第 7 章 直 流 电 动 机
7.1
打开直流电动机的端盖，不难看出直流电动机与交流电动机类似，它也是由定子和转子两大部分组成,直流电动机的转子也叫电枢。不过在直流电动机的转子一端装有换向器，这一点与交流电动机不同。图 7 - 2是直流电动机的结构示意图。
1,定子直流电动机的定子是指它的固定部分,包括机座,磁极和电刷等装置,如图 7 - 3所示。
2．
直流电动机的转子主要由转子铁芯,转子绕组和换向器组成,此外,还包括转轴和风扇等部分,如图 7 -4所示。
3,换向器换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体，
装在转子转轴的一端。 转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上。 换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。当转子转轴每旋转 180° 时，接在相应换向片上的直流电改变一次极性，相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电，保证了形成固定方向的电磁转矩。
换向器是直流电动机的标志性部件，它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。
7.2 直流电动机的工作原理
1．
直流电动机的转动过程是以电磁相互作用的基本规律为基础的。 如图 7 - 5所示，处在均匀磁场 B中的一段通有电流 I的导体 l将受到磁场力的作用。由安培定律可知，磁场作用力 F的大小为
F的方向由右手螺旋定则或左手定则确定。
如图 7 - 6所示，如果一段长度为 l的导体在均匀磁场 B中沿垂直于磁场的方向以速度 v匀速运动,导体中将产生感生电动势。
由电磁感应定律可知，感生电动势 e的大小为 e=lvB (7.2)
e的方向由右手定则确定。
B IlF? (7.1)
lF
I
图7 - 6
ev
为了分析方便,我们用如图 7 - 7（ a）所示的简化模型代替直流电动机。其中,N和 S代表定子绕组产生的一对固定磁极，
线圈 ab代表转子上的一个转子线圈,A,B为一对换向片,U是转子绕组的外加直流电源。
当接通电源 U时，直流电流将从 a边流入,b边流出，由安培定律可知线圈 a边和 b边将受到一对大小相等、方向相反的电磁力作用，其方向由左手定则确定，如图 7 - 7（ b） 所示。 由于这对电磁力不在一条直线上，因此它们将形成一个电磁转矩，
使电动机的转子沿逆时针方向加速旋转。当电磁转矩与阻力转矩平衡时，转子的转速才稳定下来。
由于换向片随转子一起转动，当线圈 a边旋转至 S磁极附近，
b边旋转至 N磁极附近时，转子线圈 ab中的直流电流将改变方向。
此时，电流从线圈 a边流出,b边流入，而电磁力和电磁转矩的方向不变，这就保证了转子的连续转动。可见，转子线圈 a,b
每旋转半圈，其中的直流电流就改变一次方向，相当于转子线圈接入的是交流电。这正是换向器产生的效果。
2,基本物理量
1） 磁转矩 M
直流电动机的转子之所以能转动是因为转子线圈受到电磁转矩的作用。 电磁转矩是主磁场与转子电流相互作用产生的转矩。 它是一个重要的物理量，反映了直流电动机的机械输出功率的大小和拖动负载的能力，一般用 M表示。下面我们通过物理概念来建立 M的定量计算公式。
电磁转矩 M是由所有转子线圈受到的电磁力共同产生的效果。 因 M与 F成正比，由式（ 7.1
B lIF?
式中,B是每个磁极之下的平均磁感应强度，它与每个磁极下的磁通量 Φ成正比,I是每根转子线圈中流过的电流，
与经电刷流入转子线圈的总电流成正比,l是转子线圈的有效长度，对于特定的电动机来说，它是一个常数。因此,我们可以得到计算电磁转矩 M大小的公式为 M=CMΦIa （ 7.3）
式中,CM是一个反映直流电动机电磁结构的常数，它与磁极对数，转子线圈的数目等有关，通常称为转矩常数。
当 Ia的单位用 A(安培 ),Φ的单位用 Wb(韦伯 )时,M的单位为
N·m(牛 ·米 )。
式（ 7.3）说明，当直流电动机转动时，电磁转矩的大小与磁通量 Φ,转子电流 Ia成正比，方向根据磁通量 Φ和转子线圈电流 Ia两者的方向按左手定则确定。
2） 感生电动势 E
由式（ 7.2）可知，转子绕组每根导线中的感生电动势的大小为 e=Bvl，其方向由右手定则确定。当转子逆时针旋转时，
感生电动势 e的方向如图 7 - 8所示,它与转子线圈中的电流方向相反，是反电动势。其中,v是运动导体的线速度,正比于转子的转速 n； B是每个磁极的平均磁感应强度，正比于每极的磁通量 Φ。由于直流电动机的转子绕组是由许多匝线圈按一定规律并联而成，因此转子绕组中产生的总感应电动势 E与每根导线中的感生电动势 e成正比。由此可以得到计算感生电动势的公式为 E=CEΦn （ 7.4
式中,CE是由电动机结构决定的常数，称为电动势常数。若 Φ
的单位用 Wb,n的单位用 r/min，则 E的单位为 V。式（ 7.4）表明转子绕组中感生电动势 E的大小与每个磁极的磁通量 Φ和转子的转速 n成正比。
N
S
I
a
I
b
M
3,基本关系式
1）
图 7.9是直流电动机转子绕圈的等效电路。其中,U是外加于转子绕圈的直流电源电压,Ra是转子绕组总的等效电阻,E
为转子转动时转子绕圈中产生的总的感应电动势，如前所述它是一个反电动势。根据基尔霍夫定律，转子绕组中总的电流、
电压关系应满足下面的方程：
U=E+IaRa （ 7.5
式（ 7.5）通常被称为转子的电压平衡方程。它说明了外加电源电压 U与转子的感应电动势 E和转子绕圈损耗电阻 Ra上的电压降 IaRa相平衡。
2）
如果直流电动机只受到电磁转矩 M的驱动，它将加速旋转。
但是，在稳定状态下直流电动机都保持一定的转速。这是因为电动机的转子除了受到电磁转矩 M的作用外，还受到负载转矩
ML、空气阻力和磨擦力等的阻力转矩 M0的作用。根据刚体力学理论，当电动机稳定运转时，转子上的驱动转矩应该和阻力
M=ML+M0=MC （ 7.6
式中,MC代表作用于转子的总阻力转矩。式（ 7.6）称为直流电动机的转矩平衡方程式，它说明直流电动机在稳定运行状态下，其电磁转矩总是和阻力转矩相平衡。如果负载转矩发生变化，其电磁转矩也将跟着改变。
3）
直流电动机在带动负载旋转的过程中将对负载做功，输出一定的机械功率 P2。电动机的输入功率为直流电源提供的电功率 P1。输入电功率 P1并不能完全转换为输出机械功率 P2。因为在定子和转子的电路和磁路中存在损耗，另外，空气阻力和磨擦力等的阻力转矩也要损失一定的功率。若用 ∑Ρ表示损耗功率。根据能量守恒定律，输入电功率 P1应该等于输出机械功率
P2和总的损耗功率 ∑Ρ
直流电动机的效率为 PPP 21
PP
P
P
P
21
2 1?
