什么叫并励绕组

并励绕组是直流电机中一种关键的励磁方式，其核心特征在于励磁绕组与电枢绕组并联连接至同一电源。这种结构决定了电机的励磁磁场强度直接受到端电压的影响，从而赋予电机独特的运行特性，如相对稳定的转速和“软”的机械特性。理解并励绕组的原理、构成、工作方式及其与串励等其他方式的对比，是掌握直流电机设计与应用的基础。本文将从定义出发，深入剖析其结构原理、特性、应用场景及设计要点。

       在直流电机的广阔世界里，励磁方式是划分其类型、决定其性能的灵魂所在。其中，并励绕组作为一种经典且广泛应用的设计，构成了许多电机稳定运行的基石。无论是工厂里匀速运转的机床，还是实验室中精密的调速设备，背后都可能有着并励绕组默默工作的身影。那么，究竟什么叫并励绕组？它如何工作，又为何如此重要？本文将为您层层剥开其技术内核，呈现一幅关于并励绕组的详尽全景图。

       

一、 并励绕组的定义与基本结构

       并励绕组，顾名思义，指的是直流电机中励磁绕组的一种特定连接方式。其最根本的特征在于，产生主磁场的励磁绕组与切割磁力线产生感应电动势的电枢绕组，在电气连接上是并联关系。它们共同连接在直流电源的两个端子上，共享同一个电源电压。从物理结构上看，并励绕组通常由匝数较多、导线截面较细的绝缘铜线绕制而成，安装在主磁极的铁芯上。由于其与电枢并联，流经它的电流——即励磁电流，仅由电源电压和励磁回路自身的电阻决定，与电枢电流的大小没有直接关系。这是理解并励电机一切特性的起点。

       

二、 电路原理与工作过程剖析

       要深入理解并励绕组，必须从其电路原理入手。在一个典型的并励直流电机中，电源的正负极分别引出两条主线路。一条线路直接通向电枢绕组，另一条则通过一个可调节的磁场变阻器后，接入励磁绕组。两条支路最终在电源的另一端汇合。接通电源后，电压同时加在两条并联支路上。励磁支路中随即产生一个稳定的励磁电流，这个电流在励磁绕组中建立起恒定的主磁场。与此同时，电枢绕组中流过负载电流，在磁场中受到电磁力作用开始旋转。电枢一旦旋转，其绕组又会切割主磁场的磁力线，产生一个方向与电源电压相反的反电动势。整个系统的稳定运行，正是电源电压、电枢回路压降以及反电动势之间动态平衡的结果。

       

三、 核心运行特性：机械特性与转速特性

       并励绕组最引人注目的特性体现在其机械特性上。所谓机械特性，指的是电机转速与输出转矩之间的关系。并励直流电机具有一条略微下垂的直线特性，被工程师们称为“软”特性。这意味着，当负载转矩增大时，电机的转速会有所下降，但下降的幅度并不剧烈。这是因为，负载增加导致电枢电流增大，电枢回路的电阻压降也随之增加，使得反电动势减小，为了平衡电源电压，转速必然下降。但由于励磁电流由电源电压恒定提供，主磁场基本不变，因此转速的下降是有限且相对平缓的。这种特性使得并励电机非常适用于需要近似恒速运行的场合，如金属切削机床、风机、水泵等。

       

四、 与串励绕组的本质对比

       有对比才有更深刻的认识。与并励绕组相对的是串励绕组，后者将励磁绕组与电枢绕组串联。这一根本区别导致了天壤之别的性能。串励电机的励磁电流直接等于电枢电流，负载变化会剧烈改变主磁场强度，从而产生一条“硬”而陡峭的机械特性曲线：轻载时转速极高，重载时转速骤降。这使得串励电机非常适合需要起动转矩大、且不怕空载“飞车”的场合，如电力机车、起重设备。而并励电机因励磁独立，不存在空载飞速的危险，运行更安全平稳。两者分别代表了直流电机中“恒磁通”与“变磁通”两种截然不同的控制哲学。

       

五、 并励绕组的独特优势分析

       选择并励绕组，意味着选择了一系列突出的优点。首当其冲的是转速稳定性。在电源电压和励磁电流恒定的情况下，其转速受负载波动的影响较小，能为设备提供稳定的驱动。其次，它具有优良的调速性能。通过调节励磁回路中的磁场变阻器来改变励磁电流，可以方便地在额定转速以上进行平滑的恒功率调速；通过改变电枢端电压，则可在额定转速以下进行恒转矩调速。再者，其起动转矩可通过在电枢回路串联起动电阻来控制，起动过程平稳可控。最后，由于其结构相对独立，控制和保护电路的设计也更为明晰。

