《电机与变压器》课件 第7章 直流电机

第七章直流电机第一节直流电机的结构；第二节直流电机的基本工作原理；第三节直流电机的分类、铭牌及系列；第四节直流电机的空载磁场和电枢反应第五节直流发电机及其运行特性；第六节直流电动机及其机械特性第七节直流电动机的启动和反转；第八节直流电动机的调速；第九节直流电动机的制动；第十节直流弧焊发电机。直流电机概述：

直流电机是指能发出直流电流的发电机，或通以直流电流而转动的电动机。

直流电动机与交流电动机相比较，具有以下显著优点：

它具有良好的启动性能，启动转矩较大；

能在较宽的范围内进行平滑的无级调速；

还适宜于频繁启动。因此，凡要求广范围无级调速，或者要求较大启动转矩的场合都采用直流电动机作为动力。

它应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、矿井卷扬机、大型机床、起重机等设备中，还应用于电动汽车、电瓶车、电动自行车等携带式电动工具中。小容量的直流电动机大量应用于自动控制系统中。电动自行车用无刷直流电动机

直流发电机则作为各种直流电源，用于直流电动机的电源，化学工业中电解、电镀的电源，发电厂中同步发电机的励磁电源，后者称为励磁机。直流电机也存在一些缺点：如制造中消耗有色金属较多，工艺较复杂，成本较高，运行中，电流换向的故障较多，维修比较麻烦，运行过程中容易产生火花。对于粉尘比较大，易燃易爆场所直流电机很难应用，这是它致命的弱点。三相异步电动机拖动直流发电机发电作直流电源第一节直流电机的结构一、内转子式直流电机结构二、外转子直流电机的结构(简介)直流电机的结构图和主要部件图，分别如图7-1和图7-2所示。直流电机分为固定的和转动的两大部分。固定不动的部分叫定子，包括主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置等部件。转动的部分叫转子，通常称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴等部件。

一、内转子式直流电机结构1．定子2．转子(电枢)1．定子定子的作用是产生磁场和作电机的机械支架。

(1)主磁极(2)换向磁极(3)机座(4)电刷装置(5)端盖(6)补偿绕组(1)主磁极主磁极由铁心及线圈两部分组成，通过螺钉固定在机座上。如图7-3所示。主磁极铁心通常采用1～1.5mm厚的钢板经冲剪叠压而成。铁心的近气隙部分做成弧形，使气隙中的磁通能均匀分布，并能挡住套在铁心上的励磁绕组，不致脱落。铁心的弧形部分通常称为极掌。将绕制好的线圈--通常称为励磁绕组，套在铁心上组成主磁极。主磁极的主要作用是产生主磁通。当励磁绕组通过直流电时，铁心就成为一个固定极性的磁极。主磁极可为一对、两对或更多对数。在机座内呈N、S、N、S……间隔排列。励磁绕组用铜线(或铝线)在模具上绕制成型后，装在铁心上。绕组与铁心之间垫有绝缘物质。(2)换向磁极换向磁极又称附加磁极。也是由铁心和线圈组成。其铁心多采用扁钢，大容量电机采用薄钢片制成。其励磁绕组的匝数较少，并与电枢绕组串联。换向磁极通常安装在两个相邻的主磁极的中性线上，所以又称为间极。如图7-4(a)所示，其数量与主磁极相同或为其一半，也用螺钉固定在机座上。换向磁极的作用是产生附加磁通，减小电枢绕组在电流换向时所产生的火花。换向磁极应当这样安排：顺着电枢旋转方向依次为N、N′、S、S′、N、N′……(N′、S′表示间极，N、S表示主磁极)，如图7-4(b)所示。

如果顺序不对，反而使换向火花加剧，严重时可烧坏换向器。

(3)机座

机座通常用铸铁、铸钢或钢板焊接而成。

机座中传导磁通部分称为磁轭。主要作用有三：一是作为磁轭传导磁通，它是电机磁路的一部分；二是用来固定主磁极、换向磁极和端盖等部件；三是借用机座的底脚把电机固定在基础上。所以机座必须具有足够的机械强度和良好的导磁性能。

(4)电刷装置电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧(片)等零件构成，如图7-5所示。电刷放在刷握内，用压紧弹簧以一定的压力将其压在换向器的表面上。刷握固定在刷杆上，刷杆固定在刷杆座上。借刷辫将电流从电刷引入或引出。根据电流的大小，每一刷杆上可安装一至数只刷握组成电刷组，电刷组的数目一般等于主磁极的数目。在换向器表面上，各电刷组之间的距离应该是相等的。电刷座是可以转动的，以便于调整电刷在换向器表面上的位置。电刷装置的作用是通过固定的电刷和旋转的换向器之间的滑动接触，使转动的电枢绕组电路与静止的外部电路相联接。704各种规格铜碳电刷(5)端盖端盖一般用铸铁制成。其作用是：一、装有支撑轴承转动的部分；二、能保护电机避免外界杂物落进；三、维护人身安全，防止接触电机内部器件。(6)补偿绕组补偿绕组置于主磁极的极靴内，并且与主电路串联。其作用是用以抵消极靴范围内电枢反应磁动势，以改善磁场性能。只有大容量电机在换向困难的情况下，才安装补偿绕组。2．转子(电枢)

转子通常称为电枢。它的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。

(1)电枢铁心电枢铁心由硅钢片构成。为了减小涡流损耗，它采用0.35～0.5mm厚的相互绝缘的硅钢片冲制叠压而成。有时为了加强电机冷却，在电枢铁心上冲制轴向通风孔，在较大型电机的电枢铁心上还安排有径向通风槽，用通风槽将铁心沿轴向分成数段，每段长40～100mm，通风槽的宽度一般为10mm。整个铁心固定在轴上，与轴一起旋转。电枢铁心及冲片形状如图7-6所示，冲片四周槽口供安放电枢绕组。电枢铁心有两大作用：一是作为电机主磁路的一部分，传导磁通。二是作为嵌放电枢绕组的骨架。

(2)电枢绕组电枢绕组通常用绝缘的铜线或扁铜线在模具上绕制成线圈后再放置于电枢铁心槽中，并且用槽楔封口，以防止运转时抛出。伸出槽外的绕组端部，用玻璃丝带或非磁性钢丝带扎紧，线圈可做成单匝或多匝。每个线圈的端头按一定规律接到换向器上，如图7-6所示。微型直流电机电枢绕组电枢绕组的作用：

是作为发电机运行时，产生感应电动势和感应电流；作为电动机运行时，通电后受到电磁力的作用，产生电磁转矩。

(3)换向器换向器是由许多楔形铜片组装而成，形成一个圆柱体，片与片之间用厚0.4～1.2mm的云母隔开，所有换向片与轴也是绝缘的。它装在电枢的一端，其结构如图7-7所示。每一个换向片按一定规律与电枢线圈联接。换向片的作用：在发电机中，换向片使电枢绕组中的交变电动势变为电刷端点的直流电动势；在电动机中，它能将外加的直流电变为电枢绕组中的交流电。各种型号换向器3．其他部分其他部分有风扇、转轴、支架、气隙。风扇为自冷式电机中冷却气流的主要来源，防止电机温升过高。转轴是电枢的主要支撑件，它传送扭矩、承受重量及各种电磁力，应有足够的强度、刚度及疲劳寿命。中小型电机多为实心台阶轴。支架是大、中型电机电枢或转子组件的支撑件，有利于通风和减轻重量。