(7.7)
(7.8)
例 7.1 有一台直流电动机，额定功率 Pn=22kW，额定电压
Un=220 V，额定转速 nn=1500 r/min，额定效率 ηn=0.83。
（ 1） 计算该电动机转子的额定电流 Ian ；
（ 2） 若 CE=15.6，转子的总电阻 Ra=0.18Ω，计算额定情况下转子的感应电动势 E和每极的磁通量 Φ；
（ 3） 若 CM=148，计算该电动机的额定电磁转矩 Mn。
解 （ 1） 直流电动机的额定功率 Pn是指转轴上输出的机械功率，等于电动机的输入电功率 P1n乘以效率 ηn
an
n
n
n IU
PP
1故转子的额定电流为
A
U
P
U
PI
nn
n
n
n
an 5.1 2 02 2 083.0
1022 31?
（ 2） 根据式（ 7.4） E=CEΦn可得：
VRIUE
Wb
nC
E
aa
E
n
1 9 818.05.1 2 02 2 0
0 0 8 5.0
1 5 0 06.15
1 9 8
式中：
（ 3）根据式（ 7.3） M=CMΦIa有：
mNM n 6.1 5 15.1 2 00 0 8 5.01 4 8
7.3 直流电动机的机械特性
1．
设某直流电动机稳定运行,转速为 n，电磁转矩和阻力转矩相平衡,M=ML+M0=MC。
由于某些原因，当负载转矩 ML增大时，阻力转矩 MC增大，原来的转矩平衡关系被打破，暂时使 M＜ MC。因此，
电动机的转速 n将下降，由式（ 7.4） E=CEΦn可知,相应的感应电动势 E也将下降。其中 Φ是由定子绕组电流 If产生的主磁通，为固定值。 根据式（ 7.5） U=E+IaRa，转子电流将随着 E的减少迅速增大，因为电源电压 U和转子绕组的损耗电阻 Ra为定值，且 Ra很小。a
a R
EUI
由式（ 7.3） M=CMΦIa可知,M将迅速增大，使 M=MC。这时，
电动机将在比原来低的转速下稳定运行。显然，这是一个暂
ML↑→n↓→E↓→Ia↑→M↑ M=MC
2,机械特性下面以并励式直流电动机为例来定量分析直流电动机的转速 n随电磁转矩 M的变化关系，也就是所谓的机械特性。 并励式直流电动机的结构如图 7 - 10所示，励磁绕组与转子绕组并联之后接同一个直流电源 U。由转子的感生电动势式（ 7.4）式
E=CEΦn可知，
根据电压平衡关系式（ 7.5）可得 E=U-IaRa，代入式（ 7.9）有
EC
En (7.9)
a
E
a
EE
Aa I
C
R
C
U
C
RIUn
(7.10)
U
E
I
I
a
I
f
再由转矩公式式（ 7.3）可知,代入式（ 7.10）有式中 U,CE,CM,Φ和 Ra均为常数。
式（ 7.11）称为直流电动机的机械特性方程。它反映了直流电动机的转子转速 n随电磁转矩 M的变化关系。
令 则式 (7.11)
n=n0-bm (7.12)
Ma C
MI
MCC RC Un
ME
a
E
2
(7.11)
20,
ME
a
E CC
Rb
C
Un
若将式（ 7.11）或（ 7.12）绘制成曲线,就得到了所谓的机械特性曲线,如图 7.11所示。
0
n
0
n
M
例 7.2 一台并励直流电动机从铭牌上可知：额定功率
Pn=22kW，额定电压 Un=220V，额定转速 nn=960r/min，额定电流 In=122A，转子电阻 Ra=0.15Ω，定子电阻 Rf=110Ω。
(1) 作出该并励式直流电动机的机械特性曲线；
(2) 当负载减小，转速上升至 1000r/min时，求输入电功率
P1；
(3) 当负载转矩降低到 75%Mn时，求转速 n。
解 (1）
① 计算出 CMΦn
A
R
UIIII
f
n
nfna 1 2 01 1 0
2 2 01 2 2
根据公式 E=CEΦn可知：
② 理想空载情况：
③ 额定工作情况：
21.0
9 6 0
15.01 2 02 2 0
n
aan
n
n
nE n
RIU
n
EC
0
m i n/1 0 4 8
21.0
2 2 0
0
M
r
C
U
n
nE
n
mN
n
P
M
rn
n
n
n
n
2 1 9
9 6 0
22
9 5 5 09 5 5 0
m i n/9 6 0
④ 连接上述两点即可得到该直流电动机的机械特性曲线,
根据 Mn及额定状态下的转子电流 In，亦可计算出然后求出 b的数值，得到 n=n0-bM，亦可作出其机械特性曲线。
(2）计算 n=1000r/min时的输入电功率 P1。当 n=1000r/min时，
E=CEΦn=0.21× 1000=210V
n
n
M I
MC
WIUP
AIII
A
R
EU
I
n
fa
a
a
151147.68220
7.6827.66
7.66
15.0
210220
1
转子电流输入电流输入电功率由于负载转矩下降，使电动机的电磁转矩 M下降，转速 n上升,所以电源输入的电流 I也降低，相应的输入电功率 P1减少了。
(3） 计算转矩下降到 0.75 Mn时的转速 n
Mn=CMΦnIa
由于 CMΦ
M′=CMΦnI’a=0.75Mn=0.75CMΦnIa
I’a=0.75Ia=0.75× 120=90A
此时感应电动势为
E′=V-I’aRa=220-90× 0.15=206.5V
又根据 E=CEΦn
可见,电磁转矩 M下降,电动机的转速升高。
m i n/9 8 3
21.0
5.2 0 6'' r
nC
En
E
7.4 直流电动机的基本运行过程
1）
在直流电动机接通电源的瞬间，由于定子线圈先通电已建立起了主磁场，但转子还来不及转动，转速 n=0，转子中的反电动势 E=CEΦn=0。由电压平衡方程式可知，这时电驱电流很大。我们将这个电流称为启动电流，用 Iast表示。
aa
a s t R
U
R
EUI (7.13)
2） 启动方法
（ 1） 变阻器启动。
如图 7 - 12（ a）所示，在转子电路中串入一个专用的启动变阻器 Rst。启动时先将 Rst置于最大值，然后再接通转子电源，随着转速的增加再逐渐减小 Rst，待电动机转速稳定后，再完全切除 Rst，启动过程结束。
I
f
U
I
I
a
R
st
( a ) 变阻器启动专用直流电源
U
a
I
a
U
f
I
f
( b ) 降压启动
Rst的阻值可根据 来确定,
第一，在接通转子电源之前，应先接通定子电源，保证先有主磁通 Φ，否则将不能产生电磁转矩。而且为了在较小的启动电流下产生足够大的电磁转矩，主磁通 Φ应尽可能大一些。
如果定子电路中串有附加电阻 Rf，启动时应调至最小。
第二，启动变阻器一般采用小阻值、大电流的变阻器，
并按短时要求设计，不允许长时间接在电路中或用作调速电阻。
（ 2） 降压启动。如图 7 - 12（ b）所示，将专用可调直流电源接到转子电路中。启动时，调节电源电压，从零开始逐渐上升至额定值。 这种启动方法仅适用于他励式直流电动机。
n
sta
a s t IRR
UI )5.2~5.1(?
