第三章 直流电机绪论
3.1 直流电机的工作原理和基本结构
3.2 空载和负载时直流电机的磁场
3.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩
3.4 直流电机的基本方程
3.5 直流电动机的运行特性直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的 优点,但与交流电机相比自身又有着 缺点 。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值 !
本章主要内容
1、直流电机的工作原理和基本结构
2、说明电机的磁动势和磁场
4、分析直流电动机的稳态运行性能
3、导出电机的电动势和电磁转矩公式
3.1 直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理固定部分（定子）,主磁极 N和 S；
（ 如图 3－ 1）表示一台直流电机。
1、直流电机的结构旋转部分（转子）,电枢铁心；电刷；
电枢绕组 AX(一个线圈 )； 换向器。
定子与转子之间为气隙。
2、直流发电机的工作原理发电机,虽然线圈 AX电动势是交流电动势，
但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。
（ 图 3-2 a,图 3-2b）
3、直流电动机的工作原理电动机,在直流电动机中，外加电压并非直接
1B 2B加于线圈，而是通过电刷,和换向器再加到线圈变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改保持不变。
4、脉动的减小电刷上的电动势 (如图 3－ 3)。
电枢绕组由多个线圈串联而构成的,
实现方法：
二、直流电机的 基本结构
1、主磁极构成,主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。
2、机座构成,用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。
作用,建立主磁场。
作用,1、主磁路的一部分；
2、电机的结构框架 。
3、电枢铁心作用,1、主磁路的一部分；
2、电枢绕组的支撑部件。
构成,一般用厚 0.5㎜ 且冲有齿、槽的 DR530
4、电枢绕组作用,直流电机的电路部分。
构成,用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。
或 DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。
5、换向器作用,整流（发电机）或逆变（电动机）。
构成,由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用 V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而
6、电刷装置作用,电枢电路的引出（或引入）装置。
构成,电刷、刷盒、刷杆和连线等。
构成。
三,励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。
直流电机按励磁方式可分：
他励自励
7、换向极构成,由铁心和绕组组成。
作用,改善换向。
复励式 (图 3-5d),装有两个励磁绕组，一为与 电
1、他励式 （ 如图 3-5a）
其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连 。
2、自励式发电机,利用自身发出的电流励磁；
电动机,励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。
并励式 (图 3-5b),励磁绕组与电枢绕组并联；
串励式 (图 3-5c),励磁绕组与电枢绕组串联；
枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。
四,直流电机的额定值
（ 1） 额定功率,指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，
（ 2） 额定电压,指额定状态下电枢出线端的电压，以 V表示。
（ 3） 额定电流,指电机运行在时电机的线电流，以 A表示。
（ 4） 额定转速,指额定状态运行时转子的转速，以 r/min表示。
（ 5） 额定励磁电压 （仅对他励电机）。
对电动机,— 输出的机械功率；
对发电机,— 输出的电功率。
NP
NP
NP
NU
NI
Nn
fNU
直流电机的额定值有：
电机的输出功率，以 kW表示。
3.2 空载和负载时直流电机的磁场一,空载时直流电机的磁场 (如图 3-6)。
f?
,
空载时的主磁极的磁通：
a) 主磁通,通过气隙，并形成气隙磁场。
b) 主极漏磁通极矩：
0?