气隙是电机主磁极与电枢之间的间隙，小型电机气隙约为1～3mm，大型电机气隙约为10～12mm。气隙虽小，因空气磁阻较大，在电机磁路系统中有重要作用，其大小、形状对电机性能有显著影响。直流电机的结构：

有定子和转子两大部分，两者之间存在着气隙。直流电机的定子，主要用来建立磁场，并起机械支撑和防护作用；转子是电枢，用来产生感应电动势和通过电流，起着机电能量转换的作用。二、外转子直流电机的结构(简介）电动轮式电机是一种外转子式永磁直流电机，如图7-8所示。其结构是定子铁心、定子绕组在内，转子在外，将永久磁铁固定在车轮上，与车轮一起转动。定子铁心固定在轴上，定子绕组固定在定子铁心上。取消了机械换向器和电刷，采用逆变器(将直流变成交流)进行电子换向。电机内的旋转磁场由逆变器供电产生。用传感器检测转速的同时控制电动机速度和转矩，永久磁铁多采用钐钴或钕铁硼类。电动自行车电机

国外已开发出额定输出功率为6.8kW，最大输出25kW的电动轮式电机。近年来，我国中国科学院电工研究所也在从事电动轮式电机的研究工作。采用外转子结构，转子材料为钕铁硼永磁，功率为20kW，极数为24极，车胎直接与外转子相联，车轮的转速即为电动机的转速，无需传动机构，因而噪声低，效率高。

三、无刷直流电机结构(简介)有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是机械电刷却是有刷电机的一个致命弱点。早在1917年有人提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。

1955年美国D·赫尔森等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。作为一种优异磁性能的新型永磁材料，钕铁硼永磁体已经广泛应用于各种电机上，特别是无刷直流电动机。钕铁硼永磁体是一种无源硬磁性材料，在永磁体内部不存在着宏观的电流源。永磁体内部微观的物理本质，其磁场是分子电流产生的(主要是电子的自旋)，永磁体一旦被外界磁场所激励后，其磁畴即定向排列，形成剩余磁场强度，其一旦形成，在很大的外界磁场下也几乎保持不变。无刷直流电机是电子换向电路和交流旋转电机的结合。它与有刷直流电机在控制方面的差别，主要取决于换向电路功率开关的结构。无刷直流电机以电子换向器代替机械换向器，可靠性高，工作寿命长，效率高和控制性能好。无刷电动机广泛用于航空航天、自动化装置、仪器仪表、计算机外围设备、机器人、家用音像、视频设备及各种工业动力调速等方面。无刷直流电动机的种类很多：从绕组形式看，有显形绕组、封闭式绕组、正交绕组；从导电状态分，有三相三状态、三相六状态、四相四状态、五相十状态等；从位置传感形式分，有磁电式、霍尔元件、磁敏二极管光电式、高频耦合式。无刷直流电机典型的直流电机脉宽调制(PWM)速度控制系统原理如下：

直流电机PWM调速系统框图如图7-9所示。PWM放大器由脉冲频率发生器、脉冲宽度调制器和开关功率放大器三大主要部分组成。直流电机PWM调速系统脉冲频率发生器产生一个频率为，幅度为Up，并且具有良好线性度的三角波UΔ，它与电流控制器的输出信号同时作为脉宽调制器的输入信号。其输出信号Up的频率与UΔ相同，宽度与UK成比例的矩形脉冲。开关功率放大器受Up控制，其输出Ud是幅度近似于电源电压Us，频率和宽度与Up相同的矩形功率方波，施加在电机两端，产生控制电流，使电机动作，从而改变转速的大小和方向。电流检测器和转速检测器分别实现电流和转速的负反馈，构成闭环系统。

电动机绕组接法很多，三相绕组最常见的接法有星形和三角形，主回路桥式电路如图7-10所示。图7-11所示为三相星形桥式线路的无刷直流电动机正常运行时的通电情况。

第二节直流电机的基本工作原理一、直流发电机二、直流电动机

直流电机，一般指换向器式直流电机。

直流电机包括直流发电机和直流电动机。

它们具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机拖动旋转而发电，它是将机械能转换成电能的设备；直流电动机则是接在直流电源上，产生电磁转矩，拖动各种工作机械工作，它是将电能转变为机械能的设备。

一、直流发电机1．电磁感应与右手定则2．直流发电机的基本工作原理3．直流发电机恒定电动势的产生1．电磁感应与右手定则从物理学中可知，在磁感应强度为B的均匀磁场中，当一根有效长度为L的导体，作垂直切割磁感线运动时，则在导体L上产生感应电动势。这种由于导体切割磁感线而使导体产生电动势的现象，称为电磁感应。其感应电动势的大小计算规律，称为电磁感应定律，公式为

电动势e的方向可按右手定则确定：即伸开右手，让拇指与其余四指在同一平面内，且互相垂直。将右手放人磁场中，让磁感线垂直穿人手心，大拇指指向导体的运动方向，其余四指所指的方向，便是导体中感应电动势的方向。如图7-12所示。

(7-1)2．直流发电机的基本工作原理

图7-13是直流发电机原理图。图7-13是直流发电机原理图。两个磁极N、S建立恒定磁场，两极中间有圆柱形铁心，称为电枢铁心，其作用是使极掌处空气隙的磁通均匀分布。铁心上固定着线圈abcd，线圈的ad两端分别接在跟电枢铁心一起旋转的两片半圆铜片上，这两个半圆形铜片称为换向片，它们合在一起称换向器。电枢铁心，铁心上固定的线圈，以及换向器组合在一起称为电枢。电刷AB分别与这两个换向片接触而通向外电路。

(1)在图7-13(a)中当电枢逆时针旋转时，线圈两边ab与cd切割磁感线产生感应电动势，方向如图7­13(a)所示，电刷A为正极，电刷B为负极。外电路上的电流方向是由正极A流出，经负载流向负极B。可根据右手定则判断。

(2)在图7-13(b)中当电枢旋转90°时，如图7-13(b)所示，线圈两边均处于磁场的物理中性面上，此时线圈不切割磁感线，感应电动势为零。两电刷A、B同时与两换向片接触，把线圈短接，线圈中也没有电流通过。

(3)在图7-13(c)中当电枢转过了物理中性面后，如图7-13(c)所示，此时线圈的电动势方向改变了，变成了由a→b→c→d，电刷A原来与换向片1接触，变为与换向片2接触，电刷B原来与换向片2接触，变为与换向片1接触，这样电刷A仍为正极，电刷B仍为负极。单线圈直流发电机：线圈每转过一对磁极，其电动势方向就改变一次，但两电刷间的方向是不变的，只是大小在零与最大值之间变化。这种单线圈直流发电机，虽然可以获得恒定方向的电动势和电流，但它们的大小是脉动的，其电动势波形图如图7-13(d)所示。这就是直流发电机的基本工作原理。

