直流电机直流电机原理

第2章直流电机原理2-12.1直流电机的用途及基本工作原理2.2直流电机的主要结构与型号2.3直流电机的磁路2.4直流电机的电枢绕组2.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩2.6直流发电机的运行原理2.7直流电动机的运行原理2.8直流电机的换向当前第1页\共有216页\编于星期日\10点2.1直流电机的用途及基本工作原理2.1.1直流电机的用途2.1.2基本工作原理当前第2页\共有216页\编于星期日\10点优点：1、直流电动机的调速范围广，调速特性平滑。2、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。3、直流电动机的过载能力较强，起动、制动和过载转矩较大，易快速启动、停车。4、易控制，可靠性较高。缺点：1、由于存在换向器，使得制造复杂，维护困难。2、相比于同容量的三相交流电机，体积和重量大，造价高。3、电源不易取得，需要有直流电源配套装置。所以，普通的直流电机已在大多数应用场合被交流电机取代！

直接电机即为在机械能和直流电能之间转换的电机。与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步电机方便，而且要使用直流电源。2.1.1直流电机的用途当前第3页\共有216页\编于星期日\10点学习直流电机的原因：（1）某些特定场合中直流电机仍有应用（如钻井平台），工作后仍要面对。（2）采用电力电子开关换向的无刷直流电机，在生产生活中应用非常广泛。（3）现代交流调速理论是基于直流电机的模型发展而来的，只有学好直流电机的原理，才能更好地理解交流电机的调速理论。目前应用（对调速要求较高的场合）：（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。当前第4页\共有216页\编于星期日\10点

至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机当前第5页\共有216页\编于星期日\10点当前第6页\共有216页\编于星期日\10点直流电机小型直流电机当前第7页\共有216页\编于星期日\10点直流发电机当前第8页\共有216页\编于星期日\10点直流电机模型当前第9页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理1.直流电机的构成图3.1

两极直流电机原理模型1—磁极；2—电枢；3—滑环；4—电刷

2-10直流电机的物理模型图解释

右图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由两根导体ab和cd构成的一个电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷A和B，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

a当前第10页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的物理模型当前第11页\共有216页\编于星期日\10点电枢模型当前第12页\共有216页\编于星期日\10点当前第13页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理2.直流发电机工作原理用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势。E=Blv2-14简单的交流发电机模型当前第14页\共有216页\编于星期日\10点无换向器发电机工作原理(产生交变电势)直流电机的工作原理2-15当前第15页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理2.直流发电机工作原理

用两个相对放置的导电片(换向片)代替交流发电机的两个滑环，电刷接触的换向片始终是相同一侧的线圈边，因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割

N极磁力线的线圈边中的电动势，所以电刷A始终有正极性，同理电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉振电动势。2-16当前第16页\共有216页\编于星期日\10点直流电势的产生2.1.2直流电机的工作原理输出直流电换向原动机感应电动势、电流Φ电磁转矩（阻转矩）做功

电磁关系当前第17页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理2.直流发电机工作原理

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为脉振电动势。若电枢上线圈数增多，并按一定规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。结论线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷AB端的电动势却是直流电动势，换向片起的作用是一种机械式整流作用。2-18当前第18页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理3.直流电动机工作原理T=fD=BliD工作原理归结如下：将直流电源通过静止的电刷接通随电枢转动的换向器，再接触电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f

的作用f=Bli（左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。f=Bli直流电动机的原理图

2-19当前第19页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功

电磁关系3.直流电动机工作原理当前第20页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理3.直流电动机工作原理

要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“逆变”。为此也必须增添换向器，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是直流电动机的工作原理。结论线圈内流过的电流是一种交变电流，而在外电路的电流却是直流，换向片起到逆变的作用。2-21当前第21页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理总结：1.所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。

2.电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，这是由于磁极数(2p)是一个偶数.(a－支路对数

,p－极对数)3.为得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中性线上的导体（线圈）相接触。4.每根电枢导体的电势性质是交流电，而经电刷引出的电势为直流电势。2-22当前第22页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理

此图中虽然两个支路的感应电势对称，但对于7号和1号导体电势为0，而6号和8号，12号和2号的电势大小相同，方向相反互相抵消，故A'B'电刷间的电势大小减小了。因此，结论是正确的。思考：为什么要将电刷与q轴上的导体相接触，才能得到最大的直流电势？

可由右图解释，设电刷A，B分别移到A'，B'位置。则电刷A'与电刷B'构成的左支路或右支路中的总电势大小确是大大减小了。2-23123456789101112当前第23页\共有216页\编于星期日\10点发电机中换向器和电刷作用换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；②把转动的电路与外面不转的电路连接。从刷间电势波形看，电势脉动很大，为减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。当前第24页\共有216页\编于星期日\10点在电动机中换向器和电刷的作用①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；②把外面不转的电路与转动的电路连接。当前第25页\共有216页\编于星期日\10点2.1.2直流电机的工作原理4.直流电机可逆运行原理从上述基本电磁情况来看：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，仅外界条件不同而已。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。2-26当前第26页\共有216页\编于星期日\10点模型的改进：1.电枢，改用多线圈，相应换向器的改进。2.磁路，增加电枢铁芯。3.可根据需要增加磁极对数。4.改进电机的换向等。2.2直流电机的主要结构和型号当前第27页\共有216页\编于星期日\10点2.2直流电机的主要结构和型号

旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求的结构。旋转电机必须具备静止和转动两大部分，即直流电机由定子、转子两大部分构成。2.2.1主要结构当前第28页\共有216页\编于星期日\10点

