第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的基本结构和运行分析
第二章
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第一节 直流电机的工作原理
? 重点：
? 直流电机的工作原理
? 难点：
? 直流发电机和直流电动机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的作用
电机是进行能量转换的电磁机械设备。
一、电源 二、动力 三、信号传递
机械信号
电信号
控制信号
机械信号机械能 电能 机械能电能
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的分类
电机
变压器
直流电机
直流发电机
直流电动机
交流电机
控制电机
同步电机 同步发电机
同步电动机
异步电机 异步发电机
异步电动机
脉流电机
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的工作原理动画
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电动机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电动机的工作原理动画
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的可逆原理
? 直流发电机和直流电动机的结构是完全相
同的，每一台电机既可作为发电机运行，
也可作为电动机运行
? 电机的实际运行方式由外施条件决定，如在电机
轴上外施机械功率使电枢转动，通过电机可以把
机械功率转换为电功率，作为发电机运行；如果
在电枢线圈中外施电功率，产生线圈电流，通过
电机可以把电功率转换为机械功率，作为电动机
运行。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第二节 直流电机的基本结构
? 静止部分（称为定子）
? 产生磁场和构成磁路,电机机械支撑
? 旋转部分（称为转子）
? 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换
? 定子和转子之间间隙 （称为空气隙）
? 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重
要组成部分
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机结构图
第二章 直流电机基本结构和运行分析
定子的结构
? 机座 ? 主磁极 ? 换向极 ? 电刷装置
第二章 直流电机基本结构和运行分析
转子的结构
? 转轴 ? 电枢铁心 ? 电枢绕组 ? 换向器
第二章 直流电机基本结构和运行分析
制造电机所用主要材料
? 导电材料
? 用于绕组、换向器和电刷
? 绝缘材料
? 电流很难通过的材料称为绝缘材料，又叫电介质。将带电
部分与铁心、机座等接地部件以及电位不同的带电部分在
电气上分离，使电流按一定方向流动
? 导磁材料
? 制造电机和变压器中磁系统的各个部件，如铁心、机座等
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的额定值
? 根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电
机性能的主要数据，称为电机的额定值 额定条件下电机
所能提供的功率
NP额定功率 指电刷间输出的
额定电功率发电机
指轴上输出
的机械功率 电动机
发电机：是指输出额定电压；
电动机：是指输入额定电压。
在额定工况下，电机
出线端的平均电压
NU额定电压
在额定电压下，运行于
额定功率时对应的电流
NI额定电流
在额定电压、额定电流下，运
行于额定功率时对应的转速
Nn额定转速
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的额定值
此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、
出厂编号等。
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。
fNI额定励磁电流
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
指直流电机的励磁线圈
与电枢线圈的连接方式
励磁方式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第三节 直流电机的电枢绕组
电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽
研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组
的线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。
不同类型的电枢绕组，具有不同的连接规律。
直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠
绕组、单波绕组、复波绕组等几种类型。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
有关电枢绕组的术语
?绕组：在电机内具有规定功能的一组线圈。
?电枢绕组：安放在电机电枢上的绕组，与外部电力系统联接，用以吸收或送出有功功
率。
?线圈单元：电枢绕组的基本单元，由一匝或相互绝缘的多匝组成，两出线端分别接至
换向片上。
?线圈：具有一个或多个线圈单元的组件，通常具有公共绝缘。
?线圈边：线圈中沿电枢铁心轴向的两个直线部分，每只线圈有两线圈边。
?线圈端部：连接两个线圈边的连接部分。
?分布绕组：电枢线圈在电枢圆周上的槽内分布放置，称为分布绕组。与集中绕组的区
别在于集中绕组每一线圈的轴线都互相重叠，分布绕组中每一线圈的轴线彼此移过一
段距离。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
实槽和虚槽
? 直流电机的电枢绕组放置在电枢铁心上的槽内
uZZ u ?
? 每个槽内的上下层各放置若干个线圈单元边,
为了确切的说明这些单元边的具体位置，
引人虚槽的概念
实际槽数 Z与虚槽数 Zu的关系为：
第二章 直流电机基本结构和运行分析
线圈单元数 S和换向片数 K
? 每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又
与两个不同线圈单元的两个出线端相连接，
因而线圈单元数等于换向片数，即
KS ?
当一个线圈中有 u个线圈单元时，每槽上下层
各放 u个线圈单元边，此时，线圈单元数和虚
槽数相等，即
uZZKS u ???
