《电机拖动及控制》-第三章

第3章直流电动机

电动机是使机械能与电能相互转换的机械。例如，直流发电机把机械能变为直流电能，直流电动机把直流电能变为机械能。虽然直流电动机的结构比交流电动机的结构复杂，但在历史上，直流电动机的发展却比交流电动机早。这是因为最早的电源是电池，只能供应直流电。在实际生产中，应用最广泛的是二相电流异步电动机，但是对调速要求较高的生产机械(如龙门刨床、轧钢机等)，或者需要较大启动转矩的生产机械(如启动机械、电力牵引设备等)，通常采用直流电动机。这是因为直流电动机能够方便而经济地在宽范围内实行均匀调速和平滑启动。然而直流电动机也有结构复杂、制造成本高、维护困难等不足。本章将对直流电动机的结构、原理、机械特性等进行讨论。返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

直流电动机既可作为发电机，接收外部原动机(水轮机、汽轮机、交流电动机、内燃机)等输入的能量，向外送出直流电，又可从直流电源接收输入的直流电，并转换为机械能带动轴负载对外做功，作为电动机使用。其原理、结构在两种工作状态下完全相同，下面我们就讨论直流电动机的工作原理和结构。下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

3.1.1直流电动机的工作原理1.直流发电机的工作原理

图3-1是最简单的直流发电机的物理模型。图中N、S是主磁极，它是固定不动的，也称为定子磁极。abcd是装在可以转动的圆柱体上的一个线圈，这个可转动的转子称为电枢。线圈的两端分别连接在两个相对放置的导电片上，这种导电片称为换向片。换向片之间用绝缘材料(云母片)隔开，换向片和电枢固定在同一转轴上。在换向片上分别放置固定不动的电刷A,}，并固定在定子上，这就是最简单的换向器。换向片和电刷之间可以相对滑动。因此，当电枢旋转时，线圈切割磁场所感应的电动势可以从电刷导出，当原动机拖动发电机的电枢以恒定转速n逆时针方向旋转时，由电磁感应上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

定律可知，在线圈abcd中，由于ab边和cd边切割磁力线而产生感应电动势。感应电动势的大小可由计算式确定为式中，B为导体所在处的磁密度(Wb/m2);l为导体ab或cd的长度(m);二为导体ab或cd与磁密度B之间的相对线速度(m/s)。感应电动势的方向，由右手定则确定。在图3-1所示的瞬间，电枢线圈中，导体ab,cd的感应电动势的方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈高电位，电刷B呈低电位。当电枢逆时针方向转过180o时，电枢线圈导体cd位于N极下，ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向，即导体ab,cd的感应电动势的方向分别为a指向b和c指向d。但是，由于换向片是随线圈一起旋转的，电刷是固定不动上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

的，本来与电刷B所接触的那个换向片，在电枢旋转了180o以后，却与电刷A接触了，本来与电刷A接触的换向片与电刷B接触了。显然这时电刷A仍呈高电位，电刷B仍呈低电位。由以上分析可知，电刷A接触的总是位于N极下的导体，电刷B接触的总是位于S极下的导体。电刷A总是呈高电位(正极J隆)，电刷B总是呈低电位(负极性)。这样在电刷A,B间可获得直流电动势。实际的直流发电机电枢上不止一个线圈，而是根据需要有许多个线圈分布在电枢铁心上，相应地有许多换向片和线圈相连，这些线圈按一定规律连接起来构成电枢绕组。由此可见，电枢绕组中的感应电动势是交变的，经过换向器的机械整流，变成电刷两端输出的直流电动势。所以，换向器在直流发电机中的作用是把电枢绕组中的交流电动势变换为电刷两端的输出直流电动势。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

2.直流电动机的工作原理

图3-2是一台直流电动机的物理模型。电刷A、B接上直流电源后，在线圈abcd中有电流流过。在图3-2所不的瞬间，电流的方向为a→b→c→d。由电磁力定律可知，载流导体上所受的电磁力f为式中，召为导体所在处的磁密度(Wb/m2);L为导体ab或cd的长度(m);i为导体ab,cd中的电流(A)。导体的受力方向由左手定则确定，导体ab的受力方向从右向左，导体cd的受力方向从左向右。电磁力f.乘上转子的半径就是转矩，称为电磁转矩。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

此时，电磁转矩的作用方向是逆时针方向，电磁转矩若能克服电枢上的摩擦阻转矩，电枢就能在电磁转矩的驱动下，按逆时针方向旋转起来。当电枢旋转180o以后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下，由于直流电源产生的电流方向不变，且电刷固定不动，电流仍从电刷A流入，经导体cd,ab后，从电刷B流出。此时，导体cd所受的电磁力方向变为从右向左，导体ab所受电磁力方向变为从左向右，产生的电磁转矩方向没有改变，仍为逆时针方向。由此可见，对直流电动机而言，在电刷A,B间加的是直流电流，而电枢线圈里的电流却是交变的，但产生的电磁转矩却是单方向的，这也是由于有换向器的缘故。在这里换向器的作用是把外加的直流电流变为电枢线圈里的交变电流，从而产生恒定方向转动的电磁转矩。与直流发电机一样，实际的直流电动机电枢上也有许多线圈，但不管有多少个线圈，所产生的电磁转矩的方向都是一致的。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

3.1.2直流电动机的基本结构

直流发电机和直流电动机从主要结构上看，没有什么差别。图3-3是直流电动机的结构示意图。直流电动机主要由定子和转子两大部分组成。这两部分各自包括了相关部件，下面仅对直流电动机的主要结构部件进行介绍。1.定子定子包括机壳、主磁极铁和绕组、换向极铁心和绕组、电刷装置、底座、端盖等主要部件，是产生磁场并作为电动机的整体机械支撑。

1)主磁极主磁极的作用是产生主磁极磁场，电枢绕组在此磁场中旋转而感应电动势。主磁极包原动机拖动发电机的电枢以恒定转速n逆时针方向上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

旋转时，由电磁感应定律可知，在线圈abed中，由于ab边和cd边切割磁力线而产生感应电动势。感应电动势的大小可由计算式确定为式中，e为导体所在处的磁密度(Wb/m2);L为导体ab或cd的长度(m);v为导体ab或cd与磁密度B之间的相对线速度(m/s)。感应电动势的方向，由右手定则确定。在图3-4所示的瞬间，电枢线圈中，导体ab,cd的感应电动势的方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈高电位，电刷B呈低电位。当电枢逆时针方向转过180o时，电枢线圈导体cd位于N极下，ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向，即导体ab,cd的上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