直流电机的结构当前第29页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的结构简图当前第30页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的结构当前第31页\共有216页\编于星期日\10点

电机装配图当前第32页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的基本结构当前第33页\共有216页\编于星期日\10点1定子部分

定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它主要由主磁极、机座、电刷、端盖和轴承组成。1)机座2)主磁极3)换向极4)电刷装置2-342.2直流电机的主要结构和型号

直流电机的定子当前第34页\共有216页\编于星期日\10点

直流电机的定子铁心和绕组当前第35页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的定子装配图当前第36页\共有216页\编于星期日\10点1定子部分—机座有两个作用：1)固定主磁极、换向极和端盖，起机械支撑作用；2)作为电机磁路系统的一部分。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。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。2-37当前第37页\共有216页\编于星期日\10点当前第38页\共有216页\编于星期日\10点1定子部分—主磁极2-39主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，包括主极铁芯和励磁绕组两部分。为尽可能减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用1～1.5mm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,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。小容量直流电机主磁极可采用永磁磁极，无电励磁绕组。当前第39页\共有216页\编于星期日\10点1定子部分—换向极（附加极）作用--改善换向换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成

铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联2-40当前第40页\共有216页\编于星期日\10点1定子部分—电刷装置作用--把直流电压、直流电流引入或引出，它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由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成2-41当前第41页\共有216页\编于星期日\10点电刷实物当前第42页\共有216页\编于星期日\10点图a主磁极与换向极示意图图b电刷装置图主磁极、换向极、电刷装置示意图当前第43页\共有216页\编于星期日\10点2转子部分包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等1)电枢铁心2)电枢绕组3)换向器2.2直流电机的主要结构和型号

直流电机的转子(a)转子主体(b)电枢钢片当前第44页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的转子当前第45页\共有216页\编于星期日\10点转子铁心与电枢绕组及换向片当前第46页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的电枢2-47当前第47页\共有216页\编于星期日\10点当前第48页\共有216页\编于星期日\10点2转子部分__电枢铁心两个用处：1)作为主磁路的主要部分；2)嵌放电枢绕组为减少电枢铁心中因磁通变化而产生的涡流及磁滞损耗，通常用0.5mm厚的双面涂漆的硅钢片叠压成圆柱型（与定子铁芯的区别），中心有孔，装置转轴，表面均布轴向槽，用来嵌放电枢绕组。2-49当前第49页\共有216页\编于星期日\10点电枢铁心当前第50页\共有216页\编于星期日\10点2转子部分__电枢绕组由许多按一定规律联接的线圈组成直流电机的主要电路部分用以通过电流和感应电动势以实现机电能量转换的关键性部件。2-51当前第51页\共有216页\编于星期日\10点电枢绕组当前第52页\共有216页\编于星期日\10点真实的绕组当前第53页\共有216页\编于星期日\10点自动下线当前第54页\共有216页\编于星期日\10点焊接当前第55页\共有216页\编于星期日\10点转子铁心与电枢绕组当前第56页\共有216页\编于星期日\10点2转子部分__换向器直流电机的重要部件作用---将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势2-57换向器由由许多铜换向片组成，每两个换向片中间是绝缘片，换向片数与线圈元件数相同。当前第57页\共有216页\编于星期日\10点换向片和换向器

图1-7换向片和换向器当前第58页\共有216页\编于星期日\10点换向器当前第59页\共有216页\编于星期日\10点换向器与电刷相配合，实现整流、逆变作用，由许多彼此绝缘的铜换向片组成当前第60页\共有216页\编于星期日\10点端盖把定子和转子连为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座两端，并支撑着转子。电刷杆也固定在端盖上。当前第61页\共有216页\编于星期日\10点3气隙

为使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介，气隙的大小对电机的运行性能有很大的影响。过大有什么不好？过小又有什么问题？

过大会导致励磁电流过大，而过小则容易受齿槽效应的影响而起动困难，另外安装困难。当前第62页\共有216页\编于星期日\10点2.2.2电机的铭牌数据1.什么是额定值

电机制造厂根据国家标准及电机设计的数据，对每台电机在运行中的有关物理量（电压、电流、功率、转速等）所规定的保证值。额定值一般标志在电机的铭牌上，故又叫铭牌值。2.额定状态电机在运行时，若各物理量都符合它的额定值，则称该电机运行于额定状态。2-63当前第63页\共有216页\编于星期日\10点3.额定值1)额定容量(功率)PN(kW)2)额定电压UN(V)3)额定电流IN(A)4)额定转速nN(rpm)5)额定励磁电压UfN(V)6)额定励磁电流IfN(A)和励磁方式等2-642.2.2电机的铭牌数据当前第64页\共有216页\编于星期日\10点在额定状况下，电机出线端的平均电压发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定电压下，运行于额定功率时电机出线端对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速指轴上输出的机械功率指电刷间输出的额定电功率电动机发电机额定条件下电机所能提供的功率额定功率当前第65页\共有216页\编于星期日\10点对应于额定电压、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

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。还有一些，例如ηN、τN、TN、IfN等，不一定都标在铭牌上。