a
a s t
st RI
UR (7.14)
2,正,反转直流电动机的反转也有两种方法，如图 7 - 13所示。
N
S
F
F
n
U
( a )
＋ －
N
S
U
( b )
S
N
U
( c )
＋ －
F
F
n
＋－
F
F
n
图 7 - 13（ a） 是直流电动机正转时，转子电流 Ia、定子电流 If和主磁通 Φ的方向。 图 7-13（ b）、（ c）是直流电动机反转时，转子电流 Ia、定子电流 If和主磁通 Φ的方向。
如图 7 - 13（ b） 所示，将转子电源电压 U的极性对调，转子电流 Ia 的方向就改变了，这时电磁转矩 M的方向也跟着改变了，电动机从正转（顺时针方向旋转）变成了反转（逆时针方向旋转）。
如图 7 - 13（ c） 所示，将定子电源的极性对调，改变定子绕组电流 If的方向，从而改变主磁通 Φ的方向，使电磁转矩反向,电动机也从正转变成了反转。
两种实现直流电动机反转的方法中，一般采用改变转子电流方向的方法,而改变主磁通 Φ的方法较少采用。
3．调速要改变直流电动机的转速 n可以采用 3 种方法,即改变转子电阻 Ra的大小，改变转子电源电压 U的大小或改变主磁通 Φ的大小。
1）
如图 7 - 14（ a） 所示，在保持转子电源电压 U和主磁通 Φ不变的情况下，在转子电路中串联一个附加电阻 Rac，使转子电路的总电阻变成（ Ra+Rac）。这样直流电动机的机械特性曲线的斜率 将比原来增大了，而理想 空载转速不变,如图 7 - 14（ b）所示。 附加电阻 Rac越大，特性曲线的斜率就越大。当负载转矩不变时,MC=ML+M0不变，转子的转速 n将随之下降了。转速下降的具体过程如下所述。
2?
ME
aca
CC
RRb
EC
Un
0
( b ) 转子电路电阻改变时的机械特性
I
f
U
I
I
a
( a ) 改变转子电路的电阻调速
R
f
R
ac
E
0
n
0
n
M
M
C
n
1
n
2
n
3
R
ac
＝ 0
R
ac
′
R
ac
″
R
ac
″ ＞ R
ac
′ ＞ R
ac
假设直流电动机的负载转矩 ML不变（ MC不变），且直流电动机以转速 n1稳定运行。当加入或增大 Rac时，由于惯性电动机转速还来不及变化仍为 n1，相应的感生电动势
E=CEΦn也不变，这就导致了电驱电流 减少，
电磁转矩 M=CMΦIa下降，原来的转矩平衡被破坏，暂时出现
M＜ ML，电动机将减速运行,n下降。转速下降，相应地感生电动势 E也下降，转子电流 Ia重新增大，电磁转矩 M也重新上升，最终转矩又重新达到平衡，再次使 M=ML，这时电动机在较低的转速 n2下稳定运行。
aca
a RR
EVI
2） 改变转子电压调速如图 7 - 15（ a） 所示,在保持主磁通 Φ和转子电路电阻 Ra不变的情况下，调节转子电源电压 U可改变直流电动机的转速。
这种调速方法仅适用于他励式直流电动机。因为定子电路的直流电压 Uf不允许随之变化，这就要求定子、转子各使用不同的直流电源。
由机械特性方程可知：当转子电源电压 U改变时，理想空载转速 将随之变化，而特性曲线的斜率 b不变，如图
7 - 15（ b）所示。随着将 U的调低，机械特性曲线将向下平移。
如果负载转矩 ML不变（ MC不变），转速 n将随之下降 n1＞ n2＞ n3，
起到了调速的作用。
EC
Un
0
图7 - 1 5
( b ) 他励式电动机改变转子电压时的机械特性
0
n
01
n
M
M
C
n
1
n
2
n
3
U
U
I
f
( a ) 改变转子电压调速电压可控直流电源
U
f
n
02
n
03
U ′
U ″
＞ ＞U U ′ U ″
3）
如图 7 - 16（ a） 所示，改变主磁通的调速实际上是在保持电源电压 U和转子电阻 Ra不变的情况下，调节定子线圈中的串联电阻 Rf，从而改变定子电流 If（也就是主磁通 Φ）的大小进行调速。因为定子电路中串联一个附加电阻 Rfc将使 If
减小，主磁通 Φ减小。由机械特性方程可知：主磁通 Φ的减少将使理想空载转速 上升,曲线斜率 更显著地上升，相应的机械特性曲线上移，且倾斜程度增加。
如果负载转矩不变，转速 n将上升,如图 7 - 16（ b）所示。调速的具体过程如下所述。
EC
Un
0 2
ME
a
CC
Rb
图7 - 1 6
( b ) 改变主磁通时机械特性
I
f
U
( a ) 改变主磁通调速
R
fc
0
n
MM
C
n
1
n
2
n
3
R
fc
′
R
fc
＝ 0
R
fc
″
R
fc
″ ＞ R
fc
′
接入或增大 Rfc,If减小，主磁通 Φ减小，由于惯性转速 n
来不及变化,E=CEΦn将随 Φ的减小而减小，转子电流增加,因 Ra很小,Ia的增加比 Φ的变化所造成的影响更显著。而 Ia的增加将使电磁转矩 M增加，暂出现 M＞
MC，因此，电动机将加速运转，使 n上升,E回升,Ia下降，
M下降，最终使 M=MC，这时电动机在较高转速下稳定运行。
a
a R
EUI
例 7.3 某他励式直流电动机,Pn=22kW,Un=220V，
In=115A,nn=1500r/min,Ra=0.1Ω，忽略空载转矩，电动机带额定负载运行时，要求把转速降到 1000r/min，问：
（ 1）
（ 2）
（ 3） 上述两种调速情况下，电动机的输入功率与输出功解 （ 1）
6 0 4.01.0
1 1 5
1 0 0 01 3 9.02 2 0
1 3 9.0
1 5 0 0
1.01 1 52 2 0
a
n
nEn
ac
n
ann
E
R
I
nCU
R
n
RIU
nC
（ 2） 降低的电源电压值的计算：
（ 3）
① 转子串入电阻减速时的输入功率：
降低电源电压减速时的输入功率：
③ 电动机的输出转矩：
④ 电动机的输出功率
VRInCU annE 5.1 5 01.01 1 51 0 0 01 3 9.0
WIUP nn 2 5 3 0 01 1 52 2 01
WUIP n 308.171155.1501
mN
n
P
n
P
n
PPM
n
n
n
n
n
n
n
n 1.140
1 5 0 0
2 2 0 0 055.955.9
2
60
60
22
WnMMP 1 4 6 6 41 0 0 06021.1 4 0602222
4） 制动如图 7 - 17所示，将直流电动机的转子电源切除，并使转子电路与制动电阻 R2串联（图中开关 S接到右边）。由于惯性,
电动机将继续按原来的方向旋转，主磁通的方向不改变，转子中感生电动势 E=CEΦn 的方向也不改变。但是，由于没有外加电压，电驱电流的方向和电磁转矩的方向改变了。这时，
电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，电动机迅速减速至停转。
实际上，这一过程是转子的惯性转动拖动电动机发电，把生产机械和电动机贮存的机械能转化为电能再消耗在制动电阻 Rz和转子损耗电阻 Ra上，所以这种制动方法称为能耗制动。
U E
I
a
I