3．直流发电机恒定电动势的产生

上述的发电机，电动势方向虽然不变，但大小是脉动的，而且波动很大，这样的电动势是不符合实际要求的。要减少电动势的波动程度，可以在电枢上适当增加线圈数和换向片数。

例如，在电枢上绕两个线圈，即每隔90°就有一个线圈边，如图7-14(a)所示。这样换向后半波电动势将相差90°，其合成的电动势波形如图7-14(b)所示，波动程度已显著减小。实际应用的直流电动机中线圈数总是较多的，磁极对数也不只是一对，电动势的波动程度很小。图7-15表示一台由8个线圈组成的直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。

当原动机带动铁心旋转时，每个线圈的有效边都不断地交替切割N极和S极磁通，不论电枢转到什么位置，N极范围内所有线圈边的电动势都具有相同的方向，S极范围内所有线圈边的电动势也具有相同的方向。又由于线圈是经换向器串联在一起的，通过电刷将闭合绕组分成两部分并联。在旋转时,大部分时间有两个线圈被电刷短路,况且被短路的两个线圈正处于不产生感应电动势的位置上。这样两个线圈组并联称为并联支路数a=1,此时采用一对电刷。如图7-15(d)所示.因此，电刷A、B间的电动势始终为处于N极(或S极)范围内所有线圈电动势之和，也就是说，无论电枢转到什么位置，由于线圈的相互替换，换向器的换向作用，电刷A、B间的电动势的方向总是恒定的，是直流电动势。并且是最大的直流电动势。

从这里知道，每个磁极范围内的线圈数越多，电动势的波动就越小。实验和分析都表明，当每个磁极范围内的导体数目大于8时，电动势的波动程度就小于1％，实际上发电机线圈数是很多的，换向片数也很多，换向后得到的电动势波动程度很小，可以认为是恒定的直流电动势。数量的变化引起质的变化，由脉动直流变成较为平稳的直流。二、直流电动机

1．直流电动机工作的理论基础2．直流电动机的基本工作原理3．直流电动机恒定转矩的产生1．直流电动机工作的理论基础直流电动机工作的理论基础：是基于电磁力定律，即通电导体在磁场中会受到力的作用。如图7-16所示，在磁感应强度为B的磁场中，放置一条长度为L的导体，且与磁感应线方向垂直。若在导体L中通以电流i，则作用在载流导体上的电磁力为电磁力方向可按左手定则来确定：伸开左手，让拇指和其余四指在同一平面内且互相垂直，将左手放人磁场中，让磁感线垂直穿人手心，令四指指向电流方向，那么拇指所指示的方向就是导体的受力方向。

2．直流电动机的基本工作原理图7-17是直流电动机的工作原理图。基本结构与直流发电机完全相同。将直流电源的正负极通过电刷A、B与电机接通。(1)在图7-17(a)中

在图7-17(a)所示的瞬间，直流电流通过电刷A、换向片1、线圈ab和cd，最后经换向片2及电刷B回到电源的负极。载流导体ab和cd在磁场中要受到磁场力的作用。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右，这样就产生一个转矩，使电枢沿逆时针方向旋转。(2)在图7-17(b)中

当电枢转过90°时，两个线圈边都转到磁感应强度即磁感应强度B=0的位置，此时线圈边不受磁场力的作用，转矩消失。如图7-17(b)所示。

(3)在图7-17(c)中由于电枢机械惯性的作用，转矩虽为零，电枢也能转过一定角度，这时线圈改变了电流方向，电流流经的途径是通过电刷A、换向片2、线圈边ab和cd，最后经换向片1及电刷B回到电源的负极。这时两个线圈边受力的方向仍旧使电枢沿逆时针方向旋转。如图7-17(c)所示。

直流电动机的基本工作原理：

一个线圈边从一个磁极范围经过中性面转到相邻异性磁极范围时，通过线圈的电流方向改变一次，电枢的转动方向仍保持不变。改变线圈中电流方向是换向器和电刷完成的。当然，在实际直流电动机中，有许多个线圈牢固地嵌在电枢铁心槽中。当线圈通过电流，在磁场中因受力而运动时，就带动整个电枢旋转，通过转轴便可带动其他工作机械。这就是直流电动机的基本工作原理。

3．直流电动机恒定转矩的产生

欲使电动机连续平稳地旋转，单靠一对换向器是达不到目的的。为了使载流导体在磁场中所受到的电磁力形成一种方向不变，大小也不变的恒定转矩，则要增加换向片数来解决。如果每极换向器片数增至8片以上(相应也要增加线圈数)，就可以使转子上得到的转矩，从脉动的转矩变成几乎不变的恒定转矩。

三、直流电机的可逆性

从直流发电机和直流电动机的基本原理可知，直流发电机和直流电动机在结构上是相同的，两者没有本质的区别。所不同的是外界所加的条件不同。

用动力机械带动直流电机旋转，它就成为发电机；若给直流电机电枢通电，直流电机就旋转，输出转矩，带动其他机械旋转，它就成为电动机。

所以一台直流电机，既可以作为发电机运行，也可作为电动机运行。其内部运行机制仅仅是电流方向发生了改变。这就是直流电机的可逆性。

第三节直流电机的分类、铭牌及系列一、直流电机的分类二、直流电机的铭牌一、直流电机的分类

1．并励电机2．串励电机3．复励电机一、直流电机的分类按直流电机磁场的励磁方式分为三大类。第一大类是他励电机。所谓他励是指主磁极绕组的励磁电流由另外的直流电源供电，与电枢电路没有电的联接，见图7-18。

第二大类是自励电机。

所谓自励是指，作为发电机运行时，主磁极励磁绕组的励磁电流由该电机本身电枢供给；

作为电动机运行时，主磁极励磁绕组的励磁电流与电枢电流由同一直流电源供给。自励电机按励磁绕组与电枢联接方式的不同可分为并励、串励、复励三种。自励发电机能够自励的条件是电机主磁极内有足够的剩磁。否则必须人为充磁。

1．并励电机

并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图7-19所示。励磁绕组匝数较多，导线截面较小，电阻较大，励磁电流只为电枢电流的一小部分(通常约为百分之几)。2．串励电机串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图7-20所示。

励磁电流与电枢电流相等。因电枢电流较大，所以励磁绕组的导线截面较大，匝数较少。

3．复励电机复励电机有两个励磁绕组，一个与电枢并联，一个与电枢串联，如图7-21所示。当两励磁绕组产生的磁通方向相同时，磁通可以相加，这种电机称为积复励电机。当两励磁绕组产生的磁通方向相反时，合成磁通为两磁通之差，这种电机称为差复励电机。复励电动机中有时以并励为主，有时以串励为主；复励发电机中多以并励磁通为主，串励磁通只是一少部分。