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
? 单叠绕组的连接规律：
相邻两线圈在电枢表面仅相差 1个槽，单个线
圈单元的始端和末端之间相隔一个换向片。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
? 单波绕组连接规律
相邻两线圈相隔约为二个极距，
第二线圈单元与第一线圈单元处
在相同极性的两个磁极下，单个
线圈单元的始端与末端相隔约为
两个极距，如电机有 P对磁极，则
连接 P个单元后才回到出发单元的
邻近，并相隔一个槽，以便第二
周继续绕下去，直到所有的线圈
单元均串联起来为止
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
各种绕组的连接规律用节距来确定
绕组
节距
极距
线圈节距
换向器节距
后节距
合成节距
相邻两磁极上相应点之间的圆周距离
同元件的两个边所在槽相隔的齿距数
相串联的两个线圈单元的对应边在
电枢表面上的距离
同元件的始端与末端之间的换向片数
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
单叠绕组的每一线圈单
元的始末端分别与相邻的
两换向片相接，所以 Y＝
Yk＝土 1。每安放一个线圈
单元时，其相应单元边移
过一个槽（当一个实槽中
有 u个虚槽时则移过一个虚
槽）。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
已知直流电机 2p＝ 4,Z＝ S＝ K＝ 16，要求绕制
一单叠右行绕组。
1.计算节距 Y1 Y Y2
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
2．绕组展开图 先将 电枢表面展开成平面，
并将 电枢槽、线圈单元及换
向片编号，其中线圈单元及
换向片号与其上层边所在槽
号相同，电枢槽号和换向片
号之间的相对位置，用如下
方法确定：为了使线圈单元
的端接对称，应使每一线圈
单元所接的两个换向片的分
界线与其轴线重合。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
3．主极位置
4．电刷位置和极性
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
5．并联支路数 从图中看出，有四
条支路并联于正负
电刷之间。每一支
路都是由上层边处
在同一主极下的线
圈单元串联而成，
一个主极对应一条
支路，则单叠绕组
的并联支路数恒等
于电机的主极数。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
6．单叠绕组的均压线
将电枢绕组中理论上电
位相等的点用导体连接起来，
称为 均压线
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
单波绕组每一线圈单元的两条边之间的距离（ Yl）与单叠绕
组一样,单波绕组每一线圈单元的始末端要接到相距约为两个极
距的换向片上，每安放一个线圈单元时。其相应单元边在电枢表
面上移动约为两个极距的槽，所以 Y＝ YK＝ 2τ。第二个线圈单元
与第一个线圈单元处在相同极性的两个磁极下，感应电势方向相
同，可以相加。当依次串联 P个线圈单元，在电枢表面环绕一周后，
第 P个线圈单元的末端要接到第一线圈单元的始端所接换向片 1的
相邻换向片上，以便第二周继续绕下去，所以 p·Y＝ K +-1
因此，单波绕组的换向器节距为 YK＝（ K +-1） / p
当采用 K＋ 1时,p个线圈单元串联后，接到换向片 2上，称右行
绕组，此时端接交叉，很少采用。一般采用 K-1，称左行绕组。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
已知直流电机 2p＝ 4,Z＝ S＝ K＝ 15，要求
绕制一左行单波绕组。
计算节距、画绕组展开图
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
单波绕组的支路对数
显然，单波绕组的支路数和主极数目无关，恒等于 2
单波绕组的电枢电势仍为一支路电势，电枢电流为两
支路电流之和。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组与单叠绕组区别
单叠和单波绕组是直流电机的基本的绕组形式，两者
的根本差别在于它们的换向器节距和合成节距不同，
所以在相同的极数下，两种绕组的支路对数不同。
原则上，电流较大，电压较低的电机，选用并联
支路数较多，串联线圈数较少的单叠绕组；电流较小，
电压较高的电机选用并联支路数较少，串联线圈数较
多的单波绕组。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第四节 直流电机的磁场
直流电机是应用电磁感应原理进行能量转换的，因
此，磁场是产生感应电势和电磁转矩从而实现能量
转换的关键。直流电机的磁场，是绕组中的电流产
生的。直流电机中有两种基本绕组，即励磁绕组和
电枢绕组。
励磁绕组和电枢绕组之间的联接方式称为励磁方式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
励磁方式
励磁方式
他励 自励
并励 串励 复励
第二章 直流电机基本结构和运行分析
各绕组线端的符号见表
绕组名称 电枢绕组 换向绕组 补偿绕组 串励绕组 并励绕组 他励绕组
线端名称 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2
IEC国际标准所规定各绕组线端的符号见表
说明,① 注脚, 1”是始端，为正极；, 2”是末端，为负极。
② 我国现行采用的符号与 IEC国际标准所规定相同。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
空载时，只有励磁绕组中有电流，此时为空载磁场。
直流电机的空载磁场
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
主磁通
主磁路
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
漏磁通
漏磁路
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%。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的磁化曲线
电机主磁通与励磁磁势的关系曲线。
为了感应电动势或产生电磁转
矩，直流电机气隙中需要有一定量
的每极磁通,空载时，气隙磁
通 与空载磁动势 或空载励磁
电流 的关系，称为直流电机的空
载磁化特性。如右图所示。
0?