感应电动势的方向分别为a指向b和c指向d。但是，由于换向片是随线圈一起旋转的，电刷是固定不动的，本来与电刷B所接触的那个换向片，在电枢旋转了180o以后，却与电刷A接触了，本来与电刷A接触的换向片与电刷B接触了。显然这时电刷A仍呈高电位，电刷B仍呈低电位。由以上分析可知，电刷A接触的总是位于N极下的导体，电刷B接触的总是位于S极下的导体。电刷A总是呈高电位(正极性)，电刷B总是呈低电位(负极性)。这样在电刷A,B间可获得直流电动势。实际的直流发电机电枢上不止一个线圈，而是根据需要有许多个线圈分布在电枢铁心上，相应地有许多换向片和线圈相连，这些线圈按一定规律连接起来构成电枢绕组。由此可见，电枢绕组中的感应电动势是交变的，经过换向器的机械整流，变成电刷两端输出的直流电动势。所以，换向器在直流发电机中的作用是把电枢绕组中的交流电动势变换为电刷两端的输出直流电动势。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

2)机座机座的作用有两个:一是机座的主体作为电动机磁路的一部分，这部分称为磁扼;二是用来固定主磁极、换向极和端盖，并借助底脚把电动机固定在基础上。机座一般用铸钢铸成，或用厚钢板焊接而成，以保证其良好的导磁性能和机械强度。有些换向要求较高的电动机，采用薄钢板叠成的机座。

3)电刷装置电刷装置的作用是把转动的电枢绕组与外电路相连接，使电流经电刷从电枢绕组流出，或流人电枢绕组。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及铜丝辫等部件组成，如图3-5所示。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

电刷一般采用石墨和铜粉压制焙烧而成，它被放在刷握的刷盒中，用压紧弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，通过铜丝软连接辫子将电刷和刷杆相连，用以引人或引出电流。通常把多个刷盒装在同一个绝缘的刷杆上。在电路的连接上，将同一个绝缘杆上的刷盒并联起来，成为一组电刷。电刷杆的数目可以用刷杆数表示，刷杆数和电动机的主磁极个数相等，各个电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，刷杆和刷杆之间相互绝缘。正常运行时，刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，调整刷杆的位置，同时就调整了各电刷组在换向器上的位置。2.转子直流电动机的转子又称电枢。电枢的作用是在主磁场的作用下感应电动势和电流，并产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

直流电动机的转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴等。1)电枢铁心电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分。当电枢旋转时，电枢铁心中磁通方向发生改变，在电枢铁心中产生涡流和磁滞损耗，为了减小铁损耗，电枢铁心通常用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠装而成。电枢铁心套装在转轴上。电枢铁心外圆上有均匀分布的槽，槽里可嵌入电枢绕组。为了加强散热能力，电枢铁心上沿轴向开有通风孔，如图3-6所示。对于容量较大的电动机，电枢铁心沿轴向分隔成数段，每段长度40~100mm，段与段之间空出8~10mm作为径向通风道。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

2)电枢绕组电枢绕组的作用是在定子磁场作用下，感应电动势通过电流以产生电磁转矩。电枢绕组是实现机电能量转换的关键部件，它由绝缘铜线绕制成线圈后嵌置于电枢铁心槽中。小型电动机的电枢绕组导线截面为圆形，较大容量的电动机则用矩形截面导线。线圈与铁心之间，上、下层线圈之间都有绝缘，如图3-7所示。电枢绕组的线圈也称为元件，每个元件有两个出线端。每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器上的换向片相连，从而构成电枢绕组。为防止电动机转动时线圈受离心力甩出，在槽口处要用槽楔予以固定，在绕组端用无纬玻璃布带绑扎。图3-8为直流电动机电枢的装配示意图。上一页下一页返回3.1直流电动机的工作原理、结构和特点

3)换向器换向器对发电机来说，是将电枢绕组中感应的交流电动势变换成电刷间的直流电动势;对电动机来说，是将从电源输入的直流电流变换为电枢绕组内的交变电流，以便产生恒定方向的电磁转矩。换向器安装于转轴的一端，它由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间用云母片绝缘，如图3-9所示。换向片数与电枢绕组的元件数相同。上一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

3.2.1电枢绕组的结构

电枢绕组是电动机的重要部件，它在电动机的能量转换方面是必不可少的，并且结构上也比较复杂，电动机运行时，电枢绕组是比较容易发生故障的部分。因此，了解电枢绕组，掌握它的特点和连接规律，对深人地认识和正确使用电动机都是十分重要的。电枢绕组是由许多个形状完全相同的单匝绕组元件或多匝绕组元件按一定规律连接而成的。一个绕组元件也就是一个线圈，为方便起见，以后都称元件。元件的个数用s表示。每一个元件有两个放在电枢槽内能切割磁通而感应电动势的有效边，称为元件边。元件在槽外的部分不切割磁通，仅作为连接线用，称为端接。对于单匝元件，每个元件的元件边只有一根导体，对于多下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

匝元件，元件边里有多根导体。不管一个元件有多少匝，引出线只有两根，一根叫首端，另一根叫尾端，如图3-10(a)所示。一个元件的首端和尾端分别接到不同的换向片上。各个元件之间就是通过换向片相互连接起来的。因此，在一个换向片上必须既连接一个元件的首端，又连接另一个元件的尾端。换向片的数目用K表示，则整个电枢绕组的元件数s等于换向片数K，即s--K。为了方便嵌线，一个元件的两个边，若一个边放在某一个电枢槽的上层，则另一个元件边放在另一电枢槽的下层，如图3-10(b)所示。所以直流电动机的电枢绕组都是双层绕组。同一个电枢槽内能嵌放两个元件边，而一个元件又正好有两个元件边，所以电枢上的槽数应该等于电枢绕组的元件数。用G表示电枢的总槽数，则有Z=S。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

用N表示电枢绕组全部导体数，则有式中，wy为每个元件中的串联匝数，Z为阻抗，u表示一个槽中并列元件的边数。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

3.2.2电枢绕组的节距

为了把绕组元件按一定规律嵌置在槽内，且与换向片正确地连接，必须确定绕组元件在电枢表面的几何关系，通常用绕组的“节距”来确定。所谓节距，指的是被连接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。1.第一节距y1y1是同一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离。y1选择的依据是尽量使元件里的感应电动势为最大，即y1应接近或等于一个极距，所以上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

式中，e为把y1凑成整数的一个分数。取“一”号时为短距绕组，取“+”号时为长距绕组，e取零时为整距绕组。一般直流电动机采用整距或短距绕组，如图3-11所示。2.第二节距y2y2是元件1的下层边与元件2的上层边在电枢表面的跨距，即连至同一个换向片的两个元件边之间的距离。3.合成节距yy是元件1和相邻的元件2对应边之间的跨距，如图3-11所示。合成节距y与y1和y2的关系为合成节距式中，单叠绕组取“一”号，单波绕组取“+”。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

