直流电机的励磁方式直接决定了电机的磁场来源和运行特性。明确不同励磁方式的分类及其性能特点,对于理解电机如何适应不同的工况至关重要,也为实际应用中的选择提供了重要的依据。
直流电机的励磁方式主要根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系进行分类,常见的有他励、并励、串励、复励等,各类型电机的性能特点有明显差异:
第一类是他励直流电机。其励磁绕组与电枢绕组完全独立,励磁电流由外部独立直流电源提供,与电枢电压和电枢电流无关。性能特点方面,他励电机的主磁通稳定,不受电枢电流变化的影响,因此转速稳定性高,即使负载波动,转速变化也很小。同时,可以通过独立调节励磁电流实现弱磁提速,或通过调节电枢电压实现额定转速以下的平滑调速,调速范围宽,精度高。但该类电机需要额外的独立励磁电源,设备成本相对较高。适用于对转速稳定性和调速精度要求严格的场合,例如精密机床主轴驱动、直流测速发电机等。
二是并励直流电动机。励磁绕组与电枢绕组并联在同一直流电源两端。励磁电流由电源电压决定,与电枢电流无关。其性能与他励电动机相似,主磁通相对稳定,转速受负载影响较小,运行特性稳定。而且,它不需要独立的励磁电源,因此设备结构比他励电动机更简单,成本也更低。但需要注意的是,如果并励绕组突然断开,主磁通会急剧下降,电枢转速会大幅上升,造成“飞车”事故。因此,在实际应用中,必须安装励磁电路保护装置。并励电动机适用于负载变化较小,且对转速稳定性有一定要求的场合,例如水泵、风机、传送带等的驱动。
三是串励直流电机。励磁绕组与电枢绕组串联,因此励磁电流等于电枢电流。该类电机的主磁通随电枢电流(负载)变化较大:负载增加时,电枢电流增加,主磁通加强,转速急剧下降;负载减小时,电枢电流减小,主磁通减弱,转速大幅上升,即具有“轻载高速,重载低速”的特点。同时,串励电机启动时,电枢电流较大,主磁通较强,因此具有较大的启动转矩,适用于需要重载启动的场合。但由于电机转速随负载波动较大,轻载时容易“飞车”,因此不适用于对转速稳定性要求较高的场合。主要用于需要较大起动转矩、允许转速波动的设备,如电动汽车的牵引电动机、起重机的起升机构、电动工具等。
四是复励直流电动机。这类电动机既有并励绕组,也有串联绕组,主磁通由两绕组磁通势的叠加来调节。它分为累积复励(串联绕组的磁通势与并励绕组的磁通势方向相同)和差动复励(方向相反)两种。其中累积复励电动机应用更为广泛,其主磁通主要由并励绕组决定(保证基本的转速稳定性),而串联绕组在负载增加时可以加强主磁通,从而增大电磁转矩。它兼具并励电动机(转速稳定)和串励电动机(启动转矩大)的优点,转速随负载的变化范围介于并励电动机和串励电动机之间,适用于负载变化较大、既需要转速稳定又需要启动转矩大的场合,例如船舶推进系统、大型压缩机的驱动等。对于差动复励电动机,当负载增加时,主磁通减弱,转速反而升高,运行稳定性差,因此在实际应用中很少采用。