0? 0fF
0fI
fNI 0fF
0fI
IN
fI
A
0
N?
0?
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 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。
N?
第二章 直流电机基本结构和运行分析
气隙磁密分布曲线
根据磁路的欧姆定律，气隙某处磁通
或磁密的大小，取决于该处的磁势和磁
路磁阻的大小。忽略铁心材料的磁阻。
可认为磁势全部消耗在气隙中，直流电
机的主极气隙是不均匀的，极下部分气
隙大小相等而且数值很小，因此在极下
部分磁密的大小相等且数值较大。靠近
极尖处气隙逐渐增加，磁密明显减小，
在两极之间的几何中心线上，磁密等于
零。若不考虑电枢表面齿和糟的影响，
在一个极距范围内，电枢各点垂直分量
的磁密分布为近似梯形。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢磁场
直流电机带有负载时，电枢绕
组中有电流通过，电枢绕组的电
流也会产生磁场，称为电枢磁场
右图为一台电刷放在几何中性
线的两极直流电机的电枢磁场分
布情况。
假设励磁电流为零，只有电
枢电流。由图可见电枢磁动势产
生的气隙磁场在空间的分布情况，
电枢磁动势为交轴磁动势。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢磁场
如果认为直流电机电枢上
有无穷多整距元件分布，则电
枢磁动势在气隙圆周方向空间
分布呈三角波，如图中 所
示。 axF
由于主磁极下气隙长度基
本不变，而两个主磁极之间，
气隙长度增加得很快，致使电
枢磁动势产生的气隙磁通密度
为对称的马鞍型，如图中
所示。 axB
axB
axF
第二章 直流电机基本结构和运行分析
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 。电枢反应与电刷的
位置有关。
1、当电刷在几何中性线上时，将
主磁场分布和电枢磁场分布叠加，
可得到负载后电机的磁场分布情况，
如图（ a）所示。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
xB0
axB
xB?
主磁场的
磁通密度
分布曲线
电枢磁场磁通
密度分布曲线
两条曲线逐点叠加后得
到负载时气隙磁场的磁
通密度分布曲线
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
2)、对主磁场起去磁作用
1)、使气隙磁场发生畸变
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 交轴去磁性质 。
?
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 角，磁通密度的曲线与空载时不同。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
2、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏
移 角，电枢磁动势
轴线也随之移动
角，如图 (a)(b)所示。
?
?
aqF
这时电枢磁动势可以
分解为两个垂直分量：
交轴电枢磁动势
和直轴电枢磁动
势 。如图 (a)(b)
所示。 ad
F
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第五节 感应电势和电磁转矩
产生,电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电
枢电动势。
大小, nCn
a
pNE
ea ???? 60
性质, 发电机 —— 电源电势 (与电枢电流同方向 );
电动机 —— 反电势 (与电枢电流反方向 ).
)(电动势常数为电机的结构常数其中
a
pNC
e 60?
可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电磁转矩
产生,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
大小,
aTaem ICIa
pNT ????
?2
性质, 发电机 —— 制动 (与转速方向相反 )；
电动机 —— 驱动 (与转速方向相同 )。
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。
为电机的转矩常数，有其中
a
pNC
T ?2? eT
CC 55.9?
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第六节 直流电机的基本方程式
电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速
达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一
定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称
为 电机的基本方程式 。
这些平衡关系应分别符合电学、力学以及能量守恒
定律。因此 分为如下三种方程式
电势平衡方程式 转矩平衡方程式 功率平衡方程式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电势平衡方程式
aE
??
G
?? U
aI
1T
0T
emT
n
fI
?? fU
aabaaa RIUURIUE ?????? 2
电枢电动势：
nCE ea ??
