串励直流电机：无负载运转为何会失控加速

在电子技术领域，电机是一个至关重要且复杂的主题。电机的设计方式丰富多样，其特性取决于结构设计的选择。串励直流电机（DC series motor）虽然具备一些相当理想的特性，但若忽略采用适当的安全措施，在使用过程中可能会造成相当危险的后果。

电机设计的变化极为丰富，远超过本文探讨的范畴。本篇文章的重点聚焦于串励直流电机的部分特性。为了便于理解，图 1 展示了三种基本的电机设计。

图 1：三种基本的 DC 电机类型，本文将聚焦于 DC 串励电机

前两种类型读者可自行深入研究，本文将专注于图中以绿色标示的 DC 串励电机，并从其基本结构开始探讨。

DC串励电机的结构

DC 串励电机的运转需要磁场，此磁场是由绕在钢结构 —— 称为 “磁极”（pole）上的通电线圈所产生的。磁极的数量会随设计而不同。为了简化说明，图 2 展示了三种磁极设计范例：双极、四极与六极。图中可见北极（N）与南极（S）的磁场极性交替排列。

电枢（armature）的配置如图 2 所示，包含四条并联导体路径。这些导体彼此绝缘，但在端点处相互连接。在本范例中，共有 24 条电枢导体，排列成六组，每组四条，亦可视为四条并联路径。

图 2：DC 串励电机的结构，显示双极、四极与六极磁场配置，并交替呈现 N 与 S 极性

惯例上，字母 “Z” 代表电枢导体的总数（此处为 24），字母 “A” 则代表每一路径中的并联导体数量（此处为 4）。需要特别注意的是，“Z” 并非阻抗（impedance）的符号，“A” 也不代表面积（area）。

接着，如图 3 所示，我们来看一下此结构的等效电路。励磁线圈绕在每个磁极上，并且以串联方式连接，形成励磁线圈绕组。电枢导体组同样以串联方式连接，其回路通过电枢中央部分，而中央部分的导体移动速度最慢。相对地，电枢导体最外侧区段在穿越磁场线时移动最快。由于这些外侧区域彼此串联，其所产生的电压会累加，最终形成所谓的 “反电动势”（back electromotive force，back EMF）。

图 3：DC 串励电机的等效电路，显示电枢导体最外层串联部分在磁场中运动时产生反电动势

励磁线圈与电枢中流过的电流相同，因为电流没有其他通路。由此可知，DC 串励电机的输出扭矩与电流的平方成正比。若励磁线圈与电枢皆使用截面积较大、电阻极低的导体，即可允许极大的电流流过，进而产生极高的扭矩。这类电机多用于需要大扭矩的应用，例如发动机启动电机、重载低速运行的起重机、通勤铁路车辆等。

DC 串励电机产生反电动势的控制方程式如图 4 所示。

图 4：反电动势的控制方程式，其中反电动势等于总磁通量乘以转速，再乘以串联电枢组的数量

总磁通量等于单极磁通量乘以磁极数。反电动势则等于总磁通量乘以转速，再乘以串联电枢组的数量。在本例中，由于为六磁极结构，因此串联电枢组的数量为六。

必须连接负载

此处必须强调 DC 串励电机的一项关键点：出于安全考虑，DC 串励电机绝不可在无机械负载的情况下运转。相对而言，DC 并励电机（DC shunt motor）或复励电机（DC compound motor）在无负载下仍能安全运转（相关细节另文再述），但 DC 串励电机则完全不允许如此操作。

当 DC 串励电机运转时，如图 4 所示，电枢会产生反电动势。此反电动势与输入电压相抗衡，并共同决定磁场与电枢的电流，如图 3 所示。

然而，若电机在无机械负载下运转，电枢会持续加速，转速不断上升。由于电流始终存在，扭矩也随之存在，因此会产生角加速度。当没有负载吸收能量时，电枢的旋转能量无处释放，便会不断累积，导致加速持续进行。

随着转速增加，反电动势（EMF）上升，进而降低电流，减少磁通量与扭矩。但磁通量与扭矩并不会降为零，电枢仍会继续加速。转速持续提升，又会进一步增加反电动势，再次减少电流与磁场，如此循环往复，最终导致电机失控。在无负载状态下，电枢转速没有上限，DC 串励电机最终将因自我加速而毁坏。

一个故事

基于上述原因，强烈建议 DC 串励电机的机械负载必须通过齿轮机构与电机连接，绝不可仅依靠皮带传动，因为皮带有可能断裂。一旦皮带断裂，电机失去负载，便会如前述一般陷入失控加速。

这一点是我的老师 Sigfried Meyers 博士在我就读纽约布鲁克林技术高中（Brooklyn Technical High School）时所提醒的。在学校的电机实验室里，Meyers 博士曾提及，有一次因缺乏师长监督，几名学生偷偷溜进实验室，将一颗实验用电机接成串励电机模式，却未加任何机械负载。当他们接上电源时，电机果然如 Meyers 博士所警告的一样，立即失控，最终被彻底毁坏。这个真实的案例也为我们敲响了警钟，在使用 DC 串励电机时，一定要重视负载的连接，确保电机的安全运行。