第三章 直流电机的工作原理及特性
重点掌握,
? 了解直流电机的基本结构及工作原理；
? 掌握直流电动机的机械特性；
? 掌握直流电动机启动, 调速和制动等各种特性；
? 掌握实现直流电动机启动, 调速和制动的各种方法以及
它们的使用场所 。
电机分交流和直流两种。
直流电机 — 工作电压或输出的电压为直流；
交流电机 — 工作电压为交流 。
直流电机分直流电动机和直流发电机两种 。
直流电动机 — 将电能转换为机械能；
直流发电机 — 将机械能转换为电能 。
3,1 直流电机的基本结构和工作原理
一、直流电机的基本结构
直流电机的结构图如图所示,
根据电机的工作原理, 直流电机的组成可分为 定子, 转子 和 换
向器 三大部分 。
定子部分 主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。
转子部分 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
换向器 由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与
电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
二, 基本的工作原理
为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化
为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联
在两个换向片上，换向片上压着电刷 A和 B。 如图所示,t3-2.swf
1— 主磁极,励磁绕组上加上直
流电压，励磁绕组上有励磁电流
通过，使定子铁心产生固定磁场，
即定子的主要作用是产生主磁场。
2— 电枢绕组,在固定的磁场中
旋转, 主要作用是产生感应电动
势或产生机械转矩, 实现能量的
转换 。
3,4— 换向器,电刷固定不动, 换向片与电枢绕组一起旋转,
主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电
刷间的直流电势 。 对电动机而言, 则是将外加的直流电流转换为
电枢绕组的交变电流, 并保证每一磁极下, 电枢导体的电流的方
向不变, 以产生恒定的电磁转矩 。
3— 电刷
4— 换向片
1,发电机原理,将机械能转换为电能 。 直流发电机工作原理
图 如图所示, c3-1.swf
电枢由原动机驱动而在磁场中旋转, 在电枢线圈的两根有效边
ab和 cd（ 切割磁力线的导体部分 ） 中便感应出电动势 e。
显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在 N极下是一个方
向，当它转到 S极下时是另一个方向。但是，由于电刷 A总是同与 N
极下的有效边相联的换向片接触，而电刷 B总是同与 S极下的有效边
相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势
或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产
生一定方向的电流。
2,电动机原理,将电能转换为机械能 。 直流电动机工作原理图
如图所示,C3-2.swf
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈 。 电流方向应该
是这样的,N极下的有效边中的电流总是一个方向, 而 S极下的有
效边中的电流总是另一个方向, 这样才能使两个边上受到的电磁力
的方向一致, 电枢因而转动 。 因此, 当线圈的有效边从 N（ S） 极
下转到 S（ N） 极下时, 其中电流的方向必须同时改变, 使电磁力
的方向不变, 即电磁转矩的方向不变而使转子以 n的转速旋转 。
三, 电动势和电磁转矩
1,电动势 E
根据电磁学原理, 两电刷间的感应电动势为,
nKE e??
式中,E—— 感应电动势 （ V） ；
Φ—— 对磁极的磁通 （ Wb） ；
n—— 电枢转速 （ r/min） ；
Ke—— 与电机结构有关的常数。
直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为
电源电动势。
直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为
反电动势。
2．电磁转矩 TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，
其大小可用如下公式表示,
amM IKT ??
