什么是并励直流电动机

并励直流电动机是直流电机的一种经典结构，其励磁绕组与电枢绕组并联在同一电源上。这种设计使其机械特性相对较硬，调速性能优良，在需要宽范围平滑调速的工业场合，如机床、轧钢机、卷扬机等领域有着长期而广泛的应用。本文将深入剖析其工作原理、结构特点、运行特性、调速方法、启动与制动技术、常见故障及维护要点，并结合实际应用场景，全面解读这一重要电力驱动装置。

       在工业驱动的浩瀚星图中，直流电动机曾占据着无可替代的核心地位。尽管交流变频技术日益普及，但在某些对调速性能要求极高、控制逻辑相对传统的场合，直流电动机，特别是并励直流电动机，依然闪耀着独特的光芒。它结构清晰，特性可控，是理解电机原理与控制技术的绝佳范例。本文将带领您深入并励直流电动机的内部世界，从基本原理到实际应用，进行一次全面而细致的探索。

       

一、 并励直流电动机的基本定义与电路构成

       并励直流电动机，顾名思义，其核心特征在于“并励”。所谓“励”，指的是产生磁场的励磁绕组；“并”，则是指该励磁绕组与驱动转子旋转的电枢绕组以并联方式连接至同一直流电源。这种并联关系是其一切特性的起点。从电路模型看，电源电压同时施加在电枢回路和励磁回路上。电枢回路包含电枢绕组、换向器、电刷以及通常串联在其中的启动或调速电阻（运行时可能被短接）。励磁回路则相对简单，主要由励磁绕组本身和用于调节磁场强度的励磁调节电阻构成。两个支路电压相同，但电流路径和大小各异，电枢电流负责产生电磁转矩，励磁电流则专职建立主磁场。

       

二、 结构解剖：从静止部件到旋转核心

       要理解其工作原理，必须先熟悉其物理结构。并励直流电动机主要由定子（静止部分）和转子（旋转部分）构成。定子包括主磁极、励磁绕组、机座和端盖等。主磁极由硅钢片叠压而成，上面套有励磁绕组，通电后形成主磁场。机座既是机械支撑，也是磁路的一部分。转子通常称为电枢，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴组成。电枢铁芯同样由硅钢片叠成，表面有槽，用于嵌放电枢绕组。换向器是直流电机的标志性部件，由许多彼此绝缘的铜片组成，与电刷滑动接触，其关键作用在于实现外部直流电与电枢绕组内部交流电的转换。

       

三、 核心原理：电磁转矩的诞生与能量转换

       并励直流电动机运行基于两大基本电磁定律：通电导体在磁场中受力的安培力定律，以及导体切割磁感线产生感应电动势的法拉第电磁感应定律。当电源接通，励磁绕组中流过励磁电流，建立恒定的主磁场。同时，电枢绕组中通入电枢电流，处于主磁场中的电枢绕组导体受到电磁力作用，所有导体产生的力形成驱动电枢旋转的电磁转矩。当电枢旋转起来，其绕组导体又切割主磁场，从而产生一个方向与电源电压相反的反电动势。这个反电动势是理解直流电机能量平衡和转速特性的关键，它平衡了大部分电源电压，决定了电枢电流的大小，最终实现了电能向机械能的持续转换。

       

四、 独具特色的机械特性：硬度与稳定性

       机械特性描述了电动机转速与输出转矩之间的关系，是选择和应用电机的关键依据。并励直流电动机的机械特性被称为“硬特性”。所谓硬特性，是指当负载转矩在较大范围内变化时，电动机的转速下降幅度很小，曲线相对平坦。这是因为其励磁磁场由独立的并联支路提供，基本保持恒定。根据电机学原理，其转速公式表明，转速主要受电源电压和励磁磁通影响，而与负载转矩（体现在电枢电流上）的关系是线性的、微弱的下降。这种特性使得它在负载波动时能保持转速基本稳定，非常适用于对转速稳定性要求较高的设备，如精密机床、造纸机械等。

       

五、 卓越的调速性能：三种经典方法

       并励直流电动机最突出的优点之一便是其优良的调速性能，调速范围宽、平滑性好、控制简便。其调速方法主要基于转速公式中的三个变量：电枢端电压、电枢回路电阻和励磁磁通。因此，经典调速方法有三种：第一，调压调速。通过改变施加在电枢两端的电压来调节转速，此法可实现低于额定转速的平滑无级调速，且机械特性硬度不变，能耗小，是性能最优的调速方式，常采用可控硅（晶闸管）整流装置实现。第二，调磁调速。通过调节串联在励磁回路中的电阻，改变励磁电流，从而削弱主磁场。此法用于实现高于额定转速的调速，属恒功率调速，但磁场过弱会导致运行不稳定。第三，电枢串电阻调速。在电枢回路串联可变电阻，通过电阻压降改变电枢端电压，方法简单，但特性变软、能耗大、效率低，一般用于短时或小容量调速场合。