电机运行时，所有物理量与额定值相同——电机处于额定运行状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载或轻载运行；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。当前第66页\共有216页\编于星期日\10点4.直流电动机的额定功率转轴上输出的机械功率等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的额定效率5.直流发电机的额定功率电机出线端(电刷端)输出的电功率等于额定电压和额定电流的乘积2-672.2.2电机的铭牌数据当前第67页\共有216页\编于星期日\10点6.直流电动机的额定转矩轴上输出的额定转矩等于额定功率除以转子角速度的额定值2-68PN的单位为W；nN的单位为r/min;T2N的单位为N.m，该式也适用于交流电动机2.2.2电机的铭牌数据当前第68页\共有216页\编于星期日\10点当前第69页\共有216页\编于星期日\10点当前第70页\共有216页\编于星期日\10点铭牌数据当前第71页\共有216页\编于星期日\10点各种直流电机与铭牌数据当前第72页\共有216页\编于星期日\10点各种直流电机与铭牌数据当前第73页\共有216页\编于星期日\10点2.3

直流电机的磁路、空载时的气隙磁密与空载磁化特性2.3.1直流电机的磁路

绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。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，即电枢电流为零或很小，可不计其影响的一种工作状态。此时的气隙磁场仅由主极励磁电流所建立，不包括电枢绕组和换向极绕组产生的磁场，故直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。

当励磁绕组流过励磁电流If

时，每极励磁磁通势：

Ff=IfNf

当前第74页\共有216页\编于星期日\10点2-752.3.1直流电机的磁路当前第75页\共有216页\编于星期日\10点2.3.1直流电机的磁路

1.直流电机的空载磁场

当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为N极和S极交替分布，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的。2-76当前第76页\共有216页\编于星期日\10点2.3.1直流电机的磁路

2.直流电机的空载时的主磁通

Φ0由N

极出来的磁通，大部分经气隙进入电枢齿部，再经电枢铁心的磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入S极，再经定子磁轭回到原来出发的

极，成为闭合回路。这部分磁通同时交链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时参与机电能量转换，能在电枢绕组中感应电动势，或产生电磁转矩，是工作磁通，称为主磁通。用φ0表示，主磁通经过气隙，并形成主磁场。2-77当前第77页\共有216页\编于星期日\10点2.3.1直流电机的空载磁场3.直流电机的空载时的漏磁通

Φ1σ一小部分磁感应线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，不是工作磁通，只是增加主磁极磁路的饱和程度，称为漏磁通。2-78特点：1）由同一个磁通势所产生2）所走的路径不同，这就导致了它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。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。当前第78页\共有216页\编于星期日\10点2-792.3.1直流电机的磁路

可见，直流电机的主磁路可分为五部分：定子和转子间的2段气隙；2段电枢齿；1段电枢磁轭；2段主磁极磁轭；1段定子磁轭。当前第79页\共有216页\编于星期日\10点2.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形电路欧姆定律磁路欧姆定律E+-IR1R2FΦRmRmδEFIΦRRm当前第80页\共有216页\编于星期日\10点简化直流电机的主磁路，根据磁路欧姆定律，设虚线的磁管的宽度为Δ，电枢轴向长度为li，则磁管的磁通：Rmδ，Rmt，Rma，Rmm，Rmf分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻。在磁路不饱和情况下，除气隙外的磁路段的磁导率μ>>μ0

。有：2.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形（2-2）当前第81页\共有216页\编于星期日\10点2.3.2空载时气隙磁通密度的分布波形磁管的气隙段磁路的磁阻将上式代入式2-2得（2-3）（2-4）可得气隙处的磁密：将2-4式代入2-5式的气隙处的磁密（2-5）（2-6）当前第82页\共有216页\编于星期日\10点1.直流电机的空载磁场—空载磁密分布

由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。

若不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。由上式结论气隙磁密的大小完全与气隙长度成反比。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中心线处磁密为零。不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图。当前第83页\共有216页\编于星期日\10点2.直流电机的空载磁场_磁路分析当前第84页\共有216页\编于星期日\10点

主磁通所经过的磁路包括两段主磁极、两段气隙、两段电枢齿部、电枢磁轭、定子磁轭。2.直流电机的空载磁场_磁路分析

空载磁路的计算为正解问题，根据要求的φ0，算出每对主磁极的空载磁通势2Ff或空载励磁电流If2-85当前第85页\共有216页\编于星期日\10点对于每一段磁路，都是根据已知的φ0，算出磁密B再找出相应的磁场强度Hk，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降在闭合磁回路中，磁路各段磁压降代数和等于作用于该磁路上的磁通势之和。2-86磁路的基尔霍夫第二定律当前第86页\共有216页\编于星期日\10点2-87求出一定的励磁磁通势Ff，当励磁绕组匝数一定时，所需的励磁电流If也可求。当前第87页\共有216页\编于星期日\10点2.3.3空载磁化特性直流电机的空载—磁化曲线

把空载时气隙主磁通φ0与空载励磁磁通势Ff或空载励磁电流If的关系，即φ0=f(Ff)或φ0=f(If)，称为直流电机的空载磁化特性曲线，它表明了电机磁路的特性。当φ0比较小时，铁磁材料的磁位差较小，总磁位差(即励磁磁通势)主要是气隙磁位差，或者说励磁磁通势主要消耗在气隙里。μ0为常数，空载特性呈直线关系。2-88当前第88页\共有216页\编于星期日\10点直流电机的空载—磁化曲线

考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方(称为膝部)，φN指在空载额定电压时的每极磁通，对应的励磁磁通势为FfN

