电机拖动基础 第二章 直流电机_直流电机电机
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第二章 直流电机(DC machine)
本章主要讨论
直流电机的基本结构和工作原理
直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及
改善换向方法
从应用角度分析直流电动机的工作特性和直流发电机的运行特性
2.1 直流电机的工作原理及结构
(basic operation principle and structure of DC machine)
一、直流电机的工作原理(basic operation principle)
1. 直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。
在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 把电刷A 、B 接到直流电源上，电刷A 接正极，电刷B 接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。如图1。
在磁场作用下，N 极性下导体ab 受力方向从右向左，S 极下导体cd 受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。
图1 图2
当电枢旋转到图2所示位置时, 原N 极性下导体ab 转到S 极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd 转到N 极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。
2. 直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； 原理：导体切割磁力线产生感应电动势，e=BLV； 原动机驱动电机转子逆时针旋转，如图3。
图3 图4
转过1800后如图4。导体ab 在S 极下，a 点低电位，b 点高电位；导体cd 在N 极下，c 点低电位，d 点高电位；电刷A 极性仍为正，电刷B 极性仍为负。 和电刷A 接触的导体总是位于N 极下，和电刷B 接触的导体总是位于S 极下。 电刷A 的极性总是正的，电刷B 的极性总是负的，在电刷 A、B 两端可获得直流电动势。
线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。
3. 直流电机的可逆性：
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。
二、直流电机的结构(basic structure)
1. 定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； 2. 转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴。 3. 气隙
**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场, 使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.
电枢绕组是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
直流电机的主要结构
定子主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
转子2.2直流电机的铭牌数据(type and rated values)
1. 型号： 机座号
第二次改型设计 直流
2. 额定值
①额定功率：额定条件下电机所能提供的功率。 发电机P N ：指电刷间输出的额定电功率；
电动机P N ：指轴上输出的机械功率。
②额定电压：U N ；在额定工况下，电机出线端的平均电压。 发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。
③额定电流：I N ；在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。 ④额定转速：n N ；在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。 ⑤额定值之间的关系：发电机：额定容量P N = UN IN ；
电动机：额定功率P N = UN I N ηN 。
⑥额定励磁电压：U F n ；
额定励磁电流：I f N ；对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。
励磁方式：指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
2.3 直流电机的绕组
(introduction of armature winding)
说明电枢绕组的绕法及基本概念。
电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。
电枢绕组须满足以下要求：
● 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和
绝缘材料，
● 并且要结构简单、运行可靠等。 一、简单绕组
1. 直流电枢绕组基本知识
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ 表示。τ=
πD 2p
也可用槽数表示，τ=
Z 2p
（槽），式中Z 为电枢总槽数。
元件节距y 1（第一节距）： 元件两条边的距离，以槽
数计，总是整数。 换向器节距y k ：通常用换
向片数K 来表示。 叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。
波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。
2. 举例 P25-26 图2-12 、图2-13
1) 原理图 2)展开图 3)元件连接顺序表
二、绕组的基本形式 1. 单叠绕组
元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上， yk =1，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。
单叠绕组的特点：
（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上。
（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与并联支路数相同。 （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”。 （4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于
并联支路电动势。
（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电
压。
（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。 2. 单波绕组
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所在边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。 单波绕组的特点：
1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数；