从方程式可见，直流发电机 UE
a ?
aR
为电枢回路总电阻,为正负电
刷与换向器表面的接触压降。则电动势平
衡方程为：
bU?2
第二章 直流电机基本结构和运行分析
转矩平衡方程式
电磁转矩：
aTem ICT ??
直流发电机的励磁电流
01 TTT em ??
emT
直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩,
电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程为：
1T0T
三、励磁特性公式
每极气隙磁通
),( fa IIf??
第二章 直流电机基本结构和运行分析
功率平衡方程式
原动机输入给发电机的机械功率
1P
电磁功率 01 PPP em ?? aaem IET ???
mecP
机械摩擦损耗,铁损耗
FeP
、附加损耗 。
adP
空载损耗 包括：
0P
aE
电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电
功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。 aI
CuaP
电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗
输出的电功率
C uaem PPP ??2
fP
自励发电机中还应减去励磁损耗
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
他励发电机的运行特性
一、空载特性
1Cn? 0?I )( fIfU ?
定义：当, 时，
直流发电机的空载特性是非线性的
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。
空载时,。由于,
因此空载特性实质上就是 。由
于 正比于,所以空载特性曲线的形
状与空载磁化特性曲线相同。
aEU ? nCE ea ??
)( fa IfE ?
aE ?
空载特性曲线上升分支
空载特性曲线下降分支
平均空载特性曲线
U
fI
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
二、外特性
Nnn ? fNf II ? )(IfU ?
定义：当, 时，
外特性曲线如图所示
由曲线可见，负载电流增大时，端电压
有所下降。
他励
并励
U
0U
0 I
aae RInCU ???
根据 可知，端电压下降有两个原因：一是
在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使
每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电
阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
一、自励条件
并励发电机的自励条件和外特性
fI
0
U
1
0fI
A
2
0U
3
曲线 1为空载特性曲线，曲线 2为励磁回路总电阻 特性曲线，
也称场阻线 。
fff RIU ??
fR
增大,场阻线变为曲线 3时,称为临界
电阻 。如图所示。fR fR
crR
若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自
励。
原动机带动发电机旋转时，如果主磁
极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电
动势。在电动势作用下励磁回路产生 。
如果励磁绕组和电枢绕组连接正确,产
生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通
增加，电动势增大,增加。如此不断增
长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，
达到稳定的平衡工作点 A。
fI
fI
fI
ffRI
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
可见，并励直流发电机的自励条件有：
二、空载特性
并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁
化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第
一象限。
（ 1）电机的主磁路有剩磁 （ 3）励磁回路的总
电阻小于该转速下
的临界电阻（ 2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
三、外特性
四、调节特性
并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁
电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。
对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用
和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由
于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一
步下降。
并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
串励发电机
由于励磁绕组、电枢绕组及
负载串联．因此励磁电流、电
枢电流和负载电流三者相等，
即 If＝ Ia＝ I。负载变化时，励
磁电流及磁场随之变化，是串
励发电机的基本特点。
串励发电机的开路特性只有
在它的励磁绕组由其它电源供
电对才能求出。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
复励发电机
电机的主极上装有并励和串励两套
励磁绕组，如果两绕组产生的磁势
方向相同，称为；如果方向相反，
称为差复励。在两个绕组中，并励
绕组的磁势起主要作用，以保证发
电机在空载时能建立额定电压；串
励绕组用来自动调节发电机的电压，
以适应不同负载的要求。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
复励发电机的开路特性与并励发电机的完全一样
积复励发电机又分为过复励、平复励和欠复励。如果
串励绕组的影响较大，则随着负载电流的增加，端电
压上升，称为 过复励 。如果串励绕组的影响较小，则
随着负载电流的增加，端电压仍然下降，称为 欠复励 。
如果在额定负载时，串励绕组的增磁作用在抵消电枢