       

六、 启动过程与控制：限制冲击电流是关键

       直流电动机在启动瞬间，转速为零，反电动势也为零。此时若将额定电压直接加在电枢两端，由于电枢电阻极小，将导致巨大的启动电流（可达额定电流的10-20倍），这不仅会烧坏绕组，还会产生过大的转矩冲击。因此，并励直流电动机绝对不允许直接启动。必须采用降压启动或串电阻启动。最常用的方法是电枢回路串联启动变阻器。启动时，将全部电阻串入，随着转速上升，反电动势增大，电枢电流减小，再逐步切除启动电阻，直至电机进入额定运行状态。完善的启动器还配有失磁保护，防止励磁回路断开造成“飞车”事故。

       

七、 制动运行：使电机迅速停转或限速

       为使电机快速停车或限制重物下放速度，需要制动。并励直流电动机的制动方法主要有三种：能耗制动、反接制动和回馈制动。能耗制动时，将电枢从电源断开，立即接至一个制动电阻上。此时电机依靠惯性旋转，如同发电机，将动能转化为电能消耗在电阻上，从而实现快速制动。反接制动则是将电枢电压极性反接，产生强烈的反向转矩，制动迅速但冲击大，需在转速接近零时及时切断电源。回馈制动发生在电机转速高于理想空载转速时（如电车下坡），此时反电动势高于电源电压，电机自动进入发电状态，将机械能回馈给电网，属于经济型制动。

       

八、 工作特性曲线解读：效率、转矩与电流的关联

       除了机械特性，并励直流电动机的工作特性曲线也至关重要，它包括转速特性、转矩特性、效率特性等。转速特性如前所述，随负载增加略微下降。转矩特性指电磁转矩与输出功率（或电枢电流）的关系，近似为一条通过原点的直线，因为电磁转矩正比于磁通与电枢电流的乘积，磁通恒定则转矩与电流成正比。效率特性曲线呈抛物线状，轻载时效率低，在额定负载附近达到最大值。理解这些曲线有助于用户合理选型，避免“大马拉小车”造成的效率低下，或“小马拉大车”导致的过热损坏。

       

九、 与串励、他励电动机的对比分析

       在直流电动机家族中，除了并励式，还有串励和他励两种主要类型。串励电动机的励磁绕组与电枢串联，励磁电流等于电枢电流，因此其磁场随负载剧烈变化，具有“软特性”：负载重时转矩大、转速低；负载轻时转速极高（有“飞车”风险），适用于牵引、起重等场合。他励电动机的励磁绕组由独立电源供电，其机械特性与并励电机相似，但控制更为灵活，性能更优，常用于高性能调速系统。并励电机可视为他励电机的一种特例（共用电源），结构更简单，成本较低，在调速性能和稳定性间取得了良好平衡。

       

十、 经典应用场景举例

       并励直流电动机的硬特性和优良调速性，使其在二十世纪乃至本世纪初的工业领域广泛应用。在金属加工行业，龙门刨床、大型车床的主传动系统依赖其实现宽范围、高精度的速度调节。在卷绕机械中，如造纸机的卷纸辊、纺织机的纱锭，需要恒张力控制，其硬特性正好满足要求。此外，一些大型轧钢机的辅助传动、矿井提升机、电力机车的辅助电机等也曾是其用武之地。尽管在新设备中逐渐被交流变频系统取代，但在许多现有设备改造和维护市场中，它依然活跃。

       

十一、 常见故障诊断与维护要点

       可靠的运行离不开妥善的维护。并励直流电动机常见故障包括：电刷下火花过大，可能由于电刷压力不均、换向器表面不洁或偏心、电枢绕组短路或开路等原因引起；电机过热，可能是过载、通风不良、电枢或励磁绕组短路所致；转速异常，如转速过高可能是励磁回路断路（失磁）或励磁电阻过大，转速过低则可能是电源电压低、电枢回路接触电阻大或负载过重。日常维护需定期检查换向器与电刷的磨损和接触状态，保持清洁；检查轴承润滑；测量绕组绝缘电阻；确保通风道畅通。

       