当气隙每级磁通φ0大到一定程度后，铁磁材料出现饱和，若φ0再增大，则总磁位差剧增，即消耗的磁通势剧增。空载特性呈饱和现象。

当前第89页\共有216页\编于星期日\10点2.3.4直流电机的励磁方式(获φ的方式)直流电机的励磁方式1.他励2.自励

1).并励2).串励3).复励2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。对并励发电机，是电机本身发出的端电压供给励磁电流；对并励电动机，励磁绕组与电枢共用同一电源，与他励直流电动机无本质区别。3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。1、他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源单独对励磁绕组供电。4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。当前第90页\共有216页\编于星期日\10点2.4直流电机的电枢绕组2.4.1电枢绕组的元件2.4.2电枢绕组的节距2.4.3单叠绕组2.4.4单波绕组2.4.5各种绕组及其应用范围2-91当前第91页\共有216页\编于星期日\10点2.4直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分无论是发电机还是电动机，其电枢绕组在电机的磁场中旋转，都会感应出电动势。当电枢绕组中有电流时，会产生电枢磁通势，它与气隙磁场相互作用，又产生了电磁转矩。电动势与电流的乘积就是电磁功率，电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积就是机械功率。根据电机的工作状况，直流电机可以吸收或发出电磁功率，也可以输出或输入机械功率。可见，在能量转换的过程中，电枢绕组起着重要的作用。

直流电机电枢绕组的基本形式：

电枢绕组是由多个形状完全一样的单匝或多匝绕组元件(线圈)以一定规律连接起来的，元件个数用S表示。1)单叠绕组2)单波绕组实际电机中，为使元件端接部分能平整地排列，一般采用双层绕组。2-92当前第92页\共有216页\编于星期日\10点2.4直流电机的电枢绕组1.对电枢绕组的要求是: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

2-93当前第93页\共有216页\编于星期日\10点2.4直流电机的电枢绕组2.简单的绕组

电枢上有四个线圈，换向器由八个换向片组成2-94

绕组中每个线圈的两个端子各接到一个换向片上，一个线圈是绕组的一个单元，称为元件。为使一个元件两个有效边中所感应产生的电动势大小相等或相差不多，使电动势是叠加的，那么元件的跨距应等于或接近于一个极距。当前第94页\共有216页\编于星期日\10点2.4直流电机的电枢绕组

2.简单的绕组

2-95为使线圈端接部分对称，线圈可采用如图连接形式

上述模型若作发电机运行，由于线圈互相不联接，电流不能通过所有线圈，所以产生的电磁转矩与感应电动势大小不足。为此应将所有线圈互相联接起来。当前第95页\共有216页\编于星期日\10点3.名词术语介绍1）极轴线：磁极的中心线；（直轴或d轴）2）几何中心线：磁极之间的平分线，（交轴或q轴）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；2.4直流电机的电枢绕组2-96直流电机模型当前第96页\共有216页\编于星期日\10点2.4.1电枢绕组的元件元件：是绕组的一个基本单元(线圈)，可为单匝，也可为多匝。如果每槽有两层元件边，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，称为双层绕组如果每槽每层有u个元件边虚槽数2-97S：元件数；K：换向片数Z：实槽数；Ze：虚槽数虚槽：一个上层与一个下层元件边看成一个虚槽当前第97页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2电枢绕组的节距1.第一节距y1同一元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）是

，用所跨虚槽数表示。选择

的依据是尽量让元件里感应电动势为最大，即

应等于或接近于一个极距

Ze不一定能被极数2

整除，而

又必须为整数，所以应使

:是使凑成整数的分数2-98当前第98页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2电枢绕组的节距2.第二节距y2

第二节距是相串联的两个元件，第一元件的下层边和第二元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。也可认为是连至同一换向片的两个元件边之间的距离。通常也用虚槽数计算2-99当前第99页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2电枢绕组的节距3.合成节距y合成节距是相串联的两个元件的对应边，在电枢表面上所跨的距离。通常也用虚槽数计算节距

单叠绕组:单波绕组:2-100当前第100页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2电枢绕组的节距4.换向器节距yk换向器节距是同一个元件的两个出线端所接的换向片之间的距离。通常用换向片数计算2-101对单叠绕组当前第101页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组单叠绕组联接的规律元件依次相连，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右行绕组左行绕组2-102当前第102页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组

一台直流电动机的绕组数据为：极对数p＝２，槽数Z为16，元件数Ｓ等于换向片数Ｋ和槽数Z，即Z＝Ｓ＝Ｋ＝16，u=1，画出其右行单叠绕组的展开图。第二节距为：合成节距为：第一节距为：2-103当前第103页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组

1.单叠绕组展开图第一步画元件边：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。实虚线靠近些，并依次对槽编号。2-10412345678910111213141516当前第104页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图第二步安放磁极：使每个磁极宽度约为0.7,使4个磁极均匀分布在各槽之上，并标上N，S极性。因磁极是放在电枢绕组上面，故N极磁力线垂直向里（进入纸面），S极向外（从纸面穿出）。2-10512345678910111213141516NSNS当前第105页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图第三步画换向片：画16个方块代表换向片，并标号，为能连出形状对称的元件，换向片的编号应与槽的编号要有一定的对应关系（由y1来考虑）2-10612345678910111213141516NSNS1612345678910111213141516当前第106页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图第四步连绕组：将1号元件的上层边放到一号槽的上层，其首端连1号换向片，y1=4，故其下层边放到5号槽下层，yk=1，故接回到2号换向片。12345678910111213141516NSNS1612345678910111213141516当前第107页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图第五步确定元件感应电动势的方向右手定则2-10812345678910111213141516NSNS1612345678910111213141516当前第108页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图第六步放置电刷。直流电机中，电刷组数即刷杆数与主极个数一样多，即4组电刷。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。其放置原则是：使正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小。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心线，即两个主磁极之间的地方，其感应电动势是接近零的。2-10912345678910111213141516NSNS当前第109页\共有216页\编于星期日\10点单叠绕组的展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷槽展开绕组放置安放磁极、电刷1123456789101112131416152345678910111213141615NSNSττττ+－++－－当前第110页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组1.单叠绕组展开图2-111注意：电机在运行过程中，绕组元件、换向器与电机磁极、电刷有相对运动。当前第111页\共有216页\编于星期日\10点2.单叠绕组元件连接次序56789101112131415161234123456789101112131415161如图，从第1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元件的起始点1，故整个绕组是一个闭合绕组。上层元件边下层元件边y1yy2闭合当前第112页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组3.单叠绕组的电枢电路图