4.换向器节距yKyk是每个元件首端和尾端所连的两个换向片之间的跨距，用换向片数表示。当把每一个元件连成绕组时，连接的顺序自左向右进行时，叫右行绕组，图3-11(a)所示的就是右行绕组;连接的顺序是从右向左时，叫左行绕组，如图3-11(b)所示。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

3.2.3直流电动机电枢绕组的基本形式直流电动机电枢绕组最基本的形式有单叠绕组和单波绕组两种。1.单叠绕组由图3-11可见，单叠绕组的合成节距y=yK=1，为更具体地了解单叠绕组的嵌置和连接方法，进一步分析单叠绕组的特点，用实例来说明。【例3-1】已知一台直流电动机的极数2p=4,Ze=S=K=16。试绕制一个右行单叠绕组。解((1)节距计算。第一节距y1上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

合成节距Y和换向器节距第二节距y2(2)单叠绕组的展开图。绕组展开图是把在电枢铁心槽里的各元件构成的电枢绕组单独取出来，幽于同一张图里，以说明槽里各元件彼此在电路上的连接情况。在幽绕组展开图时，必须考虑槽里各元件在磁场里的相对位置。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

第一步，先画16根等长、等距的实线，代表各槽中上层元件边，再画16根等长、等距的虚线，代表各槽中下层元件边，一根实线和一根虚线代表一个槽(虚槽)，依此把槽编上号码，如图3-12所示。第二步，放置磁极。图中r表示极距，每个磁极的宽度约为0.7τ,4个磁极均匀地分布在各槽之上，标上N,S极。第二步，画16个小方块代表换向片，且标上号码。换向器的编号应与槽的编号有一定的对应关系，由y来考虑。第四步，连接绕组。根据第一节距y1=4，由第1换向片经第一槽上层(实线)，应连到第五槽的下层(虚线)，然后连到换向片2，中间隔了4槽。第2换向片应与第二槽上层(实线)相连接，第二槽上层元件边上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

应和第六槽下层边(虚线)相连，完成第二个元件之后回到第3换向片。按此规律连接，直至把16个元件全部连起来为止。由此可得到右行单叠绕组。由上述可以看到，与换向片2连接的两个元件边分别为放在第五槽的第1元件下层边和放在第二槽的第2元件的上层边，它们之间满足y2=3的关系。第五步，确定每个元件边里导体感应电动势的方向。如图3-12所示，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，此处磁通为零，元件中无感应电动势。其余的元件中感应电动势的方向可根据右手定则确定。在图3-12中，磁极是放在电枢绕组上面的，电枢从右向左旋转。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

第六步，放置电刷。如前所述，在直流电动机里，电刷组数就是电刷杆的数目，与主磁极的个数一样多。因此，本例中应有4组电刷。电刷应均匀地放在换向器表面圆周上。每个电刷的宽度等于一个换向片的宽度。放置电刷的原则是正、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。电刷在换向器圆周上的位置也必须对称，电刷间相隔的换向片数必须相等。对端接对称的绕组而言，电刷应安置在主磁极轴线处的换向片上，如图3-12所示。正、负电刷之间所串联的元件的电动势方向都相同。所以，正、负电刷间的电动势为最大，而被电刷短路的1、5、9、13四个元件，所处位置的主磁通为零，故其感应电动势为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢是旋转的，但是被电刷所短路的总是处于磁极间的元件。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

在图3-12中，如果把电刷置于换向器表面其他位置上，正、负电刷之间的感应电动势都会减小，而被电刷短路的元件里的电动势则不为零，对换向将有害而无利。

(3)单叠绕组元件的连接次序表。从绕组展开图可以看到，全部绕组元件相互串联，构成一个闭合绕组。因此，还可以用绕组元件连接次序表来表示元件的连接规律，如图3-13所示。从图3-13中可以看出，1,5两个元件边构成第一个元件，2,6两个元件边构成第二个元件。5,2两个元件边通过一个换向片串联起来，依次类推。从第一个元件出发，串联完16个元件后又回到第一个元件而构成闭合回路。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

(4)单叠绕组的并联支路图。从图3-12中各元件连接的顺序及其电动势分布情况，可以得到如图3-14所示的并联支路图。单叠绕组的并联支路对数等于极对数，即

α=p

当电枢旋转时，元件的位置不断变化，被电刷短路的元件也依次变换。但是由于磁极和电刷在空间是固定不动的，因此从电刷外看绕组时，并联支路数、电动势的极性都保持不变。综上所述，单叠绕组具有以下特点:(1)并联支路数等于磁极数，即2a=2p.(2)当元件对称时，电刷放在换向器表面的位置对准主磁极上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

中心线，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件的感应电动势最小。

(3)电刷个数等于磁极数。2.单波绕组单波绕组的每个绕组元件的两端所接的换向片相隔较远，相互串联的两个元件也相隔较远，连成整体后的绕组像波浪形，如图3-11(b)所示。为了获得最大的支路电动势，单波绕组相互串联的两个元件置于同极性的磁极下面，使两元件在空间位置上相距约两个极距。另外，当顺着串联元件绕电枢一周，经p个串联元件后，其末尾所连的换向片pyK，必须落在与起始换向片1相邻的位置，才能使第二周继续往下连，即上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

因此，单波绕组的换向器节距为在满足yK为整数时，一般都取负号。这种绕组当把每一个元件连成绕组时，连接的顺序是从右向左进行的，称为左行绕组，如图3-11(b)所示。合成节距第二节距下面举例说明单波绕组的嵌置方法和连接规律。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

【例3-2】已知一台电动机的数据为2p=4,Ze=S=K=15，要求绕制一单波绕组。解(1)节距计算

(2)单波绕组的展开图。

图3-15是单波绕组的展开图。单波绕组的电刷、磁极及电刷极性判断都与单叠绕组一样。在端接线对称情况下，电刷中心线仍要对准主磁极中心线。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

(3)单波绕组的并联支路图。从图3-15中可以看出，单波绕组把所有N极下的上层边全部元件串联起来组成了一个支路，把所有S极下的上层边全部元件串联起来组成了另一个支路，由于主磁极只有N,S极之分，所以单波绕组的支路对数与极对数的多少无关，且恒等于1，即

α=1

从支路对数来看，单波绕组有两个电刷就能进行工作，但为了有利于电动机的换向以及减小换向器轴向尺寸，在实际使用中仍然安装上全额电刷，即2p个电刷。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

单波绕组有以下特点:(1)支路对数a=1，与主磁极对数无关。

(2)当元件对称时，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)采用全额电刷时，电刷数等于极数。从上面的分析来看，在电动机的极对数大于1，元件数以及导体截面积相同时，单叠绕组并联支路数多，每个支路里的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电动机。单波绕组的支路对数恒等于1，在总元件数相同时，每个支路里含的元件数较多，所以这种绕组适用于较高电压、较小电流的电动机。实际应用中还有复叠、复波以及混合绕组等，这里不再介绍。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

