第2章直流电动机的原理及特性

2.1直流电动机的基本结构和工作原理第2章直流电动机的原理及特性（1）定子部分（静止）（2）转子（电枢）部分（旋转）（3）气隙2.1.1基本结构1图2.1直流电机纵剖面图2

1.定子部分(stator)（1）机座机座主磁极换向极电刷装置组成导磁:机械支撑：作用机座中有磁通通过的部分，称为定子磁轭由导磁性能较好的材料（铸钢或厚钢板）焊接而成。固定主磁极、换向极以及端盖3图2.2直流电动机的空载磁场分布图

返回4在定、转子之间的气隙里产生一定形状分布的气隙磁通密度（简称气隙磁密）。主磁极铁心励磁绕组极身极靴②组成（2）主磁极①作用5

为了让气隙磁密度在沿气隙圆周方向的空间分布更加合理，主磁极铁心做成如图2.3所示的形状。其中套励磁线圈的部分叫极身，沿气隙表面的部分叫极靴，极靴也能起到支撑励磁线圈的作用。图2.3主磁极装配图励磁线圈6

由于极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙，所以极靴下沿电枢圆周各点的磁场将明显大于极靴范围以外的磁场强度，在两极之间的几何中心线处，磁场将等于零。图2.4直流电动机的空载磁场曲线7

当励磁绕组通入直流电流时，各主磁极都产生一定的极性。直流电机中要求相邻主磁极的极性必须N、S交替出现。注意:为此，在把各主磁极上的励磁线圈相连接时，应该注意它们的极性问题。（3）换向极换向极又称附加极或间极。①作用改善直流电动机的换向。②组成换向极铁心绕组8换向极一般安装在两个主磁极之间的几何中线上。③安装（4）电刷装置①作用把转子部分的电流引出到静止的电路中（发电机），或者把静止电路中的电流引入到电动机的转子电路中（电动机）。②组成

电刷装置电刷电刷座换向片电刷装置9转子又称为电枢(armature)。转子电枢铁心电枢绕组换向器风扇转轴轴承电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。2.转子部分(rotor)（1）电枢铁心10将冷轧硅钢片冲成有齿、槽的冲片，然后把这些冲片叠装起来就构成电枢铁心，其片间有很薄的绝缘层。冲片外形如图2.5所示。①构成图2.5电枢铁心冲片齿槽轴向通风孔11小型电动机的电枢铁心直接压装在轴上；大型电动机的电枢铁心先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。电枢铁心上开槽是为了安放电枢绕组用；为改善通风，电枢铁心可沿轴分成几段，以形成径向通风道。②说明③电枢铁心的安装（2）电枢绕组①构成用包有绝缘层的导体构成电枢线圈；将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下层中；每个线圈的两个出线端都按一定的规律与换向器中的换向片相连。12②连接方式单叠绕组：具体可参见教材第23页2.2.1单波绕组：具体可参见教材第24页2.2.213（3）换向器①作用发电机：和电刷配合，将电枢绕组中的交流电动势转换成电刷上的直流电动势，即整流作用；电动机：和电刷配合，将流过电刷的直流电流变为电枢绕组内的交流电流，即逆变作用。14②组成

由许多鸽尾形的换向片组成；各片间用云母绝缘。图2.6典型的换向器结构图15图2.7直流电机定、转子剖面示意图1-电枢绕组2-电枢铁心3-机座4-主磁极铁心5-励磁绕组6-换向极绕组7-换向极铁心8-极靴9-底脚？小练习162.1.2励磁方式1.定义直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。2.分类他励自励并励串励复励励磁电流由其他直流电源单独供给励磁电流由电机自身供给励磁方式17（1）他励①接线图励磁绕组与电枢绕组不相连接，励磁电流由其他直流电源单独供给。IfIaM(a)他励式UUf＋＋－－②特点（2）并励①接线图励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上的电压等于电枢绕组两端的电压。②特点IfIaM(b)并励式IU＋－18（3）串励①接线图②特点IaIfM(c)串励式IU＋－励磁绕组与电枢绕组串联，流过励磁绕组的电流等于电枢绕组的电流。（4）复励①接线图②特点If1IaM(d)复励式If2IU＋－一部分励磁绕组和电枢绕组并联；另一部分则和电枢绕组串联。192.1.3额定数据为方便用户正确使用电机，电机制造商在每台电机的机座上都安装了一块金属牌，上面标有电机的工作条件和额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示：“Z2-72”型号：Z表示直流电动机2表示第二次改进设计型7表示机座号2表示长铁芯，1则表示短铁芯20（1）额定功率PN

