什么是他励

他励是一种电机励磁方式，指电机的励磁电流由独立的电源提供，而非依靠电机自身发电。这种设计使得他励电机具有卓越的调速性能和稳定的机械特性，被广泛应用于对控制精度要求高的工业领域，如精密机床、起重设备和轨道交通。本文将深入解析他励电机的结构原理、工作特性及其与现代控制技术的结合应用。

       在电气工程领域，电机的励磁方式如同心脏的供血系统，决定了其性能表现的边界。其中，他励作为一种经典且至关重要的技术方案，至今仍在众多工业场景中扮演着不可替代的角色。与依靠自身发电进行励磁的方式不同，他励电机需要一个完全独立的电源来为其磁场提供能量。这种看似“额外”的设计，恰恰赋予了它无与伦比的控制灵活性和运行稳定性。

一、 他励的基本概念与定义

       要理解他励，首先需明确“励磁”的含义。所谓励磁，是指为电机产生工作磁场而提供必要电流的过程。在他励系统中，这项任务由一个独立的直流电源专门负责。这个电源与电机的电枢绕组（即产生转矩的主要部件）在电路上是完全分开的。这意味着，即使电枢回路中没有电流，磁场依然可以独立建立和维持。根据中华人民共和国国家标准《旋转电机 定额和性能》（GB 755-2008）中的相关界定，这种励磁绕组与电枢绕组由不同电源供电的直流电机，即归类为他励直流电机。

二、 与他励相对应的其他励磁方式

       为了更清晰地凸显他励的特点，我们将其与并励、串励和复励方式进行对比。并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用同一个电源；串励电机的励磁绕组则与电枢绕组串联，电流完全相同；而复励电机结合了并励和串励的特点。相比之下，他励的独立性是其最显著的优势，它避免了其他方式中因电枢电流变化而对磁场产生的直接影响，从而为实现精确控制奠定了基础。

三、 他励电机的核心结构与工作原理

       一台典型的他励直流电机主要由两大部分构成：定子（静止部分）和转子（旋转部分）。定子上安装了励磁绕组，当独立的直流电源接通后，该绕组中便流过励磁电流，产生一个恒定且方向不变的磁场。转子则承载着电枢绕组，当外部直流电通过电刷和换向器引入电枢绕组时，带电导体在定子磁场中会受到电磁力的作用，从而驱动转子旋转。其转速、转矩等关键参数可以通过分别调节励磁电流和电枢电压来进行精细控制。

四、 他励方式的突出优势：卓越的调速性能

       这是他励电机最引以为傲的特点。由于磁场由独立电源建立，其强度可以独立于电枢回路进行调节。根据电机学基本原理，电机的转速与电枢电压成正比，与磁通量成反比。因此，在实践中，可以采用两种高效的调速策略：其一，保持励磁电流恒定（即磁通恒定），通过改变电枢电压来实现低于基速的平滑调速；其二，保持电枢电压恒定，通过减弱磁场来实现高于基速的恒功率调速。这种宽广且平滑的调速范围，是许多工业应用梦寐以求的特性。

五、 他励方式的另一关键优势：理想的机械特性

       他励电机的机械特性曲线（即转矩与转速的关系）近乎一条略微下斜的直线，硬度很高。“硬度高”意味着当负载转矩发生变化时，电机的转速变化很小。这种“倔强”的特性使得他励电机在负载波动剧烈的场合下，依然能保持稳定的运行速度，保证了生产过程的连续性和产品质量的一致性，例如在龙门刨床、轧钢机等设备中表现尤为出色。

六、 启动与控制特性分析

       直流电机直接启动时，由于初始反电动势为零，启动电流会非常大，可能达到额定电流的10倍以上，这对电网和电机本身都是巨大的冲击。在他励电机中，得益于其独立的控制回路，可以方便地在电枢回路中串联启动电阻来限制启动电流，或者采用先进的软启动器、变频控制器等现代电力电子装置，实现平稳、无冲击的启动过程，大大提升了设备的可靠性和寿命。