3.2.4直流电动机的励磁方式直流电动机的主磁极磁场是由励磁绕组中通以直流励磁电流建立的。因此，通常都按励磁绕组的连接方式即励磁方式对直流电动机进行分类。直流电动机按其励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，可分为他励和自励两类。自励又可分为并励、串励和复励。无论直流电动机采用哪种励磁方式，在能量转换的电磁过程方面，都没有什么本质上的区别。下面以直流电动机为例分别介绍这几种励磁方式，如图3-16所示。他励直流电动机励磁电流由其他直流电源单独供给的直流电动机称为他励直流电动机，接线图如图3-16(a)所示。图中M表示电动机，若为发电机用G上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

表示。他励直流电动机的特点是励磁绕组接在独立的励磁电源上，与电枢绕组无关。2.自励直流电动机励磁电流由电动机自身供给的直流电动机称为自励直流电动机。

(1)并励直流电动机。其特点是励磁绕组与电枢绕组的两端并联。对并励发电机而言，是电动机本身发出来的端电压供给励磁;对并励电动机而言，励磁绕组与电枢共用同一电源，与他励直流电动机没有本质的区别。接线方式如图3-16(b)所示。

(2)串励直流电动机。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，励磁绕组匝数少、导线较粗，连接方式如图3-16(c)所示。上一页下一页返回3.2直流电枢绕组的基本知识

(3)复励直流电动机。其特点是主磁极上的励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，另一部分与电枢绕组串联，复励直流电动机的接线如图3-16(d)所示。两部分励磁绕组产生磁通方向一致时，称为积复励;方向相反时，称为差复励。工业企业中常用积复励直流电动机。上一页返回3.3直流电动机的运行分析

直流电动机无论作为发电机还是作为电动机运行，电枢都以一定的转速在磁场中旋转，电枢绕组的导体切割磁力线而产生一定的电动势，并通过电刷引至外电路。1.电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势是指电动机正、负电刷间的电动势。但无论是叠绕组还是波绕组，正、负电刷间的电动势就是支路电动势，而支路电动势就是支路中各串联元件的电动势之和。电枢旋转时，对某一个元件而言，它一会儿在这个支路里，一会儿在另一个支路里，其感应电动势的大小和方向都是变化的。但各个支路中的元件数量不变，各个支路的电动势相等且方向不变。这样，可以先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均电动势，再乘上一个支路里总导体数￡就是电枢电动势。下一页返回3.3直流电动机的运行分析

直流电动机中，磁极表面的磁通密度是不均匀的，为简便起见，可先求出一个磁极极距范围内的平均磁通密度Bav.式中，φ为每极磁通(Wb);τ为极距;L为电枢的轴向长度(m).

根据电磁感应定律，一根导体的平均电动势为式中，v为导体运动的线速度(m/s).上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

电枢每转一周，电枢表面上的线圈有效边经过的距离为2pτ，以n表示电枢每分钟转数，有效边每分钟经过的距离为2pτn，则每秒钟通过的距离就是速度v

导体平均感应电动势的大小只与导体每秒钟所切割的总磁通量2pφ有关，而与气隙磁通密度分布波形无关。因此，当电刷置于磁极的几何中性线时，电枢电动势为上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

式中，Ce为由电动机结构决定的电动势常数;E为电枢电动势(V);φ为每极磁通量(Wb);p为磁极对数;n为电枢每分钟转数(r/min).

从式(3-13)可以看出，对于已经制造好的直流电动机，其电枢感应电动势正比于每极磁通φ和电枢转速n，即改变励磁电流或改变电枢转速n都可以使电枢电动势Ea改变。

【例3-3】已知一台四极10kW直流发电机，n=2850r/min，电枢绕组是单波绕组，整个电枢总导体数N=372个，气隙每极磁通量φ=70.7X10-4Wb。求发电机发出的电动势为多少?

解已知直流电动机的极对数p=2，单波绕组的并联支路数a=1，于是可求出电动势常数Ce上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

根据感应电动势公式2.直流电动机的电磁转矩直流电动机运行时，处于主磁极磁场内的电枢导体要受到电磁力的作用。根据式(3-2)可知，电磁力的大小与导体在磁场内有效长度L和导体中的电流i有关，也与导体所处位置的磁通密度有关。由于电枢绕组内有电流流过时，主磁极磁场的磁密度分布将更不均匀，为简便起见，这里仍引用平均磁通密度Bav这个物理量。其物理意义与电动势计算中的Bav完全相同，则上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

先求一根导体所置的平均电磁力式(3-14)中，ia为导体的电流，也是支路电流。ia与电枢电流Ia的关系为式中，a为支路对数。一根导体上的转矩Md为平均电磁力fav乘上电枢半径，即式中，D为电枢的直径，上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

若总电磁转矩用M表示，导体总数用N表示，则将式(3一1)、式(3一16)及式(3一17)代入式(3一18)得式中，CM为由电动机结构决定的电磁转矩常数;φ为每极磁通(Wb);Ia为电枢电流，即电刷间电流(A);M为电磁转矩(N.m)

从式(3-19)可以看出，直流电动机制成后，其电磁转矩的大小正比于每极磁通φ和电枢电流。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

电磁转矩的方向与电磁力的方向是一致的，由左手定则确定。当电动机作为发电机运行时，则电磁转矩和转子转动方向相反，即M与n方向相反，电磁转矩为制动转矩。当电动机作为电动机运行时，则电磁转矩和转子转动方向一致，即M和n方向相同，则电磁转矩为驱动转矩。

【例3-4】已知一台四极直流电动机额定功率为lOOkW,额定电压为330V,额定转速为730r/min,额定效率为0.915，单波绕组，电枢总导体数为186，额定每极磁通为6.98X10-2Wb。求额定电磁转矩。解转矩常数上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

额定电流额定电磁转矩3.直流电动机的电枢反应直流电动机空载运行时，电动机的气隙磁场由主磁极励磁电流所产生，称为主磁极磁场。当电动机负载运行时，电枢绕组有电流通过，电枢电流将建立起一个磁场，这个磁场称为电枢磁场。电枢磁场的出现，对主磁极磁场产生一定的影响，使气隙磁通密度的分布情况发生变化。这种电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

1)主磁极磁场当电枢绕组没有电流流过时，主磁极励磁电流所建立的主磁极磁场的磁通密度的分布情况如图3-17所示。由图3-17可见，主磁极磁通密度的分布是一个平顶波。主磁极轴线Y-Y‘，与主磁极磁场的轴线相重合，即主磁极磁场对称于主磁极轴线。相邻两主磁极之间的中心线叫几何中性线，几何中性线上各点的磁通密度为零。由图3-18可以看出，被电刷短路的元件和电刷正好位于几何中性线上。

