电机与拖动基础：第五篇直流电机

第 5篇 直 流 电 机
第 17章 直流电机的工原理和主要
结构
? 1.1.1直流电机的主要结构,
如图所示,
直流电机由静止的部分 定子 和旋转的部分
转子 两大部分构成,
1、定子部分：定子包括机座、主磁极、换
向极和电刷装置等。
1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极
是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞
损耗，主磁极铁心用 1～ 1.2mm厚的低碳
钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机
座上。
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,
2）、换向极：换向极又称附加极或间极,其作
用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极
之间，它也是由铁心和绕组构成。
3）、机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，
二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起
机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁
性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用
铸钢或厚钢板焊成。
4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢
绕组与静止的外电路相连接，并与换向
器相配合，起到整流或逆变器的作用。
2、转子部分：转子又称为电枢，包括电枢
铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和
轴承等。
? 1）电枢铁心：示电机主磁路的一部分，
用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋
转时
电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡
流损耗，电枢铁心通常用 0.5mm厚的两
面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。
2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律
联接的线圈组成，它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。
1.1.2 直流电机的工作原理,
1、直流发电机的工作原理,
如图所示,
从以上分析可以看出，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。
2、直流电动机的工作原理,
从以上分析可见，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。
? 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。
? 1.1.3直流电机的额定值,为了使电机安全可靠
地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据
国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行
中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，
这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定
值有,
? 1．额定容量 （功率）（ kW）
? 2．额定电压 （ V）；
? 3．额定电流 （ A） ;
? 4．额定转速 （ r／ min）；
? 5．励磁方式和额定励磁电流 （ A）
NP
NU
NI
Nn
fNI
注意：额定容量,对直流发电机来说，是指
电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，
是指轴上输出的机械功率 。
? 所以，直流发电机的额定容量为,
? 而直流电动机的额定功率为,
NNN IUP ?
NNNN IUP ??
1.2 直流电机的电枢绕组
? 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。
因此，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。
?
? 1.2.1 名词术语介绍
? （ 1）极轴线：磁极的中心线；
? （ 2）几何中性线：磁极之间的平分线,
? （ 3）,极对数；
? （ 4） 极距：在电枢铁心表面上，一个
极所占的距离。可用槽数表示,
（槽），式中 Z为电枢总槽数；
? （ 5）元件（线圈）：是绕组的一个基本
单元，可为单匝，也可为多匝,
p
?
p
Z
2??
? （ 6）元件节距 （第一节距）：元件两
条边的距离，以槽数计，总是整数,
? 整数
?,是使凑成整数的分数。
? 7）合成节距
? 8）换向器节距 通常用换向片数 K来
表示。
1y
??? ?
p
Z
y
21
?
y
ky
1.2.2 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,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。
下面通过例子说明单叠绕组如何连接，有
何特点。
例,已知某直流电机的极对数 =2,槽数
件数 S及换向片数为,试
画出单叠绕组展开图。
1?ky
p Z
16??? KSZ
? 解,1．计算绕组数据
因为是单叠，所以
2．画绕组展开图,
（ 1）先画 16根等长、等距的实线，代表各
槽上层元件边，再画 16根等长等距的虚线，
代表各槽下层元件边。
4
22
16
21
?
?
??? ?
p
Zy
1?? kyy
? （ 2）根据,画出第一个元件的上下层
边（ 1～ 5槽），令上层边所在的槽号为元
件号；
? （ 3）接上换向片,1,2片之间对准元件
中心线，之后等分换向器，定出换向片号；
? （ 4）画出第二个元件，上层边在第 2槽，
与第一个元件的下层边联接；下层边在第 6
槽与 3号换向联接。按此规律，一直把 16
个元件全部联起来。
1y
? （ 5）放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，
N极磁力 线垂直向里（进入纸面）,S极向外
（从纸面穿出）；
? （ 6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向
片宽（实际上 K很多，电刷宽＝ 2～ 3片宽）。并
把相同极性下的电刷并联起来。实际运行时，电
刷是静止不动的，电枢在旋转,但是被电刷所短
路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其
感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出
的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电
动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的
实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为
,电刷放在几何中性线位置,
? 2.单叠绕组电路图,
? 为了进一步说明单叠绕
组各个元件的联接次序
及其电动势分布情况，
按图将各元件的联接顺
序，可得到如图所示的
绕组电路图。
? 从以上分析可以总结出，
单叠绕组具有以下特点,
? （ 1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片
上；
? （ 2）并联支路数等于磁极数,；
? （ 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）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷
不能少，电刷数等于磁极数；
? （ 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，即 （式中 为每一条支路
的电流，即绕组元件中流过的电流）。
pa 22 ?