任一瞬时，处于同一磁极下的元件构成一条支路，故单叠绕组并联支路数a等于极数p，或说其电刷杆数等于极数：a=p。因此采用单叠绕组的电机共有2p条支路。2-113单叠绕组的并联支路图当前第113页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组4.单叠绕组的特点1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上；2）任一瞬时，处于同一磁极下的元件构成一条支路，因此采用单叠绕组的电机共有2p条支路，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；2-114当前第114页\共有216页\编于星期日\10点2.4.3单叠绕组4.单叠绕组的特点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，a为并联支路对数），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，正负电刷间引出的感应电动势亦为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小，此时电刷的位置，习惯上称为“电刷放在几何中心线位置”。2-115当前第115页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

单波绕组联接的规律把相隔约两个极距的元件依次串接。2-116节距

当前第116页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2单波绕组节距为使紧相串联的两元件所产生的电势同向相加，元件边应处于相同极性磁极下：y=2τ

11）第一节距y1：与单叠绕组相同。当前第117页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2单波绕组2）合成节距y和换向器节距yk

：y=yk。选择yk时，应使相串联的元件感应电动势同向。故：首先应将两个相串联的元件放在同性磁极下，让其在空间位置上相距约两个极距；其次，当沿圆周向一个方向绕了一周，经过p个串联的元件后，其末尾所连的换向片pyk，必须落在与起始的换向片1相邻的位置，才能使第二周继续往下连，即：

在满足yk为整数的情况下，一般取负号，这样将每个元件连接成绕组时，连接顺序是从右向左，为左行绕组。当前第118页\共有216页\编于星期日\10点2.4.2单波绕组3）第二节距y2当前第119页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

一台直流电动机的绕组数据为：极对数Ｐ＝２，槽数Z为15，u=1，元件数Ｓ等于换向片数Ｋ和槽数Z，即Z＝Ｓ＝Ｋ＝15，2-120当前第120页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

1.单波绕组展开图第一步画元件边第二步安放磁极第三步画换向片第四步连绕组第五步确定元件的电动势的方向第六步放置电刷

磁极、电刷位置及电刷极性判断都与单叠绕组一样，在端接线对称下，电刷中心线仍要对准磁极中心线。2-121当前第121页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

1.单波绕组展开图当前第122页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

1.单波绕组展开图（参考）2-123当前第123页\共有216页\编于星期日\10点2.4.4单波绕组

2.单波绕组元件连接次序2-124从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：18157146135124113102918157146135124113102915124113102916815714613上层边槽号下层边槽号当前第124页\共有216页\编于星期日\10点单波绕组

3.单波绕组的电枢电路图2-125A1A2B1B2当前第125页\共有216页\编于星期日\10点单波绕组4.单波绕组的特点1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数，a＝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（即正负电刷间电动势最大）；3）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）；4）电枢电流。采用单波绕组的电机共有2条支路。2-126当前第126页\共有216页\编于星期日\10点2.4.5各种绕组及其应用范围应用范围单叠绕组：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。单波绕组：并联支路数少，支路对数永远为1，每条支路里串联元件数就多，适用于较高电压、较小电流的电机。2-127小结当前第127页\共有216页\编于星期日\10点与被电刷短路元件（即换向元件）相邻的两元件电流方向相反。当电刷处于磁极中性线时，某一极性磁极下元件边的电流方向一致。电枢电路是一个有多源多支路电路。元件感应的是交变电动势，而电刷引出的是直流电动势。2-128单叠绕组、单波绕组的共同特点:2.4.5各种绕组及其应用范围当前第128页\共有216页\编于星期日\10点2.4.5各种绕组及其应用范围复叠、复波和蛙绕组直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕组和波绕组的混合绕组）等。2-129当前第129页\共有216页\编于星期日\10点2.5电枢电动势和电磁转矩2.5.1电枢电动势2.5.2电磁转矩2.5.3直流电机的电枢反应2-130当前第130页\共有216页\编于星期日\10点2.5.1电枢电动势2-131当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。电枢电动势即直流电机正、负电刷之间的感应电动势Ea，也就是电枢绕组每条支路的感应电动势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之和。要计算支路电动势，可先求出一个元件边在一个极距范围内切割气隙磁密的平均电动势，再计算一条支路的电动势。说明：在其他资料里是可求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势当前第131页\共有216页\编于星期日\10点2.5.1感应电动势2-132某导线中感应的电动势某条支路串联导体感应的电动势一个极距内平均的气隙磁密绕组的全部有效导体数为z