反应的去磁作用后，增加的感应电势恰好补偿电枢电
阻压降，则满载电压便与开路电压相等，称为 平复励 。
差复励发电机中，串励绕组产生去磁磁势，故随着
负载电流的增加，电机中合成磁通减小使感应电势
和端电压迅速下降，具有陡降的外特性，差复励发
电机只在特殊情况下使用，如直流电焊机等。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
结束语
直流电机的基本结构和运行分析
第二章
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第一节 直流电机的工作原理
? 重点：
? 直流电机的工作原理
? 难点：
? 直流发电机和直流电动机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的作用
电机是进行能量转换的电磁机械设备。
一、电源 二、动力 三、信号传递
机械信号
电信号
控制信号
机械信号机械能 电能 机械能电能
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的分类
电机
变压器
直流电机
直流发电机
直流电动机
交流电机
控制电机
同步电机 同步发电机
同步电动机
异步电机 异步发电机
异步电动机
脉流电机
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的工作原理动画
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电动机的工作原理
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电动机的工作原理动画
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的可逆原理
? 直流发电机和直流电动机的结构是完全相
同的，每一台电机既可作为发电机运行，
也可作为电动机运行
? 电机的实际运行方式由外施条件决定，如在电机
轴上外施机械功率使电枢转动，通过电机可以把
机械功率转换为电功率，作为发电机运行；如果
在电枢线圈中外施电功率，产生线圈电流，通过
电机可以把电功率转换为机械功率，作为电动机
运行。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第二节 直流电机的基本结构
? 静止部分（称为定子）
? 产生磁场和构成磁路,电机机械支撑
? 旋转部分（称为转子）
? 感应电势和产生电磁转矩，实现能量的转换
? 定子和转子之间间隙 （称为空气隙）
? 气隙既保证了电机的安全运行，又是磁路的重
要组成部分
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机结构图
第二章 直流电机基本结构和运行分析
定子的结构
? 机座 ? 主磁极 ? 换向极 ? 电刷装置
第二章 直流电机基本结构和运行分析
转子的结构
? 转轴 ? 电枢铁心 ? 电枢绕组 ? 换向器
第二章 直流电机基本结构和运行分析
制造电机所用主要材料
? 导电材料
? 用于绕组、换向器和电刷
? 绝缘材料
? 电流很难通过的材料称为绝缘材料，又叫电介质。将带电
部分与铁心、机座等接地部件以及电位不同的带电部分在
电气上分离，使电流按一定方向流动
? 导磁材料
? 制造电机和变压器中磁系统的各个部件，如铁心、机座等
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的额定值
? 根据国家标准和要求设计和试验所得的一组反映电
机性能的主要数据，称为电机的额定值 额定条件下电机
所能提供的功率
NP额定功率 指电刷间输出的
额定电功率发电机
指轴上输出
的机械功率 电动机
发电机：是指输出额定电压；
电动机：是指输入额定电压。
在额定工况下，电机
出线端的平均电压
NU额定电压
在额定电压下，运行于
额定功率时对应的电流
NI额定电流
在额定电压、额定电流下，运
行于额定功率时对应的转速
Nn额定转速
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流电机的额定值
此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、
出厂编号等。
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。
fNI额定励磁电流
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
指直流电机的励磁线圈
与电枢线圈的连接方式
励磁方式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第三节 直流电机的电枢绕组
电枢绕组是电能和机械能相互转换的枢纽
研究直流电机电枢绕组，主要是找出电枢绕组
的线圈之间及线圈与换向器之间的连接规律。
不同类型的电枢绕组，具有不同的连接规律。
直流电机的电枢绕组分为单叠绕组、复叠
绕组、单波绕组、复波绕组等几种类型。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
有关电枢绕组的术语
?绕组：在电机内具有规定功能的一组线圈。
?电枢绕组：安放在电机电枢上的绕组，与外部电力系统联接，用以吸收或送出有功功
率。
?线圈单元：电枢绕组的基本单元，由一匝或相互绝缘的多匝组成，两出线端分别接至
换向片上。
?线圈：具有一个或多个线圈单元的组件，通常具有公共绝缘。
?线圈边：线圈中沿电枢铁心轴向的两个直线部分，每只线圈有两线圈边。
?线圈端部：连接两个线圈边的连接部分。
?分布绕组：电枢线圈在电枢圆周上的槽内分布放置，称为分布绕组。与集中绕组的区
别在于集中绕组每一线圈的轴线都互相重叠，分布绕组中每一线圈的轴线彼此移过一
段距离。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
实槽和虚槽
? 直流电机的电枢绕组放置在电枢铁心上的槽内
uZZ u ?
? 每个槽内的上下层各放置若干个线圈单元边,
为了确切的说明这些单元边的具体位置，
引人虚槽的概念
实际槽数 Z与虚槽数 Zu的关系为：
第二章 直流电机基本结构和运行分析
线圈单元数 S和换向片数 K
? 每个线圈单元有两个出线端，每个换向片又
与两个不同线圈单元的两个出线端相连接，
因而线圈单元数等于换向片数，即
KS ?
当一个线圈中有 u个线圈单元时，每槽上下层
各放 u个线圈单元边，此时，线圈单元数和虚
槽数相等，即
uZZKS u ???