aI
aa aiI 2? ai
? 从上面的分析可知，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。
第 18章 直流电机的磁场、电枢
反应和电枢绕组
18,1 空载和负载时直流电机的磁动势
和磁场
在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先
来了解一下直流电机是如何建立磁场的。
一、直流电机的励磁方式,
即：我们要看一下直流电机是如何给他的 励
磁绕组通电的。
他励式
积复励 差复励
1,串励式
2,并励式
3,复励式
自励式
直流电机的励磁方式
1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，
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,
2）并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，满足,
fa III ??
af UU ? fa III ??
3）复励式：在整个励磁回路中，有两套励
磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套
和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组
所产生的磁动势的关系，又可分为积复
励和差复励,
积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁
动势方向一致，互相叠加，反之，叫做
差复励,
fS FFF ???
Sf FFF ???
二、空载时直流电机的磁场分布,
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。那么, 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,
0?
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,。
特点,
1）由同一个磁动势所产生
2）所走的路径不同，这就导致了他们对
应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，
在这里，气隙磁场的大小和分布直接关
系到电机的运行性能，所以，这一点将
是我们主要研究的方向。
??
1）、如图所示,
极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙,
显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显
大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线
处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过
数学形式来看一下,
设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴, 又设
电枢长度为, 则离开坐标原点为 的 范围
内的气隙主磁通为,
x
l
ld xBd xx ??
dxx
则空载时每极主磁通为,
???
?
?
?
?
????? 2
2
2
2
0
?
?
?
? dxBll d xBd xxx
lB av ??
换言之，空载时的每极磁通是随磁动势
或励磁电流的变化而变化。
2）电机的磁化曲线,
在额定状态下，电机往往工作在饱和点附
近，这样即可以获得较大的磁通，又不致
需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁
心和励磁绕组的材料。
三、负载时的气隙磁场和电枢磁动势,
1、负载时的气隙磁场,
励磁电流所建立的磁场 电枢电流所建立的磁场
气隙磁场
显然，由于电枢磁动势的出现，气隙磁场将会发生
变化，而这个变化的性质将是我们下面研究的重
点
电枢反应,电枢磁动势对主极气隙磁场的影响称为
电枢反应。
而电枢反应的性质又根据其反应方向的不同，分为
交轴电枢反应和直轴电枢反应，下面我们就来具
体的看一下他们二者对我们的气隙磁场的分部到
底会有怎样的影响，而这个影响又和电刷在电机
上位置的摆放密切相关,
一、电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场,
如图可见,
此时产生的是交轴磁动势，对此时的电机
进行数学分析，我们得到一个有关磁动
势分布的表达式,
其中,A叫做电枢线负载，也就是电枢
表面单位周长上的安培导体数,x是沿
圆周方向的 距离，因此，我们可以得到
磁密的空间分布式,
AxF a x ?
? ?
? AxB a x u 0
其中,为气 隙计算长度，可见，磁密的
分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚
好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。
二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势,
看图：引出了直轴电枢磁动势,
直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极
轴线重合，称为直轴电枢磁动势。
三、交轴、直轴电枢反应,
1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场
的影响。
??
在这里，我们为了分析问题的简单,
假定（ 1）磁场是不饱和的，（ 2）发电机电
枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，
我们就可以对上图进行叠加，可知
A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁
作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气
隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的
位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称
之为物理中性线。
B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去
磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。
2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性
线上，出现了直轴电枢反应，从图上可
以看出,
A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动
一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去
磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个
夹角，则直轴电枢反应将是增磁的,
B:若为电动机，刚好相反，这里不在具体
分析。
18.2 直流电机的电枢绕组
绕组的重要性我们在这里不在重复，要注意的是：
电枢绕组的连接须满足在能通过规定的电流和产
生足够的电动势前提下，尽可能的节省材料，并
且希望结构简单，运行可靠。
一、介绍几个概念,
（ 1）极轴线：磁极的中心线；
（ 2） 几何中性线：磁极之间的平分线,
（ 3）,极对数；
p
（ 4）极距,在电枢铁心表面上，一个
极所占的距离。可用槽数表示,
（槽），式中 Z为电枢总槽数；
（ 5）元件（线圈）：是绕组的一个基本
单元，可为单匝，也可为多匝，元件的
两个出线端分别接到两片换向片上，并
与其他元件相连。一个元件边放在槽的
上层，另一边放在另一槽的下层，因此，
一个槽里总有上下层两个线圈边，称为
双层绕组，见图所示；
?
p
Z
2??