：指电动机在额定运行状态下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态下电机两端的电压，用V表示；（3）额定电流IN

：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时流过电机的电流，用A表示；额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：

PN=UNINηN式中，ηN为直流电动机的额定效率。直流电动机的铭牌数据主要有：21（4）额定转速nN：指电动机在额定运行状态下转子的转速，用r/min表示；（5）额定励磁电流IfN：指电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，励磁绕组中流过的电流。除此之外，电机的额定参数还应该包括绝缘等级、防护等级、冷却方式、温升、重量等。在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行称为额定运行。电机处于额定运行状态时，具有良好的性能，工作可靠；电机电流小于额定电流时的运行称为欠载运行，电机长期欠载运行时，效率不高，造成浪费；电机电流大于额定电流时的运行称为过载运行，长期过载运行时，会使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。22直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械直流发电机的物理模型如右图所示。图中：N、S为主磁极，不动abcd为线圈，旋转1，2为换向片，旋转A，B为电刷，不动2.1.4工作原理1.直流发电机的工作原理23当原动机驱动电机转子以恒定转速n逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知：在线圈abcd中出现感应电动势，其大小e=Blv；其方向由右手定则确定，如左图所示。当导体ab在N极下时，e的方向：由b指向a；当导体cd在S极下，e的方向：由d指向c。此时，电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。24

当电枢逆时针旋转180o后，如左图所示，导体ab与cd互换了位置。用感应电动势的右手定则判断：当导体ab在S极下时，e的方向：由a指向b；当导体cd在N极下时，e的方向：由c指向d。导体ab、cd中e的方向都与上面的情况相反。由于换向片随着线圈一起旋转，故原与电刷B接触的换向片现与电刷A接触，原与电刷A接触的换向片现与电刷B接触，所以电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。25t0eda

图2.8

线圈感应电动势的变化曲线图2.9电刷之间的电动势波形t0eAB26eAB0t图2.10四个线圈时换向后的电势波形

图2.10是一台两极电机，当转子上装有在空间互差90o的四个线圈并连接到四个换向片时的电动势波形图（感兴趣的同学可参见参考书(5)的第202页）。结论：若电机在每极下的导体数大于8时，则电动势脉动的幅度将小于其平均电动势的1%，如图2.11所示。这时电动势的脉动是不易明显察觉的，可以被看作恒定的电动势。27teAB0图2.11多个线圈换向后的电势波形

综上所述：在直流发电机中，线圈上的感应电动势是交变的，但在电刷上的电动势方向却是始终不变的。此时换向片所起的作用是将线圈内的交流电动势变为外电路上的直流电动势，即所谓的整流作用。28直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。直流电动机的物理模型如右图所示。与发电机物理模型不同之处：线圈不再由原动机拖动电刷A、B接到直流电源上2.直流电动机的工作原理29

电刷A接正极，电刷B接负极。线圈abcd有电流流过，方向如左图所示。根据电磁力定律可知，载流导体受到电磁力，其大小f=Bli，其受力方向由左手定则确定：N极下导体ab受力方向从右向左；S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，当电磁转矩大于阻转矩时，电枢沿逆时针方向旋转。30当电枢逆时针旋转180o后，如左图所示，导体ab与cd互换了位置。由于直流电源产生电流的方向不变，所以导体ab、cd中电流的方向都与刚才的相反