某条并联支路的串联导体数

当前第132页\共有216页\编于星期日\10点2.5.1感应电动势2-133则一条并联支路的感应电动势，即电枢电动势为：电动势常数每极的磁通量当前第133页\共有216页\编于星期日\10点当电刷放在几何中线上，电枢电动势z—总导体数,Ce—电动势常数2.5.1感应电动势当前第134页\共有216页\编于星期日\10点2.5.1感应电动势当前第135页\共有216页\编于星期日\10点2.5.2电磁转矩2-136在直流电机中，当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。在电动机中，电磁转矩是动力转矩；而在发电机中则为阻力转矩。某载流导体所受的电磁转矩，根据皮-萨电磁力定理有一个极下载流导体所受的电磁转矩当前第136页\共有216页\编于星期日\10点2.5.2电磁转矩2-137整个电枢上的电磁转矩电磁转矩常数说明：在实际电机中，电磁转矩主要是作用在电枢齿上的，其电磁转矩可以用电磁储能对角度求偏导计算。这一电磁转矩公式把机械量T，磁场量Φ和电量Ia联系起来了当前第137页\共有216页\编于星期日\10点2.5.2电磁转矩电枢总电磁转矩Ct为转矩常数，比较：

Ct=9.55Ce当前第138页\共有216页\编于星期日\10点2.5.2电磁转矩当前第139页\共有216页\编于星期日\10点2.5.3直流电机的电枢反应直流电机带负载运行时，电枢绕组中就有电枢电流，电枢电流会产生电枢磁通势，其必然会影响空载时只有励磁磁通势单独作用的磁场，有可能改变气隙磁密分布情况及每极磁通量的大小，该现象称为电枢反应。电枢磁通势产生的磁场磁力线如图所示。加上主磁极磁场，合成的磁密分布如下图蓝线所示。如磁路不饱和，总磁通量不变。但磁路饱和时，总磁通要略微降低，称为去磁效应。τBδ当前第140页\共有216页\编于星期日\10点2.直流电机的空载磁场_磁路分析τBδ当前第141页\共有216页\编于星期日\10点小结：

主磁极磁场和电枢反应磁场两者垂直，且电枢磁通势轴线的位置总是与电刷轴线重合；电枢反应使气隙磁场发生了畸变，电枢磁场使主磁场一半削弱，另一半加强，并使电枢表面磁密为零处偏离了几何中心线；电枢反应的另一个结果是电枢反应具有去磁效应，使得电机负载情况下每极磁通有所下降。2-142

当电刷处于几何中心线时，电枢磁势与磁极轴线互相垂直；2.5.3直流电机的电枢反应当前第142页\共有216页\编于星期日\10点2.6直流发电机直流发电机稳态运行时的基本方程式2.6.2功率关系

2-143当前第143页\共有216页\编于星期日\10点2.6.1直流发电机稳态运行时的基本方程式

发电机惯例2-144直流电机的电路包括电枢支路和励磁支路。在分析直流电机时，先根据励磁方式画出电机的电路连线。发电机按照发电机惯例标注电势、电流和电压。发电机惯例：当前第144页\共有216页\编于星期日\10点2.6.1直流发电机稳态运行时的基本方程式

发电机惯例2-145电动势平衡方程式电枢的感应电动势也叫反电势为1.电动势平衡方程式当前第145页\共有216页\编于星期日\10点2.转矩平衡方程式空载转矩由机械摩擦及铁耗引起原动机的拖动转矩电磁转矩方向同n方向-n方向-n电磁转矩为当前第146页\共有216页\编于星期日\10点

2-147对发电机来说，转轴上输入的是机械转矩T1。T1克服各种阻力转矩（如机械摩擦、铁耗、风阻等）T0后与电枢电流Ia产生的电磁转矩T相平衡气隙每极磁通的大小由空载磁化特性和电枢反应决定他励或者并励发电机的励磁电流为2.6.1直流发电机稳态运行时的基本方程式当前第147页\共有216页\编于星期日\10点电枢回路电路可等效成下图，对2-16式左右端同乘以Ia：

EaIa=UIa+I2aRa=P2+pcuaPM=EaIa

电磁功率？P2=UIa

输出给负载的电功率pcua=I2aRa电枢回路总铜耗（包括电枢回路所有相串联的绕组、电刷与换向器表面电损耗）EanIaURaEaIaU2.6.2功率关系当前第148页\共有216页\编于星期日\10点2.6.2功率关系

2-149

机械摩擦损耗pm：轴vs轴承摩擦/电刷vs换向器摩擦/通风损耗等。这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。铁耗pFe：电枢铁心在磁场中旋转时导致磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。当励磁电流和转速不变时，铁耗也基本为常量。空载损耗输入功率功率平衡方程式（由2-19式）当前第149页\共有216页\编于星期日\10点

2.6.2功率关系2-150负载损耗：电枢回路电阻损耗（总铜耗）pCua=Ia2Ra;电磁功率

现分析属于机械功率性质，而叫做电磁功率的PM的传送方向（机械能转变为电能的功率关系式）：当前第150页\共有216页\编于星期日\10点

2.6.2功率关系杂散损耗ps：前几项损耗中未考虑而实际又存在的损耗，例如电枢反应把磁场扭歪导致铁耗增大，电枢齿槽造成磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等，ps=(0.5~1)%P2若为他励发电机，励磁功率（励磁损耗）pCuf

应由其他直流电源供给；若为并励发电机，pCuf由发电机本身提供，所以有pCuf==If2Rf总损耗当前第151页\共有216页\编于星期日\10点

2.6.2功率关系他励发电机功率流程效率当前第152页\共有216页\编于星期日\10点2-153IaINIf当前第153页\共有216页\编于星期日\10点2-154当前第154页\共有216页\编于星期日\10点2.7直流电动机运行原理