（ 6） 元件节距 （ 第一节距 ）,元件两条边的
距离, 以槽数计, 总是整数 。
整数
其中,
,凑整分数 。
= 0，, 绕组称为整距绕组
取负值, 称为短距绕组
取正号时, 称长距绕组 。 短距绕组
端接短, 省铜, 且有利于换向, 故常用；
1y
??? ?pZy 21
?
? ??1y
? ??1y
? ??1y
（ 7） 合成节距,相串联两个元件的
对应边在电枢表面上的距离, 称为合成
节距, 通常也用槽数来表示
（ 8） 换向器节距, 元件两个出线端
所接换向片的距离, 通常用换向片数 K
来表示 。
二, 单叠绕组,
在这里, 我们用一个具体的事例来给大家
进行分析 。
y
ky
例：已知某直流电机的极对数 ＝ 2,槽数,
元件数 S及换向片数 K为,
试画出单叠绕组展开图 。
解,1,计算绕组数据
因为是单叠, 所以
2,画绕组展开图
为了清晰和直观起见, 工程上都把电机的电
枢绕组图画成沿电枢轴线切开, 展成平面的
绕组展开图 。
p Z
16??? KSZ
4
22
16
21
?
?
??? ?
p
Zy
1?? kyy
（ 1）先画 16根等长、等距的实线，代表各槽
上层元件边，再画 16根等长等距的虚线，代
表各槽下层元 件边。实际上一根实线和一根
虚线代表一个槽，依次把槽编上号，如图 18-
6所示；
（ 2） 根据, 画出第一个元件的上下层边
（ 1～ 5槽 ）, 令上层边所在的槽号为元件号；
（ 3） 接上换向片, 1,2片之间对准元件中心线,
之后等分换向器, 定出换向片号；
（ 4） 画出第二个元件, 上层边在第 2槽, 与第
一个元件的下层边联接；下层边在第 6槽与 3
号换向联接 。 按此规律, 一直把 16个元件全
部联起来 。
1y
5）放磁极：磁极宽度约为 均匀分布
在圆周上,N极磁力线垂直向里（进入
纸面）,S极向外（从纸面穿出）；
6）放电刷：对准在磁极轴线下，画一个
换向片宽（实际上 K很多，电刷宽 ＝
2～ 3片宽）。并把相同极性下的电刷并
联起来。 实际运行时，电刷是静止不动
的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的
元件，永远都是处于电机的几何中性线，
其感应电动势是接近零的。
?7.0
kb
可以看出, 一个极下导体电流的方向是
完全一致的 （ 同一槽中上下层边不属于
同一线圈 。 但电流的方向一致 ） 。 而且,
N,S极下导体电流的方向相反, 所以能
产生一个方向固定的转矩 。
1.单叠绕组元件联接次序图
从第 1号元件开始, 绕电枢一周, 把全
部元件边都串联起来, 之后又回到第 1
号元件的起始点 1。 可见, 整个绕组是
一个闭合回路 。
2.单叠绕组电路图,
为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接
次序及其电动势分布情况, 按图 18-7各元
件的联接顺序, 可得到如图 18-8所示的绕
组电路图 。 从图 18-8可以看出, 每个极下
的元件组成 一条支路, 这就是说, 单叠绕
组的并联支路数正好等于电机的极数, 即
（ 为并联 支路对数 ） 。 这是单叠
绕组的重要特点之一 。
pa 22 ? a
从以上分析可以总结出, 单叠绕组具有以下
特点,
（ 1） 元件的两个出线端联接于相邻两个换向
片上；
（ 2）并联支路数等于磁极数,
（ 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） 每条支路由不相同的电刷引出, 所以
电刷不能少, 电刷数等于磁极数；
（ 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, 即 （ 式中 为每
一条支路的电流, 即绕组元件中流过的
电流 ）,在元件端接线对称的情况下,
电刷的实际位置应在磁极中心线下, 此
时, 正负电刷间引出的电动势亦为最大,
此时电刷的位置, 习惯上称为, 电刷放
在几何中性线位置,
aa aiI 2? ai
三、单波绕组：如图所示，因为绕组连接起来后像
波浪形，所以得名。
相关概念,
1）节距,整数
整数
?? ??
p
Zy
21
12 yyy ??