第三大类是永磁电机。

某些直流电机采用永久磁铁产生磁场，省去励磁部分，这类电机称为永磁电机。永磁电动机在功率很小的电动机上多有采。

从20世纪80年代起，由于钕铁硼等永磁材料的发现，使永磁电动机的功率已从毫瓦级发展到1000千瓦级。永磁电动机具有体积小，结构简单，重量轻等特点；损耗低，效率高，节约能源，经久耐用，使用越发广泛，在军事上占有绝对优势。近些年来，由于具有优异磁性能的新型永磁材料的发展，如钐钴磁性材料、钕铁硼磁性材料，已经广泛应用于各种电机中。例如，兆欧表中的手摇发电机和测速发电机、汽车用永磁电动机、电动自行车用永磁电动机、直流变频空调用永磁电动机。近年来永磁电机的容量在逐渐增大，稀土永磁电机正在迅速发展。二、直流电机的铭牌直流电机的机座上都有一块铭牌，这些数据就是这台直流电机的额定值。直流电机型号中汉语拼音代号的意义如表7-1所示。．图7-22为一台直流电动机的铭牌，上面标明的额定值意义为：

汉语拼音代号意义汉语拼音代号意义Z直

流O封闭F发

电

机C船用D电

动

机K高速W卧式、无槽Q牵引L立式、力矩Y冶金A安

全T调速表7-1直流电机型号中汉浯拼音代号的意义直流电动机型号Z2C-32励磁方式并

励功率1.1kW励磁电压110V电压110V励磁电流0.895A电流13.3A定额连续转速1000r/min温升75℃出厂编号--XXXXXX出厂日期X年X月中华人民共和国XXX电机厂图7-22直流电动机铭牌1.型号Z2C-32

规格代号，3号机座，2号铁心长度

产品代号：Z表示直流电动机

类型代号，C表示船用电动机设计序号，不加数字表示第一次设计，这表示第二次设计2．额定功率PN

电机带额定负载工作时，所对应的功率即为电机的额定功率。对电动机来说，是指轴上输出的机械功率；对发电机来说，是指电枢出线端输出的电功率。

3．额定电压UN对电动机来说，是指电动机正常工作时所需要的直流电源的电压；对发电机来说，是指它在额定电流下输出额定功率时的端电压。

4．额定电流IN

对电动机来说，是指轴上带有额定机械负载时的输入电流；对发电机来说，是指它带有额定负载时的输出电流。

5．额定转速nN指电机正常连续运行时的转速，以每分钟的转数表示。对发电机来说，励磁电流在额定值时，发电机要达到额定转速才能发出额定电压；对电动机来说，只有在额定电压时才能保证额定转速运行。

6．励磁方式指电机的励磁方式，如他励、并励、串励、复励等。7．励磁电压对自励的并励电机来说，励磁电压就等于电机的额定电压；对他励电机来说，励磁电压要根据使用情况决定。

8．励磁电流指电机产生主磁通所需要的励磁电流。

9．定额指电机按铭牌额定值工作时可以连续运行时的时间和顺序。定额分为连续定额、短时定额、断续定额三种。例如铭牌上标有“连续”，表示电机可不受时间限制连续运行；如标明“25％”，表示电机在一个周期内(10分钟为一个周期)，工作25％的时间，休息75％的时间，即工作2.5分钟，休息7.5分钟。

10．温升表示电机允许发热的限度。一般将环境温度定为40℃。例如，温升80℃，则电机温度不可超过80o+40°=120℃，否则，电机就要缩短使用寿命。温升限度决定于电机采用的绝缘材料。11．额定效率电机在额定状态工作时，输出功率P2与输入功率P1的比值。

依据上述基本概念，现介绍各量间的最基本关系。对于直流发电机来说，其额定功率PN与其电流、电压的关系是

对于直流电动机来说，其额定功率PN与其电流、电压、效率的关系是

国产电动机出线端标记如表7-2所示。目前采用的与IEC相同。出线端标记曾经采用目前采用IEC现今采用始端末端始端末端始端末端电枢绕组换向绕组串励绕组并励绕组他励绕组补偿绕组S1H1C1F1W1B1S2H2C2F2W2B2A1B1D1E1F1C1A2B2D2E2F2C2A1B1D1E1F1C1A2B2D2E2F2C2表7-2绕组出线端标记三、国产直流电机的主要系列直流电机为直流发电机和直流电动机的总称。可分为普通标准系列及派生系列和专用系列。所谓电机系列，就是在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺等方面具有共同性，功率按某一规定递增的一系列电机。系列化生产的目的是为了产品的标准化和通用化。

我国直流电机主要系列如表7－3所示型号原用型号名称用途ZZ、ZD、ZOZ2、Z3、ZO2直流电动机一般用途，基本系列ZF直流发电机ZTZT广调速直流电动机用于调速范围较大的传动机械ZJZJD精密机床用直流电动机磨床、坐标镗床等精密机床用Z－HZHZ2C

ZO2C船用直流电动机船舶上各种辅助机械用ZF－H船用直流发电机作船舶上电源用ZZJZZ、ZZK、ZZY起重冶金用直流电动机冶金辅助传动机械等ZZJ－HZZ－H、ZZK－HZZY－H船用起重直流电动机各种船舶的辅助设备ZUZBD龙门刨床用直流电动机龙门刨床用ZYSZYS永磁直流调速发电机测量转速或作速度反馈元件ZCFZCF大功率他激直流测速电动机作速度反馈元件ZQZQ、ZXQ直流牵引电动机电力传动机车、工矿用电动机和蓄电池供电车等ZWZWC无槽直流电动机快速动作伺服系统中用ZLJ力矩直流电动机用于位置或速度伺服系统中作为执行元件ZYZY直流永磁电动机广泛用于小、微型低压传动中表7－3直流电机系列名称及用途

例7-1一台直流发电机，PN＝10kW，UN＝230V，nN=2850r／min，ηN=85％。求其额定电流及额定负载时的输入功率。解

：

由式

PN=UNIN得输入功率为

由得

例7-2一台直流电动机，PN=17kW，UN=220V，nN

=1500r／min，ηN=83％。求额定电流及额定负载时的输入功率。

第四节直流电机的空载磁场和电枢反应一、直流电机的空载磁场二、直流电机的电枢反应一、直流电机的空载磁场1．直流电机空载时的主磁场分布2．直流电机的磁化曲线3．气隙磁感应强度的分布直流电机的空载磁场：电机空载时的气隙磁场称为直流电机的空载磁场。它是由主磁极绕组通以直流电流(即励磁电流)建立的。

1．直流电机空载时的主磁场分布直流电机主磁场方向与励磁绕组电流方向之间符合右手螺旋定则。变化线圈的绕向或改变电流方向，可在定子内腔产生所需的N、S相间排列磁场。图7-23是一台四极直流电机空载时主磁场的分布情况。

当磁极上的励磁绕组按图示方向通以直流电以后，主磁极分别呈现N、S、N、S极性，磁通由N极进入气隙和电枢齿，分左右两路经电枢磁轭，再经S极下的电枢齿和气隙进入相邻的S极，再由定子磁轭回到原来出发的N极而自成闭合回路。因此，磁极气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭共同组成磁场的通路--磁路。通过该磁路的磁通称为主磁通，以Φ0表示。Φ0既交链着励磁绕组，也交链着电枢绕组。在N、S极之间还存在着一少部分磁通，它们不进入电枢铁心，不与电枢绕组相交链，而另成闭合回路，如图7-23中的Фδ