2)电枢磁场假设主磁极不存在，而电枢绕组中流过一定电流，电枢电流将产生电枢磁场，如图3-19所示。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

由图3-18可见，电枢磁场对称于正、负电刷相连的直线，这条直线称为电刷轴线。由于电枢各导体中电流的方向以电刷轴线为分界线，因此电刷的位置就决定了电枢磁场的轴线。根据导体中电流的方向，可用右手定则。在图3-18中，电枢磁通从电枢的左边进入，而从右边出去。因此，可以把电枢的左边看成是S极，右边看成是N极。电枢磁场的轴线与电刷轴线重合，而与主磁极磁场的轴线相互垂直。电枢磁场的磁力线在半个磁极下是由电枢进入主磁极，在另一半磁极下则是从主磁极进入电枢而形成闭合，主磁极的轴线正是电枢磁场的分界线，也就是磁通作用为零的地方。电枢磁通密度的分布如图3-18(b)所示。必须指出，主磁极磁场在空间是静止的。电枢虽是旋转的，但电刷在空间也是静止的，电枢绕组中的电流又以电刷轴线为分界线，即支路电流的方向是不变的。因此，电枢磁场也是静止的。所以，定、转子磁场是相对静止的。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

3)电枢反应直流电动机负载运行时，主磁极磁场和电枢磁场同时存在于气隙中。不考虑磁路的饱和时，两者可以叠加。图3-19为负载时的合成气隙磁场，由于电枢磁场轴线与主磁极轴线正交，故称为交轴电枢反应。图中表明了发电机和电动机两种运行方式时的电枢反应。由于已经设定了主磁极磁场和电枢电流的方向，所以发电机运行和电动机运行时，根据右手定则和左手定则可知，电枢旋转的方向是相反的。合成后的气隙磁场对主磁极的轴线已不再对称。主磁极下的磁场，一半被削弱，另一半被加强，如图3-19(b)中所T的S1和S2部分。如果把通过磁通密度是零的垂直于电枢表面的直线称为物理中性线，则空载时电动机的物理中性线和几何中性线是重合的;而负载时电动机的物理中性线和几何中性线将不再重合，而是位移一个角度a。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

由以上分析可知，电枢反应的结果使得主磁极磁场的分布产生畸变。当电动机为发电机运行时，前极尖(电枢进入磁极的那个极尖)的磁场被削弱，而后极尖(电枢离开磁极的那个极尖)的磁场被加强了，物理中性线顺着电枢旋转方向移过角a;当电动机为电动机运行时，根据图3-19所示，由于转向和发电机相反，前极尖的磁通密度被加强，后极尖的磁通密度被削弱了，物理中性线逆着电枢旋转方向移过角a。当电动机的磁路未饱和时，整个磁极下磁通量的增加量与减小量正好相等，每极下的总磁通量仍保持不变。但电动机正常运行时，磁路是饱和的，增磁的部分磁路更加饱和，使实际气隙磁场比不饱和时略低，去磁的部分和不饱和时基本一样，因此，磁通密度的增加量要比磁通密度的减小量少一些，如图3-19中所示的S3部分。这样每极下的磁通量由于电枢反应的作用而削弱，这种现象称为电枢反应的去磁作用。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

综上所述，交轴电枢反应使气隙磁通密度的分布发生畸变，并且使每极磁通量略有减少。如果电动机的电刷不在几何中性线上，而是顺发电机转动方向移动一个角度β，如图3-20(b)所示。或逆发电机转动方向移动一个角度β，如图3-20(c)所示，由图3-20可见，电枢磁动势Fa的轴线总是和电刷轴线相重合。根据右手螺旋法则可确定电枢磁动势的方向，如图3-20所示。此时电枢反应磁动势Fa，可分解为交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad两个向量。交轴电枢磁动势的作用，如前面分析，不但使气隙磁场发生畸变，而且有一定的去磁作用。直轴电枢磁动势Fad对主磁极磁动势起去磁或增磁作用，将直接影响主磁通量的大小。上一页下一页返回3.3直流电动机的运行分析

如图3-20所示，电动机作为发电机运行时，电刷顺着旋转方向从几何中性线移动一个角度β，直轴电枢反应起去磁作用;电刷逆着电枢旋转方向移动一个角度β，则直轴电枢反应起增磁作用。如作为电动机运行时，情况恰好相反，电刷顺着电枢旋转方向，从几何中性线移动角β，直轴电枢反应起增磁作用;电刷逆着电枢旋转方向，从几何中性线移动角β，直轴电枢反应起去磁作用。由上述分析可知，电枢反应的性质与电刷的位置和电动机的运行方式有关。必须指出，直流电动机负载运行时，由于电枢反应而引起的气隙磁场畸变是机电能量转换的必然现象。正是由于电枢反应，使处于磁场中的转子受到电磁转矩的作用。对电动机而言，这个电磁转矩是一个驱动转矩，实现电能转换为机械能;对发电机而言，这个电磁转矩是一个制动转矩，原动机克服制动性质的电磁转矩做功，把机械能转变成电能输出。上一页返回3.4直流电动机的换向

直流电动机电枢绕组的电动势和电流都是交变的，通过旋转的换向器和空间固定电刷的作用，使直流发电机在电刷两端获得直流电压。由于与电刷相邻的两个支路中绕组元件的电流方向是相反的，因此，当电枢绕组旋转时，电枢绕组的每一个绕组元件，依次从一个支路经过电刷被短路，然后进入另一条支路，元件中的电流就要随着改变方向。这一现象和过程，叫做电流换向，简称“换向”。下一页返回3.4直流电动机的换向

3.4.1换向的物理过程

绕组元件从一条支路进入另一条支路而被电刷短路时，称为换向元件。换向元件中电流的换向过程如图3-21所示。图中所要分析的元件K用粗线表示。图3-21中，电刷固定不动，换向器以vK的线速度从右向左运动。由图3-21(a)可见，当电刷与换向片接触时，元件K属于电刷右边的一条支路，相邻的两条支路的电枢电流i。经换向片1流人电刷，流经电刷的电流为2ia。此时，换向元件K的电流方向从元件边2流向元件边1，设此时的电流为+Z2。当电刷与换向片1和换向片2接触时，如图3-21(b)所示，换向元件K中的电流被电刷短路。当电刷仅与换向片2接触时，如图3-21(c)所示，换向元件K属于电刷左边的一条支路，上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

流过元件K的电枢电流i。的方向变为从元件边1流向元件边2，其值为-ia。因此，当电刷从换向片1过渡到换向片2时，换向元件K中电流从+ia变到-ia，电流的这种变化过程称为换向过程。换向元件中电流从+ia。变换到-ia。所经历的短暂时间称为换向周期TK。换向周期，TK是短暂的，只有千分之几秒。如果换向过程中换向元件不产生电动势，则换向元件中电流ia的变换规律如图3-22所示，称为直线换向或良好换向。事实上，换向元件在换向的过程中会产生几种感应电动势，这些电动势要影响换向元件中电流的变化规律。上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