??
p
Ky
k
1?
单波绕组展开图,
我们以一个具体的例子来看这个问题,
已知某直流电机极对数 p＝ 2,槽数, 元件
数及换向片数为 z=s=k＝ 15。 要求绕成单
波绕组 。
解,1） 计算相关节距,
2） 连图,
2）绕组元件连接次序,
从绕组展开图可以后出, 全部 15个元件是按下列次
序串联而构成一个闭合回路的, 即,
1→8→15→7→14→6→13→5→12→4→11→3→10→2→9
→1 这样, 我们就可以作出他的次序图,
4）单波绕组电路图,
根据单波绕组 15个元件的串联次序及电刷位
置, 可以画出本例单波绕组的电路图如图所示 。
可以看出, 元件 15,7,14,6,13串联在一起,
即处在 S极下的所有元件串联在一起构成一条支
路, 各元件的电动势方向是相同的 。 元件 4,11,
3,10,2串联在一起, 构成另一条支路, 它们
的电动势方向也是相同的 。 由此可见, 单波绕
组是把所有 N极下的全部元件串联起来组成了一
条支路, 把所有 S极下的全部元件串联起来组成
了另一支路 。
由于磁极只有 N,S之分, 所以单
波绕组的支路 图 对数与极对数多少无关,
永远
为 1,即,a＝ 1,如图,
单波绕组有以下特点,
（ 1） 同极性下各元件串联起来组成一条支路支
路对数, ＝ 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） 电刷组数应等于极数 （ 采用全额电刷 ） ；
（ 4） 电枢电流 。
aa iI 2?
从上面的分析可知, 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,
所以这种绕组适用于较高电压, 较小电
流的电机, 至于大容量的电机, 可以采
用混合绕组 。
18.3直流电机的电枢电动势和
电磁转矩
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, 我们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 表示, 极距
为, 电枢的轴向有效长度为, 每极磁通为 Ф，
则
avB
?
l
l
? 一根导体的平均电动势为,
? 又因为,
? 所以,
l
B av
?
??
lvBe avav ?
602
npv ??
602
npe
av ??
因为一条支路里的串联总导体数 （ N
为电枢总导体数,），于是，
电枢电动势为,
式中,
是一个常数，称为电动势常数。
a
N
2
ySNN 2?
nCn
a
pN
n
p
a
N
e
a
N
E
e
ava
????
????
60
60
2
22
a
pNC
e 60?
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是一样的,
1）先求一个导体的平均电磁力,
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,
aavav ilBf ??
2
DfT
avx ?
3）电机总的电磁转矩则为,
式中,是一个常数，称为转矩常数,
是电枢总电流，从表达
式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁
通和电枢电流。
aTa
aa
av
ICI
a
pN
p
N
a
I
l
l
D
N
a
I
lBT
????
?
?
??
?
?
?
?
2
2
2
222
a
pNC
T ?2?
aa aiI 2?
?, 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
一固定的关系,
? 或
三、直流电机的电磁功率,
eC T
C
55.9
2
60 ??
?e
T
C
C
eT CC 55.9?
?????
?
?????
TI
a
pN
I
a
pN
nICIEP
a
aaeaaM
?
?
2
2
60
60
第 19章 直流电机的基本方程式和
运行特性
19.1 直流发电机的基本方程式
在这里，首先对正方向进行规定：和交流电机一
样，我们令对发电机而言，电流流出为正方向；
对电动机而言，电流流入为正方向。
一、电动势平衡方程式,
如图所示, 根据基尔霍夫第二定律, 对任一有源的
闭合回路, 所有电动势之和等于所有电压降和
（ ）, 有,
? ?? UE
二、转矩平衡方程式,
直流发电机在稳态运行时，电机的转速为 n,
作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动
机输入给发电机转轴上的驱动转矩 ；一
个是电磁转矩 T； 还有一个是电机的机械摩擦、
风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，
用表示 T0,.空载转矩是一个制动性转矩,永远
与转 速 n的方向相反
由上图可的,
ffff
aaa
RIrrIU
RIUE
???
??