二,负载时的电枢磁动势和电枢反应（介绍）
电枢反应,负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。
1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响,1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等
2）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、
亦无去磁作用；
计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。
作用。
2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机,电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。
电动机,与发电机的情况相反。
3.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布（ 如图 3－ 7）所示，则每根导体的感应电动势为
l
v
一、电枢绕组的感应电动势式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
— 导体的有效长度；
— 导体相对气隙磁场的速度 。
电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的令 为平均气隙磁密，则上式改写为将 代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式,
式中，
— 每极的总磁通量；
— 电动机常数；
— 电动势公式。
二,直流电机的电磁转矩电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为式中,— 该点处的气隙磁密。
一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为式中,— 气隙平均磁密。
整个电枢上的电磁转矩 则 为可得直流电机的转矩公式为再考虑到
eT
一、电压方程 ；
基本方程二、转矩方程 。
一、电压方程
1、他励直流电机直流电机的稳态电路图（ 发电机,电动机 ）
发电机,则有 ；
电动机,则有 。
3.4直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。
2、并励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁
3、串励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。
电压为电枢端电压，即发电机：
电动机：
磁绕组与电枢绕组相串联，有 。
二、转矩方程
— 为电磁转矩。
1、发电机情况下
— 电机本身的机械阻力转矩；
— 原动机的驱动转矩；
电磁转矩为制动转矩，有
— 电动机轴上的负载转矩。式中，
2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率发电机,机械能 转化为电能 ；
电动机,电能 转化为机械能 。
eT
电磁功率用 表示，则将 代入上式，得四、直流电机的可逆性电机的可逆性,从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；
电动机运行。
发电机、亦可作为电动机运行。
3.5 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性
1,工作特性指 时,。
特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。
（ 1）,转速特性据转速公式得出转速特性曲线转速调整率,
注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。
（ 2）,转矩特性转矩方程
（ 3）,效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。
得出转矩特性曲线。
2、转矩 — 转速特性指,励磁回路电阻 ＝ 常值时,。
转速与转矩的关系表达式为得特性曲线（ 如图 3－ 11）
结论：硬特性二,串励电动机的运行特性
1、工作特性特点：
是指 时，
或 （ 图形 3－ 12）
转速公式上式表明 曲线大致为一双曲线。
式中 为串励绕组的电阻。
轻载时,,＝常值负载增加，磁路饱和,常值注意：串励电动机不允许空载运行。
（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。
2、转矩 — 转速特性是指 时 。
由电压方程可知其转速调整率定义为：
式中 。 于是电磁转矩为可得 （ 如图 3-13）
结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。
三、复励电动机的特点复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和复励电动机的转矩 — 转速特性 （ 如图 3-14）。
串励电动机之间。
结构较复杂直流电机 成本较高 使它的应用受到限制可靠性较差
1.直流电动机以其良好的 起动性 和 调速性能 著称 。
2.直流发电机 供电质量 较好，常常作为励磁电源。
图 3-2a 线圈电动势的波形
2? 3?
XAe
图 3-2b 电刷间的电动势波形图 3-4 国产直流电机的结构
+-
图 3-5c 串励式
+-
图 3-5 复励式图 3-6 空载时直流电机的气隙磁场图 3-8 发电机图 3-9 电动机图 3-10 并励电动机的工作特性
n
eT
图 3-11 并励电动机的转矩 — 转速特性图 3-12 串励电动机的工作特性图 3-13 串励电动机的转矩 -转速特性图 3-14 复励电动机的转矩 -转速特性复励串励并励
3.1 直流电机的工作原理和基本结构
3.2 空载和负载时直流电机的磁场
3.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩
3.4 直流电机的基本方程
3.5 直流电动机的运行特性直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的 优点,但与交流电机相比自身又有着 缺点 。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值 !
本章主要内容
1、直流电机的工作原理和基本结构
2、说明电机的磁动势和磁场
4、分析直流电动机的稳态运行性能
3、导出电机的电动势和电磁转矩公式
3.1 直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理固定部分（定子）,主磁极 N和 S；
（ 如图 3－ 1）表示一台直流电机。
1、直流电机的结构旋转部分（转子）,电枢铁心；电刷；
电枢绕组 AX(一个线圈 )； 换向器。
定子与转子之间为气隙。
2、直流发电机的工作原理发电机,虽然线圈 AX电动势是交流电动势，
但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。
（ 图 3-2 a,图 3-2b）
3、直流电动机的工作原理电动机,在直流电动机中，外加电压并非直接
1B 2B加于线圈，而是通过电刷,和换向器再加到线圈变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改保持不变。
4、脉动的减小电刷上的电动势 (如图 3－ 3)。
电枢绕组由多个线圈串联而构成的,
实现方法：
二、直流电机的 基本结构
1、主磁极构成,主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。
2、机座构成,用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。
作用,建立主磁场。
作用,1、主磁路的一部分；
2、电机的结构框架 。
3、电枢铁心作用,1、主磁路的一部分；
2、电枢绕组的支撑部件。
构成,一般用厚 0.5㎜ 且冲有齿、槽的 DR530
4、电枢绕组作用,直流电机的电路部分。
构成,用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。
或 DR510的硅钢片叠压 夹紧而成。
5、换向器作用,整流（发电机）或逆变（电动机）。
构成,由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用 V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而
6、电刷装置作用,电枢电路的引出（或引入）装置。
构成,电刷、刷盒、刷杆和连线等。
构成。
三,励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。
直流电机按励磁方式可分：
他励自励
7、换向极构成,由铁心和绕组组成。
作用,改善换向。
复励式 (图 3-5d),装有两个励磁绕组，一为与 电
1、他励式 （ 如图 3-5a）
其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连 。
2、自励式发电机,利用自身发出的电流励磁；
电动机,励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。
并励式 (图 3-5b),励磁绕组与电枢绕组并联；
串励式 (图 3-5c),励磁绕组与电枢绕组串联；
枢并联的并励绕组，二为与电枢串联的串励绕组。
四,直流电机的额定值
（ 1） 额定功率,指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，
（ 2） 额定电压,指额定状态下电枢出线端的电压，以 V表示。
（ 3） 额定电流,指电机运行在时电机的线电流，以 A表示。
（ 4） 额定转速,指额定状态运行时转子的转速，以 r/min表示。
（ 5） 额定励磁电压 （仅对他励电机）。
对电动机,— 输出的机械功率；
对发电机,— 输出的电功率。
NP
NP
NP
NU
NI
Nn
fNU
直流电机的额定值有：
电机的输出功率，以 kW表示。
3.2 空载和负载时直流电机的磁场一,空载时直流电机的磁场 (如图 3-6)。
f?