4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。 结论：
相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较
低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。
2.4直流电机的励磁方式及磁场(exciting methods and magnetic field) 一、直流电机的励磁方式(exciting methods) 1. 定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式； 2. 分类： 分为：他励式、并励式、串励式和复励式。
1）他励式：励磁电流由其他直流电源单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。 2）自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式： （1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：I =I a =I f （2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：U f =U a I =I a -I f 他励：励磁电流较稳定；
并励：励磁电流随电枢端电压而变；
串励：励磁电流随负载而变，由于励磁电流大，励磁绕组的匝数少而导线截面积较大；
复励：以并励绕组为主，以串励绕组为辅。
**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。 ► 他励：以电动机为例。自励：以发电机为例。
二、直流电机的空载磁场（magnetic field with no-load）
空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。
主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通Φ0。 漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁 心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感 应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通Φσ。
特点：
1）由同一个磁动势所产生
2）所走的路径不同，导致它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能。
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路 主磁通
磁力线由N 极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S 极，再经定子铁轭回到N 极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。
为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机
Φ0
气隙中需要有一定量的每极磁通Φ0 ，空载时， 气隙磁通Φ0与空载磁动势F f 0或空载励磁电
ΦN
流I f 0的关系，称为直流电机的空载磁化特性。 如右图所示。
为了经济、合理地利用材料，一般直流电 机额定运行时，额定磁通ΦN 设定在图中A 点， 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。
三、直流电机负载时的磁场及电枢反应（magnetic field with load and armature reaction ） 1. 概述
空载：气隙中磁场仅由主磁场的励磁磁动势产生（F f =Nf I f ） 负载：负载时的气隙磁场F f +电枢磁动势
fN f 0
N
电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。 2. 主磁场：以主磁极的轴线对称分布
Φσ：只增加磁路饱和作用
几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0； I
f
→F f →
Φ0
物理中性线：B=0处的直线位置
3. 电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。
电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 1) 使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几 何中性线重合。负载后由于电 枢反应的影响，每一个磁极下， 一半磁场被增强，一半被削弱， 物理中性线偏离几何中性线α 角，磁通密度的曲线与空载时 不同。
2) 对主磁场起去磁作用
磁路不饱和时，主磁场被削弱的 数量等于加强的数量，因此每极量的 磁通量与空载时相同。电机正常运行 于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分 因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁 阻增大，增加的磁通少些，因此负载
时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为去磁性质。
2.5 电枢电动势和电磁转矩
(electromotive force and electromagnetic torque)
一. 电枢电动势：
电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。
一个磁极极距范围内，平均磁密用B av 表示，极距为τ，电枢的轴向有效长度为l ，每极磁通为Ф，则B av =
Φ
τl
。
一根导体的平均电动势为：e av =B av lv 又因为：v =2p τ
n 60
，所以：e av =2p Φ
n
因为一条支路里的串联总导体数是，电枢电动势为：
E a ==
pN 60a
60N
。
2a
（N 为电枢总导体数，N =2SN y ），于
N 2a
e av =
N 2a
⨯2p Φ
n 60
pN 60a
Φn =C e Φn
式中，C e =
是一个常数，称为电动势常数。
二. 电磁转矩：
如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势类似。
1）先求一个导体的平均电磁力：f av =B av l ⋅i a ；
2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：T x =f av 3）电机总的电磁转矩则为：
T =B av l =
pN 2πa
D 2
；
I a 2a
N
D 2
=
Φl τ
⋅l
I a 2a
N
2p τ2π
pN 2πa
ΦI a =C T ΦI a
式中：C T =是一个常数，称为转矩常数，I a =2ai a 是电枢总电流。
电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。
C e ，C T
对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一
C T C e
=602π
=9.55
固定的关系：
或C T =9.55C e 。
三、直流电机的电磁功率：