? )(
01 TTT ??
1T
三、功率平衡方程式,
从原动机输入的机械功率可用下式表示,
式中电磁功率 PM为转换成电枢回路的
电功率,
0011 )( PPTTTP M ???????
aaaaaaaaM RIUIIRIUIETP 2)( ???????
c u ac u fc u af ppPpIIU ?????? 2)(
其中,
空载损耗 为,
由以上各式可得,
aac u a RIp
2?
0p
admFe pppp ???0
c u ac u fadmFe pppppPP ?????? 21
??? pP 2
如此，则发电机的效率为,
额定负载时, 直流发电机的效率与电机
的容量有关 。 10kW以下的小电机, 效
率约为 75% ~ 88,5 % ；
10~ 100kW 的, 效 率 约 为
85%~90%;100~1000kW的电机,
效率约为 88%~93%。
?
?
?
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pP
p
P
P
21
2 1?
19.2直流发电机的运行特性
所谓运行特性，就是要找出电机在工作的
过程中所展现的某些特性，并将这些特性
用曲线的形式进行表示，在直流电机中，
我们要重点掌握的有,
（ 1） 负载特性
指当 n=常数且 I=常数时, U=f(If)的关系,
其中当 I=0时的特性 U0=f(If)称为发电机
的空载特性 。
（ 2） 外特性
指当 n=常数且 If=常数或 Rf=常数时,
U=f(I)的关系
（ 3） 调节特性
指当 n=常数且 U=常数时, If=f(I)的
关系 。
（ 4） 效率曲线
下面进行详细的几种主要特性的介绍,一,
他励直流发电机的空载特性,
实验条件：如图所示,
)( 2Pf??
打开闸刀开关 Q,调节电阻ｒ ? 从而改
变励磁电流, 由零开始单调增长直
至, 然后让 单调减小至
零 再 反 向 单 调 增 加 直 至 负 的
为, 然后又使 单调减小
至零 。 在调节过程中读取空载端电压
与励磁电流 数组数据, 即的空载特性,
如图 19－３所示 。
fI
NUU )3.1~1.1(0 ? fI
NU)3.1~1.1(0U fI
0U fI
分析特性,
1） 由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的
曲线 是一闭合的回线。
2）由于电机有剩磁，使得 时仍有
一个 很低的电压，称之为剩磁电压，其
值约为的２％ ~４ %。实际使用时，一
般取回线的平均值（如图中的虚线所示）
作为空载特性。
3）空载特性 与电机的磁化曲线
形状相似，只差一个比例常数。
)(0 fIfU ?
0?fI
)(0 fIfU ?
)(0 fIf??
4）空载特性与励磁方式无关，因此并励
发电机的空载特性也可以用上述方法求
取，他励直流发电机的空载特性是直流
电机最基本的特性曲线。
二、他励直流发电机的外特性,
实验条件,使发电机接上负载，当原动机
保持,调节 使之不变，
然后改变负载使 从零增加到,读
取, 之值，即得到外特性曲
线,如图 19－４所示。电流
增大时，端电压下降，其原因有两个,
Nnn ? fNf II ?
I
NI
U I
)(IfU ?
⑴ 负载增大时, 电枢反映的去磁作用增强, 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 。
而我们发现并励方式下, 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
一不也影响了励磁电流使之减小, 这样一来,
又使得的电枢电动势双重减小, 所以, 并励
下降的更快一些 。
电压变化率,由空载倒负载，电压下降的程度。
他励直流发电机的电压变化率约为５％ ~１０
％。
三、他励直流发电机的效率曲线,
不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载
的大小无关，称为不变损耗。
可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与
成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实
验的方法得到效率曲线。如图,
%1 0 00 ?
?
??