所示的这部分磁通称为漏磁通。漏磁通很少，一般占总磁通的15％～20％。2．直流电机的磁化曲线

主磁通Φ0的大小取决于励磁磁势(NI)的大小和磁路各段磁阻的大小。对某一台特定的电机，其磁路材料的几何尺寸都已经确定，即磁阻已定。因此，主磁通Φ0仅与磁动势有关，其关系可由这台电机的磁化曲线体现，如图7-24所示。当磁通较低时，磁路的铁磁材料中消耗的磁动势很小，励磁磁动势几乎全消耗在气隙上，NI与Φ0呈直线关系；当Φ0较大时，铁磁材料趋于饱和，磁化曲线开始弯曲，Φ0与NI呈非直线关系。若要再增加一些磁通，必须增加较多的励磁磁动势。

在励磁绕组匝数不变的情况下，增加励磁磁动势实际就是增加励磁电流。因此，磁化曲线的横坐标有时不用磁动势NI表示而用励磁电流IL表示，成为磁通Φ0与励磁电流IL之间的关系曲线，Φ0＝f(IL)。所以，为了合理地利用材料，在电机额定电压下空载时，电机的磁通大小设计在磁化曲线的弯曲处，如图7-24中的N点，即不用较大的励磁电流可以得到足够的磁通。3．气隙磁感应强度的分布由于主磁极结构上的特点，气隙处的磁感应强度B的分布是不均匀的，如图7-25(a)所示，在极掌下气隙较短，极掌两边气隙明显增长，磁感应强度迅速下降。直至两极分界处，磁感应强度下降到零。其分布曲线为如图7-25(b)所示的平顶波。磁密为零的线与电机轴线所决定的平面为物理中性面。两极之间的几何分界面为几何中性面。当电机只存在主磁极磁场时，几何中性面和物理中性面重合。二、直流电机的电枢反应交轴磁场：

当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，也要产生一个磁场，叫做电枢磁场。发电机的电枢磁场与电动机的电枢磁场是不同的，但它们的轴线均与主磁场的轴线垂直相交，所以又叫交轴磁场，如图7-26所示。

电枢反应：

在有负载的电机中，主磁场和电枢磁场是同时存在的。电枢磁场的存在，对主磁场会产生影响，这种影响叫做电枢反应。

1．直流发电机的电枢反应直流发电机的主磁场如图7-26(a)所示。电枢反应的第一个影响：电枢逆时针旋转，电枢绕组中产生的感应电动势和电流方向如图7-26(b)所示，位于N极下方导体中的电流方向垂直纸面向外，位于S极下方导体中的电流方向垂直纸面向里，电枢形成的磁场方向自左向右。这个磁场的轴线与主磁场的轴线垂直相交。这两个磁场在空间同时存在，实际上作用于电枢上的磁场是主磁场和电枢磁场的合成磁场。所以整个磁场的方向，各处磁感应强度的大小均发生了变化。结果总的磁场发生偏转，如图7-27所示。

电枢按逆时针方向旋转，在发电机主磁极的前极端，电枢的磁场方向与主磁场的方向相反，合成磁场是减弱的，也就是说，电枢磁场对主磁场是起去磁作用的；而在后极端，电枢磁场与主磁场方向是相同的，合成磁场是加强的，也就是说，电枢磁场对主磁场起助磁作用。由于电枢磁场对主磁场的这种增磁和去磁作用，使磁场发生畸变，它的物理中性面不再与几何中性面重合，而是顺着发电机旋转方向向前移动了一个β角。由于电枢磁场的作用和影响，使得几何中性面的磁感应强度不再为零，这是电枢反应的第一个影响。

电枢反应的第二个影响：从发电机的整个磁场来说，电枢磁场对主磁场的作用在半个磁极下是去磁作用，在另外半个磁极下是助磁作用，好象助磁可以补偿去磁作用，其实不然。因为铁磁材料都具有饱和的特性，而发电机又处于近饱和状态下工作，实际上造成的结果是加强的部分没有加强多少，而削弱的部分确实削弱了，最终结果是主磁场被削弱了。这是电枢反应的第二个影响。由于上述两个影响，使发电机的电动势有所减少，同时换向器与电刷间的火花增大。

2．直流电动机的电枢反应直流电动机的主磁场仍如图7-26(a)所示。电枢反应的第一个影响：电枢仍为逆时针旋转，电流方向如图7-26(c)所示，N极下所有导体的电流方向向里，S极下所有导体的电流方向向外，电枢磁场方向自右向左。这个磁场的轴线与主磁场的轴线相垂直。电枢磁场与主磁场同时存在，共同作用在电枢上，这两个磁场的合成作用结果使磁场合成之后的轴线逆着旋转方向偏移过β角。由于电枢磁场的影响使得主磁极的几何中性面的磁感应强度不再为零，物理中性面逆着旋转方向偏转β角。这就是电枢反应的第一个影响，如图7-28所示。

根据前面讲过的电机工作在磁路近饱和的状态下，电枢磁场也削弱了主磁场，这是第二个影响。

对于直流电动机来说，除了换向器与电刷间的火花增大外，电动机的输出转矩还有所减少。若负载不变，则转速有所下降。综合上述分析，直流电机的电枢反应引起的影响是：

(1)电机的主磁场发生畸变，磁极轴线发生了偏转。

(2)电机的主磁场被削弱。这两种影响较严重的是由于磁场畸变，将使电刷与换向器之间产生火花，对电机工作影响很大，必须采取措施加以改善。当直流电机大于1kW时，可以装设换向磁极，以抵消电枢磁场对主磁场的影响。对于小型电机，可用移动电刷位置的方法来改善换向。即将电刷从几何中性面转到物理中性面。

第五节直流发电机及其运行特性一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式二、直流发电机的运行特性

一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式1．电枢绕组的感应电动势2．电磁转矩3．电磁功率4.发电机的效率及转矩平衡方程式1．电枢绕组的感应电动势导体在匀强磁场中作垂直切割磁感线运动时，产生电动势的表达式为式中

e--导体中感应电动势，伏特(V)；

B--导体所在处的磁感应强度，特斯拉(T)；

L--导线的有效长度，米(m)；

v--导体运动的速度，米／秒(m／s)。每根导体的平均感应电动势：在直流发电机中，磁极表面的磁感应强度是不均匀的，如果能求出发电机气隙中的平均磁感应强度，每根导体的平均感应电动势为(7-2)式中eP

--导体中平均感应电动势；

Bp--发电机气隙中的平均磁感应强度；

L--导体有效长度；

v--导体运动速度。每条支路的总电动势：如果电枢绕组中总有效边数是N，共有2a条并联支路数，则每条支路串联的有效边数为N／2a，所以每条支路的总电动势为(7-3)式中