P M =E a I a =C e ΦnI a ==pN 2πa
ΦI a Ω=T Ω
pN 60a
Φ60Ω2π
I a
直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较：
2.6 直流电机的运行原理
(operation principle of DC machine)
一、直流电机的基本方程(basic equation of DC machine) 1. 电动势平衡方程(electromotive force balance equation)
E a =U ±I a R a ±2∆U b
式中：R a ：电枢回路总电阻；
U =I f (r f +r Ω) =I f R f E a =C e Φn
2∆U b
：正、负电刷电压降，一般为0.6～2伏；
发电机：取“+”；电动机：取“-”； 忽略电刷压降，则E a
=U ±I a R a
**结论：发电机：E a >
U ；电动机：E a
a
I a
E I
I
发电机 电动机
2. 转矩平衡方程(torque balance equation)
T em =C T ΦI a
1. 发电机：T em =T 1-T 0 2. 电动机：T em =T 2+T 0
3. 直流电机的功率平衡方程(power balance equation) 1) 电动机 电能→机械能
电动机：
P em =P 1-p Cua -p Cuf -p b
P 2=P em -p 0=P 1-∑p
2) 发电机 机械能→电能
P1 (机)
发电机：P em =P 1-p 0
P =P em -p Cua -p Cuf -p b =P 1-∑p
2 电机效率：η=
P 2P 1
=1-
∑p
P +∑
2
p
∑
p =p cuf +p cua +p Fe +p m +p ad
二、直流电动机的工作特性(operation characteristics of DC motor) 直流电动机的基本方程
E a =C e Φn
U =E a +I a R a +2∆U b ≈E a +I a R a
E a
T em =C T ΦI a
T em =T 2+T 0
P em =P 1-p C ua =T em Ω=E a I a
P 2=P em -p 0=P em -(p m ec +p Fe +p ad )
定义：直流电动机的工作特性，是指在U=UN ，I f =I fN 时, 转速n 、电磁转矩
T em 和效率η随输出功率P 2 而变化的关系。
实际运行时, 电枢电流I a 可直接测量, I a 和P 2 成正比, 变化趋势大致相同。故可将工作特性表示为n 、T em 、η=f （I a ）。
直流电动机的工作特性因励磁方式不同, 差别很大。须分别讨论。 1. 他励（并励）直流电动机的工作特性 1) 转速特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，n =f (I a ) 由方程式可得
n =
U
N
C e C T Φ
忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化如图所示。
C e Φ
-
R a C e Φ
I a
n =
U C e Φ
-
R a
2
⋅T em =n 0-βT em
若忽略电枢反应，Φ=C ，则为一直线；
**说明：①n0为理想空载转速；②β大，机械特性硬；β小，机械特性软。 2) 转矩特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，T em =f (I a ) 转矩表达式T em =C T ΦN I a
考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。 3) 效率特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，η=f (I a ) 由方程式可得η=
P 1-∑P
P 1
=1-
P 0+R a I a U N I a
2
损耗分析:
结论:空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如上图所示。
2. 串励直流电动机的工作特性：
由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。其工作特性与他（并）励直流电动机的工作特性有所
不同。当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：Φ=k f I f =k f I a 。 n η
a 1
）转速特性：
n =
U N C e Φ
-
R a I a C e Φ
=
U N k f C e I a
-
R a +R f k f C e
2）转矩特性：T em =C T ΦI a =k f C T I a 2
当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大， 所以串励电动机不宜轻载或空载运行。
当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动
机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。
串励电动机有较大的起动转矩与过载能力。当生产机械过载时，电动机的转速自动下降，其输出功率变化不大，使电机不致因负载过重而损坏。当负载减轻时，转速又自动上升。因此，电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。
3. 复励直流电动机的工作特性： 复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。
因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。
1.并 2.积复 3.串
三、直流发电机的特性(characteristics of DC generator) 直流发电机的励磁方式:他励、并励、复励。
+
I =I a
G
U -
I
直流发电机的特性： （1）负载特性
当n=常数且I=常数时，U=f (If ) 的关系，其中当I=0时的特性U 0=f (If ) 称为发电机的空载特性。 （2）外特性
当n=常数且I f =常数或R f =常数时，U=f (I )的关系 （3）调节特性
当n=常数且U=常数时，I f =f (I ) 的关系。 （4）效率曲线 （一）空载运行
1.他励发电机的空载特性
空载时，U =E a 。由于 E a =C e Φn ，因此空载特性实质上就是E a =f (I f ) 。由于E a 正比于Φ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。 直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载特性与励磁方式无关。
2. 并励直流发电机的自励建压(build up voltage of shunt excitation DC generator)
并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路励磁电阻电压
U
f
=
i
f
R
f
U
U
1）自励条件：
①电机的磁路必须有剩磁；
②电机的转向及励磁绕组与电枢绕组的连接必须正确，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。
③电机的励磁磁路具有饱和特性；
④励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。 2） 励磁回路方程： 3）说明：① ②