七、 制动运行能力解析

       他励电机的制动性能同样优异。它能够方便地实现能耗制动、反接制动和回馈制动。特别是在回馈制动状态下，当电机转速超过理想空载转速时，电枢反电动势会高于电源电压，此时电机作为发电机运行，将机械能转化为电能回馈给电网，起到了节约能源的效果。这在起重设备下放重物、电力机车下坡等场景中具有重要的经济和安全价值。

八、 在现代工业中的典型应用场景

       正是基于上述优势，他励电机在对调速性能、动态响应和控制精度要求极高的领域找到了广阔天地。例如，在金属切削机床上，它可以实现主轴的无级变速，以满足不同材料和工艺的需求；在卷扬机和电梯中，它能确保启动和制动平稳，保障安全；在造纸、纺织行业的精密张力控制系统中，它更是不可或缺的核心动力元件。

九、 与电力电子技术的结合

       随着半导体技术的发展，晶闸管（可控硅）整流装置和脉宽调制（PWM）技术已成熟应用于他励电机的控制。这些固态功率器件取代了老旧的发电机组和汞弧整流器，构成了高效、灵活的静止励磁系统或调速驱动器。通过微处理器或数字信号处理器（DSP）进行智能控制，可以实现对电机转矩、转速、位置的精确闭环控制，将他励电机的潜力发挥到极致。

十、 存在的挑战与局限性

       当然，他励方式也并非完美。其主要缺点在于需要两套独立的直流电源供电系统，一套用于励磁，一套用于电枢。这增加了设备的初投资成本和系统的复杂性。此外，带有电刷和换向器的传统直流电机存在维护工作量大、易产生火花、不适合易燃易爆环境等问题。这些局限性在一定程度上促进了交流变频调速技术的发展。

十一、 他励在交流同步电机中的应用延伸

       值得注意的是，“他励”的概念并不仅限于直流电机。在大中型同步电机和发电机中，普遍采用的他励式励磁系统同样至关重要。转子上的励磁绕组由一个同轴的交流励磁机（可视为一台小发电机）经旋转整流器供电，或者通过滑环从外部静止电源引入电流。这种系统为同步电机提供了强大的无功功率调节能力，是维持电力系统电压稳定的关键。

十二、 维护与故障诊断要点

       维护他励电机时，需要重点关注两个独立的电路。定期检查励磁绕组的绝缘电阻、测量其直流电阻以判断有无匝间短路或开路至关重要。同时，电刷和换向器的状态需要密切监视，保持接触良好、表面光滑。若出现电机无法启动、转速不稳、火花过大等现象，应系统性地分别排查励磁电源和电枢电源是否正常，以及控制回路是否有效。

十三、 选型指导与经济效益分析

       在选择是否采用他励电机时，需要进行综合的技术经济比较。如果应用场景对调速范围、控制精度和稳定性有严苛要求，且初始投资和运行维护成本在可接受范围内，那么他励方案往往是优选。对于长期连续运行、负载变化大的设备，其优异的效率和高品质的运行性能所带来的综合效益，通常能够抵消其较高的购置成本。

十四、 未来发展趋势展望

       尽管交流变频调速技术发展迅猛，但他励直流电机因其技术成熟、控制简单直接、低速大转矩特性好等优点，在特定领域仍将长期占有一席之地。未来的发展趋势是将其与更先进的传感器技术、物联网和人工智能相结合，实现预测性维护和智能化运行，进一步提升其可靠性、能效和集成度。

十五、 一个生动的应用实例

       以一台大型龙门铣床为例。加工过程中，需要主轴在不同材料（如钢、铝）和不同刀具下以精确的转速旋转，同时进给系统也要保持恒定的线速度。采用他励电机驱动主轴和进给机构，操作人员只需通过数控系统设定参数，驱动器便会独立且精确地调整各电机的电枢电压和励磁电流，确保切削过程高效、平稳、高质。这正是他励技术价值的完美体现。

       综上所述，他励作为一种经典而强大的电机励磁方式，以其独立的控制特性和卓越的性能，在工业自动化的发展历程中写下了浓墨重彩的一笔。深入理解其原理、特性和应用场景，对于电气工程师和相关技术人员而言，是驾驭复杂驱动系统、优化生产流程的重要基石。在追求精准控制的道路上，他励技术依然闪耀着不可替代的光芒。