直流电机可逆原理

他励直流电动机稳态运行的基本方程式2.7.2功率关系

直流电动机的机械特性

直流电动机的工作特性2-155当前第155页\共有216页\编于星期日\10点2.7.0直流电机可逆原理从原理上来说：一台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。可逆原理：指这两种运行状态可以相互转换。发电机惯例

对他励直流发电机在直流电网上并联运行，电网电压U保持不变，仍用发电机惯例。由前分析，发电机运行时，电机的功率关系和转矩关系分别为：此时直流电机把输入的机械功率转变为电功率输送给电网。当前第156页\共有216页\编于星期日\10点2.7.0直流电机可逆原理发电机惯例发电运行电动运行其可逆转换运行过程分析如下：

若保持If不变，仅改变其输入机械功率P1，例如使其下降，则：当前第157页\共有216页\编于星期日\10点2.7.1直流电动机稳态运行时的基本方程式

电动机惯例2-158电动势平衡方程式电磁转矩为感应电动势也叫反电势为1.电压平衡方程式当前第158页\共有216页\编于星期日\10点2.转矩平衡方程式电磁转矩T，与n同方向——拖动转矩空载损耗转矩T0，为制动转矩轴输出的转矩T2，带动生产机械(负载转矩)，通常是制动转矩。2.7.1直流电动机稳态运行时的基本方程式当前第159页\共有216页\编于星期日\10点

电动机惯例2-160电动机稳态运行时，只要负载确定，即TL确定，则电枢电流、电动势和转速就随之确定。2.7.1直流电动机稳态运行时的基本方程式当前第160页\共有216页\编于星期日\10点2.7.2功率关系2-161功率平衡方程式当前第161页\共有216页\编于星期日\10点当前第162页\共有216页\编于星期日\10点电磁功率PM在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为电磁功率。用PM表示。体现了能量的互相转换作用。当前第163页\共有216页\编于星期日\10点

2.7.2功率关系2-164他励电动机功率流程并励电机他励电机当前第164页\共有216页\编于星期日\10点2-165当前第165页\共有216页\编于星期日\10点2-166当前第166页\共有216页\编于星期日\10点2-167当前第167页\共有216页\编于星期日\10点2.7.3直流电动机的工作特性2-168直流电动机的工作特性，是其运行特性之一，指在U=UN，时,转速n、电磁转矩T和效率ŋ随输出功率P2而变化的关系，因为Ia可直接测量，且与P2有一致的变化趋势，所以工作特性往往表示为：1

转速特性n=f(Ia)2转矩特性T=f(Ia)3

效率特性ŋ=f(Ia)当前第168页\共有216页\编于星期日\10点

直流电动机的工作特性转速特性当U=UN，If=IfN时，n=f(Ia)的关系。U=Ea+IaRa

UN=EaN+IaRaEaN=CeΦNn=UN－IaRa当UN，IaN，nN时的励磁电流若忽略电枢反应的影响，当Ia↑，n↓。但因Ra较小，n↓很小。若考虑电枢反应有去磁效应，随Ia↑

，则n可能↑。（上升不利于稳定运行）nIan当前第169页\共有216页\编于星期日\10点

直流电动机的工作特性2.转矩特性当U=UN，If=IfN时，T=f(Ia)的关系。nIanT,T

电磁转矩T与电枢电流Ia成正比。如果考虑电枢反应有去磁效应，随着Ia的增大，T要略微减小。当前第170页\共有216页\编于星期日\10点

直流电动机的工作特性3.效率特性当U=UN，If=IfN时，η=f(Ia)的关系。nIanT,T总损耗∑p中，p0=pFe+pm不随负载电流Ia变化而变化，电枢回路总铜耗pCua随Ia2成正比变化。故η=f(Ia)曲线如图所示。η，η直流电动机效率约为0.75~0.94，容量大的效率更高。当前第171页\共有216页\编于星期日\10点2.8

他励直流电动机的机械特性2.8.1机械特性的一般表达式电动机的机械特性是分析电动机起动、调速、制动的重要工具。EanTLTIaIfUfUR电动机的机械特性是指电动机加上一定的电压U和一定的励磁电流If时，并在电枢回路中串R，其电磁转矩T

与转速n之间的关系，即n=f(T)。当前第172页\共有216页\编于星期日\10点

机械特性的一般表达式机械特性n=f(T)的推导将T=CtΦIa，代入转速特性，考虑到电枢串电阻R可得：为理想空载转速为机械特性的斜率他励直流电动机机械特性的一般表达式当前第173页\共有216页\编于星期日\10点2.8.2固有机械特性2-174改变三个量U,Φ,R可以改变机械特性U=UN,Φ=ΦN,R=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为特点：2）由于Ra很小，斜率很小，T变时n变化很小，特性较平，为硬特性。（斜率大的特性称为软特性）3）当T=0时，n=n0=UN/CeΦN为理想空载转速，此时，Ia=0，E=UN

