第1章直流電機電機是利用電磁作用原理進行能量轉換的機械裝置。直流電機能將直流電能轉換為機械能，或將機械能換轉為直流電能。將直流電能轉換為機械能的叫做直流電動機，將機械能轉換為直流電能的叫做直流發電機。1直流電動機的主要優點是啟動和調速性能好，過載能力大，因此應用于對啟動和調速性能要求較高的生產機械，例如電力機車，造紙機和紡織機械等直流發電機主要用作直流電源，供給直流電動機，電解，電鍍等所需的直流電能。直流電機的主要缺點是結構復雜，使用有色金屬多，生產工藝復雜，價格昂貴，運行可靠性差21.3直流電機的電樞繞組1.1直流電機的基本工作原理1.4直流電機的磁場目錄1.2直流電機的結構，額定值和主要系列1.5直流電動機1.6直流發電機1.7直流電機的換向31.1直流電機的工作原理45（二）直流發電機的工作原理1.1直流電機的工作原理6圖1.1

直流電動機的工作原理圖7圖1.2

直流發電機的工作原理圖81.2直流電機的結構、額定值和主要系列1.2.1直流電機的結構(1)定子：產生磁場并作為機械支撐1)主磁極：建立主磁場2)換向極:改善換向，減小產生火花3)機座：電機的結構構架4)電刷裝置：用以引出或引入直流電壓或電流910112)轉子(電樞)部分1)電樞鐵芯：主磁路的一部分，電樞繞組的支撐部件2)電樞繞組：直流電機的電路部分，產生電磁轉矩和感應電動勢。3)換向器：在直流電動機中，使得流入磁極下的電流方向保持不變，從而電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發電機中，能將電樞線圈中產生的交變電動勢轉換為直流電動勢。4)轉軸：轉軸起轉子旋轉的支撐作用，具有一定的強度和剛度。1213141.2.2直流電機的額定值為了保證電機安全而有效地運行，電機制造廠都對它所生產的電機工作條件加以規定。電機按制造工廠所規定的條件工作的情況，叫額定工作情況。表征電機額定工作情況的各種數據叫做額定值。直流電動機型號Z3-95產品編號7009結構類型勵磁方式他勵功率30kW勵磁電壓220V電壓220V工作方式連續電流160.5A絕緣等級定子B轉子B轉速750r/min重量685kg標準編號JB1104-68出廠日期年月15額定條件下電機所能的供給功率指電刷間輸出的額定電功率發電機指軸上輸出的額定機械功率電動機發電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速.對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。16

此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態。電機的運行電流小于額定電流——欠載運行；運行電流大于額定電流——過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態或額定狀態附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。17[例1-1]一臺直流發電機的額定數據如下：PN＝200kW，UN＝230V，nN＝1450r/min，ηN＝90％，求該發電機的額定電流和輸入功率各為多少?

解：上一頁下一頁返回18[例1-2]一臺直流電動機額定數據如下：PN＝160kW，UN=220V，nN＝1500r/min，ηN＝90％，求額定電流和輸入功率各為多少?解：

上一頁下一頁返回191

結構相同，用途相似，容量遞增的一系列電機構成一個系列。我國目前生產的主要有以下系列型號：

Z2-92

鐵心長度代號機座號第二次改型設計直流

Z2系列功率范圍為0.4-200KW,轉速范圍為600-3000Z3，Z4系列是一般用途中小型直流電機的新產品。與Z2相比，體積小，重量輕，慣量小，調速范圍大，還適用于靜止的整流電源供電。

ZD2，ZF2系列是一般用途的中型直流電機，ZD2是中型直流電動機，ZF2是中型直流發電機，功率范圍為55-1000KW,轉速范圍為900-155ZZF系列是起重冶金用直流電動機，功率范圍為3-30KW,轉速范圍為900-15501.2.3直流電機的主要系列201.3直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機產生電磁轉矩和感應電動勢，實現機電能量轉換的樞紐，電樞繞組的名稱由此而來，并為此把直流電機的轉子稱為電樞電樞繞組由許多線圈（元件）按一定規律鏈接而成。按鏈接規律不同可以分為單疊繞組和單波繞組等多種形式。(1)電樞繞組元件(2)節距：表征電樞繞組本身和元件之間鏈接規律的數據為節據。1.3.1元件與節距21圖1.12

電樞繞組元件1端接部分2有效邊3末端4換向片5首端

元件一般放在電樞槽中，線圈嵌入槽內的部分稱為有效邊，伸出槽外的部分稱作端接部分。每個元件由兩個出線端。，均與4相連22

（1）第一節距y1：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。（2）第二節距y2：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。（3）合成節距y：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。（4）換向節距yk：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。23元件數等于換向片數等于槽數虛槽數與實槽數之間的關系極距：一個磁極在電樞圓周上所跨的距離24后一元件的端接部分緊疊在前一元件的端接部分之上，稱為疊繞組首末端之間的距離接近兩個極距，兩個元件串聯起來稱波浪形，稱為波繞組251.4直流電機的磁場直流電機無論是作發電機運行還是作電動機運行，都必須具有一定強度的磁場，所以磁場是直流電機進行能量轉換的媒介。直流電機產生磁場的勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯接，就決定了它是什么樣的勵磁方式。如圖所示，以直流電動機為例有四種勵磁方式。1.4.1