Ea--电枢电动势，伏特(V)；

N--电枢绕组有效边总数，根；

a--电枢绕组并联支路对数。求(7-3)式中的Bp和v：对一定的发电机来说，N、a、L只与电机结构有关。而BP和v又是通过每极的磁通Φ和发电机转数n计算出来的，则有

(7-4)式中Φ--为每极磁通，Wb；

D--电枢直径，m；

Sa--每极气隙的面积，m2。

(7-5)

式中

n

--电枢的转数，r／min。就可以得到Ea的值：将式(7-4)和式(7-5)代入式(7-3)中得(7-6)

可将pN／（60a）定为电机的电动势常数，其大小只与电机结构有关，并令其为Ce，则(7-7)

从式(7-7)可看出，发电机的电动势与电枢转速n和主磁极的磁通Ф有关。改变其中任何一个量，都能使Ea发生变化。

例7-3有一台一对磁极、电枢绕组为一对支路的直流发电机，电枢绕组的有效边总数为192根，电枢转速为750r／min，气隙磁通为0.05Wb，试求：a、该发电机的电动势?b、如保持磁通不变，转速减至500r／min，此时电动势是多少?c、如果保持转速不变，调节励磁电流使磁通减至0.03Wb，则电动势又为多少?解：

根据当转速减至500r/min时当磁通减至0.03Wb时

2．电磁转矩直流电机作为发电机运行时，电机由原动机拖动，(输入转矩为T1)并以恒转速旋转。发电机接有负载时，电枢内有电流通过，它与电枢的电动势方向是一致的。它在磁场中要产生一个转矩，转矩方向与输入转矩方向相反。如图7-29所示。对输入的机械转矩来说，它是制动转矩，又因为它是由电磁力产生的，所以叫电磁转矩。例7-4一台他励直流发电机，PN=17kW，UN=230VnN=1500r／min，p=2，N=468根，a=1，求额定电流IN，电枢电动势Ea，及电磁转矩T。解：由式PN=INUN

得由式

由式

3．电磁功率直流发电机在工作时，电枢中有电动势Ea存在，并且有电流Ia输出，如果电枢本身有电阻Ra，输出电压为U，它们之间的关系可有

Ea=U+IaRa

(7-10)或U=Ea-IaRa

式(7-10)称为发电机电动势平衡方程式。如果将上式两边乘以Ia，则得

EaIa

=UIa

+I2aRa=Pe

(7-11)式中EaIa称为电磁功率。式(7-11)称为发电机电磁功率平衡方程式。它表示输入发电机的机械功率通过电磁作用而转变成电磁功率，且Pe=EaIa。式(7-11)中，UIa是电刷两端输出的功率是电枢绕组上的铜损耗如果电机转速n用角速度Ω表示

将式(7-6)、式(7-12)代入式(7-11)得

式(7-13)说明，发电机的电磁功率，来源于输入发电机的机械功率。

(7-12)(7-13)4.发电机的效率及转矩平衡方程式发电机除了电枢绕组铜损耗外，还存在电枢铁心磁滞和涡流产生的铁损耗ＰＦｅ，以及机械摩擦产生的机械损耗ＰΩ，不管发电机有无负载，铁损耗和机械损耗都存在，所以又称空载损耗，统称Ｐ０。如图7-34(a)所示，并励发电机功率平衡图。设发电机输人的机械功率P1，去掉空载损耗p0，其余都转变成了电磁功率Pe。即Pe

=Pl-p0或

P1=Pe

+p0

(7-14)

发电机向负载供电时，电枢绕组有电流通过，产生铜损耗，所以电磁功率P中去掉铜损耗剩下的才是输出功率P2(7-15)，即P2=P-ＰCu

P1=P2+++发电机的功率平衡方程式

P1=P2+Δp

(7-16)

式(7-16)说明输入功率等于输出功率与总损耗之和。这就是发电机的功率平衡方程式。式中P1――电机输入的机械功率

P2――发电机的输出功率

Δp――发电机的总损耗功率发电机的功率平衡方程式

P1=P2+Δp

(7-16)发电机的效率和转矩平衡方程式：从这里引出发电机的效率η，即输出功率P2与输入功率P1的比值。

将式(7-14)P1=Pe+P0

各项除以发电机的角速度

可得发电机转矩平衡方程式

T1＝T＋T0

(7-18)式中T1――原动机输入转矩；

T――发电机电磁转矩；

T0――发电机空载转矩。发电机的电磁转矩方向与电枢旋转方向相反，即与拖动转矩方向相反。(7-17)二、直流发电机的运行特性

′1．并励发电机的空载特性2．并励发电机的外特性1．并励发电机的空载特性

发电机的原理线路图如图7-30所示。电路特点是：电枢绕组与励磁绕组并联，励磁电流由发电机本身的电枢绕组供给。励磁电流占额定负载时电流的极小部分。大、中型直流发电机的励磁电流为额定电流的2％～3％，小型直流发电机的励磁电流为额定电流的5％～10％。以Ia表示电枢电流，IE表示励磁电流，IL表示负载电流，则它们之间的关系是空载时Ia

=IE

IL=0有载时Ia

=IE+IL

空载时，发电机的电枢电流只供给励磁绕组，而励磁电流很小，电枢内部电压降也很小，其端电压与电动势基本相等。以U0表示空载时的端电压，则U0=Ea发电机的空载特性：是指在发电机的转速n=nN，负载电流IL=0时，空载电压U0随励磁电流IE的变化关系，可表示为U0=f(IE)。空载特性曲线：曲线是这样画出的，实验电路如图7-30所示。当发电机达到额定转速nN后保持不变，调节电阻RP，使励磁电流从0开始逐渐增加，每变动一次，记下对应的励磁电流和电压值，最后达到额定的励磁电流IEN和U0。再以励磁电流IE为横坐标，以电压U0值为纵坐标，即可画出如图7-31的曲线。空载特性曲线特点：曲线的形状和铁磁物质的磁化曲线相似，这是因为

,当n为恒值时，U0与Ф成正比，而励磁电流与磁通的关系就是磁化曲线，所以U0与IE的关系也象一条磁化曲线。有一点不同的是，磁化曲线从零开始而空载特性曲线不从零开始，这是因为磁极有剩磁的缘故。当励磁电流IE=0时，电枢两端有个极小的电压，称剩磁电压。并励发电机自建电动势必须满足三个条件：⑴主磁极必须有剩磁；⑵励磁绕组与电枢绕组连接时，励磁电流的磁通与剩磁通方向一致；⑶励磁电路的电阻应小于临界值。并励发电机工作时，其额定工作电压位于曲线弯曲的a点处，称为膝部。若位于a点以下，说明磁路未饱和，铁心未得到充分利用，不经济。励磁电流稍有变化，电压就会有较大的变化，电压不稳定。若在a点以上，磁路比较饱和，要获得额定电压，就要求有较大的电流或者有较多的励磁绕组匝数，这样铜损耗或铜用量要增加，也不经济。所以最适宜的工作点就在a点附近。2．并励发电机的外特性并励发电机的外特性：是指发电机接上负载后，保持励磁电流IE不变时，端电压U随负载电流IL的变化关系，可表示为U=f(IL)。外特性曲线：求取外特性时，实验线路如图7-32所示。