R f >R Cr
E 0=U 0=i f R f +L f
U
f
di
f
dt „„磁化曲线；
=(i f )
=i f R f
„„„„„„„„励磁电阻电压；
U
f
（磁化曲线与的交点），无固定交点，空载电压
不能稳定在某一值上；
R f
时，E 0=固定值；
③转速低时，空载特性下降，R Cr ↓→要求在额定转速下自励建压。
（二）负载运行
运行特性(operation characteristics)
U (E ) =f (I f )
1）空载特性：当n =n N ，I =0时，00；„„磁化曲线 I =C 2）外特性：当n =n N ，f 时，U =f (I ) ；
1．直流发电机的外特性：外特性曲线。
电流增大时，端电压下降，其原因有两个：
⑴负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小；
⑵电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。
U0 U
1—他励发电机外特性；2—并励发电机外特性；
并励方式下，端电压下降的更快一些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一步影响励磁电流使之减小，导致电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。
**解释：为什么并励比他励发电机的外特性下降得多？
原因：一是电枢反应的去磁作用；二是电枢回路总电阻和电刷电阻引起的压降。 并励、复励、串励三种励磁方式下外特性的比较。
∆U =
U 0-U U
N
N
⨯100%
2. 电压变化率：
；他励：一般为（5～10）%„„恒压源
并励：一般为20%以上；
I =f (I )
3. 调整特性：当n =n N ，U =C 时，f ；
1—他励发电机调整特性；2—并励发电机调整特性；
2.7直流电机的换向(commutation)
一、换向过程(commutation process) 1. 换向定义：从+ia 到-i a 的过程； 2. 换向周期：T k ，几毫秒；
3. 换向原因：电磁、机械、电化学和电热 二、换向元件中的电动势(emf)
主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。
1. 电抗电动势e r
换向元件中，在电流变化时，出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。 从+ia 到-i a →
e r =-L
di dt
方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；
2. 电枢反应电动势e a
虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场，产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。由于电枢反应影响e a =BLv≠0
物理中性线偏移几何中性线B≠0„„由于电枢反应影响e=BLv≠0
方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。 三、改善换向的方法(methods) 1. 换向的不良后果：产生火花； 产生火花的电磁原因：
在换向元件中存在着两个方向相同的电动势e a +e r ，因此在换向元件中，会产
生附加的换向电流i K 。由i K 所建立的电磁能量ik 2L r 要释放出来。当这部分能量
2
1
足够大时，将以火花的形式从刷边放出。此外还有机械及电化学方面的原因。 火花使电刷及换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常运行。 火花等级：
2. 改善换向的方法
从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，就可以有效地改善换向。 ①装设换向磁极； ②增加换向回路的电阻；
③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。 ④补偿绕组
作业：2-1，2-6，2-15，2-16，2-17，2-18，2-19，2-21
本章主要讨论
直流电机的基本结构和工作原理
直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及
改善换向方法
从应用角度分析直流电动机的工作特性和直流发电机的运行特性
2.1 直流电机的工作原理及结构
(basic operation principle and structure of DC machine)
一、直流电机的工作原理(basic operation principle)
1. 直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。
原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。
在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。 把电刷A 、B 接到直流电源上，电刷A 接正极，电刷B 接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。如图1。
在磁场作用下，N 极性下导体ab 受力方向从右向左，S 极下导体cd 受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。
图1 图2
当电枢旋转到图2所示位置时, 原N 极性下导体ab 转到S 极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd 转到N 极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。
2. 直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； 原理：导体切割磁力线产生感应电动势，e=BLV； 原动机驱动电机转子逆时针旋转，如图3。
图3 图4
转过1800后如图4。导体ab 在S 极下，a 点低电位，b 点高电位；导体cd 在N 极下，c 点低电位，d 点高电位；电刷A 极性仍为正，电刷B 极性仍为负。 和电刷A 接触的导体总是位于N 极下，和电刷B 接触的导体总是位于S 极下。 电刷A 的极性总是正的，电刷B 的极性总是负的，在电刷 A、B 两端可获得直流电动势。
线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。
3. 直流电机的可逆性：
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。
二、直流电机的结构(basic structure)
1. 定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； 2. 转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴。 3. 气隙
**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。
主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场, 使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.