；1）特性为一条略为下斜的直线:T↑，n↓当前第174页\共有216页\编于星期日\10点2.8.2固有机械特性2-1754）当T=TN时,n=nN,此时的转速差称为额定转速差，是硬特性的数值体现。5）电动机在额定电压下刚起动时：Is称为启动电流一般nN约0.95n0，因此∆nN约0.05n0Ts称为启动转矩因电枢电阻Ra很小，Is和Ts都比额定值大很多。例如当ΔnN=0.05n0时，由机械特性公式可推得Is和Ts都是20倍的额定值，如此大的启动电流和启动转矩会烧坏换向器。当前第175页\共有216页\编于星期日\10点2.8.2固有机械特性2-1767）当T<0时，n>n0。此情况是电磁转矩实际方向与转速相反，由拖动性变为制动性，此时Ia<0，故Ea=UN-IaRa>UN，转速n>n0，机械特性在第II象限。此时他励直流电动机电磁功率PM=EaIa=TΩ<0，输入功率P1=UNIa<0，实际上此时工作于发电机状态。以上分析的是机械特性在第I象限的情况，在第I象限中，

0<T<Ts,n0>n>0,UN>Ea>06）T>TS，n<0。若T>TS，则Ia>IS，即只可能是Ea<0,即n<0，故机械特性在第Ⅳ象限当前第176页\共有216页\编于星期日\10点2.8.2固有机械特性2-177他励直流电动机固有机械特性是一条斜直线，跨越三个象限，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩T和转速n之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。固有机械特性是电动机最重要的特性，在此基础上，很容易得到电动机的人为机械特性。当前第177页\共有216页\编于星期日\10点当前第178页\共有216页\编于星期日\10点2-179当前第179页\共有216页\编于星期日\10点2-180当前第180页\共有216页\编于星期日\10点2.8.3人为机械特性1.电枢回路串电阻时的人为机械特性（保持UN、φN，串R）特点：1）理想空载转速n0不变；2）斜率ß随所串的R增大而成正比增大，⊿n增大，特性变软，直线变陡，形成一组过n0的放射形直线。

他励直流电动机改变电压、电枢回路电阻、磁通(励磁电流)当中一个或几个就得到人为机械特性。若T为常数，⊿n（Ra+R）用途：起动、调速、制动当前第181页\共有216页\编于星期日\10点2.8.3人为机械特性2.改变电枢电压时的人为机械特性（保持φN，无R，变U）特点：1）斜率ß不变，与固有机械特性斜率相同，各特性互相平行；2）理想空载转速n0与U成正比。改变U的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。用途：起动、调速、制动当前第182页\共有216页\编于星期日\10点2.8.3人为机械特性3.减小气隙磁通量时的人为机械特性（保持UN，无R，减小If）特点：1）Φ减少时，理想空载转速n0增大；3）改变每极磁通，机械特性是一组既不平行也不呈放射形的一组直线，Φ减少时，特性上移且变软。2）Φ减少时，β增大，特性越倾斜；当前第183页\共有216页\编于星期日\10点2.8.3人为机械特性用途：调速。若励磁电流可以连续调节，则可以得到平滑调速。注意：磁通不可太小，否则理想空载转速太高，电动机的换向能力和机械强度承受不了。

从以上三种人为机械特性可见，电枢回路串电阻和减弱磁通，电动机的机械特性都变软。当前第184页\共有216页\编于星期日\10点2-185电枢反应对机械特性的影响因电枢反应的去磁效应，当电枢电流较大时，机械特性在负载大时呈上翘现象，这是不利的。解决方法:

为避免上翘，往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，称为稳定绕组。绕组里流的是电枢电流，产生的磁通可以补偿电枢反应的去磁部分，使电机的机械特性不再上翘。2.8.3人为机械特性当前第185页\共有216页\编于星期日\10点(3)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机机械特性硬度的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。(2)通风机械负载，机械负载TL和转速n的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。当前第186页\共有216页\编于星期日\10点固有机械特性的计算和绘制

因为他励直流电动机的机械特性是一条斜直线，所以绘制固有机械特性只要知道该直线上的两个特殊点，再连成直线即可：

一个点是理想空载点：T=0，n=n0

（0,n0)一个点是额定工作点：T=TN，n=nN(TN,nN)计算数据n0和TN可以根据电动机铭牌求取。电动机铭牌数据有：PN、UN、IN、nN等。根据电机的铭牌数据估算机械特性当前第187页\共有216页\编于星期日\10点如果能知道额定电动势EaN或者电枢回路电阻Ra，便可求CeΦN

，从而计算出理想空载转速n0◆估算法◆试验法根据经验估算额定电枢电动势EaN

其中小容量电机取小的系数，一般中容量电机取0.95左右。根据所选直流电动机，实测它的电枢回路电阻

因电刷与换向器表面的接触电阻为非线性的，故不能用万用表直接测正、负电刷之间的电阻。一般用压降法测量，即在电枢回路中通入的电流接近额定电流，用低量程电压表测量正、负电刷间的压降，除以电枢电流，即为电枢回路总电阻。实测时，励磁绕组要开路，并卡住电枢不使其旋转。但在测量过程中，可让电枢转动几个位置进行测量，然后取其平均值。（只适用于小容量几千瓦以下的电机）当前第188页\共有216页\编于星期日\10点2-189由（n0,0)，(nN,TN)可得机械特性额定转矩：注意：轴上输出转矩：二者相差一个T0根据电机的铭牌数据估算机械特性或直接实测当前第189页\共有216页\编于星期日\10点总之，根据铭牌数据求电动机的固有机械特性，可按如下步骤计算和绘制：(1)估算EaN或实测Ra(2)计算CeΦN(3)求n0(4)计算TN根据电机的铭牌数据估算机械特性当前第190页\共有216页\编于星期日\10点2-191当前第191页\共有216页\编于星期日\10点2.10直流电机的换向2-192电枢旋转时，每个具体的电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支路。元件中电流的方向改变的过渡过程称为换向过程。当前第192页\共有216页\编于星期日\10点2.10直流