。根据左手定则可以判断：导体ab的受力方向变为从左向右，导体cd的受力方向变为：从右向左。即导体ab、cd的受力方向都与刚才相反。电磁力仍形成逆时针方向的电磁转矩，线圈将继续沿逆时针方向旋转。31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却是恒定的。此时换向片所起的作用是将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流，即所谓的逆变作用。2.2直流电机的电枢绕组（了解）2.3直流电机空载和负载时的磁场2.3.1直流电机的空载磁场直流电机的磁场，可由永久磁铁或直流励磁绕组产生。通常永久磁铁的磁场比较弱。因此，绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流电流产生的。励磁绕组通以直流电流而电枢绕组无电流时的磁场，称作直流电机的空载磁场。32(b)气隙磁密分布(a)气隙形状极身极靴几何中心线由于空载时电枢电流为0，所以气隙磁场由励磁电流单独决定。极靴下气隙较小，故磁密较强且均匀；极靴外，气隙迅速增大，故磁密也迅速减弱，几何中心线处磁密为0。空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数Bδ表示：分析可知它是帽子形（或称平顶波），如右图所示。2.3.2负载时直流电机的磁场

直流电机带负载后，电枢绕组有电流通过，并产生电枢磁场。此时，气隙磁场由主磁场（又称励磁磁场）和电枢磁场共同决定。33(a)电枢磁场(b)空载磁场(c)负载磁场励磁电流为零电枢电流为零电枢磁场会对气隙磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应。电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能。34主磁场的磁通密度分布曲线（帽子形，或称平顶波）电枢磁场的磁通密度分布曲线（马鞍形）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（气隙磁场发生畸变）电枢反应一般可分为交轴电枢反应和直轴电枢反应，若电刷位于主磁极几何中线上，则只存在交轴电枢反应。进一步地，当不考虑磁饱和时，交轴电枢反应既无去磁、也无增磁作用；当考虑磁饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。352.4感应电动势和电磁转矩直流电动机运行时，当电枢绕组内流过电流时，载流导体与气隙磁场相作用，就会产生电磁转矩，使得电枢导体运动。电枢导体的运动又将切割气隙磁场，在电枢绕组中产生感应电动势。本节将主要讨论电枢绕组的感应电动势和电磁转矩的计算问题。2.4.1

电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也称为电枢电势，记作Ea，单位为V。

其计算公式为36

Ea=CEΦn

(2-13)

电机极对数p=2电机极数2p=4式中：称为电动势常数，p是电机极对数；Na为电枢绕组的总导体数；2a为电枢绕组的支路个数，对于单叠绕组，其a=p，而对于单波绕组，其a=1；Φ为电机每极的磁通量（Wb）；n是电机的转速（r/min）。372.4.2电磁转矩

T=CTΦIa

（2-17）式中，称为转矩常数，其中p，Na，a的含义同CE；Ia为电枢电流。转矩常数CT与电动势常数CE之间的关系为其计算公式为382.5直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系2.5.1

基本方程式1.电机稳态运行时的基本方程式TLTnIfIaEaUΦUf＋＋－－图2.12他励直流电动机各物理量的参考方向

图2.12标出了他励直流电动机各物理量的参考方向（即正方向）。图中：U—电枢两端的端电压；Ea—电枢感应电动势；Ia—电枢电流；T—电磁转矩；TL—负载转矩；n—电机的转速；Uf

—励磁电压；If—励磁电流；Φ—主磁通。39TLTnIfIaEaUΦUf＋＋－－图2.12他励直流电动机各物理量的参考方向根据图2.12中规定的正方向，可以列出直流电动机稳态运行时的基本方程式为U=Ea＋Ia

Ra(2-19)Ea

=CE

Φn(2-20)T=CT

ΦIa(2-21)T=T0＋T2(2-22)If=Uf／Rf(2-23)Φ=f(If,

Ia

)(2-24)电枢绕组回路的电阻电动机空载转矩电动机输出转矩励磁绕组回路的电阻40举例：

当他励直流电动机的电源电压U、电枢回路电阻Ra、每极磁通量Φ、负载转矩TL已知情况下，如何根据基本方程式计算直流电动机稳态运行时的转速n？2.基本方程式的应用解：（1）计算Ia（2）计算Ea（3）计算n412.5.2功率关系