N
N
U
UU
U
2aI
我们发现效率特性在经过一个峰值后开
始下降，那么，这是为什么呢？
分析：我们知道在负载较小时，电机内的
损耗主要以不变损耗为主，随着负载的
增加，电枢电流也在随之增加，这样，
铜损耗的作用开始显著，当增加到和不
变损耗相等时，出现效率最大点，随后，
若继续增加负载，可变损耗将有大量的
以热的形式存在，并且增大的速度比不
上铜损耗 增加速度，使效率反而随着输
出的增大而降低 。
2P
四、并励直流发电机的自励建压,
在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：
他励式和自励式，现在，我们就来看看这种
自励过程是如何实现的：如图所示
由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由
原动机推动至额定转速时，发电机两端将发
出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又
是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用
下，励磁绕组将流过一个不大的电流，并产
生一个不大的励磁磁动势。如果励磁绕组接
法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的
剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁
通和由它产生的电枢端电压有所增加。在比
较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步
加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端
电压又进一步加大。如此反复作用下去，发
电机的端电压便自动建立起来。这就是发电
机自励过程。
在自励过程中, 发电机的电压是否会无限制地
增长下去呢？ 从图 19-8可以清楚地看出, 当
发电机的电压上升到 P点所对应的电压时, 恰
好等于励磁电流通过励磁回路所需的电阻压
降, 因此电枢电压和励磁电流都不会再增加,
自励过程达到了稳定状态 。
有以上分析可知并励发电机的自励条件,
1） 电机必须有剩磁。
2） 励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须
正确配合，以使励磁电流产生的磁场方
向与剩磁方向一致。
3）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。
必须明确, 发电机的转速不同时，空载
特性也不同。因此，对应于不同的转速
便有不同的临界电阻。
? 如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应
的临界电阻值, 电机是不可能自励的, 这
时唯一的办法是提高电机的转速, 从而提
高其临界电阻值 。
19.3 直流电动机
一、直流电动机的基本方程式,
在这里，我们规定以电流流入的方向为正方
向。
1、电动势平衡方程式,
U=Ea+Ia(Ra+Rc)
在电动机中，显然端电压必须大于反电动势，
由此得到电动机的转速为,
励磁回路的电动势方程为,
转矩平衡方程式,
?
??
?
e
caa
C
RRIU
n
)(
ffff RIrrIU ??? ? )(
LTTTT ??? )( 02
当 T=TL时，电机稳态运行。
3）功率平衡方程式：并励直流电机从电
源输入的电功率为,
P1 = UI=U（ Ia+If） =
[Ea+Ia（ Ra+Rc） ]Ia+UIf=
EaIa+Ia2（ Ra+Rc） + UIf=
PM+pCUa+pCUf
0202 )( pPTTTIEP aaM ????????
admFe pppp ???0
所以，综合以上分析可的,
式中的
为电机的总损耗。
???
??????
pP
pppppPP admFec u ac u f
2
21
admFec u ac u f pppppp ??????
二、直流电动机的 工作特性,
直流电动机的工作特性，是指在 U=UN,
时,转速 n,电磁转矩 T和效率
随输出功率 而变化的关系。
1、他励（并励）直流电动机的工作特性,
1）转速特性,
条件：,, 时,
的关系，叫做转速特性。
?
2P
fNf II ?
NUU ? fNf II ? 0?cR
? ?aIfn ?
?
??
?
?
?
?
Ce
RnI
Ce
R
Ce
Un a
a
aN
0
2）转矩特性,
3）效率特性,
三、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 。 因此, 其工作特
性将与他 （ 并 ） 励直流电机的工作特性
有所不同 。
1） 转速特性,
2） 转矩特性,
串励电动机有较大的起动转矩与过载能
力, 这是两个很好的优点 。 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 。
串励电动机的效率特性，和他（并）励
电动机相似,
四、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 。
19.4 直流电机的换向
一、换向的物理过程：如图所示,
这样就完成了整个换向过程，在整个过
程中，我们理想化电机不会发生火花，
但实际上这是不可能的，因此，换向元
件中不可能没有感应电动势。
二、换向元件中的感应电动势
1）电抗电动势,
换向元件中, 在电流变化时, 必然出现
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 。
re
dt
di
Leee rMLr ????
经过推导，可得电抗电动势为,
可见电机的负载越重,转速越高, 则 越大 。 根
据楞次定律, 漏感的作用总是阻碍电流变化
的, 因为电流是在减少, 所以其方向必与 +
方向相同 。
2） 电枢反应电动势,
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, 而在其中
产生一种旋转电动势, 称为电枢反应电动势 。
为,
niKLe arr
30
?
re
ai
aaca lvBNe 2?
因为,,所以,即当负载
越重, 转速越高时, 越大 。 据右手定
则可以判定, 无论是发电机或电动机状
态, 的方向总是与换向前元件中电
流方向相同, 即与方向相同, 也是阻碍
换向的 。
3） 电刷下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 +, 因此在换向元件中, 会产
生附加的换向电流,
nva ? aa IB ? nIe aa ?
ae
ae
reae
Ki
??