直流電機的勵磁方式26（一）他勵直流電機這種電機的勵磁電流是由另外的直流電源供給，如圖（a），其特點是勵磁電流If與電樞電壓U及負載電流I無關。（二）并勵直流電機這種電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯，如圖（b），其特點是勵磁電流If不僅與勵磁回路電阻有關，還受電樞端電壓U的影響。27

(三）串勵直流電機這種電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖（c），其特點是勵磁電流If電樞電流I相等，電樞電流變化勵磁電流就變化，串勵電機極少采用。（四）復勵直流電機這種電機的勵磁繞組即有并聯線圈，又有串聯線圈，串勵繞組和并勵繞組共同接在主極上，并勵匝數較多，串勵匝數較少，如圖（d）。所以具有串勵和并勵電機的特點。若串、并勵磁勢方向相同為積復勵（常用），若串、并勵磁勢方向相反為差復勵28直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計其影響的一種運行狀態。直流電機空載時的氣隙磁場可以認為就是主磁場，即由勵磁繞組產生的磁動勢（稱為勵磁磁動勢）單獨建立的磁場。圖3.18是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖（一對極）。圖中，同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組的磁通，稱為主磁通，用表示。此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合磁路，僅與勵磁繞組交鏈，稱為漏磁通，用表示。1.4.2

直流電機的空載磁場（1）主磁通和漏磁通29

直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。磁力線由N極出來，經氣隙、電樞齒部、電樞鐵心的鐵軛、電樞齒部、氣隙進入S極，再經定子鐵軛回到N極主磁通主磁路磁力線不進入電樞鐵心，直接經過氣隙、相鄰磁極或定子鐵軛形成閉合回路漏磁通漏磁路30

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。當忽略鐵磁材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀。幾何中性線極靴極身（a）氣隙形狀

磁極中心及附近的氣隙小且均勻，磁通密度較大且基本為常數，靠近極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小；極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減少，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零。（2）空載磁場氣隙磁密分布曲線31

空載時的氣隙磁通密度為一平頂波，如下圖(b)所示。

空載時主磁極磁通的分布情況，如右圖(c)所示。32

為了感應電動勢或產生電磁轉矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通，空載時，氣隙磁通與空載磁動勢或空載勵磁電流的關系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。

為了經濟、合理地利用材料，一般直流電機額定運行時，額定磁通設定在圖中A點，即在磁化特性曲線開始進入飽和區的位置。（3）直流電機的空載磁化曲線33

當直流電機帶負載時，電樞繞組中有電流通過，該電流也會產生磁場，稱之為電樞磁場。它與主磁場相互作用，產生電磁轉矩，實現能量轉換。電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。1.4.3直流電機的電樞反應及負載磁場（1）直流電機的電樞反應（2）直流電機的電樞磁場電樞反應與電刷的位置有關。341、當電刷在幾何中性線上時，將主磁場分布和電樞磁場分布疊加，可得到負載后電機的磁場分布情況，如圖（a）所示。35勵磁磁場的磁通密度分布曲線電樞磁場磁通密度分布曲線兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線物理中性線幾何中性線36由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應的特點：

2)、對主磁場起去磁作用1)、使氣隙磁場發生畸變

空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線角，磁通密度的曲線與空載時不同。磁路飽和時，有去磁作用，使每個磁極下總的磁通有所減小372、當電刷不在幾何中性線上時電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角，如圖(a)(b)所示。

電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量：交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢。電刷順轉向偏移電刷逆轉向偏移發電機交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁電動機交軸和直軸助磁交軸和直軸去磁381.4.4電樞繞組的感應電動勢

無論是電動機還是發電機，電樞導體相對于磁場運動，就會產生感應電動勢；載流導體在磁場中受力，將產生電磁轉矩。

一、直流電機電樞繞組的感應電動勢產生：從一對正負電刷之間引出的電勢，也稱為電樞電勢，也就是電樞繞組一條并聯支路的電動勢。也稱為記作Ea。如果設N為電樞繞組的總導體數，2a為并聯支路數，Bav為一個磁極內的平均磁密，l為導體的有效長度，v為導體切割磁場的速度，則電樞電勢為每一條并聯支路總的串聯導體數乘以一根導體的平均感應電動勢：39稱為電勢常數，它是與電機結構有關的參數。

電勢表達式可見：

1.Ea∝Φn，改變Φ或n的大小，可使Ea大小發生變化，當磁通Φ單位為Wb，轉速n單位為r/min，則電樞電勢Ea單位為V；2.Ea方向取決于Φ和n的方向，改變Φ的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。401.4.5直流電機的電磁轉矩產生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩。一根導體電磁轉矩的平均值為

乘以總的導體數為所有導體產生的電磁轉矩，D為電樞外徑，等于等于41從電磁轉矩表達式可見：

1.T∝ΦIa，改變Φ或Ia的大小，可使T大小發生變化，當磁通Φ單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉矩T單位為N·m；2.T方向取決于Φ和Ia的方向，改變Φ的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。電勢常數與轉矩常數之間的關系式：根據和可得到電勢常數與轉矩常數之間的關系式