电枢绕组是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。
直流电机的主要结构
定子主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承
转子2.2直流电机的铭牌数据(type and rated values)
1. 型号： 机座号
第二次改型设计 直流
2. 额定值
①额定功率：额定条件下电机所能提供的功率。 发电机P N ：指电刷间输出的额定电功率；
电动机P N ：指轴上输出的机械功率。
②额定电压：U N ；在额定工况下，电机出线端的平均电压。 发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。
③额定电流：I N ；在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。 ④额定转速：n N ；在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速。 ⑤额定值之间的关系：发电机：额定容量P N = UN IN ；
电动机：额定功率P N = UN I N ηN 。
⑥额定励磁电压：U F n ；
额定励磁电流：I f N ；对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。
励磁方式：指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。
电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
2.3 直流电机的绕组
(introduction of armature winding)
说明电枢绕组的绕法及基本概念。
电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。
电枢绕组须满足以下要求：
● 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和
绝缘材料，
● 并且要结构简单、运行可靠等。 一、简单绕组
1. 直流电枢绕组基本知识
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。
元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ 表示。τ=
πD 2p
也可用槽数表示，τ=
Z 2p
（槽），式中Z 为电枢总槽数。
元件节距y 1（第一节距）： 元件两条边的距离，以槽
数计，总是整数。 换向器节距y k ：通常用换
向片数K 来表示。 叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。
波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。
2. 举例 P25-26 图2-12 、图2-13
1) 原理图 2)展开图 3)元件连接顺序表
二、绕组的基本形式 1. 单叠绕组
元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上， yk =1，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。
单叠绕组的特点：
（1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上。
（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与并联支路数相同。 （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”。 （4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于
并联支路电动势。
（5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电
压。
（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。 2. 单波绕组
两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所在边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。 单波绕组的特点：
1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关； 2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大； 3）电刷数等于磁极数；
4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。 结论：
相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较
低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。
2.4直流电机的励磁方式及磁场(exciting methods and magnetic field) 一、直流电机的励磁方式(exciting methods) 1. 定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式； 2. 分类： 分为：他励式、并励式、串励式和复励式。
1）他励式：励磁电流由其他直流电源单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。 2）自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式： （1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，满足：I =I a =I f （2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足：U f =U a I =I a -I f 他励：励磁电流较稳定；
并励：励磁电流随电枢端电压而变；
串励：励磁电流随负载而变，由于励磁电流大，励磁绕组的匝数少而导线截面积较大；
复励：以并励绕组为主，以串励绕组为辅。
**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。 ► 他励：以电动机为例。自励：以发电机为例。
二、直流电机的空载磁场（magnetic field with no-load）
空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。
主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通Φ0。 漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁 心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感 应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通Φσ。
特点：
1）由同一个磁动势所产生
2）所走的路径不同，导致它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能。
漏磁通
磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路
漏磁路 主磁通
磁力线由N 极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S 极，再经定子铁轭回到N 极
主磁路
直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。
为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机