把U=Ea+IaRa

两边同乘以Ia得

UIa

=EaIa+Ia2Ra

(2-25)即

P1=PM+pCua

(2-26)式中，P1=UIa

为电动机从电源输入的电功率；PM=EaIa

为电磁功率，即把电功率转换成机械功率的那部分功率；

pCua=Ia2Ra为电枢回路总的铜损耗。把式T=T0+T2两边同乘以电枢机械角速度Ω得

TΩ=T0Ω+T2Ω

(2-27)即

PM=p0+P2(2-28)42PM=p0+P2(2-28)式中，PM=TΩ也为电磁功率；p0=T0Ω是空载损耗，包括铁损耗pFe和机械摩擦损耗pm；P2=T2Ω为转轴上输出的机械功率。理论上可以证明：TΩ

=EaIa证明：43P1=PM＋pCua(2-26)PM=p0＋P2(2-28)P1=UIaPM=Ea

Ia=TΩP2=T2ΩpCua=Ia2Rap0=pFe

＋pm输出机械功率电磁功率输入电功率电枢回路总铜损耗空载损耗图2.13他励直流电动机稳态运行时的功率流程图P1=pCua＋PM=

pCua＋p0＋P2

=

pCua＋pFe＋pm＋P244他励直流电动机稳态运行时的总损耗为

Σp

=pCua

+pFe

+pm+ps式中，ps为附加损耗或杂散损耗。电枢回路总铜损耗pCua=Ia2Ra包括电枢回路所有相串联的绕组以及电刷与换向器表面的电损耗；铁损耗pFe是指电枢铁心在磁场中旋转时，硅钢片中的磁滞与涡流损耗。这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关，它的具体产生原因可参见参考书（5）中的第231页；机械摩擦损耗pm包括轴承摩擦、电刷与换向器表面摩擦、电机旋转部分与空气的摩擦以及风扇所消耗的功率。这个损耗与电机的转速有关；45

并励电动机的总损耗还应包含励磁损耗pCuf，即Σp=pCua+pFe+pm+ps+pCuf

附加损耗又称杂散损耗ps：前面讨论时没有考虑而实际中又确实存在。例如电枢反应使磁场扭曲，从而使铁损耗增大；电枢齿槽的影响造成磁场脉动引起极靴及电枢铁心的损耗增大等等。此损耗不易计算，一般按额定功率的0.5%（有补偿绕组的直流电动机）或1%（无补偿绕组的直流电动机）进行估算。励磁损耗pCuf包括励磁绕组的铜损耗和励磁回路外串电阻中的损耗。如果是他励直流电动机，pCuf

将由其他直流电源供给，因此总损耗不包括该项。46此时电动机的效率η为：额定负载时，直流电动机的效率与电机的容量有关。10kW以下的小型电机，效率约为75%~85%；10~100kW的电机，效率约为85%~90%；100~1000kW的电机，效率约为88%~93%。例题：已知一台他励直流电动机的额定功率PN=110kW，额定电压UN=400V，额定电流IN=276A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.0807Ω，若忽略磁饱和的影响。求额定运行时：(1)电磁转矩；(2)输出转矩；(3)输入功率；(4)效率。47解：电枢感应电动势电磁功率（1）电磁转矩（2）输出转矩（3）输入功率（4）效率482.6直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性是指直流电动机在运行过程中电磁转矩和转速之间的关系，即n=f(T)。2.6.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性是指电动机的电枢电压U、励磁电流If保持一定（通常保持额定值）时，转速与转矩之间的关系。式中，称为理想空载转速；称为机械特性的斜率，其倒数称为机械特性的硬度。49图2.14他励直流电动机的机械特性曲线nn0nNTNT0这种特性称之为硬特性，因为随电磁转矩的增加，转速只有微小的变化。50电枢反应会产生去磁作用，而且T越大，

Ia越大，去磁作用也越大，使Φ↓。以上变化过程使得机械特性曲线下降程度减小，甚至成水平或上翘的曲线。曲线上翘对电动机稳定运行非常不利。T0n考虑磁饱和时的机械特性曲线图2.15考虑磁饱和时的机械特性曲线511.固有机械特性当电动机电枢两端的电源电压为额定电压、气隙磁通为额定值、电枢回路不外串电阻，即U=UN、Φ=ΦN、电枢回路外串电阻R=0时，这种情况下的机械特性称为固有机械特性。（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线，其特性为硬特性；