3.4.2换向元件中的电动势1.电抗电动势er

由于换向元件本身就是一个线圈，在换向周期内，换向元件中的电流从+ia变到-ia，由该电流产生的并与换向元件交链的漏磁通也随之发生变化，从而在换向元件中产生自感电动势eL。根据电磁感应定律，自感电动势总是阻碍换向元件中电流变化的。另外，在实际电动机中，电刷宽度大于换向片宽度，因此被电刷短路，同时进行换向的往往是几个元件。所以其他换向元件产生的漏磁通也部分地与所讨论的换向元件交链，在该元件中产生的互感电动势。eM与eL一样，根据电磁感应定律，eM也是阻碍换向元件中电流变化的。自感电动势eL和互感电动势eM之和称为电抗电动势er上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

2.电枢反应电动势ea在具有换向极的直流电动机中，电刷一般放置在几何中性线上，换向元件也处于几何中性线位置上。在几何中性线处，主磁极磁场为零，但是，电枢磁场的磁通密度不等于零，如图3-23所示。换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea。根据电磁感应定律可知，电枢反应电动势ea。也是阻碍换向元件中电流变化的。总而言之，换向元件在换向时，电抗电动势er和电枢反应电动势ea都是阻碍换向元件中电流变化的，即总是和换向前绕组元件中电流方向相同，企图维持换向前电流的方向。因此，由于er和ea。的存在，使得换向元件中电流Z变化延迟了，在换向周期的大部分时间内，电流保持换向前的方向，只是在最后很短的时间内，电流才被迫改变方向，称此为延迟换向。如图3-23中曲线2所示。上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

图3-23中虚线为附加换向电流iK。附加换向电流iK是由电动势er和ea所产生的。曲线2为曲线1和iK叠加所得。由图3-23可见，在t=TK换向结束时，附加换向电流不为零，而为iKT。换向元件中储存的磁场能量为1/2Lki2KT。由于能量不能突变，在换向元件与电刷脱离接触的瞬间，能量要释放出来。当这部分能量足够大时，它将以火花的形态从后电刷边释放。电抗电动势和电枢反应电动势的大小均和电枢电流成正比，也和电动机的转速成正比。因此，大负载高转速的电动机会给换向带来更大的困难。必须指出，电动机运行中产生的换向火花，除了上述的电磁原因外，还有机械原因，如换向器偏心、电刷分布不均、接触不良等;化学方面的原因，如高空氧气不足、受化学气体侵蚀破坏等也会造成换向不良。实际运行表明，当电刷下小部分产生微弱火花时，对电动机运行并无大碍。但如果火花范围扩大并达到一定强度时，则将烧伤换向器和电刷，严重时将使电动机遭到破坏性的损伤，从而不能继续运行。上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

3.4.3改善换向的方法

换向不良的直接表现是电刷下出现电火花，影响电动机的正常运行，因此必须采取措施改善换向。常用的方法是装设换向极。换向极装在两个主磁极之间的几何中性线上，它的作用是产生一个与电枢反应磁场方向相反的换向极磁场。在换向元件经过换向极时，切割换向极磁场产生一个与电抗电动势er和电枢反应电动势ea方向相反的电动势eK，并使eK与er和ea完全相抵消，实现直线换向。由于换向元件中电抗电动势和电枢反应电动势都与电枢电流成正比，因此，产生换向极磁场的换向极绕组应与电枢绕组串联，使其流过同一电流，同时使换向极铁心通常处于不饱和状态，使得换向极磁动势及其磁场具有正比关系。这样才能在不同负载时，仍能满足换向元件中的感应电动势之和为零。上一页下一页返回3.4直流电动机的换向

总之，要改善换向，换向极的极性应与电枢磁场的极性相反，使ea方向和er、ea,方向相反。对发电机而言，换向极的极性应与换向元件即将进入的主磁极的极性相同;对电动机而言，换向极的极性应与换向元件即将进入的主磁极的极性相反。上一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

直流电动机的电动势、功率和转矩等基本方程是分析直流电动机各种运行特性的基础。本节以他励直流电动机为例进行分析。下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

3.5.1直流电动机的平衡方程式1.电动势平衡方程式在直流电动机的励磁绕组中通入直流电流，建立起主磁极磁场。电枢两端接上直流电源后，电枢电流的方向如图3-24所示，电枢导体上将受到电磁力的作用，其方向由左手定则确定，如图3-24中箭头所示。电动势的方向可由右手定则确定，由此可见，直流电动机电动势的方向和电流方向相反，即和电源电压的方向相反，称为反电动势。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

他励直流电动机的各参量正方向如图3-24(b)所示。加于电动机电枢的电源电压U是用于克服反电动势Ea和电枢回路总电阻压降IaRa的。因此，U>E，电源电压U决定了电枢电流的方向。2.直流电动机的电枢电动势的计算公式式中，Ce为由电动机结构决定的电动势常数Ea为电枢电动势(V);φ为每极的磁通量(Wb);n为电枢每分钟转数(r/min).

根据基尔霍夫第二定律可列出电枢回路的电动势平衡方程式为上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

式中，U为电枢端电压(V);Ea为电枢的反电动势(V);Ia为电枢电流(A);Ra为电枢回路总电阻(Ω)。3.直流电动机的电磁转矩计算公式磁力厂产生的电磁转矩作用于电动机的转轴上，它克服负载转矩ML做功，驱动机械载以一定转速n朝电磁转矩M的方向旋转，电动机从轴上输出机械能。式中，CM为由电动机结构所决定的电磁转矩常数，φ为每极磁通量(Wb);Ia为电枢电流，即电刷间电流(A);M为电磁转矩(N.m)

上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

电磁功率PM与输出功率P2及空载损耗p0相平衡，即而PM=MΩ，同样，输出功率P2也可表达为输出转矩M2与机械角速度Ω的乘积，空载功率损耗可表达为空载转矩M0与机械角速度Ω的乘积，即因此，上式又可表达为MΩ=M2Ω+M0Ω，则转矩平衡方程式为电动机的电磁转矩M是驱动转矩。电动机转轴上的负载转矩等于输出转矩M2，空载转矩M0也是一个制动转矩。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

式(3-24)表明，电动机稳定运行时，电磁转矩M作为驱动转矩与制动性质的负载转矩M2和空载转矩M0相平衡。4.直流电动机的功率平衡方程式电源输入直流电动机的电功率P1=UIa，电功率P1扣除在电枢回路电阻上的铜损耗pCua，其余的功率称为电磁功率PM=EaIa，即传递到电枢绕组的电功率，则有P1=PM+pCua，即输入功率等于输入到电枢回路的电磁功率PM和电枢电阻的铜损耗功率PCua之和。电磁功率转换成机械功率后，扣除机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗，其余的为电动机轴上的输出功率P2，则上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