f
1
2
′
2
1
′
R
z
S
图7 - 1 7
能耗制动的电路简单，制动平稳、可靠，而且可以通过调节制动电阻 Rz的大小来改变制动时间的长短，应用广泛。在选择 Rz时，应注意将 Rz调至最小时，转子电流不得超过额定值的 2.5倍，否则有可能损坏电动机。
（ 2） 反接制动。
反接制动是指人为地改变转子电压极性（即反接），使转子电流反向的方法。这时，电磁转矩成为制动转矩，使电动机迅速减速至停止。
这种制动方法由于转子电压反接后，极性与反电动势相同，转子电流很大，因此必须串接较大的制动电阻。另外，电机停稳后应该及时切断电源,否则电动机会反转。总之，这种制动方法的制动效果好，但能量损耗大，容易出现反转。
7.5直流电动机的使用
1,直流电动机的种类
1） 他励式直流电动机如图 7 - 18（ a） 所示，建立主磁通的励磁绕组和转子绕组分别由两个直流电源供电，彼此之间无相互联系。这种电动机多用一个直流电源，因此设备较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。
( a ) 他励电动机
E
I
a
I
f
U
a
I
a
U
f
I
f
( b ) 串励电动机
U
I
a
I
f
E
U
I
E
( c ) 复励电动机
2）
如图 7 - 10所示,励磁绕组与转子绕组并联后由一个直流电源供电。直流电源提供的总电流等于励磁电流和转子电流之和，
即 I=If+Ia。一般 If很小，仅为 Ia的 1%~5%。这种直流电动机的特性与他励式直流电动机的基本相同，其励磁绕组匝数多、电阻大、损耗小，还可节省一个直流电源,因此得到广泛应用。
3）
如图 7 - 18（ b） 所示，励磁绕组与转子绕组串联后接直流电源，两绕组中的电流相等,If=Ia。这种直流电动机由于转子电流较大，励磁电流也较大，因此，励磁绕组的导线较粗、匝数较少，相应的电阻也较小。其特性与并励式直流电动机的不同。
另外，当负载变化时转子电流 Ia变化，励磁电流 If和主磁通 Φ也跟着变化。这种直流电动机一般用于电气机车和起重设备中。
4）
如图 7 - 18（ c） 所示，产生主磁通的主磁极上有两个励磁绕组,一个与转子绕组串联，另一个与转子绕组并联，
它们分别称为串励绕组和并励绕组。主磁通是由这两个绕组产生的磁通叠加而成的。如果两个绕组产生的磁通方向相同则称为和复励或积复励，主磁通将随着转子电流的增加而加强； 若两绕组产生的磁通方向相反则称为差复励，
主磁通将随着转子电流的增加而减小。这种电动机兼有并励式和串励式直流电动机的共同特点。
2,直流电动机的铭牌数据
1）
电机产品的系列是指在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面具有共同性，而且是成批生产的一系列电机。
电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音和阿拉伯数字表示。其中，拼音字母取自电机全名中有代表意义的汉字拼音的开头字母。例如 Z2-61的含义为：
Z2-61
一般用途防护式小型直流电机机座号第二次改型设计 铁芯长度符号
2）
额定数据是电机制造厂商对电机正常运行条件的规定，电机只有在额定条件下运行，才能工作可靠、性能优良。根据国家标准，直流电动机的主要额定数据有：
（ 1） 额定容量（额定功率），用 Pn表示，单位为瓦（ W）
或千瓦 (kW）；
（ 2） 额定电压，用 Un表示，单位为伏特（ V）；
（ 3） 额定电流，用 In表示，单位为安培（ A）；
（ 4） 额定转速，用 nn表示，单位为转 /每分（ r/min）；
（ 5） 额定励磁电压，用 Ufn表示，单位为伏特（ V
（ 6） 额定励磁电流，用 Ifn表示，单位为安培（ A）。
额定容量是指电机的额定输出功率。 对电动机来说，
它是转轴上输出的机械功率,等于额定电压,额定电流和额定效率的乘积,即 Pn=Un·In·ηn
习题与思考题 7
1,直流电动机是怎样将直流电能转换成机械能的？在转换
2,他励式直流电动机在下列条件下，转速、转子电流和感
（ 1） 励磁电流和负载转矩不变，转子电压降低；
（ 2） 转子电压和负载转矩不变，励磁电流减小；
（ 3） 转子电压、励磁电流和负载转矩不变，与转子串联
。
3,一直流电动机，电源电压 U=230V时，转子电流 Ia=60A，
转子绕组的电阻 Ra=0.1Ω。
（ 1） 计算此时转子绕组内的感应电动势 E；
（ 2） 若每个磁极之下的磁通量 Φ=0.08Wb,CE=2.5，计算这时的转速 n。
'aR
4,一直流电动机,转子电阻 Ra=0.25 Ω，励磁电阻
Rf=153Ω，转子电压和励磁电压均为 220 V，转子电流 Ia=60A，
转速 n=1000r/min。设电动机的效率 η=0.85，求：
（ 1） 励磁电流 If和励磁功率 Pf；
（ 2） 转子的感应电动势 E；
（ 3） 电动机输出的机械功率 P；
（ 4） 电磁转矩 M
5,一台并励式直流电动机，额定功率 Pn=13kW，额定转速 n=1500r/min,额定电压 Un=220V，额定转子电流 Ian=68.6
A，转子电阻 Ra=0.225Ω。
(1) 计算额定转矩 Mn ；
(2) 绘出机械特性曲线；
(3) 如果输出转矩 M=50N·m，计算这时的转速 n。
6,一台他励式直流电动机铭牌数据为,Pn=2.2kW，
Un=220V,In=12.6A,nn=1500 r/min。要求：
（ 1） 绘出固有的机械特性曲线；
（ 2） 求出 Ia=In/2时电动机的转速 n；
（ 3） 求出转速 n=1550r/min时的转子电流 Ia 。
7,Z2-61型并励式直流电动机额定数据 Pn=10kW，
Un=220V,In=53.8 A,nn=1500 r/min,Ra=0.3Ω，最大励磁功率 Pfm=260W，问：
（ 1） 若直接启动，启动电流会有多大；
（ 2） 若将启动电流 Iast限制为额定转子电流的 2倍，应加多大的启动电阻 Rast。
8,上题中，如果在转子电路中串入电阻 Rac=0.7Ω。 试求达到稳定运行状态时，电动机的转速 n
9,一并励式直流电动机，电源电压 U=440V,n=626 r/min，
Ia=50 A，转子电阻 Ra=0.28Ω。若磁场减弱,Φ下降了 5% 。
（ 1） 计算磁通变化的瞬间，转子电流和电磁转矩与原来转子电流，电磁转矩的比值，判断转速 n
（ 2）负载转矩不变，计算达到稳定状态后的 Ia数值；
（ 3） 计算达到稳态后的转速 n。
10,一台直流电动机的额定转速为 3000r/min，如果转子电压和励磁电流均为额定值,试问该电机是否允许在转速为 2500
r/min下长期运行？ 为什么？
11,并励式直流电动机在运行中，若励磁绕组断开，
12,有一台并励式直流电动机启动后发现转向不对，
问有哪些方法可以改变这台电动机的转向，若将电源极性