       

六、 潜在缺点与运行注意事项

       当然，并励绕组也非完美无缺，了解其局限性是安全应用的前提。最主要的缺点在于起动转矩相对有限。因为起动瞬间反电动势为零，巨大的起动电流全由电枢回路电阻限制，为避免烧毁电机，必须外接起动电阻，这限制了初始转矩。此外，如果励磁回路在运行中突然断开，将导致极为严重的后果：励磁电流骤降为零，主磁通锐减至只剩微弱的剩磁，反电动势随之急剧减小。为了平衡电源电压，电枢转速将疯狂上升，远超设计值，造成“飞车”事故，可能导致电机机械结构损坏甚至人身危险。因此，并励电机的励磁回路必须可靠连接，并常设有失磁保护装置。

       

七、 典型应用场景举例

       并励绕组的特性决定了它的用武之地。在工业领域，它广泛驱动着各类对转速稳定性有要求的机械，例如车床、铣床、钻床等金属加工机床，以及离心泵、鼓风机等。在发电领域，并励绕组也常用于直流发电机中，此时它利用电枢输出的部分电能为自己提供励磁，即自励过程，结构简单且电压建立方便。此外，在一些需要宽范围平滑调速的 historical 传动系统中，如大型轧钢机的辅助传动，并励直流电机也曾是主流选择。尽管交流变频技术如今日益普及，但在许多特定场合和现有设备改造中，并励直流电机因其控制简单、性能可靠依然不可或缺。

       

八、 励磁绕组的制造与材料工艺

       一个高性能的并励绕组离不开精良的制造工艺。绕组通常采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制，导线截面积根据设计的励磁电流和电阻值精确计算确定。绕制过程需确保匝间紧密、排列整齐，并经过严格的浸渍绝缘处理，常用的绝缘漆包括环氧树脂或无溶剂漆，以增强绕组的整体性、导热性和防潮能力。磁极铁芯一般由硅钢片叠压而成，以减小涡流损耗。绕组装入磁极后，还需进行耐压试验和电阻测量，确保其绝缘性能和直流电阻符合设计要求。这些工艺细节直接关系到绕组的可靠性、效率和使用寿命。

       

九、 磁场调节与速度控制方法

       调速功能是并励电机的核心优势之一，其实现主要基于两种原理。一是调磁调速，即在励磁回路中串联一个可变电阻。增大该电阻会减小励磁电流，削弱主磁场。根据电机的基本转速公式，反电动势不变时，磁场减弱将导致转速升高。这种方法能在额定转速以上实现平滑、节能的升速调节，属于恒功率调速。二是调压调速，即直接改变施加在电枢两端的电源电压。降低电压可以直接降低转速，同时保持磁场恒定，从而在额定转速以下实现恒转矩调速。现代控制中，这两种方法常与闭环反馈系统结合，通过测速发电机或编码器反馈转速信号，实现精确、稳定的速度控制。

       

十、 运行中的维护与故障诊断

       确保并励电机长期稳定运行，离不开日常维护与精准诊断。定期维护主要包括检查电刷与换向器的磨损情况、清洁积碳、检查励磁绕组和电枢绕组的绝缘电阻（通常使用兆欧表测量，其对地绝缘电阻不应低于1兆欧）、紧固所有电气连接点。常见故障中，转速异常升高首先要检查励磁回路是否断路或接触不良；转速无法建立或过低，则需检查电源电压、励磁电流是否正常，电枢回路是否有短路或接地故障。绕组过热可能是过载、通风不良或匝间短路所致。通过系统性的检查和测量，如电阻法、电压降法或更精密的绝缘测试，可以快速定位并排除故障。

       

十一、 在现代电力传动中的角色演变

       随着电力电子技术和交流变频控制的迅猛发展，纯直流传动系统在新兴领域的主导地位已被交流系统取代。然而，这并不意味着并励绕组已成为历史陈迹。相反，它在特定场合焕发着新的生机。例如，在一些需要极高动态性能和调速精度的特殊工业场合，直流电机仍有其优势。此外，大量现存的老旧设备仍在使用并励直流电机，对其维护、改造和升级的需求持续存在。更重要的是，理解并励绕组的原理，是学习更复杂的电机控制理论（如永磁电机、各种励磁方式的同步电机）的绝佳基础。其蕴含的“电压平衡”、“磁场与电枢解耦控制”思想，在更广阔的电机学领域依然熠熠生辉。

