电压。此外，也可以接入变阻器作为辅助调整方法。

串并联电机法的优点在于简单易行，不损耗电能。然而，其调速性能较差，不够连续，且需要额外的电机和控制设备来实现。在实际应用中，串并联电机法常用于对调速要求不高的场合。

综上所述，直流串激电机的调速方法包括电阻调速、电压调速、PWM调速和串并联电机法等。每种方法都有其独特的优点和缺点，适用于不同的应用场合。在实际应用中，需要根据电机的实际需求和控制系统的性能要求来选择合适的调速方法。同时，还需要注意调速方法的实施细节和注意事项，以确保电机的平稳运行和高效性能。