13,一台并励式直流电动机的转子电阻 Ra=0.12Ω，励磁电阻 Rf=41.8Ω，额定数据 Un=110V,In=61A,nn=1500
r/min。 试求负载转矩减半时直流电动机的转速变化。
7.1
打开直流电动机的端盖，不难看出直流电动机与交流电动机类似，它也是由定子和转子两大部分组成,直流电动机的转子也叫电枢。不过在直流电动机的转子一端装有换向器，这一点与交流电动机不同。图 7 - 2是直流电动机的结构示意图。
1,定子直流电动机的定子是指它的固定部分,包括机座,磁极和电刷等装置,如图 7 - 3所示。
2．
直流电动机的转子主要由转子铁芯,转子绕组和换向器组成,此外,还包括转轴和风扇等部分,如图 7 -4所示。
3,换向器换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体，
装在转子转轴的一端。 转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上。 换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。当转子转轴每旋转 180° 时，接在相应换向片上的直流电改变一次极性，相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电，保证了形成固定方向的电磁转矩。
换向器是直流电动机的标志性部件，它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。
7.2 直流电动机的工作原理
1．
直流电动机的转动过程是以电磁相互作用的基本规律为基础的。 如图 7 - 5所示，处在均匀磁场 B中的一段通有电流 I的导体 l将受到磁场力的作用。由安培定律可知，磁场作用力 F的大小为
F的方向由右手螺旋定则或左手定则确定。
如图 7 - 6所示，如果一段长度为 l的导体在均匀磁场 B中沿垂直于磁场的方向以速度 v匀速运动,导体中将产生感生电动势。
由电磁感应定律可知，感生电动势 e的大小为 e=lvB (7.2)
e的方向由右手定则确定。
B IlF? (7.1)
lF
I
图7 - 6
ev
为了分析方便,我们用如图 7 - 7（ a）所示的简化模型代替直流电动机。其中,N和 S代表定子绕组产生的一对固定磁极，
线圈 ab代表转子上的一个转子线圈,A,B为一对换向片,U是转子绕组的外加直流电源。
当接通电源 U时，直流电流将从 a边流入,b边流出，由安培定律可知线圈 a边和 b边将受到一对大小相等、方向相反的电磁力作用，其方向由左手定则确定，如图 7 - 7（ b） 所示。 由于这对电磁力不在一条直线上，因此它们将形成一个电磁转矩，
使电动机的转子沿逆时针方向加速旋转。当电磁转矩与阻力转矩平衡时，转子的转速才稳定下来。
由于换向片随转子一起转动，当线圈 a边旋转至 S磁极附近，
b边旋转至 N磁极附近时，转子线圈 ab中的直流电流将改变方向。
此时，电流从线圈 a边流出,b边流入，而电磁力和电磁转矩的方向不变，这就保证了转子的连续转动。可见，转子线圈 a,b
每旋转半圈，其中的直流电流就改变一次方向，相当于转子线圈接入的是交流电。这正是换向器产生的效果。
2,基本物理量
1） 磁转矩 M
直流电动机的转子之所以能转动是因为转子线圈受到电磁转矩的作用。 电磁转矩是主磁场与转子电流相互作用产生的转矩。 它是一个重要的物理量，反映了直流电动机的机械输出功率的大小和拖动负载的能力，一般用 M表示。下面我们通过物理概念来建立 M的定量计算公式。
电磁转矩 M是由所有转子线圈受到的电磁力共同产生的效果。 因 M与 F成正比，由式（ 7.1
B lIF?
式中,B是每个磁极之下的平均磁感应强度，它与每个磁极下的磁通量 Φ成正比,I是每根转子线圈中流过的电流，
与经电刷流入转子线圈的总电流成正比,l是转子线圈的有效长度，对于特定的电动机来说，它是一个常数。因此,我们可以得到计算电磁转矩 M大小的公式为 M=CMΦIa （ 7.3）
式中,CM是一个反映直流电动机电磁结构的常数，它与磁极对数，转子线圈的数目等有关，通常称为转矩常数。
当 Ia的单位用 A(安培 ),Φ的单位用 Wb(韦伯 )时,M的单位为
N·m(牛 ·米 )。
式（ 7.3）说明，当直流电动机转动时，电磁转矩的大小与磁通量 Φ,转子电流 Ia成正比，方向根据磁通量 Φ和转子线圈电流 Ia两者的方向按左手定则确定。
2） 感生电动势 E
由式（ 7.2）可知，转子绕组每根导线中的感生电动势的大小为 e=Bvl，其方向由右手定则确定。当转子逆时针旋转时，
感生电动势 e的方向如图 7 - 8所示,它与转子线圈中的电流方向相反，是反电动势。其中,v是运动导体的线速度,正比于转子的转速 n； B是每个磁极的平均磁感应强度，正比于每极的磁通量 Φ。由于直流电动机的转子绕组是由许多匝线圈按一定规律并联而成，因此转子绕组中产生的总感应电动势 E与每根导线中的感生电动势 e成正比。由此可以得到计算感生电动势的公式为 E=CEΦn （ 7.4
式中,CE是由电动机结构决定的常数，称为电动势常数。若 Φ
的单位用 Wb,n的单位用 r/min，则 E的单位为 V。式（ 7.4）表明转子绕组中感生电动势 E的大小与每个磁极的磁通量 Φ和转子的转速 n成正比。
N
S
I
a
I
b
M
3,基本关系式
1）
图 7.9是直流电动机转子绕圈的等效电路。其中,U是外加于转子绕圈的直流电源电压,Ra是转子绕组总的等效电阻,E
为转子转动时转子绕圈中产生的总的感应电动势，如前所述它是一个反电动势。根据基尔霍夫定律，转子绕组中总的电流、
电压关系应满足下面的方程：
U=E+IaRa （ 7.5
式（ 7.5）通常被称为转子的电压平衡方程。它说明了外加电源电压 U与转子的感应电动势 E和转子绕圈损耗电阻 Ra上的电压降 IaRa相平衡。
2）
如果直流电动机只受到电磁转矩 M的驱动，它将加速旋转。
但是，在稳定状态下直流电动机都保持一定的转速。这是因为电动机的转子除了受到电磁转矩 M的作用外，还受到负载转矩
ML、空气阻力和磨擦力等的阻力转矩 M0的作用。根据刚体力学理论，当电动机稳定运转时，转子上的驱动转矩应该和阻力
M=ML+M0=MC （ 7.6
式中,MC代表作用于转子的总阻力转矩。式（ 7.6）称为直流电动机的转矩平衡方程式，它说明直流电动机在稳定运行状态下，其电磁转矩总是和阻力转矩相平衡。如果负载转矩发生变化，其电磁转矩也将跟着改变。
3）
直流电动机在带动负载旋转的过程中将对负载做功，输出一定的机械功率 P2。电动机的输入功率为直流电源提供的电功率 P1。输入电功率 P1并不能完全转换为输出机械功率 P2。因为在定子和转子的电路和磁路中存在损耗，另外，空气阻力和磨擦力等的阻力转矩也要损失一定的功率。若用 ∑Ρ表示损耗功率。根据能量守恒定律，输入电功率 P1应该等于输出机械功率
P2和总的损耗功率 ∑Ρ
直流电动机的效率为 PPP 21
PP
P
P
P
21
2 1?