Φ0
气隙中需要有一定量的每极磁通Φ0 ，空载时， 气隙磁通Φ0与空载磁动势F f 0或空载励磁电
ΦN
流I f 0的关系，称为直流电机的空载磁化特性。 如右图所示。
为了经济、合理地利用材料，一般直流电 机额定运行时，额定磁通ΦN 设定在图中A 点， 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。
三、直流电机负载时的磁场及电枢反应（magnetic field with load and armature reaction ） 1. 概述
空载：气隙中磁场仅由主磁场的励磁磁动势产生（F f =Nf I f ） 负载：负载时的气隙磁场F f +电枢磁动势
fN f 0
N
电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。 2. 主磁场：以主磁极的轴线对称分布
Φσ：只增加磁路饱和作用
几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0； I
f
→F f →
Φ0
物理中性线：B=0处的直线位置
3. 电枢反应：当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。
电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 1) 使气隙磁场发生畸变
空载时电机的物理中性线与几 何中性线重合。负载后由于电 枢反应的影响，每一个磁极下， 一半磁场被增强，一半被削弱， 物理中性线偏离几何中性线α 角，磁通密度的曲线与空载时 不同。
2) 对主磁场起去磁作用
磁路不饱和时，主磁场被削弱的 数量等于加强的数量，因此每极量的 磁通量与空载时相同。电机正常运行 于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分 因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁 阻增大，增加的磁通少些，因此负载
时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为去磁性质。
2.5 电枢电动势和电磁转矩
(electromotive force and electromagnetic torque)
一. 电枢电动势：
电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。
一个磁极极距范围内，平均磁密用B av 表示，极距为τ，电枢的轴向有效长度为l ，每极磁通为Ф，则B av =
Φ
τl
。
一根导体的平均电动势为：e av =B av lv 又因为：v =2p τ
n 60
，所以：e av =2p Φ
n
因为一条支路里的串联总导体数是，电枢电动势为：
E a ==
pN 60a
60N
。
2a
（N 为电枢总导体数，N =2SN y ），于
N 2a
e av =
N 2a
⨯2p Φ
n 60
pN 60a
Φn =C e Φn
式中，C e =
是一个常数，称为电动势常数。
二. 电磁转矩：
如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势类似。
1）先求一个导体的平均电磁力：f av =B av l ⋅i a ；
2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：T x =f av 3）电机总的电磁转矩则为：
T =B av l =
pN 2πa
D 2
；
I a 2a
N
D 2
=
Φl τ
⋅l
I a 2a
N
2p τ2π
pN 2πa
ΦI a =C T ΦI a
式中：C T =是一个常数，称为转矩常数，I a =2ai a 是电枢总电流。
电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。
C e ，C T
对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一
C T C e
=602π
=9.55
固定的关系：
或C T =9.55C e 。
三、直流电机的电磁功率：
P M =E a I a =C e ΦnI a ==pN 2πa
ΦI a Ω=T Ω
pN 60a
Φ60Ω2π
I a
直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较：
2.6 直流电机的运行原理
(operation principle of DC machine)
一、直流电机的基本方程(basic equation of DC machine) 1. 电动势平衡方程(electromotive force balance equation)
E a =U ±I a R a ±2∆U b
式中：R a ：电枢回路总电阻；
U =I f (r f +r Ω) =I f R f E a =C e Φn
2∆U b
：正、负电刷电压降，一般为0.6～2伏；
发电机：取“+”；电动机：取“-”； 忽略电刷压降，则E a
=U ±I a R a
**结论：发电机：E a >
U ；电动机：E a
a
I a
E I
I
发电机 电动机
2. 转矩平衡方程(torque balance equation)
T em =C T ΦI a
1. 发电机：T em =T 1-T 0 2. 电动机：T em =T 2+T 0
3. 直流电机的功率平衡方程(power balance equation) 1) 电动机 电能→机械能
电动机：
P em =P 1-p Cua -p Cuf -p b
P 2=P em -p 0=P 1-∑p
2) 发电机 机械能→电能
P1 (机)
发电机：P em =P 1-p 0
P =P em -p Cua -p Cuf -p b =P 1-∑p
2 电机效率：η=
P 2P 1
=1-
∑p
P +∑
2
p
∑
p =p cuf +p cua +p Fe +p m +p ad
二、直流电动机的工作特性(operation characteristics of DC motor) 直流电动机的基本方程
E a =C e Φn
U =E a +I a R a +2∆U b ≈E a +I a R a
E a
T em =C T ΦI a
T em =T 2+T 0
P em =P 1-p C ua =T em Ω=E a I a
P 2=P em -p 0=P em -(p m ec +p Fe +p ad )
定义：直流电动机的工作特性，是指在U=UN ，I f =I fN 时, 转速n 、电磁转矩
T em 和效率η随输出功率P 2 而变化的关系。
实际运行时, 电枢电流I a 可直接测量, I a 和P 2 成正比, 变化趋势大致相同。故可将工作特性表示为n 、T em 、η=f （I a ）。
直流电动机的工作特性因励磁方式不同, 差别很大。须分别讨论。 1. 他励（并励）直流电动机的工作特性 1) 转速特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，n =f (I a ) 由方程式可得
n =
U
N
C e C T Φ
忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化如图所示。
C e Φ
-
R a C e Φ
I a
n =
U C e Φ
-
R a
2
⋅T em =n 0-βT em
若忽略电枢反应，Φ=C ，则为一直线；
**说明：①n0为理想空载转速；②β大，机械特性硬；β小，机械特性软。 2) 转矩特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，T em =f (I a ) 转矩表达式T em =C T ΦN I a
考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。 3) 效率特性
定义：当U =U N 、I f =I fN 时，η=f (I a ) 由方程式可得η=
P 1-∑P
P 1