其中，p0=pm+pFe+ps为空载损耗，对电枢起制动作用。因此，他励直流电动机的功率平衡方程式为式中，又∑p=pCua+pFe+pm+ps为总损耗;P1为电源供给电枢的电功率，P1=UIa;P2为电动机轴上输出的总机械功率;PM为电磁功率;pm为机械摩擦的损耗;pCua为电枢回路的绕组铜损耗;pFe为磁路的铁损耗。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

其中，∑p=pCua+pm+pFe+ps为总损耗。若为并励直流电动机，总损耗∑p中还应包括励磁损耗pCuf。式(3-25)说明，从电源输入直流电动机的电功率，在扣除各种损耗后才是电动机输出的机械功率。他励直流电动机功率流程如图3-25所示。图中PCuf为励磁损耗。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

3.5.2直流电动机的机械特性

直流电动机是输出机械功率的原动机，因此讨论直流电动机的转速和电磁转矩之间的关系，即所谓的机械特性是卜分必要的。必须指出，机械特性是分析电动机运行性能的主要工具。这里仅分析他励直流电动机的机械特性。1.直流电动机的固有机械特性他励直流电动机的机械特性是指加在电动机上的电压U和励磁电流If一定时，电磁转矩与转速之间的关系，即U、If不变时，n=f(M).

由他励直流电动机的电动势平衡方程式可知上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

即由他励直流电动机的电动势平衡方程式可知上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

即式中，n0称为理想空载转速;U,If恒定时为常数;为机械特性的斜率。正常运行时，他励直流电动机电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值时，即U=UN,φ=φN时的机械特性称为固有机械特性，表达式为他励直流电动机的固有机械特性曲线如图3-26所示。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

由图3-26可见，他励直流电动机固有机械特性是一条倾斜直线。它具有以下几个特点:(1)电磁转矩M越大，转速n越低，特性是一条下斜的直线。这是因为M=CMφIa正比于la,M增大，Ia也增大;电枢电动势Ea=UN-IaRa=Ceφn，E减少，转速n则降低。(2)当电磁转矩M=0时，n=n0=为理想空载转速。此时Ia=0，Ea=UN(3)斜率β的值很小，特性较平，称为硬特性，转矩变化时，转速变化较小。(4)当M=MN，即达到额定转矩时，n=nN，转速降△n=n0-nN。一般nN为0.5n0,△nN约为0.5nN，这是因为斜率β很小的缘故。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

(5)电动机启动时，n=0,Ea=CeφNn=0,Ia=UN/Ra=Ist,称为启动电流，电磁转矩M=CMφNIstMst，称为启动转矩。由于电枢电阻Ra小，Ist，和Mst都比额定值大得多。2.改变机械特性的方法(人为机械特性)

改变他励直流电动机的外加电压、励磁电流、电枢回路电阻的大小，都可以改变其机械特性，此时的机械特性称为人为机械特性。主要的人为机械特性有3种。

1)电枢回路串联电阻的人为机械特性电枢回路串联电阻R后，维持电枢上的电压为UN，每极磁通量为额定值叭，则机械特性表达式为上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

电枢回路串入不同电阻值R时的人为机械特性如图3-27所示。此时，理想空载转速n。与固有机械特性的相同，而斜率β与串入电枢回路的电阻有关，串入的电阻值越大，β越大，特性越倾斜，即特性越软。因此电枢回路串入电阻的人为机械特性是一组通过理想空载点n0的放射型直线。

2)改变电枢电压的人为机械特性电枢回路不串入电阻，保持每极磁通量为额定值不变，只改变电枢电压时，机械特性的方程式为上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

显然，电枢电压不能比额定值UN高，否则绝缘不能承受，但电压的方向是可以改变的，所以电枢电压的绝对值通常都是在额定电压以下改变。改变电枢电压大小的人为机械特性如图3-28所示。电枢电压U不同时，理想空载转速n0随之改变，且n0和U呈正比关系。但斜率β与固有机械特性的斜率相同，体现硬特性的特征。因此，改变电枢电压时，其所对应的一组特性曲线彼此平行。

3)减少气隙磁通量的人为机械特性由于电动机的磁通量接近饱和，增大每极磁通量是难以实现的，因此改变磁通量，都是减少磁通量。减小气隙每极磁通量的方法，可通过减小励磁电流来实现。电枢回路不串入电阻，电枢电压为额定电压不变，仅改变每极磁通量的机械特性方程式为上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

由于理想空载转速n0=UN/(Ceφ)，所以当UN不变时，n与φ呈反比例关系，φ越小，n0越高;而斜率β与φ呈反比例关系，φ越低，β越大，特性越软。改变每极磁通量的人为机械特性如图3-29所示。从以上3种人为机械特性可知，电枢回路串入电阻和减弱磁通量，使机械特性都变软了。分析直流电动机的固有或人为机械特性，都忽略了电枢反应的影响。电枢电流不大时，电枢反应影响较小，可以忽略不计。电枢电流较大时，由于电枢反应的去磁效应，使得电动机实际运行的转速有所提高，机械特性出现上翘现象(图3-30)，机械特性上翘，将对电动机的稳定运行产生不良影响。因此，对容量较大的直流电动机，为补偿电枢反应的去磁效应，在主磁极上加上一个绕组，称为补偿绕组，补偿绕组里通过的是电枢电流，产生的磁通量补偿了电枢反应的去磁部分，使机械特性不出现上翘现象。上一页下一页返回3.5直流电动机的平衡方程式和机械特性

3.5.3直流电动机的工作特性

工作特性是指电枢电流为自变量，转速、转矩和效率为函数描绘出的函数关系特性曲线。他励直流电动机的工作特性、串励直流电动机的工作特性分别如图3-31、图3一32所示。图3-31和图3-32中n为转速特性，当U=UN,If=IfN时，n=f(La)的关系曲线;T为转矩特性曲线;η为效率特性。

图3-33为将固有特性和人为特性加以比较的情形，从特性曲线可以看出:他励直流电动机的特性属于硬特性，适用于恒转矩负载;串励直流电动机的特性为软特性，适用于恒功率负载。上一页返回3.6直流电动机的启动

控制系统对电动机的控制首先是启动问题。电动机和负载的特性决定了系统能否按预定的时间完成从零速加速到额定转速，进入稳定运行。顺利完成启动过程是控制系统的一个重要目标。首先以他励直流电动机的启动为例，介绍电动机的启动方法:他励式直流电动机启动方式分为全压启动和减压启动两种。下一页返回3.6直流电动机的启动