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R
ee
R
e
i raK
由 所建立的电磁能量 要释放出来 。
当这部分能量足够大时, 它将以火花的形式
从后刷边放出, 使维持连续, 这就是电刷下
产生火花的电磁原因 。 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 。
三, 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 。 目前最有效的办法是装换向极 。
对换向极的要求是,
Ki
rLik
2
2
1
（ 1） 换向极应装在几何中性线处；
（ 2） 换向极的极性应使所产生的方向与
电枢反应磁动势的方向相反 。
（ 3） 由于 是随负载的大小及转速
而变化的, 为使换向电动势 在任何负
载下都能抵消, 要求 。 根
据, 需要, 所以换向极
绕组必须与电枢绕组串联, 而且换向极
磁路应不饱和 。
一般, 容量为 1kW以上的直流电机都装
有换向极 。
nIe ar ?
Ke
re nIe aK ?
aKcK lvBNe 2? aK IB ?
19.5 直流电机的起动、制动与
调速
一、直流电动机的起动,
起动：电机 接上电源从静止状态转动起来
到达稳态运行，这就是电动机的起
动过程
起动条件,1、起动转矩要足够大,
2、起动电流不要太大,
注意：因为在起动时,n=0,反电动势 Ea=0
所以，起动电流为,
可见，这种方法下的起动电流很大，因
此，除了小容量的电动机可采用直接加
电压起动的方法外，一般直流电动机都
不采用这种方法。
1、直流电动机的起动方法,
1）电枢回路串电阻起动,
由相关公式可知,
a
N
st R
UI ?
sta
N
st RR
UI
?
?
我们在电枢回路中串入电阻,可减小起动
电流,当起动转矩大于负载转矩，电动机开
始转动，此时,则
可见，随着转速的升高，反电动势不断增大，
起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也
在减小，所以为了在整个起动过程中保持一
定的起动转矩,加速电动机的起动过程，我
们采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后
电动机进入稳态运行，此时，起动电阻应被
完全切除。
stR
0?aE
sta
aN
st RR
EUI
?
??
2）他励直流电动机降低电枢电压起动,
从最原始的公式，我们可以看出，除了增大电
阻外，还可以通过减小电枢电压来减小起动
电流,
这种方法在起动过程中不会有大量的能量消
耗。 串励与复励直流电动机的起动方法基本
上与并励直流电动机一样，采用串电阻的方
法以减小起动电流。 但特别值得注意的是串
励电动机绝对不允许在空载下起动，否则电
机的转速将达到危险的高速，电机会因此而
损坏。
a
st R
U
I ?
2、直流电动机的制动,
在生产过程中，经常需要采取一些措施
使电动机尽快停转，或者限制势能性负
载在某一转速下稳定运转，这就是电动
机的制动问题。实现制动既可以采用机
械的方法，也可以采用电气的方法。我
们重点来看一下电气制动方法,
1）、能耗制动,
能耗制动过程：如图
在制动时，将闸刀合向下方，很明显，此
时，电动机的电能不在供向电网，而是
在电阻上以电阻压降的形式进行消耗，
这样一来使的电机的转速迅速下降。 这
时电机实际处于发电机运行状态，将转
动部分的动能转换成电能消耗在电阻和
电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动 。
机械特性分析：, 这时
电动机的机械特性方程式为
NU ????,0
2
NTe
a
CC
RR
n
?
?
??
是一条过原点的直线，如图
在由运行点到停转的制动过程中, 转速并
非稳定在某一数值, 而是一直在变化中,
因此称为能耗制动过程 。
结果分析：这种方法所串入的电阻越小,耗
制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大，
而电流太大，会造成换向上的困难，因此能
耗制动过程中电枢电流有个上限，即电动机
允许的最大电流。由可以计算出能耗制动过
程电枢回路中串入制动电阻的最小值,
这种制动方法在转速较高时制动作用较大, 随
着转速下降, 制动作用也随之减小, 在低速
时可配合使用 机械制动装置, 使系统迅速停
转 。
a
a
a R
I
ER ??
m a x
m i n
2）能耗制动运行,
他励直流电动机拖动势能性负载运行,
在达到上述零点时（ 电磁转矩为零），
由于负载转矩不为零，结果，在负载转
矩的作用下，电机开始反转，如图
随着转速的升高,
均诼渐增大，最后和负载转
矩相等时稳定运行，这种
过程叫做能耗制动运行。
TIE aa,,
2、电压反接制动,
反接制动过程分析,如图所示,电压反接
制动是将正在正向运行的他励直流电动
机电枢回路的电 压突然反接，电枢电流
也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反
向，产生制动转矩。
机械特性分析 ；
反接前 ?,
a aNa R EUI ??
