What are the main components of a DC motor and how do they work together?

A DC motor consists of an armature (inner conductive coil) and a stator (outer magnet). Current flows from a DC source through the armature via a commutator and brushes. This creates an electromagnetic force that rotates the armature loop. The commutator periodically reverses current direction, preventing magnetic field alignment and maintaining continuous rotation in the same direction.

Why do DC motors use multiple armature windings instead of just one?

Multiple windings spaced around the armature minimize torque fluctuations during rotation. A single winding would create varying torque as the coil rotates through different angles relative to the magnetic field. Multiple windings ensure more consistent torque output and prevent the commutator from shorting out the power supply by maintaining continuous electromagnetic force.

How do the four basic DC motor configurations differ in their applications?

Separately excited motors use independent power supplies for field and armature, enabling flexible load control. Shunt motors connect field windings parallel to the armature, providing adjustable speed for machine tools and pumps. Series motors deliver high starting torque for trains and elevators. Compound motors combine shunt and series circuits for both high starting torque and speed regulation across varying loads.

What is residual magnetism and how is it measured in a DC motor?

Residual magnetism is the magnetic field retained by the armature when no coil excitation is applied. It is measured by running the DC machine as a generator without field excitation using a synchronous motor to rotate the armature. The terminal voltage equals the electromotive force (EMF) at a known rotational speed, allowing calculation of the residual magnetic field strength from this data.

How do speed and torque relate to motor design parameters in DC machines?

Speed is proportional to the electromotive force (EMF) developed by the motor, which depends on voltage applied. Torque is proportional to the current flowing through the armature. These relationships vary based on motor design, particularly whether the stator uses permanent magnets or conductor windings. Field winding design allows modification of speed and torque characteristics for specific applications.

What role do brushes and slip rings play in DC motor operation?

Brushes and slip rings transfer electrical energy from the stationary DC source to the rotating armature coil. As the rotor spins, slip rings mounted on the rotor contact stationary brushes, enabling current flow without twisting wires. This commutation process reverses current direction periodically, maintaining torque in the same rotational direction and enabling continuous motor operation.

What are practical applications of DC motors in modern technology?

DC motors power equipment ranging from small toys and rechargeable power tools to electric vehicles. In advanced applications like neurally controlled lower limb prosthetics, DC motors serve as actuators controlled by surface or transdermal sensors. They enable more natural and intuitive movement than rigid replacements, making them ideal for applications requiring precise, controllable mechanical actuation.

直流电机

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1. 直流测试

将低功率直流电源的电流限制为 0.8 A，将其端子连接至直流电机电枢。
记录电源的直流电压和电流读数。
估算每个绕组的电阻。
依次对其他绕组（并励磁场和串励磁场）重复上述步骤。
关闭并断开低功率直流电源。
将内置励磁变阻器调至最大电阻，并测量其阻值。
将外部串励磁场变阻器调至最大电阻，并测量其阻值。

2. 原动机设置与剩磁

本实验中的原动机是同步电机，其作为电动机运行，带动直流发电机的转子（电枢）旋转。

确保三相断路开关、同步电机开关和直流电机开关均处于关闭状态。
检查可变变压器（VARIAC）是否处于0%位置。
将可变变压器连接至三相电源插座，并按照图5所示连接实验装置。
检查“启动/运行”开关是否处于“启动”位置。
打开三相断路开关。
开启高压直流电源。
确保所有接线均已远离电源接线端子。
按下电源上的“V/I DIS”按钮以显示电压和电流工作点。调节电压旋钮至125 V。
1. 切勿按下启动按钮。
按下直流电源面板上的“启动”按钮。
缓慢增加可变变压器输出，直至V_AC1读数为120 V。
当同步电机达到稳态转速时，将“启动/运行”开关拨至“运行”位置。
使用频闪仪测量并记录转速，同时记录V_A。
关闭直流电源，并将可变变压器调回0%。
将“启动/运行”开关复位至“启动”位置。
关闭三相断路开关。

同步电机示意图，高压直流装置，可变变压器，测功机，机械联轴器。
图5：原动机设置的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 直流并励发电机特性表征

在直流发电机侧，将并励绕组与电枢绕组并联连接，如图6所示。
使用内置变阻器作为 R_Fsh(ext)，并使用万用表作为电流表测量 I_Fsh。
将“S₁”保持断开状态，以进行空载试验。
将“R_Fsh(ext)”调节至最大电阻值。
合上三相断开开关。
按下直流电源面板上的“启动”按钮。
缓慢增加VARIAC输出，直至 V_AC1 读数为120 V。
当同步电机达到稳态转速时，将“启动/运行”开关拨至“运行”位置。
使用其他部分所述的频闪灯技术测量轴转速。
记录此时直流发电机侧空载状态下的 V_A 值。
减小 R_Fsh(ext)，直到 V_A 处产生的电压约为150 V。
此后，将“R_Fsh(ext)” 以五个近似相等的步长逐步减小，直至达到最小电阻值。
1. 每一步均测量 V_A 和 I_Fsh。
将 R_Fsh(ext) 保持在最小值。
关闭直流电源。
将VARIAC输出降至0%。
将电流表从测量 I_Fsh 改为测量 I_A。
按前述步骤重新启动装置。
将 R_L 设为300 Ω，并闭合“S₁”，测量 V_A 和 I_A。
断开“S₁”，将 R_L 设为200 Ω，然后闭合“S₁”，测量 V_A 和 I_A。
断开“S₁”，将 R_L 设为100 Ω，然后闭合“S₁”，测量 V_A 和 I_A。
关闭直流电源，并将VARIAC输出设为0%。
保持同步发电机侧的连接不变。
断开直流发电机的连接。
将“启动/运行”开关复位至“启动”位置。
断开三相断开开关。

带可变变压器、高压直流电源和测功机耦合装置的同步电机示意图。
图6：并励直流发电机装置的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。

4. 直流串联发电机特性表征

在直流发电机侧，将串励绕组与电枢绕组串联连接，如图7所示。
1. 使用外部变阻器作为 R_Fse(ext)。
2. 使用内置变阻器作为 R_L，并将其调至最大电阻值。
3. 将“S₁”保持断开状态，以进行空载试验。
4. 将 R_Fse(ext) 保持在最大电阻值。
合上三相断路开关。
按下直流电源控制面板上的“启动”按钮。
缓慢增加VARIAC输出，直至 V_AC1 读数为120 V。
当同步电动机达到稳态转速后，将“启动/运行”开关拨至“运行”位置。
1. 在直流发电机侧测量此空载状态下的 V_A。
闭合“S₁”，并根据需要减小 R_Fse(ext)，使 V_A 出现非零读数。
调节 R_L，以接近相等的五个步长逐步减小，直至达到其50%设定值（即300 Ω），然后闭合“S₁”，测量转速、V_A 和 I_A。
1. 断开“S₁”，将 R_L 设为200 Ω，再闭合“S₁”，测量转速、V_A 和 I_A。
2. 断开“S₁”，将 R_L 设为100 Ω，再闭合“S₁”，测量转速、V_A 和 I_A。
关闭直流电源。
1. 将VARIAC输出调至0%。
2. 保持同步发电机侧的接线不变。
3. 断开直流发电机的连接线。
4. 将“启动/运行”开关复位至“启动”位置。
断开三相断路开关。
拆除所有导线和仪表。

带有可变自耦变压器和测功机设置的同步电机示意图，用于机电转换。
图7：串励直流发电机装置的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。

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来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。

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