(7.7)
(7.8)
例 7.1 有一台直流电动机，额定功率 Pn=22kW，额定电压
Un=220 V，额定转速 nn=1500 r/min，额定效率 ηn=0.83。
（ 1） 计算该电动机转子的额定电流 Ian ；
（ 2） 若 CE=15.6，转子的总电阻 Ra=0.18Ω，计算额定情况下转子的感应电动势 E和每极的磁通量 Φ；
（ 3） 若 CM=148，计算该电动机的额定电磁转矩 Mn。
解 （ 1） 直流电动机的额定功率 Pn是指转轴上输出的机械功率，等于电动机的输入电功率 P1n乘以效率 ηn
an
n
n
n IU
PP
1故转子的额定电流为
A
U
P
U
PI
nn
n
n
n
an 5.1 2 02 2 083.0
1022 31?
（ 2） 根据式（ 7.4） E=CEΦn可得：
VRIUE
Wb
nC
E
aa
E
n
1 9 818.05.1 2 02 2 0
0 0 8 5.0
1 5 0 06.15
1 9 8
式中：
（ 3）根据式（ 7.3） M=CMΦIa有：
mNM n 6.1 5 15.1 2 00 0 8 5.01 4 8
7.3 直流电动机的机械特性
1．
设某直流电动机稳定运行,转速为 n，电磁转矩和阻力转矩相平衡,M=ML+M0=MC。
由于某些原因，当负载转矩 ML增大时，阻力转矩 MC增大，原来的转矩平衡关系被打破，暂时使 M＜ MC。因此，
电动机的转速 n将下降，由式（ 7.4） E=CEΦn可知,相应的感应电动势 E也将下降。其中 Φ是由定子绕组电流 If产生的主磁通，为固定值。 根据式（ 7.5） U=E+IaRa，转子电流将随着 E的减少迅速增大，因为电源电压 U和转子绕组的损耗电阻 Ra为定值，且 Ra很小。a
a R
EUI
由式（ 7.3） M=CMΦIa可知,M将迅速增大，使 M=MC。这时，
电动机将在比原来低的转速下稳定运行。显然，这是一个暂
ML↑→n↓→E↓→Ia↑→M↑ M=MC
2,机械特性下面以并励式直流电动机为例来定量分析直流电动机的转速 n随电磁转矩 M的变化关系，也就是所谓的机械特性。 并励式直流电动机的结构如图 7 - 10所示，励磁绕组与转子绕组并联之后接同一个直流电源 U。由转子的感生电动势式（ 7.4）式
E=CEΦn可知，
根据电压平衡关系式（ 7.5）可得 E=U-IaRa，代入式（ 7.9）有
EC
En (7.9)
a
E
a
EE
Aa I
C
R
C
U
C
RIUn
(7.10)
U
E
I
I
a
I
f
再由转矩公式式（ 7.3）可知,代入式（ 7.10）有式中 U,CE,CM,Φ和 Ra均为常数。
式（ 7.11）称为直流电动机的机械特性方程。它反映了直流电动机的转子转速 n随电磁转矩 M的变化关系。
令 则式 (7.11)
n=n0-bm (7.12)
Ma C
MI
MCC RC Un
ME
a
E
2
(7.11)
20,
ME
a
E CC
Rb
C
Un
若将式（ 7.11）或（ 7.12）绘制成曲线,就得到了所谓的机械特性曲线,如图 7.11所示。
0
n
0
n
M
例 7.2 一台并励直流电动机从铭牌上可知：额定功率
Pn=22kW，额定电压 Un=220V，额定转速 nn=960r/min，额定电流 In=122A，转子电阻 Ra=0.15Ω，定子电阻 Rf=110Ω。
(1) 作出该并励式直流电动机的机械特性曲线；
(2) 当负载减小，转速上升至 1000r/min时，求输入电功率
P1；
(3) 当负载转矩降低到 75%Mn时，求转速 n。
解 (1）
① 计算出 CMΦn
A
R
UIIII
f
n
nfna 1 2 01 1 0
2 2 01 2 2
根据公式 E=CEΦn可知：
② 理想空载情况：
③ 额定工作情况：
21.0
9 6 0
15.01 2 02 2 0
n
aan
n
n
nE n
RIU
n
EC
0
m i n/1 0 4 8
21.0
2 2 0
0
M
r
C
U
n
nE
n
mN
n
P
M
rn
n
n
n
n
2 1 9
9 6 0
22
9 5 5 09 5 5 0
m i n/9 6 0
④ 连接上述两点即可得到该直流电动机的机械特性曲线,
根据 Mn及额定状态下的转子电流 In，亦可计算出然后求出 b的数值，得到 n=n0-bM，亦可作出其机械特性曲线。
(2）计算 n=1000r/min时的输入电功率 P1。当 n=1000r/min时，
E=CEΦn=0.21× 1000=210V
n
n
M I
MC
WIUP
AIII
A
R
EU
I
n
fa
a
a
151147.68220
7.6827.66
7.66
15.0
210220
1
转子电流输入电流输入电功率由于负载转矩下降，使电动机的电磁转矩 M下降，转速 n上升,所以电源输入的电流 I也降低，相应的输入电功率 P1减少了。
(3） 计算转矩下降到 0.75 Mn时的转速 n
Mn=CMΦnIa
由于 CMΦ
M′=CMΦnI’a=0.75Mn=0.75CMΦnIa
I’a=0.75Ia=0.75× 120=90A
此时感应电动势为
E′=V-I’aRa=220-90× 0.15=206.5V
又根据 E=CEΦn
可见,电磁转矩 M下降,电动机的转速升高。
m i n/9 8 3
21.0
5.2 0 6'' r
nC
En
E
7.4 直流电动机的基本运行过程
1）
在直流电动机接通电源的瞬间，由于定子线圈先通电已建立起了主磁场，但转子还来不及转动，转速 n=0，转子中的反电动势 E=CEΦn=0。由电压平衡方程式可知，这时电驱电流很大。我们将这个电流称为启动电流，用 Iast表示。
aa
a s t R
U
R
EUI (7.13)
2） 启动方法
（ 1） 变阻器启动。
如图 7 - 12（ a）所示，在转子电路中串入一个专用的启动变阻器 Rst。启动时先将 Rst置于最大值，然后再接通转子电源，随着转速的增加再逐渐减小 Rst，待电动机转速稳定后，再完全切除 Rst，启动过程结束。
I
f
U
I
I
a
R
st
( a ) 变阻器启动专用直流电源
U
a
I
a
U
f
I
f
( b ) 降压启动
Rst的阻值可根据 来确定,
第一，在接通转子电源之前，应先接通定子电源，保证先有主磁通 Φ，否则将不能产生电磁转矩。而且为了在较小的启动电流下产生足够大的电磁转矩，主磁通 Φ应尽可能大一些。
如果定子电路中串有附加电阻 Rf，启动时应调至最小。
第二，启动变阻器一般采用小阻值、大电流的变阻器，
并按短时要求设计，不允许长时间接在电路中或用作调速电阻。
（ 2） 降压启动。如图 7 - 12（ b）所示，将专用可调直流电源接到转子电路中。启动时，调节电源电压，从零开始逐渐上升至额定值。 这种启动方法仅适用于他励式直流电动机。
n
sta
a s t IRR
UI )5.2~5.1(?
