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电气自动化专业英语第六,七,八章翻译第六章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email（qiulk@yeah.net）进行讨论和交流。?6.1?直流电动机的类型?市场上可购买到的电动机基本上分为四种类型：①永磁直流电机；②串励直流电机；③并励直流电机；④复励直流电机。因其电路布局和物理性质，使得每一种电机具有不同的特点。?6.1.1?永磁直流电机?永磁直流电机，如图6.1所示，其结构与相对应的直流发电机的结构相同。永磁直流电机用于低力矩的应用场合。当使用此种电机时，通过电刷-换向器装置，直接将电源连接到电枢导体上。磁场由安装在定子上的永磁体产生，永磁直流电机的转子是一个绕线式电枢。?该类型电机通常采用铝镍钴合金或陶瓷永磁体，而不是励磁线圈。铝镍钴合金永磁体用于大马力的应用场合。陶瓷永磁体通常用于小马力低转速的电机。陶瓷永磁体具有较高的抗去磁能力，但磁通水平相对较低。这些磁体通常安装在电机的机壳上，并在电枢绕组插入之前进行磁化。?永磁直流电机与传统的直流电机相比有几个优点，一个优点是降低了运行成本；永磁电机的速度特性与并励直流电机的速度特性相似；永磁电机的旋转方向可以通过调换两根电源线而实现反转。?6.1.2?串励直流电机?直流电机电枢和励磁电路的接线方式决定了电机的基本特性。每一种类型的直流电机具有与之对应类型的直流发电机相似的结构，在多数情况下，唯一的区别在于发电机是作为一个电压源，而电动机是一个机械能转换装置。?串励直流电机，如图6.2所示，其电枢和励磁电路以串联的方式连接起来。只有一条从直流电压源的电流通路。因而，励磁线圈由大线径导线、以相对少的匝数绕制而成的，使得励磁绕组的电阻较小。施加到电机轴上电机负载的变化导致流经励磁线圈的电流发生变化。如果机械负载增加，则电流也增大。增大的电流产生一个更强的磁场。串励电机的转速在空载下的很快与重载下的很慢之间变化。由于大电流流过励磁线圈，所以串励电机可产生大力矩输出。串励电机多用于重载和速度调节要求低的场合。一个典型的应用是汽车启动电机。?6.1.3?并励直流电机?并励直流电机比其它类型的直流电机应用更广。如图6.3所示，并励电机的励磁线圈与电枢以并联的形式连接到直流电源。这种类型直流电机的励磁线圈由细径导线绕制多圈而制成，具有相对较高的电阻。由于励磁绕组是并励电机的高阻并联电路，所以，流经励磁绕组的电流较小。但是，由于磁场绕组的匝数很多，所以，仍然产生一个强大的电磁场。?绝大多数（约95%）的并励电机电流是流过电枢电路的（意味着只有约5%的电流流过励磁电路，也就是说该电流的大小变化不是很大，对磁场强度的影响就会很小）。因为励磁电流对磁场强度影响很小，所以电机转速受负载电流变化的影响很小。流过并励电机的电流关系如下所示：IL=Ia+If其中，IL-是从电源流出的总电流；Ia是电枢电流；If是励磁电流。励磁电流可以通过在励磁绕组电路上串联一个可变电阻而改变，因为励磁电流很小，所以采用一个低功率的变阻箱，通过励磁电阻的改变以改变电机的转速。当励磁电阻增大时，励磁电流减小。励磁电流减小，导致电磁场强度的下降。当磁场磁通下降是，电枢会转得更快一些，归因于磁场交互作用的减弱。这样，通过应用励磁变阻箱的方法，直流并励电机的转速可以很容易地发生变化。并励绕线式直流电机具有非常好的速度调节特性。当负载增加时，电机转速有轻微的下降，其原因是电枢两端电压降增加。正是因为其良好的速度调节特性和易于速度控制的特点，直流并励电机通常应用于工业应用，许多类型的变速机床均由直流并励电机所驱动。6.1.4复励绕线式直流电机复励绕线式直流电机如图6.4所示，拥有两组励磁绕组，一个与电枢串联，另一个与电枢并联。此种电机结合了串励电机和并励电机的优点。复励电机的连接方式有两种：积复励和差复励。