反接后 ?,
所以,
因此反接后电流的数值将非常大，为了限
制电枢电流，所以反接时必须在电枢回
路串入一个足够大的限流电阻。
NUU ??
a
aN
a
R
EU
I
?
??'
a
a
aN R
I
EU
R ?
?
?
m a x
m i n
电压反接制动时，,电枢回
路的电阻为：,电动机的机械特性
方程式为,
其对应的曲线为过 点，斜率为
的直线，如图
NUU ?? N???
RR a ?
T
CC
RR
C
U
n
NTe
a
Ne
N
2?
?
?
?
?
?
0n? 2
NTe
a
CC
RR
?
??
反接制动反向起动过程,
如果 C点电动机的转矩大于负载转矩，当转
速到达零时，应迅速将电源开关从电网上
拉开,否则电动机将反向起动,最后稳定
在 D点运行，如图所示。电压反接制动在
整个制动过程中均具有较大的制动转矩，
因此制动速度快，在可逆拖动系统，常常
采用这种方法。
3、到拉反转制动运行,
? 他励直流电动机 拖动位能性恒转矩负载 运行,
电枢回路串入电阻, 将引起转速下降, 串的
电阻越大, 转速下降越多 。 如果电阻大到一
定程度, 将使电动机的机械特性和负载的机
械特性的交点出现在第 象限, 如图所示,
这时电动机接线未变, 转速反向 。 而,
是一种制动运行状态, 称为倒拉反转制动运
行 。
? 倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放
重物的场合 。 在这种运行方式中, 电动机的
电磁转矩起了制动作用, 限制了重物下降的
速度 。 改变的大小, 即可改变机械特性的交
点, 使重物以不同的稳定速度下降 。
IV
0?T
4、回馈制动,
1)正向回馈制动：他励直流电动机拖动
负载运行，电机将系统具有的动能反馈
回电网，且电机仍为正向转动，称之为
正向回馈制动。如图
2）反向回馈制动：他励直流电动机拖动
位能性恒转矩负载运行，采用电压反接
制动，电机将系统具有的动能反馈回电
网，电机为反向转动，称之为反向回馈
制动。如图
3、他励直流电动机的调速,
由机械特性方程,
可知，他励直流 电动机有 3种方法可以调
速,
（ 1） 改变电枢电压；
（ 2） 改变励磁电流, 即改变磁通；
（ 3） 电枢回路串入调节电阻 。
T
CC
RR
C
U
n
Te
a
e
2?
?
?
?
?
1）降低电枢电压调速,
因为电机在正常工作时，电枢电压不能超
过额定电压，所以，采用向下调速。很
显然，在这里，只改变了,所以我们
将得到一系列平行与固有特性的曲线。
如图,
0n
? 特点：改变电枢电压调节转速的方法具有较
好的调速性能 。 由于调电压后, 机械特性的
,硬度, 不变, 因此有较好的转速稳定性,
调速范围较大, 同时便于控制, 可以做到无
级平滑调速, 损耗较小 。 在实际工程当中,
常常采用这种方法 。
缺点,转速只能由额定电压对应的速度向低调 。
此外, 应用这种方法时, 电枢回路需要一个
专门的可调压电源, 过去用直流发电机 -直流
电动机系统实现, 由于电力电子技术的发展,
目前一般均采用可控硅调压设备 —直流电动机
系统来实现 。
2）弱磁调速,这种调速方法的特点是由
于励磁回路的电流很小，只有额定电流
的（ 1～ 3） %，不仅能量损失很小，且
电阻可以做成连续调节的，便于控制。
其限制是转速只能由额定磁通时对应的
速度向高调，而电动机最高转速要受到
电机本身的机械强度及换向的限制。
3）电枢回路串电阻调速,
2）弱磁调速,这种调速方法的特点是由
于励磁回路的电流很小，只有额定电流
的（ 1～ 3） %，不仅能量损失很小，且
电阻可以做成连续调节的，便于控制。
其限制是转速只能由额定磁通时对应的
速度向高调，而电动机最高转速要受到
电机本身的机械强度及换向的限制。
3）电枢回路串电阻调速,
电枢回路串联电阻越大, 机械特性的斜率
越大, 因此在负载转矩恒定时, 即为常
数, 增大电阻, 可以降低电动机的转速 。
直流电动机上述三种调速方法中, 改变电
枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转
矩调速, 而弱磁调速属于恒功率调速 。