a
a s t
st RI
UR (7.14)
2,正,反转直流电动机的反转也有两种方法，如图 7 - 13所示。
N
S
F
F
n
U
( a )
＋ －
N
S
U
( b )
S
N
U
( c )
＋ －
F
F
n
＋－
F
F
n
图 7 - 13（ a） 是直流电动机正转时，转子电流 Ia、定子电流 If和主磁通 Φ的方向。 图 7-13（ b）、（ c）是直流电动机反转时，转子电流 Ia、定子电流 If和主磁通 Φ的方向。
如图 7 - 13（ b） 所示，将转子电源电压 U的极性对调，转子电流 Ia 的方向就改变了，这时电磁转矩 M的方向也跟着改变了，电动机从正转（顺时针方向旋转）变成了反转（逆时针方向旋转）。
如图 7 - 13（ c） 所示，将定子电源的极性对调，改变定子绕组电流 If的方向，从而改变主磁通 Φ的方向，使电磁转矩反向,电动机也从正转变成了反转。
两种实现直流电动机反转的方法中，一般采用改变转子电流方向的方法,而改变主磁通 Φ的方法较少采用。
3．调速要改变直流电动机的转速 n可以采用 3 种方法,即改变转子电阻 Ra的大小，改变转子电源电压 U的大小或改变主磁通 Φ的大小。
1）
如图 7 - 14（ a） 所示，在保持转子电源电压 U和主磁通 Φ不变的情况下，在转子电路中串联一个附加电阻 Rac，使转子电路的总电阻变成（ Ra+Rac）。这样直流电动机的机械特性曲线的斜率 将比原来增大了，而理想 空载转速不变,如图 7 - 14（ b）所示。 附加电阻 Rac越大，特性曲线的斜率就越大。当负载转矩不变时,MC=ML+M0不变，转子的转速 n将随之下降了。转速下降的具体过程如下所述。
2?
ME
aca
CC
RRb
EC
Un
0
( b ) 转子电路电阻改变时的机械特性
I
f
U
I
I
a
( a ) 改变转子电路的电阻调速
R
f
R
ac
E
0
n
0
n
M
M
C
n
1
n
2
n
3
R
ac
＝ 0
R
ac
′
R
ac
″
R
ac
″ ＞ R
ac
′ ＞ R
ac
假设直流电动机的负载转矩 ML不变（ MC不变），且直流电动机以转速 n1稳定运行。当加入或增大 Rac时，由于惯性电动机转速还来不及变化仍为 n1，相应的感生电动势
E=CEΦn也不变，这就导致了电驱电流 减少，
电磁转矩 M=CMΦIa下降，原来的转矩平衡被破坏，暂时出现
M＜ ML，电动机将减速运行,n下降。转速下降，相应地感生电动势 E也下降，转子电流 Ia重新增大，电磁转矩 M也重新上升，最终转矩又重新达到平衡，再次使 M=ML，这时电动机在较低的转速 n2下稳定运行。
aca
a RR
EVI
2） 改变转子电压调速如图 7 - 15（ a） 所示,在保持主磁通 Φ和转子电路电阻 Ra不变的情况下，调节转子电源电压 U可改变直流电动机的转速。
这种调速方法仅适用于他励式直流电动机。因为定子电路的直流电压 Uf不允许随之变化，这就要求定子、转子各使用不同的直流电源。
由机械特性方程可知：当转子电源电压 U改变时，理想空载转速 将随之变化，而特性曲线的斜率 b不变，如图
7 - 15（ b）所示。随着将 U的调低，机械特性曲线将向下平移。
如果负载转矩 ML不变（ MC不变），转速 n将随之下降 n1＞ n2＞ n3，
起到了调速的作用。
EC
Un
0
图7 - 1 5
( b ) 他励式电动机改变转子电压时的机械特性
0
n
01
n
M
M
C
n
1
n
2
n
3
U
U
I
f
( a ) 改变转子电压调速电压可控直流电源
U
f
n
02
n
03
U ′
U ″
＞ ＞U U ′ U ″
3）
如图 7 - 16（ a） 所示，改变主磁通的调速实际上是在保持电源电压 U和转子电阻 Ra不变的情况下，调节定子线圈中的串联电阻 Rf，从而改变定子电流 If（也就是主磁通 Φ）的大小进行调速。因为定子电路中串联一个附加电阻 Rfc将使 If
减小，主磁通 Φ减小。由机械特性方程可知：主磁通 Φ的减少将使理想空载转速 上升,曲线斜率 更显著地上升，相应的机械特性曲线上移，且倾斜程度增加。
如果负载转矩不变，转速 n将上升,如图 7 - 16（ b）所示。调速的具体过程如下所述。
EC
Un
0 2
ME
a
CC
Rb
图7 - 1 6
( b ) 改变主磁通时机械特性
I
f
U
( a ) 改变主磁通调速
R
fc
0
n
MM
C
n
1
n
2
n
3
R
fc
′
R
fc
＝ 0
R
fc
″
R
fc
″ ＞ R
fc
′
接入或增大 Rfc,If减小，主磁通 Φ减小，由于惯性转速 n
来不及变化,E=CEΦn将随 Φ的减小而减小，转子电流增加,因 Ra很小,Ia的增加比 Φ的变化所造成的影响更显著。而 Ia的增加将使电磁转矩 M增加，暂出现 M＞
MC，因此，电动机将加速运转，使 n上升,E回升,Ia下降，
M下降，最终使 M=MC，这时电动机在较高转速下稳定运行。
a
a R
EUI
例 7.3 某他励式直流电动机,Pn=22kW,Un=220V，
In=115A,nn=1500r/min,Ra=0.1Ω，忽略空载转矩，电动机带额定负载运行时，要求把转速降到 1000r/min，问：
（ 1）
（ 2）
（ 3） 上述两种调速情况下，电动机的输入功率与输出功解 （ 1）
6 0 4.01.0
1 1 5
1 0 0 01 3 9.02 2 0
1 3 9.0
1 5 0 0
1.01 1 52 2 0
a
n
nEn
ac
n
ann
E
R
I
nCU
R
n
RIU
nC
（ 2） 降低的电源电压值的计算：
（ 3）
① 转子串入电阻减速时的输入功率：
降低电源电压减速时的输入功率：
③ 电动机的输出转矩：
④ 电动机的输出功率
VRInCU annE 5.1 5 01.01 1 51 0 0 01 3 9.0
WIUP nn 2 5 3 0 01 1 52 2 01
WUIP n 308.171155.1501
mN
n
P
n
P
n
PPM
n
n
n
n
n
n
n
n 1.140
1 5 0 0
2 2 0 0 055.955.9
2
60
60
22
WnMMP 1 4 6 6 41 0 0 06021.1 4 0602222
4） 制动如图 7 - 17所示，将直流电动机的转子电源切除，并使转子电路与制动电阻 R2串联（图中开关 S接到右边）。由于惯性,
电动机将继续按原来的方向旋转，主磁通的方向不改变，转子中感生电动势 E=CEΦn 的方向也不改变。但是，由于没有外加电压，电驱电流的方向和电磁转矩的方向改变了。这时，
电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，电动机迅速减速至停转。
实际上，这一过程是转子的惯性转动拖动电动机发电，把生产机械和电动机贮存的机械能转化为电能再消耗在制动电阻 Rz和转子损耗电阻 Ra上，所以这种制动方法称为能耗制动。
U E
I
a
I
f
1
2
′
2
1
′
R
z
S
图7 - 1 7