=1-
P 0+R a I a U N I a
2
损耗分析:
结论:空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如上图所示。
2. 串励直流电动机的工作特性：
由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。其工作特性与他（并）励直流电动机的工作特性有所
不同。当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：Φ=k f I f =k f I a 。 n η
a 1
）转速特性：
n =
U N C e Φ
-
R a I a C e Φ
=
U N k f C e I a
-
R a +R f k f C e
2）转矩特性：T em =C T ΦI a =k f C T I a 2
当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大， 所以串励电动机不宜轻载或空载运行。
当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动
机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。
串励电动机有较大的起动转矩与过载能力。当生产机械过载时，电动机的转速自动下降，其输出功率变化不大，使电机不致因负载过重而损坏。当负载减轻时，转速又自动上升。因此，电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。
3. 复励直流电动机的工作特性： 复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。
因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。
1.并 2.积复 3.串
三、直流发电机的特性(characteristics of DC generator) 直流发电机的励磁方式:他励、并励、复励。
+
I =I a
G
U -
I
直流发电机的特性： （1）负载特性
当n=常数且I=常数时，U=f (If ) 的关系，其中当I=0时的特性U 0=f (If ) 称为发电机的空载特性。 （2）外特性
当n=常数且I f =常数或R f =常数时，U=f (I )的关系 （3）调节特性
当n=常数且U=常数时，I f =f (I ) 的关系。 （4）效率曲线 （一）空载运行
1.他励发电机的空载特性
空载时，U =E a 。由于 E a =C e Φn ，因此空载特性实质上就是E a =f (I f ) 。由于E a 正比于Φ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。 直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载特性与励磁方式无关。
2. 并励直流发电机的自励建压(build up voltage of shunt excitation DC generator)
并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路励磁电阻电压
U
f
=
i
f
R
f
U
U
1）自励条件：
①电机的磁路必须有剩磁；
②电机的转向及励磁绕组与电枢绕组的连接必须正确，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。
③电机的励磁磁路具有饱和特性；
④励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。 2） 励磁回路方程： 3）说明：① ②
R f >R Cr
E 0=U 0=i f R f +L f
U
f
di
f
dt „„磁化曲线；
=(i f )
=i f R f
„„„„„„„„励磁电阻电压；
U
f
（磁化曲线与的交点），无固定交点，空载电压
不能稳定在某一值上；
R f
时，E 0=固定值；
③转速低时，空载特性下降，R Cr ↓→要求在额定转速下自励建压。
（二）负载运行
运行特性(operation characteristics)
U (E ) =f (I f )
1）空载特性：当n =n N ，I =0时，00；„„磁化曲线 I =C 2）外特性：当n =n N ，f 时，U =f (I ) ；
1．直流发电机的外特性：外特性曲线。
电流增大时，端电压下降，其原因有两个：
⑴负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小；
⑵电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。
U0 U
1—他励发电机外特性；2—并励发电机外特性；
并励方式下，端电压下降的更快一些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一步影响励磁电流使之减小，导致电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。
**解释：为什么并励比他励发电机的外特性下降得多？
原因：一是电枢反应的去磁作用；二是电枢回路总电阻和电刷电阻引起的压降。 并励、复励、串励三种励磁方式下外特性的比较。
∆U =
U 0-U U
N
N
⨯100%
2. 电压变化率：
；他励：一般为（5～10）%„„恒压源
并励：一般为20%以上；
I =f (I )
3. 调整特性：当n =n N ，U =C 时，f ；
1—他励发电机调整特性；2—并励发电机调整特性；
2.7直流电机的换向(commutation)
一、换向过程(commutation process) 1. 换向定义：从+ia 到-i a 的过程； 2. 换向周期：T k ，几毫秒；
3. 换向原因：电磁、机械、电化学和电热 二、换向元件中的电动势(emf)
主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。
1. 电抗电动势e r
换向元件中，在电流变化时，出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。 从+ia 到-i a →
e r =-L
di dt
方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；
2. 电枢反应电动势e a
虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场，产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。由于电枢反应影响e a =BLv≠0
物理中性线偏移几何中性线B≠0„„由于电枢反应影响e=BLv≠0
方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。 三、改善换向的方法(methods) 1. 换向的不良后果：产生火花； 产生火花的电磁原因：
在换向元件中存在着两个方向相同的电动势e a +e r ，因此在换向元件中，会产
生附加的换向电流i K 。由i K 所建立的电磁能量ik 2L r 要释放出来。当这部分能量
2
1
足够大时，将以火花的形式从刷边放出。此外还有机械及电化学方面的原因。 火花使电刷及换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常运行。 火花等级：
2. 改善换向的方法
从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，就可以有效地改善换向。 ①装设换向磁极； ②增加换向回路的电阻；
③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。 ④补偿绕组
作业：2-1，2-6，2-15，2-16，2-17，2-18，2-19，2-21
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