积复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相增强的，而差复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相减弱的。串联励磁线圈的放置位置有两种方式，一种方式称之为短并励（如图6.4所示），在这种方式中，并励励磁线圈直接跨接在电枢绕组两端；而在长并励方式中，并励励磁线圈跨接在电枢绕组和串联励磁线圈的两端（如图6.4所示）。复励电机具有与串励电机相似的大力矩特点，同时也具有与并励电机相似的良好的速度调节特性的特点。因此，当需要大力矩和良好速度调节特性时，可以选用复励直流电机。复励直流电机的缺点是它的成本较高。6.2直流电机分析一个直流电机是一个功率流向相反的直流发电机。在直流电机中，电能被转化成机械能。基于前面的讨论，有三种类型的直流电机：并励、积复励和串励。积复励电机前面加了一个“积”字，用以强调所串联的励磁线圈的方式确保串励磁通是增强并励磁通的。不象串励发电机那样，串励电机有着广泛地用途，尤其是在牵引类负载。因此本书后续部分给予此种电机应有的关注。（也可以翻译成：“因此，本书后续部分给予此种电机相当的笔墨。”）根据其等效电路、一组性能方程、一个功率流向图和磁化曲线，三种之中的任何一种直流电机的运行性能均可方便的加以描述。等效电路如图6.5所示，值得注意的是：在这里，电枢感应电压被看作一个反电动势Ea。通过添加适当的约束，我们可以得到各种理想运行模式的等效电路。例如，对于串励电机，其恰当的等效电路是将图6.5所示等效电路中的Rf去掉。计算运行性能所需的一组方程如下所示：（式：6.1-6.4，省略）注意最后的两个方程做了相应的修改，对以下事实做出解释：对于电动机来说，Ut是施加电压或电源电压，必须等于电压降之和；同样地，线电流等于电枢电流和励磁电流之和，而不是二者之差。功率流向图如图6.6所示，来自于电网的电能UtIL提供了用于建立磁通的磁场能量和维持电流Ia的电枢电路铜损。流过位于磁场内的电枢导体的电流导致了力矩的产生（F=BIL）。根据能量守恒定律可知：电磁功率EaIa应等于TWm，其中Wm是稳态运行速度。从电机所产生的机械功率中去除旋转损失就是（系统的）机械输出功率。直流电机经常被用来做一些工业上非常苛刻的工作，因为其高度的灵活性和易于控制的特点。这些优点是其他电磁能量转换装置所能比拟的。直流电机具有一个宽泛的速度控制和力矩控制，以及突出的加速和减速特性。例如，通过接入一个合适的电枢电路电阻，在启动时，可以在不超过额定电流的情况下，得到额定转矩；还有，通过对并励励磁线圈的特殊设计，可以轻松得到超过4:1的速度调节。如果辅助以电枢电压控制，速度调节范围可达6:1。在某些提供电枢和励磁电路直流能量的电子控制装置中，能达到的速度调节范围是40:1，不过，能够控制的电机的尺寸是有限的。6.3直流电动机的速度-力矩特性（机械特性）直流电机如何对施加到电机轴上负载做出反应？直流电机自适应地向负载提供所需能量的机理是什么？这些问题的答案可以通过对性能方程组的推导而得出。首先，我们的注意力放在并励直流电机上，但是，类似的推导思路可以应用到其它类型的直流电机上。为了我们的目标，两个相关的描述力矩和电流的方程，即：T=KT*Phi*Ia和XXX（6.5式省略）。注意最后一个表达式是由式6.1替代式6.3中的Ea所得到的。当空载时，唯一所需力矩用于克服旋转损失。因为并励电机运行在恒定的磁通下，式T=KT*Phi*Ia（6.2）表明：与额定值相比，只需要一个很小的电枢电流以提供那些（旋转）损失。式（6.5）揭示了电枢电流到达所需数值的方式。在这个表达式中，Ut、Ra、KE和Phi均为固定值，因此，转速n就是一个关键变量。对于某一瞬间，如果假设转速低于某一数值，那么式（6.5）的分子项呈现一个较大数值，反过来使得电流Ia为一个较大的值。从这一点上来说，电机做出反应来改正这一情形。大的电枢电流Ia产生一个超过摩擦力和风阻的力矩，该力矩将增加转速到一个与电枢电流平衡值相对应的水平上。换句话说，只有在转速到达这样的一个水平上--由公式（6.5）所产生的电枢电流足以克服旋转损失，加速力矩才变成零。