能耗制动的电路简单，制动平稳、可靠，而且可以通过调节制动电阻 Rz的大小来改变制动时间的长短，应用广泛。在选择 Rz时，应注意将 Rz调至最小时，转子电流不得超过额定值的 2.5倍，否则有可能损坏电动机。
（ 2） 反接制动。
反接制动是指人为地改变转子电压极性（即反接），使转子电流反向的方法。这时，电磁转矩成为制动转矩，使电动机迅速减速至停止。
这种制动方法由于转子电压反接后，极性与反电动势相同，转子电流很大，因此必须串接较大的制动电阻。另外，电机停稳后应该及时切断电源,否则电动机会反转。总之，这种制动方法的制动效果好，但能量损耗大，容易出现反转。
7.5直流电动机的使用
1,直流电动机的种类
1） 他励式直流电动机如图 7 - 18（ a） 所示，建立主磁通的励磁绕组和转子绕组分别由两个直流电源供电，彼此之间无相互联系。这种电动机多用一个直流电源，因此设备较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。
( a ) 他励电动机
E
I
a
I
f
U
a
I
a
U
f
I
f
( b ) 串励电动机
U
I
a
I
f
E
U
I
E
( c ) 复励电动机
2）
如图 7 - 10所示,励磁绕组与转子绕组并联后由一个直流电源供电。直流电源提供的总电流等于励磁电流和转子电流之和，
即 I=If+Ia。一般 If很小，仅为 Ia的 1%~5%。这种直流电动机的特性与他励式直流电动机的基本相同，其励磁绕组匝数多、电阻大、损耗小，还可节省一个直流电源,因此得到广泛应用。
3）
如图 7 - 18（ b） 所示，励磁绕组与转子绕组串联后接直流电源，两绕组中的电流相等,If=Ia。这种直流电动机由于转子电流较大，励磁电流也较大，因此，励磁绕组的导线较粗、匝数较少，相应的电阻也较小。其特性与并励式直流电动机的不同。
另外，当负载变化时转子电流 Ia变化，励磁电流 If和主磁通 Φ也跟着变化。这种直流电动机一般用于电气机车和起重设备中。
4）
如图 7 - 18（ c） 所示，产生主磁通的主磁极上有两个励磁绕组,一个与转子绕组串联，另一个与转子绕组并联，
它们分别称为串励绕组和并励绕组。主磁通是由这两个绕组产生的磁通叠加而成的。如果两个绕组产生的磁通方向相同则称为和复励或积复励，主磁通将随着转子电流的增加而加强； 若两绕组产生的磁通方向相反则称为差复励，
主磁通将随着转子电流的增加而减小。这种电动机兼有并励式和串励式直流电动机的共同特点。
2,直流电动机的铭牌数据
1）
电机产品的系列是指在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面具有共同性，而且是成批生产的一系列电机。
电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音和阿拉伯数字表示。其中，拼音字母取自电机全名中有代表意义的汉字拼音的开头字母。例如 Z2-61的含义为：
Z2-61
一般用途防护式小型直流电机机座号第二次改型设计 铁芯长度符号
2）
额定数据是电机制造厂商对电机正常运行条件的规定，电机只有在额定条件下运行，才能工作可靠、性能优良。根据国家标准，直流电动机的主要额定数据有：
（ 1） 额定容量（额定功率），用 Pn表示，单位为瓦（ W）
或千瓦 (kW）；
（ 2） 额定电压，用 Un表示，单位为伏特（ V）；
（ 3） 额定电流，用 In表示，单位为安培（ A）；
（ 4） 额定转速，用 nn表示，单位为转 /每分（ r/min）；
（ 5） 额定励磁电压，用 Ufn表示，单位为伏特（ V
（ 6） 额定励磁电流，用 Ifn表示，单位为安培（ A）。
额定容量是指电机的额定输出功率。 对电动机来说，
它是转轴上输出的机械功率,等于额定电压,额定电流和额定效率的乘积,即 Pn=Un·In·ηn
习题与思考题 7
1,直流电动机是怎样将直流电能转换成机械能的？在转换
2,他励式直流电动机在下列条件下，转速、转子电流和感
（ 1） 励磁电流和负载转矩不变，转子电压降低；
（ 2） 转子电压和负载转矩不变，励磁电流减小；
（ 3） 转子电压、励磁电流和负载转矩不变，与转子串联
。
3,一直流电动机，电源电压 U=230V时，转子电流 Ia=60A，
转子绕组的电阻 Ra=0.1Ω。
（ 1） 计算此时转子绕组内的感应电动势 E；
（ 2） 若每个磁极之下的磁通量 Φ=0.08Wb,CE=2.5，计算这时的转速 n。
'aR
4,一直流电动机,转子电阻 Ra=0.25 Ω，励磁电阻
Rf=153Ω，转子电压和励磁电压均为 220 V，转子电流 Ia=60A，
转速 n=1000r/min。设电动机的效率 η=0.85，求：
（ 1） 励磁电流 If和励磁功率 Pf；
（ 2） 转子的感应电动势 E；
（ 3） 电动机输出的机械功率 P；
（ 4） 电磁转矩 M
5,一台并励式直流电动机，额定功率 Pn=13kW，额定转速 n=1500r/min,额定电压 Un=220V，额定转子电流 Ian=68.6
A，转子电阻 Ra=0.225Ω。
(1) 计算额定转矩 Mn ；
(2) 绘出机械特性曲线；
(3) 如果输出转矩 M=50N·m，计算这时的转速 n。
6,一台他励式直流电动机铭牌数据为,Pn=2.2kW，
Un=220V,In=12.6A,nn=1500 r/min。要求：
（ 1） 绘出固有的机械特性曲线；
（ 2） 求出 Ia=In/2时电动机的转速 n；
（ 3） 求出转速 n=1550r/min时的转子电流 Ia 。
7,Z2-61型并励式直流电动机额定数据 Pn=10kW，
Un=220V,In=53.8 A,nn=1500 r/min,Ra=0.3Ω，最大励磁功率 Pfm=260W，问：
（ 1） 若直接启动，启动电流会有多大；
（ 2） 若将启动电流 Iast限制为额定转子电流的 2倍，应加多大的启动电阻 Rast。
8,上题中，如果在转子电路中串入电阻 Rac=0.7Ω。 试求达到稳定运行状态时，电动机的转速 n
9,一并励式直流电动机，电源电压 U=440V,n=626 r/min，
Ia=50 A，转子电阻 Ra=0.28Ω。若磁场减弱,Φ下降了 5% 。
（ 1） 计算磁通变化的瞬间，转子电流和电磁转矩与原来转子电流，电磁转矩的比值，判断转速 n
（ 2）负载转矩不变，计算达到稳定状态后的 Ia数值；
（ 3） 计算达到稳态后的转速 n。
10,一台直流电动机的额定转速为 3000r/min，如果转子电压和励磁电流均为额定值,试问该电机是否允许在转速为 2500
r/min下长期运行？ 为什么？
11,并励式直流电动机在运行中，若励磁绕组断开，
12,有一台并励式直流电动机启动后发现转向不对，
问有哪些方法可以改变这台电动机的转向，若将电源极性
13,一台并励式直流电动机的转子电阻 Ra=0.12Ω，励磁电阻 Rf=41.8Ω，额定数据 Un=110V,In=61A,nn=1500
r/min。 试求负载转矩减半时直流电动机的转速变化。
