直流电机

文摘   2024-08-31 22:42   四川  

电机教材对直流电机的概述大同小异。

以汤蕴璆的第五版《电机学》为例,他对直流电机的概述:

①直流电机是电机的主要类型之一。

②直流电机以其良好的起动性能和调速性能著称。

③与交流电机相比,直流电机的结构较复杂,成本较高,可靠性较差。

④受益电力电子的发展,媲美直流电机性能的电机不断涌现,直流电机有被取代的趋势。


不是在电机行当讨饭的人,对以上四条是没有感觉的。


电机设计其实现在跟三五十年前甚至更早,并没有本质的变化,有的只是设计工具的进步,比如软件的计算能力。

电机制造工艺和流程多年也基本没变化,工艺精度更高了而已。

几十年来,电机设计与制造看似突飞猛进,但基本没有太多革新。


以轨道交通为例,1974年量产的DF4型机车,虽无新车再造,但它配套的直流牵引电动机ZQDR-410电机仍在生产。电机命名都带着时代气息:Z-直流;Q-牵引;D-电动;R-热机,即内燃;410-额定功率410千瓦。


怎么理解概述中的四条?

①直流电机已基本上不是电机的主要类型了。不管是电动机还是发电机。原来它仗着“好性格”,确实是压倒性的存在。

②它特有的结构,让主极磁场和电枢磁场天生空间成90度电角度,不考虑饱和,可认为无耦合。控制电机,就是控制两组磁铁,现在这两组磁铁角度固定,成90度电角度,两组磁铁的磁场强度的幅值又可以分别控制,输出力矩跟两组磁铁的磁场强度幅值的乘积成正比。调速就是调转矩。基于这些,所以说它有良好的起动性能和调速性能。

③交流电机其实发展并没有比直流电机落后多少年,但由于交流电机的“怪性格”,开始因为驾驭不了,不被重用,可后来电力电子技术的高速发展,简单说就是随心所欲电源的高速发展,让交流电机翻身,甚至如虎添翼,三十年河东,三十年河西。电力电子技术当然也助力了直流电机的控制。交流电机一翻身,直流电机的毛病就凸现出来了,结构复杂:换向器、刷架系统;这也导致它非常娇气,挑环境,可靠性差,也就对应了制造成本、运用维护成本高。

④特殊的结构,也让直流电机的单机最大功率以及功率密度受限。

以刚才提到的ZQDR-410电机为对照,它重量约3吨。现在干线上常见的HXD1C机车,配套的交流牵引电动机JD160,它和410个头差不多,重量约2.5吨,额定功率约1200千瓦。


研究直流电机,仍有非常大的理论意义和实用价值。


直流电机的工作原理其实是非常简单的,就是高中的两个公式:e=BLV,F=BIL。

直流电机的结构确实非常复杂,没见过电机实物的,光一个电枢绕组的装配,包括电气连接,就能干趴下一众人。


但要说原理简单,也不全对。直流电机的换向理论(不要望文生义,不是电机转向的改变,是电枢线圈导体中电流的方向改变),直流电机都快要推出主战场了,都还没有被完全研究清楚呢。


直流电机不管是理论上还是结构上,都不简单,那学习直流电机时,有没有抓手?


有。


直流电机也好,交流电机也罢,时刻记住,我们的目的就是要弄出两组磁铁出来,以最简单的两极电机为例,就是弄出一个定子磁铁,再弄出一个转子磁铁。至于是永磁体磁铁,还是电磁铁,不挑;至于是一个电源产生两个电磁铁,还是两个电源分别产生两个磁铁,也不挑。


这样你就理解直流电机中的并励电机、串励电机、复励电机了。


直流电机虽然主磁场和电枢磁场互成90度,没有耦合,但它们大小之间还是互有影响的。说白了,在固定的转速下,要保持所要求的大小,就要改变各自的供电电压。对于一个电源供电的串励电机,改变电压会同时改变主极磁场和电枢磁场大小,好在它们之间有相对简单的方程关系。


互成90度的磁场关系,从总的效应上(毕竟有那么多导体呢,有些电动势大些,有些小些,有些受力大些,有些受力小些,大的跟小的刚好互补),有着简单的关系。但是,但是,世间没有完美。你利用了铁磁材料,铁磁材料也是有性格的,磁场强度B,又或者称磁通密度B超过一定值,它要饱和。这就让直流电机不得不应对饱和带来的影响,磁场要畸变,物理中性位要改变,不得已又加附加极,功率大些的电机还要弄补偿绕组,来解决换向问题。


最后,直流电机,是对外的直流电机。在电机内部,导体中,电动势也好,电流也罢,它也是交流的。它特有的机械式整流部件,换向器,又叫整流子,起着交流转直流的作用。

范泛谈电机
尝试浅入浅出地谈谈被众多人视为玄学的电机学,以及与电机有关的知识:电机制造,电机控制,电机维修等。
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