3.6.1全压启动

首先将励磁绕组通入额定励磁电流，建立起额定磁通量，然后给电枢绕组通入额定直流电压，使电动机启动。此时转子转速为零，电枢感应电动势为零，启动电流Ist=Un/Ra，由于电枢电阻很小，启动电流可达额定电流的20倍;启动转矩也相应达到额定转矩的20倍。很大的启动转矩能大大缩短启动时间，这是有利的一面;但是，过大的电流会使电动机产生较大的火花，甚至发生环火，烧坏换向器和电刷，损坏电动机。而且在启动瞬间，很大的启动电流产生很大转矩，使系统受到机械和电气两方面的冲击，特别是频繁正反转的电动机，如果不对启动电流加以限制，经常发生断轴事故和电动机绝缘击穿的现象。因此，只有功率不大(1kW以下)而且负载属于空载或轻载火情的电动机，才允许直接启动。上一页下一页返回3.6直流电动机的启动

3.6.2减压启动

在电动机启动时，将电枢电源电压降低，以限制启动电流，当电动机加速到运行转速后，恢复额定电压。至于降压到什么程度，一般应当使启动电流限制在额定电流的2倍以内。由于现在大多数直流电动机由晶闸管整流供电，调节电压非常方便，此种启动方法得到普遍应用。

图3-34中平滑启动曲线表明，在启动过程中，电压平滑变化转速上升过程中没有冲击。实际上，目前晶闸管整流技术采用电压负反馈和速度反馈综合控制晶闸管整流的导通程度，完全可做到转速上升接近于理想曲线。上一页下一页返回3.6直流电动机的启动

3.6.3电枢回路串接电阻器启动

从原理分析，此种方法本质上也是降低电枢电压的启动。其具体做法是，在启动时，将一定阻值、一定功率的电阻器串入电枢回路，完成启动后将其切除。也可将电阻分多段，随着转速的上升，逐段依次切除。此方法适用于大功率直流电源带多台电动机的场合。上一页返回3.7直流电动机的制动

在电力拖动系统中，需要对运行中的电动机进行制动，即断开电源，使系统停止转动。正常停机时，电动机和机械系统的惯性，往往使设备转速从运转速度下降到零速需要较长时间，尤其对频繁正反转的系统，制动时间更为重要。通常采用的制动方法有机械制动和电气制动两种，下面主要讲述直流电动机的电气制动。直流电动机的电气制动具有制动力矩大、操作方便、无噪声等优点。通常有能耗制动、反接制动和再生制动3种方法。1.能耗制动对拖动恒转矩负载正在电动状态运行的他励直流电动机，断开电枢电源的同时，在电枢回路接人制动电阻，电动机进入发电状态，将系统的机械能转换为电能，消耗在制动电阻上，直到机械能消耗到零，电动机停止转动。此方法具有制动准确、平稳、可靠、耗能少、线路简单等优点;但是，也存在制动转矩弱、制动时间长等缺点。下一页返回3.7直流电动机的制动

2.反接制动反接制动是通过把正向运行的他励直流电动机的电枢电压突然反接，同时在电枢回路中串入制动电阻R来实现的。反接制动是电枢电流由电源电压和电枢反电动势共同建立的，数值较大，所以串入的制动电阻阻值比能耗制动的电阻几乎大一倍。反接制动的特点是，制动转矩大、制动时间短。其缺点是电流和机械的冲击较大，易造成机械损坏，并且为使转速到零时及时切断电源，必须配置速度检测等控制环节，线路略显复杂。在反接制动中有倒拉反接制动的应用，即对位能性负载，由提升重物转为下放重物时，需要低速均匀下放，此时只需要在电枢回路中串接一个较大的电阻即可。以上两种制动方案电路如图3-35和图3-36所示。上一页下一页返回3.7直流电动机的制动

【例3-5】有一水泥厂，每天需从矿山下运石灰石5000t，山上、山下高差400m左右，如果采用汽车运输，需载重60t的专用矿车30辆，专用公路5km。每吨石灰石的运输成本达8元。每天固定成本约4万元。采用双线架空索道，设备投资节约3/4，采用直流电动机发电回馈制动方案，每吨石灰石可发电2kW.h，每天节约电费1万元。两种方案的经济效益比较，孰优孰劣显而易见。具体方案如下:设备为直流电动机一台，440V,165kW，转1200r/min;晶闸管变流器一台;逆变变压器一台,380V,210kV·A上一页下一页返回3.7直流电动机的制动

逆变变压器可工作在整流和逆变两种状态。系统接线图如图3-37所示。该系统的运行操作:启动系统时，先松开机械抱闸，启动变流器装置，选择开关在整流位置，电动机转动系统运行，由于重物的下滑力是系统逐渐加速，接近额定转速时选择开关打到逆变位置，调节给定电位器，改变逆变角，使系统稳定运行在正常速度。停机时，将给定电位器调向最大，系统降速，速度很低时用机械抱闸使系统停机。该系统将物料输送到料场，不仅不消耗能量，而且平均每运送一吨石灰石，可回收0.5kW.h的电能，不失为一个最佳方案。上一页返回3.8直流电动机的调速

1.电枢回路串接电阻调速此方法是在保持电源电压为额定电压，励磁磁通为额定磁通的前提下，通过在电枢回路串接调速电阻Rp进行调速。在此方案中电动机的机械特性如图3-38所示。从图3-38中可看出，负载转矩不变，电枢电路未接电阻时，电动机稳定运行在固有机械特性的A点上，转速为nA;当串入电阻Rpal后，将在C点运行，转速变为nc;串入电阻Rpa2后，稳定运行在D点，转速为nD.电枢回路串入不同电阻即可得到不同的转速，串入的电阻越大，转速越低，达到了调速的目的。串入电阻调速的物理过程如下;设电动机在电枢电压、励磁电流、负载转矩均保持不变时，运行在机械特性下一页返回3.8直流电动机的调速

的A点，此时T=TL，电枢电流为Ia。开始调速时，在电枢电路串入电阻Rpal，由于机械惯性，电动机的转速不能突变，电枢的电动势仍为Ee=CeφnA，而电枢电流Ia=(UN-Ea)/(Ra+Rpal)减小，T=CTφIa减小，运行点由A点平行移动到人为机械特性的B点，此时由于T<TL，电动机开始减速，在Ra+Rpal，的机械特性上运行，随着转速的降低，电枢电动势减小，电枢电流和电磁转矩上升，工作点到达C点稳定运行，调速过程结束。此种调速方法的特点为:转速只能从额定转速向下调;调速电阻不能连续变化，因此只能分级调速，平滑性差;调速电阻流过电枢电流，转换为热能散失掉，浪费能源。上一页下一页返回3.8直流电动机的调速

2.降低电枢电压调速降低电枢电压，磁通保持不变，电枢回路不接附加电阻，在恒转矩条件下，转速和电压呈正比关系，因此，只要电枢电压连续可调，