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
? 单叠绕组的连接规律：
相邻两线圈在电枢表面仅相差 1个槽，单个线
圈单元的始端和末端之间相隔一个换向片。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
? 单波绕组连接规律
相邻两线圈相隔约为二个极距，
第二线圈单元与第一线圈单元处
在相同极性的两个磁极下，单个
线圈单元的始端与末端相隔约为
两个极距，如电机有 P对磁极，则
连接 P个单元后才回到出发单元的
邻近，并相隔一个槽，以便第二
周继续绕下去，直到所有的线圈
单元均串联起来为止
第二章 直流电机基本结构和运行分析
绕组的型式和节距
各种绕组的连接规律用节距来确定
绕组
节距
极距
线圈节距
换向器节距
后节距
合成节距
相邻两磁极上相应点之间的圆周距离
同元件的两个边所在槽相隔的齿距数
相串联的两个线圈单元的对应边在
电枢表面上的距离
同元件的始端与末端之间的换向片数
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
单叠绕组的每一线圈单
元的始末端分别与相邻的
两换向片相接，所以 Y＝
Yk＝土 1。每安放一个线圈
单元时，其相应单元边移
过一个槽（当一个实槽中
有 u个虚槽时则移过一个虚
槽）。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
已知直流电机 2p＝ 4,Z＝ S＝ K＝ 16，要求绕制
一单叠右行绕组。
1.计算节距 Y1 Y Y2
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
2．绕组展开图 先将 电枢表面展开成平面，
并将 电枢槽、线圈单元及换
向片编号，其中线圈单元及
换向片号与其上层边所在槽
号相同，电枢槽号和换向片
号之间的相对位置，用如下
方法确定：为了使线圈单元
的端接对称，应使每一线圈
单元所接的两个换向片的分
界线与其轴线重合。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
3．主极位置
4．电刷位置和极性
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
5．并联支路数 从图中看出，有四
条支路并联于正负
电刷之间。每一支
路都是由上层边处
在同一主极下的线
圈单元串联而成，
一个主极对应一条
支路，则单叠绕组
的并联支路数恒等
于电机的主极数。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单叠绕组
6．单叠绕组的均压线
将电枢绕组中理论上电
位相等的点用导体连接起来，
称为 均压线
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
单波绕组每一线圈单元的两条边之间的距离（ Yl）与单叠绕
组一样,单波绕组每一线圈单元的始末端要接到相距约为两个极
距的换向片上，每安放一个线圈单元时。其相应单元边在电枢表
面上移动约为两个极距的槽，所以 Y＝ YK＝ 2τ。第二个线圈单元
与第一个线圈单元处在相同极性的两个磁极下，感应电势方向相
同，可以相加。当依次串联 P个线圈单元，在电枢表面环绕一周后，
第 P个线圈单元的末端要接到第一线圈单元的始端所接换向片 1的
相邻换向片上，以便第二周继续绕下去，所以 p·Y＝ K +-1
因此，单波绕组的换向器节距为 YK＝（ K +-1） / p
当采用 K＋ 1时,p个线圈单元串联后，接到换向片 2上，称右行
绕组，此时端接交叉，很少采用。一般采用 K-1，称左行绕组。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
已知直流电机 2p＝ 4,Z＝ S＝ K＝ 15，要求
绕制一左行单波绕组。
计算节距、画绕组展开图
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组
单波绕组的支路对数
显然，单波绕组的支路数和主极数目无关，恒等于 2
单波绕组的电枢电势仍为一支路电势，电枢电流为两
支路电流之和。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
单波绕组与单叠绕组区别
单叠和单波绕组是直流电机的基本的绕组形式，两者
的根本差别在于它们的换向器节距和合成节距不同，
所以在相同的极数下，两种绕组的支路对数不同。
原则上，电流较大，电压较低的电机，选用并联
支路数较多，串联线圈数较少的单叠绕组；电流较小，
电压较高的电机选用并联支路数较少，串联线圈数较
多的单波绕组。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第四节 直流电机的磁场
直流电机是应用电磁感应原理进行能量转换的，因
此，磁场是产生感应电势和电磁转矩从而实现能量
转换的关键。直流电机的磁场，是绕组中的电流产
生的。直流电机中有两种基本绕组，即励磁绕组和
电枢绕组。
励磁绕组和电枢绕组之间的联接方式称为励磁方式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
励磁方式
励磁方式
他励 自励
并励 串励 复励
第二章 直流电机基本结构和运行分析
各绕组线端的符号见表
绕组名称 电枢绕组 换向绕组 补偿绕组 串励绕组 并励绕组 他励绕组
线端名称 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2
IEC国际标准所规定各绕组线端的符号见表
说明,① 注脚, 1”是始端，为正极；, 2”是末端，为负极。
② 我国现行采用的符号与 IEC国际标准所规定相同。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
空载时，只有励磁绕组中有电流，此时为空载磁场。
直流电机的空载磁场
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
主磁通
主磁路
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
漏磁通
漏磁路
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%。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电机的磁化曲线
电机主磁通与励磁磁势的关系曲线。
为了感应电动势或产生电磁转
矩，直流电机气隙中需要有一定量
的每极磁通,空载时，气隙磁
通 与空载磁动势 或空载励磁
电流 的关系，称为直流电机的空
载磁化特性。如右图所示。
0?