实验时应保持n=nN，同时调节励磁电流和负载电流，使电机达到额定状态，即U=UN,I=IN。然后保持励磁电阻RP不变，求取不同负载时的端电压，可得如图7-33所示的外特性曲线。并励发电机外特性特征：负载电流从零逐渐增加时，端电压逐渐降低，降低的原因有以下几点：(1)发电机内部电压降增大。从电动势平衡方程式看出，Ea=U+IaRa

，负载电流增大时，Ia增大，IaRa增大，而电动势Ea不变，所以端电压U下降。

(2)电枢反应加剧。电枢反应对磁极有削弱作用，电动势Ea有所下降，所以端电压也下降。

(3)由于端电压下降，励磁电压也下降，励磁电流随之减小。结果端电压继续下降。以上三个原因同时存在，使并励发电机从空载到满载时，端电压下降的幅度为额定值的15％左右。并励发电机外特性有三个特点：

(1)在不同负载电流下，端电压降低的幅度不同。

(2)外特性曲线有“拐弯”现象。

(3)稳定短路时，电流较小。一般电源是不允许短路的，但并励发电机不同，如果短路，则端电压急剧下降，短路电流不大，发电机不会因短路而损坏。这是并励发电机的优点。但突然短路仍可造成较大的短路电流，这是应该注意的。例7-5一台并励发电机，其额定数据PN=18kWUN=230VnN

=2000r／min，Ra=0.4Ω，RE=115Ω。如果额定负载下总损耗Δp=3.84kW，求额定负载时，电枢电流IaN、励磁电流IEN、电动势Ea、效率η。解：因为PN=INUN励磁电流

电枢额定电流

IaN

=IN+IEN=(78+2)A=80A发电机的电动势Ea=UN+IaNRa

=230+80额定负载的效率

0.4V=262V

所以第六节直流电动机及其机械特性一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式二、直流电动机的机械特性

一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式1．直流电动机的电动势平衡方程式2．直流电动机的功率平衡方程式3．转矩平衡方程式1．直流电动机的电动势平衡方程式在直流电动机中，电枢电流与感应电动势的方向相反，电源电压U与感应电动势Ea和电枢内部电阻压降IaRa相平衡，因此，电动势平衡方程式为：U=Ea+IaRa

(7-19)电动机属于用电器，式中表示的物理意义是：电动机加上电源电压后，电枢内要产生反电动势，电枢电阻有电流通过时，要产生电压降。说的准确些，上式应叫作电压平衡方程式，以与发电机电动势平衡方程式相区别。2．直流电动机的功率平衡方程式直流电动机从电源取得电功率，转变为机械功率输出，如发电机一样，在转换过程中不可避免地有铜耗和铁耗及摩擦损耗。在电压平衡方程式的两端分别乘以电流Ia，即得

IaU

=EaIa

+I2aRa

(7-20)IaU即电源的输入功率；IaEa即电动机的电磁功率；Ia2Ra即是电枢绕组上的铜耗。于是上式可写成下式P1=P+(7-21)

对于并励电动机来说，励磁回路所消耗的功率也来自电源。因此，其功率关系有P1=P++(7--22)由于电枢旋转，从电磁功率Pe转变为输出功率P2之前，还有一部分功率要补偿机械损耗PΩ(即摩擦损耗)和电枢内的磁滞和涡流的铁耗pFe。这部分损耗不论电动机有无负载，都是存在的。这两部分合称为空载损耗。以p0表示。则Pe=P2+p0(7-23)

因此上式可变成P1=P2+p0+

+

(7--24)电动机的功率平衡方程式P1=P2+Δp

P1—电源的输入功率P2--电动机轴上的输出机械功率；Δp--电动机总损耗功率。电机的功率平衡图：电动机的功率平衡图和发电机的功率平衡图相比，它们的形式是一样的。但P1、P2所表示的实质是不一样的。P1对发电机来说是输入的机械功率，对电动机来说是输人的电功率。P2对于发电机来说是输出的电功率，对电动机来说是输出的机械功率。

如图7-34(a)(b)所示的并励发电机的功率平衡图和并励电动机的功率平衡图可以形象地说明各功率之间的关系。3．转矩平衡方程式将式(7-23)用电动机的角速度Ω去除，可得Te

=T2+T0(7-25)

式中

Te--电动机的电磁转矩；

T2--电动机的输出转矩；

T0--电动机的空载转矩。式(7-25)称为直流电动机的转矩平衡方程式。直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，如图7-35所示，电磁转矩T克服负载的制动转矩T2和空载转矩

T0，带动工作机以恒转速n稳定运行。例7-6有一台2.5kW的直流电动机，电枢绕组的电阻为0.4Ω，外加电压110V，假定磁场恒定不变，当转速n=0时，反电动势为0V，当n=1／4nN时，反电动势为25V，当n=1／2nN时，反电动势为50V，n=3／4nN时，反电动势为75V，当n=nN时，反电动势为100V，求上述四个转速时，电枢电流各为多少?从电流的变化看，说明了什么?

解：根据电动机电压平衡方程U=Ea+IaRa

知(2)Ea=25V时(3)Ea=50V时(4)Ea=75V时(5)Ea=100V时从计算结果可知，当直流电动机转速为0，即接通电源的瞬间，电流是很大的。随着转速的升高，反电动势逐渐增大，电枢电流逐渐减小，当转速升高到额定值时，电流最小。当(1)Ea=0时二、直流电动机的机械特性1．并励电动机的机械特性2．串励电动机的机械特性3．复励电动机的机械特性4．各种直流电动机的应用范围二、直流电动机的机械特性：

当电压为额定值，电枢回路和励磁回路的电阻均为恒值时，转速与转矩的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。当外加电压与励磁电流为额定值，电枢回路串联的外加电阻为零时的机械特性称为自然(固有)机械特性，从空载到额定负载，转速下降不多，故称为硬机械特性。当电枢回路的外加电阻不为零或者非额定电压，或者非额定励磁电流时的机械特性称为人为(人工)机械特性，负载增大时，转速下降较快，称为软机械特性。

1．并励电动机的机械特性并励电动机的原理接线图如图7-36所示。图中RQT为启动调速两用电阻。由于电压U和励磁回路可调电阻RP均为恒值，如忽略电枢反应的影响，可知励磁电流IE和对应的磁通Ф也为恒值。分析电动机的机械特性，就要分析转速与转矩之间的关系。根据电动机的电压平衡方程式U=Ea+IaRa将

代入上式得则又因为T=CФmIa

得所以机械特性方程

(7-26)(7-26)式反映了转速与转矩之间的关系，故称为机械特性方程。式中U／CeФ叫作电动机理想空载转速，它相当于无损耗时的空载转速，即T为0时的转速。如果用n0表示U/CeФ，用α表示Ra/CeCmФ2，则上式可写成：

n=n0-αT(7-27)式(7-27)是直线方程，α是斜率，n0为截距。人工机械特性：如果在电动机电枢回路中串入电阻RSTR，则式(7--26)变为

(7-28)