接下来考虑这样一个情形：当一个需要额定力矩的负载突然施加到电机转轴上。很清楚，因为在这一瞬间，电机所产生的而力矩只能够克服摩擦力和风阻，而不足以克服负载力矩，所以，电机的第一个反应是失速（速度下降）。这样，正如式（6.5）所示的那样，电枢电流增大，反过来使得电磁力矩增大。事实上，施加力矩导致电机在某个转速下运转，此时电机的电流足以产生力矩以克服所施加的力矩和摩擦力矩。达到所谓的功率平衡，此时，达到一个平衡条件：电磁功率EaIa等于机械功率TWm。直流电机与三相感应电机的对比表明：从施加到转轴上的负载的响应来看，两者都是速度敏感型装置。然而，一个本质的区别在于对于三相感应电机来说，所产生的力矩与电枢电流的功率因数角大小成反比。当然，对于直流电机来说，没有类似的情形。基于上述讨论，很明显，直流电机的速度-力矩特性曲线是一个重要的性质。图6.7所示是用于并励、复励和串励电机的速度-力矩特性的一般形状。为了便于比较，这些曲线通过了一个共同的额定力矩和额定转速点。要理解为什么曲线的形状和相对位置会如图6.7所示，可以从式（6.1）中得到答案，其含有速度项。对于并励直流电机来说，速度方程可以记作：（6.6）式子中的变量只有转速n和电枢电流Ia。在额定输出力矩情况下，电枢电流为额定值，转速也为额定值。当负载去除后，电枢电流相应地变小，使得式（6.6）的分子项变大，其结果是导致较高的转速。转速增高的程度取决于电枢电阻压降与端电压相比有多大，通常约为5%-10%。因而，我们可以想象出并励电机的转速变化百分比大致为这一量级。速度变化用一个称为转速变化率的品质因数来表示，其定义如下：（6.7）当速度方程应用于积复励电机时，其形式为：（6.8）将其与并励电机的类似表达式比较可以得出两点不同：1）分子项中包含除电枢绕组之外的串励励磁绕组的电压降；2）分母项增加串励磁通量Phis。假设从额定力矩和转速处开始，从式（6.8）可以清楚地看出：当负载力矩减小为零时，分子项有一个增长，该增长大于并励电机情况下的增长，而且，与此同时，分母项有所减小，因为当转矩为零时，Phis也为零。两种因素同时作用使得转速有一个大的增长。因此，积复励电机的转速变化率大于并励电机的转速变化率。图6.7图示地描述了该信息。串励电机的速度-力矩特性情况有很大的不同，因为它没有并励的励磁绕组。牢记：在串励电机中，磁场磁通的建立完全来自电枢电流流过串励励磁线圈。那么，据此而论，串励电机的速度方程变为：（6.9）其中表示一个新的比例因子，使得可以由电枢电流Ia所代替。当额定力矩产生时，电枢电流为额定电流，因而，磁场磁通是足够的。然而，当负载力矩撤销时，电枢电流就小于额定值。现在，由于Ia出现在速度方程的分母项中，显而易见，转速会有较大的增长。事实上，如果将负载从电机轴上去除，将会导致危险的高速旋转（俗称“飞速”），因为电枢电流很小。在如此高速旋转下，离心力能够轻易地损坏电枢绕组，正是因为这个原因，串励电机绝对不允许空载运行（或很轻的负载运行）。（通常规定：串励电动机与生产机械相连时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，而应采用齿轮或直接联轴器来拖动）因为在串励电机中，电枢电流直接与气隙磁通相关联，关于输出力矩的式（6.2）可以修改并记作如下形式：（6.10）因此，对串励电机来说，输出力矩是电枢电流平方的函数，这表明与输出力矩与电枢电路成线性关系的并励电机是相反的（是非线性关系）。当然，复励电机则呈现一种介于两者之间的一种关系。值得注意的是：当串励电机做出反应以产生大的力矩时，转速也相应地下降了。正是这种能力，使得串励电机非常适用于牵引型负载。直流电机超越其他类型电机的另一引人注目的优点是相对容易地实现速度控制。各种各样的速度控制策略可以从式（6.6）中推导出来，重复列写如下，其中有一处修改：（6.11）修改之处在于包含了一个外加的电枢电路电阻Re。通过对式（6.11）的观察，发现：速度控制可以通过调节式子右侧的三个参数之一而实现，它们是：、和。最简单的方法是调节，采用如图6.5所示的励磁变阻箱，如果励