0? 0fF
0fI
fNI 0fF
0fI
IN
fI
A
0
N?
0?
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 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。
N?
第二章 直流电机基本结构和运行分析
气隙磁密分布曲线
根据磁路的欧姆定律，气隙某处磁通
或磁密的大小，取决于该处的磁势和磁
路磁阻的大小。忽略铁心材料的磁阻。
可认为磁势全部消耗在气隙中，直流电
机的主极气隙是不均匀的，极下部分气
隙大小相等而且数值很小，因此在极下
部分磁密的大小相等且数值较大。靠近
极尖处气隙逐渐增加，磁密明显减小，
在两极之间的几何中心线上，磁密等于
零。若不考虑电枢表面齿和糟的影响，
在一个极距范围内，电枢各点垂直分量
的磁密分布为近似梯形。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢磁场
直流电机带有负载时，电枢绕
组中有电流通过，电枢绕组的电
流也会产生磁场，称为电枢磁场
右图为一台电刷放在几何中性
线的两极直流电机的电枢磁场分
布情况。
假设励磁电流为零，只有电
枢电流。由图可见电枢磁动势产
生的气隙磁场在空间的分布情况，
电枢磁动势为交轴磁动势。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢磁场
如果认为直流电机电枢上
有无穷多整距元件分布，则电
枢磁动势在气隙圆周方向空间
分布呈三角波，如图中 所
示。 axF
由于主磁极下气隙长度基
本不变，而两个主磁极之间，
气隙长度增加得很快，致使电
枢磁动势产生的气隙磁通密度
为对称的马鞍型，如图中
所示。 axB
axB
axF
第二章 直流电机基本结构和运行分析
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 。电枢反应与电刷的
位置有关。
1、当电刷在几何中性线上时，将
主磁场分布和电枢磁场分布叠加，
可得到负载后电机的磁场分布情况，
如图（ a）所示。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
xB0
axB
xB?
主磁场的
磁通密度
分布曲线
电枢磁场磁通
密度分布曲线
两条曲线逐点叠加后得
到负载时气隙磁场的磁
通密度分布曲线
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：
2)、对主磁场起去磁作用
1)、使气隙磁场发生畸变
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 交轴去磁性质 。
?
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 角，磁通密度的曲线与空载时不同。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电枢反应
2、当电刷不在几何中性线上时
电刷从几何中性线偏
移 角，电枢磁动势
轴线也随之移动
角，如图 (a)(b)所示。
?
?
aqF
这时电枢磁动势可以
分解为两个垂直分量：
交轴电枢磁动势
和直轴电枢磁动
势 。如图 (a)(b)
所示。 ad
F
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第五节 感应电势和电磁转矩
产生,电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电
枢电动势。
大小, nCn
a
pNE
ea ???? 60
性质, 发电机 —— 电源电势 (与电枢电流同方向 );
电动机 —— 反电势 (与电枢电流反方向 ).
)(电动势常数为电机的结构常数其中
a
pNC
e 60?
可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电磁转矩
产生,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
大小,
aTaem ICIa
pNT ????
?2
性质, 发电机 —— 制动 (与转速方向相反 )；
电动机 —— 驱动 (与转速方向相同 )。
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。
为电机的转矩常数，有其中
a
pNC
T ?2? eT
CC 55.9?
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第六节 直流电机的基本方程式
电机在稳态运行，即电机的负载、励磁电流以及转速
达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在着一
定的平衡关系，它们可表达为相应的平衡方程式，称
为 电机的基本方程式 。
这些平衡关系应分别符合电学、力学以及能量守恒
定律。因此 分为如下三种方程式
电势平衡方程式 转矩平衡方程式 功率平衡方程式
第二章 直流电机基本结构和运行分析
电势平衡方程式
aE
??