当RSTR越大时，斜率α越陡，额定转速越低。

由于电枢回路为串入电阻，此时的机械特性称人工机械特性，如图7-37中直线2、3所示。当然还可以降低电压U和减少励磁Ф来调速。例7-7一台并励电动机，其额定数据如下：P2=25kW，UN=110V，η=0.85，nN

=1000r／min，R2=0.04Ω，RE=27.5Ω。试求：

(1)额定电流IN，额定电枢电流IaN，额定励磁电流IEN；

(2)损耗功率Δp,paCu，pECu,p0；

(3)额定转矩TN；(4)反电动势Ea2．串励电动机的机械特性串励电动机的原理接线图如图7-38所示。其特点是：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流。磁通是随电枢电流而变化的，磁路未饱和时，磁通基本上与电枢电流成正比，即Φ=CIa，因

Ea=UIaRa将上式代入电动势方程式

串励电动机的机械特性曲线：可见，串励电动机在磁路不饱和时的机械特性曲线为双曲线，如图7-39所示。转速随负载的增加下降较快，机械特性很软。因空载转速过高，串励电动机不允许空载运行，为保证这一点，它和负载不能用皮带传动，以防皮带断裂或滑脱造成“飞车”事故。当磁路饱和时，负载增大，电流Ia增大时，磁通Ф变化不大，机械特性均为直线，如图曲线后面部分。如果在电枢回路串入不同的附加电阻RP，则可以得到图7-39中的2和3曲线。人为机械特性曲线更软。3．复励电动机的机械特性复励电动机的原理接线图如图7-40所示。为避免运行时产生不稳定现象，复励电动机通常接成积复励形式。由于积复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组，所以其机械特性介于并励电动机和串励电动机之间。而当并励绕组作用大于串励绕组时，复励电动机的机械特性接近于并励电动机。串励绕组起主要作用的复励电动机，其机械特性接近于串励电动机。但在空载时不会发生“飞车”现象。4．各种直流电动机的应用范围各种直流电动机的应用范围，主要取决于电动机本身的特性。他励直流电动机：广泛用于需要宽调速的拖动系统中，如龙门刨床等。并励直流电动机：基本上是一种恒定转速的电动机，必要时可以调速，因此一般用于拖动转速变化较小的负载，如金属切割机床，球磨机等。专门设计的并励调速电动机可在较大范围内平滑调速，用于轧钢机、造纸机等。串励电动机：

启动转矩和过载能力较大，同时转速随负载变化明显。

当负载转矩增大时，电动机转速会自动下降，但输出功率变化不大。

适应于城市电车、电力机车、叉车、起重机、电梯等电力牵引设备中。

以并励为主的复励电动机：

具有较大的转矩，但转速变化不大，主要用于冲床、刨床、印刷机等。

以串励为主的复励电动机：具有与串励电动机接近的特性，但没有“飞车”危险，常用于吊车、电梯中。

第七节直流电动机的启动和反转一、直流电动机的启动二、直流电动机的反转一、直流电动机的启动1．全压启动2．变阻器启动3．降压启动直流电动机的启动：电动机从接通电源开始，转子由静止升高到额定转速的过程，称为启动过程。启动过程中，不但转速变化，电流、转矩也在变化。直流电动机有全压启动、变阻器启动和降压启动三种方法。

1．全压启动

全压启动就是将电动机直接接到额定电压的电源上启动。

如图7-41所示的并励电动机全压启动原理接线图。启动时先合励磁开关S1，以建立起磁场，然后合电枢开关S2进行启动。

全压启动过程中，电流Ia和转速n的变化情况如图7-42所示。合闸后，电流Ia很快上升到ISTR=U/R，产生启动转矩TST，在启动转矩作用下，电动机开始转动并产生反电动势-E。随着转速n升高，-E逐渐增大，电流Ia开始下降，电磁转矩也开始下降，于是转速缓慢上升，直到转矩与负载转矩相等时，转速才稳定下来，启动过程结束。

全压启动的优点是：不需要其它设备、操作简便。全压启动的缺点是：启动电流大、启动转矩大、对工作机械冲击较大、对电网影响较大，只适用于小型电动机。

2．变阻器启动变阻器启动就是在启动时，将一组启动变阻器RST串入电枢回路，以限制启动电流，待转速上升以后，再逐段将启动电阻切除，采取此法启动时的启动电流为只要RST的数值选择适当，就能将启动电流限制在允许值范围内，一般限制在额定电流的2.5倍左右。变阻器启动广泛应用于各种中小型直流电动机中。其优点是：能根据需要限制启动电流；其缺点是：变阻器较笨重，启动过程中消耗很多电能。

(7-30)3．降压启动降压启动就是电动机在启动时降低供电电压的方法，来限制启动电流。降压启动要有一套可变电压的直流电源。目前已经采用晶闸管电路作为直流电动机的可调电源。电枢回路不必串联启动变阻器，直接与可调电源联接。使电压从零升至额定值，完成启动过程。但要注意，对励磁绕组的电压一开始就要加到额定值，否则启动电流仍很大，启动转矩却很小，以至不能启动。例7-8有一台并励直流电动机，它的额定输出功率为P2N=25kW，额定电压UN=110V，额定电流IN=263A，额定转速nN

=1000r／min，电枢绕组的电阻Ra=0.04Ω，求：(1)直接启动时，启动电流是多少?(2)若采用变阻器启动，将启动电流限制在额定电流的2．5倍，应串联电阻的阻值是多少?解：(1)全压直接启动时，Ea=0故(2)采用串电阻启动二、直流电动机的反转使用直流电动机的许多设备，要求电动机既能正转，又能反转，如龙门刨床工作台的往复运动、电车的前进和后退等。直流电动机的电磁转矩是由主磁通和电枢电流相互作用而产生的，改变二者之一电流的方向，就改变电磁转矩的方向。直流电动机反转的方法有两种：(1)保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，使通过励磁绕组的电流方向改变。(2)保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使通过它的电流反向。如果，两绕组电流方向同时改变，则电动机旋转方向不变。由于并励电动机的励磁绕组匝数很多，电感比较大，励磁电流方向改变时，会在绕组中产生很大的自感电动势，在开关处产生火花，损坏开关。实际上，一般都采用改变电枢电流方向的办法来改变电动机的转向。

第八节直流电动机的调速一、改变电枢回路电阻调速二、改变电枢端电压调速三、改变励磁回路电阻调速

看出，当转矩T不变(即负载不变)，影响电动机转速的有电源电压U、电枢电阻Ra和主磁通Ф三个因素，只要改变三个因素中的任意一个，就可以调节电动机的转速。直流电动机的调速：电动机在机械负载不变的情况下，改变电动机的转速叫作调速。如电车和电力机车的速度调节，需要改变电动机的转速。直流电动机具有良好的调速性能，能在广泛的范围内平滑而经济地调速。调速方法：由电动机的机械特性方程一、改变电枢回路的电阻调速电动机电枢电阻Ra是一定的，但是可以在电枢回路中串联一个可变电阻RR来调速。原理接线图如图