式中,TM—— 电磁转矩 （ N·m） ；
Φ—— 对磁极的磁通 （ Wb） ；
Ia—— 电枢电流 （ A） ；
Km—— 与电机结构有关的常数, Km=9.55 Ke
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的 。
发电机的电磁转矩 是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的
驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩 T1必须
与发电机的电磁转矩 TM及空载损耗转矩 T0相平衡。
电动机的电磁转矩 是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机
的电磁转矩 TM必须与机械负载转矩 TL及空载损耗转矩 T0相平衡。
从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，
虽然都产生电动势 E和电磁转矩 T，但二者的作用正好相反，见表,
电机运行
方式
E与 I的方
向
E的作用
TM的性质
转矩之间的
关系
发电机
相同
电源电动势
阻转矩
T1=TM+ T0
电动机
相反
反电动势
驱动转矩
TM= TL+ T0
四、直流电动机的分类
直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类,
1．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的
大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（ a）所示。 t3-
5-1.swf
2,并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接, 由外部电源一
起供电 。 如图 （ b） 所示 。 t3-5-2.swf
3,串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接, 由外部电源
一起供电 。 如图 （ c） 所示,t3-5-3.swf
4,复励电动机：励磁绕组分为两部分, 一部分与电枢绕组并
联连接, 另一部分与电枢绕组并联连接 。 如图 （ d） 所示,t3-5-4.swf
重点掌握,
? 了解直流电机的基本结构及工作原理；
? 掌握直流电动机的机械特性；
? 掌握直流电动机启动, 调速和制动等各种特性；
? 掌握实现直流电动机启动, 调速和制动的各种方法以及
它们的使用场所 。
电机分交流和直流两种。
直流电机 — 工作电压或输出的电压为直流；
交流电机 — 工作电压为交流 。
直流电机分直流电动机和直流发电机两种 。
直流电动机 — 将电能转换为机械能；
直流发电机 — 将机械能转换为电能 。
3,1 直流电机的基本结构和工作原理
一、直流电机的基本结构
直流电机的结构图如图所示,
根据电机的工作原理, 直流电机的组成可分为 定子, 转子 和 换
向器 三大部分 。
定子部分 主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。
转子部分 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
换向器 由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与
电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
二, 基本的工作原理
为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化
为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联
在两个换向片上，换向片上压着电刷 A和 B。 如图所示,t3-2.swf
1— 主磁极,励磁绕组上加上直
流电压，励磁绕组上有励磁电流
通过，使定子铁心产生固定磁场，
即定子的主要作用是产生主磁场。
2— 电枢绕组,在固定的磁场中
旋转, 主要作用是产生感应电动
势或产生机械转矩, 实现能量的
转换 。
3,4— 换向器,电刷固定不动, 换向片与电枢绕组一起旋转,
主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电
刷间的直流电势 。 对电动机而言, 则是将外加的直流电流转换为
电枢绕组的交变电流, 并保证每一磁极下, 电枢导体的电流的方
向不变, 以产生恒定的电磁转矩 。
3— 电刷
4— 换向片
1,发电机原理,将机械能转换为电能 。 直流发电机工作原理
图 如图所示, c3-1.swf
电枢由原动机驱动而在磁场中旋转, 在电枢线圈的两根有效边
ab和 cd（ 切割磁力线的导体部分 ） 中便感应出电动势 e。
显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在 N极下是一个方
向，当它转到 S极下时是另一个方向。但是，由于电刷 A总是同与 N
极下的有效边相联的换向片接触，而电刷 B总是同与 S极下的有效边
相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势
或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产
生一定方向的电流。
2,电动机原理,将电能转换为机械能 。 直流电动机工作原理图
如图所示,C3-2.swf
直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈 。 电流方向应该
是这样的,N极下的有效边中的电流总是一个方向, 而 S极下的有
效边中的电流总是另一个方向, 这样才能使两个边上受到的电磁力
的方向一致, 电枢因而转动 。 因此, 当线圈的有效边从 N（ S） 极
下转到 S（ N） 极下时, 其中电流的方向必须同时改变, 使电磁力
的方向不变, 即电磁转矩的方向不变而使转子以 n的转速旋转 。
三, 电动势和电磁转矩
1,电动势 E
根据电磁学原理, 两电刷间的感应电动势为,
nKE e??
式中,E—— 感应电动势 （ V） ；
Φ—— 对磁极的磁通 （ Wb） ；
n—— 电枢转速 （ r/min） ；
Ke—— 与电机结构有关的常数。
直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为
电源电动势。
直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为
反电动势。
2．电磁转矩 TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，
其大小可用如下公式表示,
amM IKT ??
式中,TM—— 电磁转矩 （ N·m） ；
Φ—— 对磁极的磁通 （ Wb） ；
Ia—— 电枢电流 （ A） ；
Km—— 与电机结构有关的常数, Km=9.55 Ke
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的 。
发电机的电磁转矩 是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的
驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩 T1必须
与发电机的电磁转矩 TM及空载损耗转矩 T0相平衡。
电动机的电磁转矩 是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机
的电磁转矩 TM必须与机械负载转矩 TL及空载损耗转矩 T0相平衡。
从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，
虽然都产生电动势 E和电磁转矩 T，但二者的作用正好相反，见表,
电机运行
方式
E与 I的方
向
E的作用
TM的性质
转矩之间的
关系
发电机
相同
电源电动势
阻转矩
T1=TM+ T0
电动机
相反
反电动势
驱动转矩
TM= TL+ T0
四、直流电动机的分类
直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类,
1．他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的
大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（ a）所示。 t3-
5-1.swf
2,并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接, 由外部电源一
起供电 。 如图 （ b） 所示 。 t3-5-2.swf
3,串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接, 由外部电源
一起供电 。 如图 （ c） 所示,t3-5-3.swf
4,复励电动机：励磁绕组分为两部分, 一部分与电枢绕组并
联连接, 另一部分与电枢绕组并联连接 。 如图 （ d） 所示,t3-5-4.swf