,
空载时的主磁极的磁通：
a) 主磁通,通过气隙，并形成气隙磁场。
b) 主极漏磁通极矩：
0?
二,负载时的电枢磁动势和电枢反应（介绍）
电枢反应,负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。
1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响,1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等
2）、不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、
亦无去磁作用；
计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。
作用。
2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机,电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。
电动机,与发电机的情况相反。
3.3 直流电机的感应电动势和电磁转矩设气隙磁场的分布（ 如图 3－ 7）所示，则每根导体的感应电动势为
l
v
一、电枢绕组的感应电动势式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
— 导体的有效长度；
— 导体相对气隙磁场的速度 。
电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的令 为平均气隙磁密，则上式改写为将 代入上式得出电动势的代数和，则电动势公式,
式中，
— 每极的总磁通量；
— 电动机常数；
— 电动势公式。
二,直流电机的电磁转矩电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为式中,— 该点处的气隙磁密。
一个极下的载流导体上的电磁转矩 应为式中,— 气隙平均磁密。
整个电枢上的电磁转矩 则 为可得直流电机的转矩公式为再考虑到
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一、电压方程 ；
基本方程二、转矩方程 。
一、电压方程
1、他励直流电机直流电机的稳态电路图（ 发电机,电动机 ）
发电机,则有 ；
电动机,则有 。
3.4直流电机的基本方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 。
2、并励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁
3、串励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。
电压为电枢端电压，即发电机：
电动机：
磁绕组与电枢绕组相串联，有 。
二、转矩方程
— 为电磁转矩。
1、发电机情况下
— 电机本身的机械阻力转矩；
— 原动机的驱动转矩；
电磁转矩为制动转矩，有
— 电动机轴上的负载转矩。式中，
2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有三、电磁功率发电机,机械能 转化为电能 ；
电动机,电能 转化为机械能 。
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电磁功率用 表示，则将 代入上式，得四、直流电机的可逆性电机的可逆性,从原理上讲，任何电机既可作为发电机运行；
电动机运行。
发电机、亦可作为电动机运行。
3.5 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作一、并励电动机的运行特性
1,工作特性指 时,。
特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。
（ 1）,转速特性据转速公式得出转速特性曲线转速调整率,
注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。
（ 2）,转矩特性转矩方程
（ 3）,效率特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。
得出转矩特性曲线。
2、转矩 — 转速特性指,励磁回路电阻 ＝ 常值时,。
转速与转矩的关系表达式为得特性曲线（ 如图 3－ 11）
结论：硬特性二,串励电动机的运行特性
1、工作特性特点：
是指 时，
或 （ 图形 3－ 12）
转速公式上式表明 曲线大致为一双曲线。
式中 为串励绕组的电阻。
轻载时,,＝常值负载增加，磁路饱和,常值注意：串励电动机不允许空载运行。
（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。
2、转矩 — 转速特性是指 时 。
由电压方程可知其转速调整率定义为：
式中 。 于是电磁转矩为可得 （ 如图 3-13）
结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。
三、复励电动机的特点复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和复励电动机的转矩 — 转速特性 （ 如图 3-14）。
串励电动机之间。
结构较复杂直流电机 成本较高 使它的应用受到限制可靠性较差
1.直流电动机以其良好的 起动性 和 调速性能 著称 。
2.直流发电机 供电质量 较好，常常作为励磁电源。
图 3-2a 线圈电动势的波形
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图 3-2b 电刷间的电动势波形图 3-4 国产直流电机的结构
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图 3-5c 串励式
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图 3-5 复励式图 3-6 空载时直流电机的气隙磁场图 3-8 发电机图 3-9 电动机图 3-10 并励电动机的工作特性
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图 3-11 并励电动机的转矩 — 转速特性图 3-12 串励电动机的工作特性图 3-13 串励电动机的转矩 -转速特性图 3-14 复励电动机的转矩 -转速特性复励串励并励