G
?? U
aI
1T
0T
emT
n
fI
?? fU
aabaaa RIUURIUE ?????? 2
电枢电动势：
nCE ea ??
从方程式可见，直流发电机 UE
a ?
aR
为电枢回路总电阻,为正负电
刷与换向器表面的接触压降。则电动势平
衡方程为：
bU?2
第二章 直流电机基本结构和运行分析
转矩平衡方程式
电磁转矩：
aTem ICT ??
直流发电机的励磁电流
01 TTT em ??
emT
直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩,
电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程为：
1T0T
三、励磁特性公式
每极气隙磁通
),( fa IIf??
第二章 直流电机基本结构和运行分析
功率平衡方程式
原动机输入给发电机的机械功率
1P
电磁功率 01 PPP em ?? aaem IET ???
mecP
机械摩擦损耗,铁损耗
FeP
、附加损耗 。
adP
空载损耗 包括：
0P
aE
电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电
功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。 aI
CuaP
电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗
输出的电功率
C uaem PPP ??2
fP
自励发电机中还应减去励磁损耗
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
他励发电机的运行特性
一、空载特性
1Cn? 0?I )( fIfU ?
定义：当, 时，
直流发电机的空载特性是非线性的
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。
空载时,。由于,
因此空载特性实质上就是 。由
于 正比于,所以空载特性曲线的形
状与空载磁化特性曲线相同。
aEU ? nCE ea ??
)( fa IfE ?
aE ?
空载特性曲线上升分支
空载特性曲线下降分支
平均空载特性曲线
U
fI
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
二、外特性
Nnn ? fNf II ? )(IfU ?
定义：当, 时，
外特性曲线如图所示
由曲线可见，负载电流增大时，端电压
有所下降。
他励
并励
U
0U
0 I
aae RInCU ???
根据 可知，端电压下降有两个原因：一是
在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使
每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电
阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
第七节 直流发电机的运行特性
一、自励条件
并励发电机的自励条件和外特性
fI
0
U
1
0fI
A
2
0U
3
曲线 1为空载特性曲线，曲线 2为励磁回路总电阻 特性曲线，
也称场阻线 。
fff RIU ??
fR
增大,场阻线变为曲线 3时,称为临界
电阻 。如图所示。fR fR
crR
若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自
励。
原动机带动发电机旋转时，如果主磁
极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电
动势。在电动势作用下励磁回路产生 。
如果励磁绕组和电枢绕组连接正确,产
生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通
增加，电动势增大,增加。如此不断增
长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，
达到稳定的平衡工作点 A。
fI
fI
fI
ffRI
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
可见，并励直流发电机的自励条件有：
二、空载特性
并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁
化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第
一象限。
（ 1）电机的主磁路有剩磁 （ 3）励磁回路的总
电阻小于该转速下
的临界电阻（ 2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
三、外特性
四、调节特性
并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁
电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。
对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用
和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由
于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一
步下降。
并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
串励发电机
由于励磁绕组、电枢绕组及
负载串联．因此励磁电流、电
枢电流和负载电流三者相等，
即 If＝ Ia＝ I。负载变化时，励
磁电流及磁场随之变化，是串
励发电机的基本特点。
串励发电机的开路特性只有
在它的励磁绕组由其它电源供
电对才能求出。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
复励发电机
电机的主极上装有并励和串励两套
励磁绕组，如果两绕组产生的磁势
方向相同，称为；如果方向相反，
称为差复励。在两个绕组中，并励
绕组的磁势起主要作用，以保证发
电机在空载时能建立额定电压；串
励绕组用来自动调节发电机的电压，
以适应不同负载的要求。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
直流发电机的运行特性
复励发电机的开路特性与并励发电机的完全一样
积复励发电机又分为过复励、平复励和欠复励。如果
串励绕组的影响较大，则随着负载电流的增加，端电
压上升，称为 过复励 。如果串励绕组的影响较小，则
随着负载电流的增加，端电压仍然下降，称为 欠复励 。
如果在额定负载时，串励绕组的增磁作用在抵消电枢
反应的去磁作用后，增加的感应电势恰好补偿电枢电
阻压降，则满载电压便与开路电压相等，称为 平复励 。
差复励发电机中，串励绕组产生去磁磁势，故随着
负载电流的增加，电机中合成磁通减小使感应电势
和端电压迅速下降，具有陡降的外特性，差复励发
电机只在特殊情况下使用，如直流电焊机等。
第二章 直流电机基本结构和运行分析
结束语