       

十二、 设计选型时的关键参数考量

       若需为一项应用选择或设计一台并励直流电机，必须权衡多个关键参数。额定电压和额定功率是基本输入。额定转速和调速范围决定了是采用调压、调磁还是两者结合的控制方案。励磁电压和额定励磁电流决定了励磁绕组的导线规格和热负荷。电枢电阻和励磁电阻直接影响起动和运行性能。转动惯量关系到系统的动态响应速度。此外，还需考虑电机的防护等级、绝缘等级、冷却方式以及安装结构。一个优秀的设计，是在满足性能指标、可靠性要求和成本约束之间的最佳平衡。忽略任何一个细节，都可能导致电机在实际运行中无法发挥预期效能。

       

十三、 与电子电力技术的结合应用

       现代并励直流电机的性能提升，极大程度上得益于电力电子技术的加持。传统的发电机-电动机组或旋转变流机组早已被静止的晶闸管相控整流器或直流脉宽调制（PWM）调速装置所取代。这些固态控制器能够提供更高效、更精准、响应更快的直流电源，实现对电枢电压和励磁电流的数字化控制。例如，采用速度、电流双闭环控制的PWM直流调速系统，不仅能实现宽范围无级调速，还能提供优异的抗负载扰动能力和快速的动态响应。这使得传统并励电机的潜力被进一步挖掘，在自动化生产线、精密张力控制等场合仍能胜任高要求的工作。

       

十四、 能量回馈与制动方式

       并励直流电机的制动和能量管理是其应用中的重要环节。常见的电气制动方式有能耗制动、反接制动和回馈制动。能耗制动时将电枢从电源断开并接至一个制动电阻，电机的动能转化为电阻的热能消耗掉。反接制动则是将电枢电压极性反接，产生强烈的制动转矩，但需注意及时断电防止反转。最经济的是回馈制动，当电机因外力驱动转速高于理想空载转速时，其反电动势将高于电源电压，电机自动进入发电机状态，将机械能转化为电能回馈给电网或电源。实现回馈制动通常需要可逆变的四象限变流器。合理选择制动方式，关乎系统效率与安全。

       

十五、 历史发展脉络与技术传承

       追溯并励绕组的历史，就是回顾直流电机发展史的一个缩影。自19世纪直流电机实用化以来，如何高效、可控地产生磁场一直是核心课题。并励方式因其简单的结构和相对稳定的性能，很快成为主流设计之一。早期的励磁电源是独立的直流发电机，随着电网的发展和整流技术的进步，才逐渐演变为从交流电网经整流后供电。整个20世纪，围绕并励电机的设计理论、制造工艺和控制策略不断完善，形成了经典电机学的支柱知识。尽管当今的焦点转向了交流电机和永磁电机，但并励电机所确立的基本原理、分析方法和控制概念，如同基石一般，支撑着整个电力传动技术大厦，其技术遗产深刻而持久。

       

十六、 未来展望与适应性思考

       展望未来，纯粹的电磁式并励直流电机在大规模标准化应用中的市场份额可能会继续缓慢萎缩。但其技术灵魂并未消亡。一方面，在需要大功率直流励磁的特定领域，如同步发电机的励磁机、某些大型工业过程的专用驱动，它仍有其不可替代的价值。另一方面，其“他励”的思想——即励磁与电枢独立控制——在永磁同步电机、电励磁同步电机乃至一些先进的双馈异步电机的控制策略中得到了延续和升华。学习并励绕组，不仅是掌握一种具体的电机类型，更是理解“磁场与转矩解耦控制”这一电机控制核心思想的经典范例。它提醒我们，在追逐新技术的同时，深刻理解经典原理是进行创新和解决复杂工程问题的根本。

       

       综上所述，并励绕组远非一个简单的电路连接名词。它是一个集电磁原理、电路理论、机械特性与控制技术于一体的综合性概念。从它平稳的机械特性中，我们看到了工业设备对恒速运行的追求；从它简洁的并联结构中，我们领悟了独立控制带来的便利与风险；从它与现代电力电子的结合中，我们见证了经典技术与时俱进的活力。理解什么叫并励绕组，就是打开了一扇通往直流电机世界乃至更广阔电力传动领域的大门，其内涵之丰富，值得每一位相关领域的学习者和从业者深入探究。