十二、 绕组的连接与极性判断

       正确连接是电机正常运行的前提。并励直流电动机通常有四个出线端：电枢绕组的A1、A2，励磁绕组的F1、F2。接线时，需确保旋转方向正确。通常，面对电机轴伸端，使励磁绕组F1、F2的连接保持固定（按厂家标识），通过调换电枢绕组A1、A2与电源的接线，即可改变电机转向。在检修后或接线标识模糊时，可使用低压直流电源（如电池）和指南针法来判别绕组极性，确保并励连接的正确性，避免接成差复励等错误形式影响特性。

       

十三、 能量损耗分析与效率提升

       电动机运行中的电能并非全部转化为机械能，一部分会以各种形式损耗掉。并励直流电动机的损耗主要包括：铜耗（电枢绕组和励磁绕组因电阻产生的热能）、铁耗（电枢铁芯在交变磁场中的磁滞和涡流损耗）、机械损耗（轴承摩擦、风阻）和附加损耗（杂散负载损耗）。其中，铜耗与负载电流平方成正比，是可变损耗；铁耗和机械耗基本恒定。效率等于输出功率与输入功率之比。提升效率的途径包括：选用优质低损耗硅钢片、优化绕组设计降低电阻、改善冷却条件降低温升、保证良好润滑减少摩擦，以及在选型时尽量让电机工作在额定负载附近的高效区。

       

十四、 控制系统的演变：从继电器到数字控制器

       并励直流电动机的控制系统经历了漫长发展。早期采用笨重的启动箱和调速电阻柜，通过手动或继电器接触器进行分级控制。上世纪中叶，电机扩大机、磁放大器等模拟放大器件被用于构成闭环调速系统，性能得到提升。随着电力电子技术革命，晶闸管（可控硅）整流装置成为主流，实现了电枢电压的连续平滑调节，配合测速发电机（一种测量转速的小型发电机）构成的速度负反馈闭环系统，大大提高了调速精度和动态响应。现代高端应用则采用全数字控制器，如基于微处理器的直流调速器，具有参数数字化设定、故障自诊断、通讯联网等智能功能。

       

十五、 选型指南：如何为应用匹配合适的电机

       正确选型是保障设备长期稳定运行的基础。为应用选择并励直流电动机时，需综合考虑以下参数：额定功率（根据负载所需的稳态功率和过载能力确定）、额定电压与转速（与供电电源和负载要求匹配）、工作制（连续运行、短时运行还是断续周期性运行）、防护等级（根据环境粉尘、湿度情况选择封闭式或防护式）、安装方式（底脚安装还是法兰安装）以及是否需要特殊的调速范围、精度和动态响应要求。此外，还需考虑配套的启动器、调速装置及保护元件的选配。

       

十六、 发展趋势与未来展望

       尽管在新增市场中，交流变频调速系统因其无电刷换向器、维护简单、高转速等优势，在许多领域取代了直流调速。但并励直流电动机并未退出历史舞台。其在低速大转矩、宽范围平滑调速方面的固有优势，以及在现有存量设备中的庞大保有量，决定了它仍将在特定领域长期存在。当前的发展更多体现在其控制技术的数字化、智能化，以及与新材料的结合上，如采用高性能永磁体替代部分励磁，或优化电刷与换向器材料以延长寿命、减少维护。它作为电机学教学的经典模型和工业驱动技术发展史上的重要里程碑，其价值将长久留存。

       

十七、 安全操作规范与防护措施

       安全永远是第一位。操作并励直流电动机必须遵守规范：启动前检查机械连接是否牢固，接地是否良好，检查电刷、换向器状态。必须使用合格的启动设备，严禁直接启动。运行中注意监听声音、观察火花、监测温升是否异常。停机时，应先卸去负载（若可能），再切断电源。电机周围应保持清洁干燥，防止金属粉尘、纤维侵入内部造成短路。对于大功率电机，其控制系统应设置完善的保护，包括过流保护、失磁保护、超速保护、过热保护等，以保障设备和人员安全。

       

十八、 总结：历久弥新的经典驱动技术

       综上所述，并励直流电动机以其清晰的励磁方式、硬朗的机械特性、平滑宽广的调速范围和相对简单的控制逻辑，在工业驱动史上写下了浓墨重彩的一笔。它不仅是将电能转化为机械能的一种装置，更是电磁理论、控制原理与机械工程的完美结合体。深入理解其结构、原理、特性和应用，不仅有助于我们维护好仍在服役的众多设备，更能让我们深刻领悟电力拖动技术的精髓。在技术飞速迭代的今天，回望并励直流电动机这样的经典技术，更能让我们看清技术发展的脉络与基石，从而更好地拥抱未来。