他励直流电动机的固有机械特性具有以下几个特点：（3）当T=TN时，转速n=nN；（2）实际的空载转速为；

他励直流电动机的固有机械特性曲线如下页图所示。52nn0nNT0TNT0TS图2.16他励直流电动机的固有机械特性曲线返回53（4）直流电动机在额定电压下刚起动时，其电枢电流，称为起动电流，电磁转矩T=CTΦN

Is=Ts，称为起动转矩。

起动电流Is、起动转矩Ts一般很大，

比电枢额定电流、额定转矩大几十倍。如此大的起动电流会导致换向器表面产生强烈火花甚至环火而烧坏换向器。另外，过大的起动电流也会使起动转矩太大，造成机械冲击，易使设备受损。所以他励、并励直流电动机一般不允许在额定电压下直接起动。54（5）电磁转矩反向时的情况T<0→n>n0T的实际方向与n的方向相反→T由拖动性转矩变为制动性转矩。T<0→PM=EaIa<0P1=UNIa<0电动机→发电机Ia<0→Ea>UN>0∵UN=Ea＋IaRa举例：55Ea++--TnTL1UNIaUN>Ea(a)TABTL1–(TL2

–TL1)0nnAnBn0(c)图2.17电车下坡时的回馈制动a—电车平路行驶；b—电车下坡；c—机械特性Ea++--TTL1UNIaTL2Ea>UN(b)n56例题：已知一台他励直流电动机的数据为：PN=75kW，UN=220V，IN=383A，nN

=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.0192Ω，忽略磁路饱和的影响。求：(1)理想空载转速；(2)固有机械特性的斜率；(3)额定转速降；(4)若电动机拖动恒转矩负载TL=0.82TN运行（TN为额定电磁转矩），问电动机的转速、电枢电流以及电枢电动势为多大？解：57（2）斜率（3）额定转速降（1）理想空载转速（4）负载时的转速降电动机的转速58电枢电流电枢电动势2.人为机械特性当直流电动机的电源电压、励磁电流、电枢回路串接电阻等参数由于生产过程的需要而做人为调整时，其机械特性将相应发生变化，变化后的特性称为人为机械特性。也可59（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性++UREaRaIaUfIfΦ图2.18电枢回路串接电阻时的原理图电动机电枢两端的电源电压为额定电压UN；气隙磁通量为额定值ΦN

；电枢回路总电阻为(Ra+R)。①条件60②机械特性人为固有R2

>R1图2.19电枢回路串接电阻时的人为机械特性曲线nn0RaRa+R1Ra+R20TTL61③

特点

①理想空载转速n0不变，与固有机械特性相同；

②斜率β随(Ra+R)的增大成正比例地增加，因而形成一组过n0的放射状直线。电枢回路串接电阻的人为机械特性主要用于电动机的起动和调速（额定转速以下）。④用途62（2）改变电枢电源电压时的人为机械特性①条件保持气隙磁通量为额定值ΦN不变

；电枢回路不串接电阻（即R=0）；改变电枢两端的电源电压U。②机械特性63图2.20改变电枢电源电压时的人为机械特性曲线nn00Tn0’n0’’nn’n’’TLUNU’U’’U’’

<U’

<UN人为固有64③特点②理想空载转速n0与U成正比。

①斜率β不变，与固有机械特性相同，各条人为特性曲线平行；改变电枢电源电压的人为机械特性主要用于电机的起动和调速（额定转速以下），并且调速时能保持机械特性的硬度不变。④用途65（3）减少气隙磁通量时的人为机械特性电动机电枢两端电源电压为UN

；①条件电枢回路不外串电阻（R=0）；改变气隙磁通Φ。②机械特性66Ф’’Ф’ФNФ’’<Ф’<ФN人为固有n图2.21他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性曲线0TTLn0n0’n0’’67③特点②磁通减弱会使斜率β加大，因β与磁通的平方成反比；①磁通减弱会使n0升高，因n0与磁通成反比；