421.5直流電動機按勵磁方式的不同，直流電動機分他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機和復勵直流電動機4類。1.5.1直流電動機穩態運行時的基本關系式如圖為并勵直流電動機。接通電源時，勵磁繞組中流過勵磁電流If建立主磁場，電樞繞組流過電樞電流Ia,,一方面形成電樞磁通勢Fa,另一方面使得電樞元件導體流過支路電流與磁場作用產生電磁轉矩T,電樞朝T的方向以轉速n旋轉，電樞旋轉時，產生電樞電動勢Ea.43(1)電壓平衡方程式(2)轉矩平衡方程式

有三個轉矩，一個是T，方向與n同，拖動轉矩

；一個是空載轉矩To,，方向與n反，制動轉矩

一個是機械負載轉矩T2,也就是電動機軸上的輸出轉矩，制動轉矩(2)功率平衡方程式44（a)并勵直流電動機功率流程圖（b)他勵功率流程圖圖中，Pcuf為勵磁繞組的銅損耗，并勵時，Pcuf由輸入功率P1供給，他勵時，Pcuf由其他直流電源供給

。451.5.2并勵直流電動機的工作特性并勵直流電動機的工作特性是指當電動機的端電壓U=UN,勵磁電流If=IfN.電樞回路不串外加電阻時，轉速，轉矩，效率，與電樞電流之間的關系（1）轉速特性當U=UN時，I=IfN時，轉速n與電樞電流Ia之間的關系n=f(Ia)稱為轉速特性，將電動勢公式帶入電壓平衡方程式得到46圖1.30

并勵電動機的工作特性可見，如果忽略電樞反應的影響，磁通保持不變，電流增加時，電樞回路電阻一般很小，所以轉速下降不大，如果考慮負載較大，隨著電流的增加，磁通將減小，因而轉速可能出現虛線所示的情況47（2）轉矩特性當U=UN時，I=IfN時，電磁轉矩T與電樞電流Ia之間的關系T=f(Ia)稱為轉矩特性。轉矩特性為過原點的直線481.5.3

串勵直流電動機的工作特性串勵直流電動機廣泛應用于交通運輸中，串勵電動機的特點是（1）轉速特性串勵直流電動機的轉速特性指串勵的轉速特性與并勵截然不同，它隨負載增加迅速降低，變化很大，如圖49圖21-5串勵直流電動機的工作特性當負載很小時，

所以轉速達到危險的高速，稱“飛車”現象，因此串勵電動機不允許在空載或負載很小的情況下運行。轉速特性與縱軸無交點。其轉速調整率定義為：為輸出功率等于PN

時的轉速。50（2)轉矩特性串勵直流電動機的轉矩特性指電樞回路外串電阻為0，因為當磁路不飽和時，當磁路飽和時，從轉矩特性可知，串勵直流電動機在同樣電流限值下，比他勵直流電動機具有大得多的啟動轉矩和最大轉矩，適用于啟動能力或過載能力要求較高的場合，如電力機車511.5.4

復勵直流電動機的工作特性復勵直流電動機其轉速特性介于并勵和串勵之間，如果是并勵繞組磁通勢起主要作用，它的轉速特性與并勵直流電動機相接近，反之和串勵接近52圖1.34

復勵直流電動機的轉速特性一般情況下，積復勵轉速特性，如曲線2所示，既有較高的啟動能力和過載能力，又可空載或輕載運行1：并勵直流電動機轉速特性3：串勵直流電動機轉速特性，不允許空載或輕載運行531.6直流發電機根據勵磁方式的不同，直流發電機可以分為他勵直流發電機、并勵直流發電機、串勵直流發電機和復勵直流發電機。現在主要采用他勵直流發電機，為此本節只介紹這種發電機。如圖為一臺他勵直流發電機的示意圖，電樞旋轉時，電樞繞組切割主磁通，產生電動勢Ea,外電路接有負載，則產生電樞電流Ia,根據基爾霍夫定律：(1)電動勢平衡方程式1.6.1直流發電機穩態運行時的基本方程式54(2)轉矩平衡方程式三個轉矩：一個是原動機的拖動轉矩T1，方向與n同，為拖動轉矩一個是電磁轉矩T，方向與n相反，為制動轉矩一個是空載轉矩T0，方向與n相反，為制動轉矩(3)功率平衡方程式55圖1.36

他勵直流發電機的功率流程圖圖中，Pcuf為勵磁繞組的銅損耗，他勵時，Pcuf由其他直流電源供給，不在P1的范圍內561.6.2他勵直流發電機的運行特性直流發電機的四個基本物理量：U、I、If、n。（n由原動機拖動，保持不變），運行特性指在U、I、If之間，保證其中一個量不變，另外兩個物理量之間的函數關系

空載特性n＝常數，I＝常數，U＝f（If）；外特性n＝常數，If＝常數，U＝f（I）；調節特性n＝常數，U＝常數，If＝f（I）。

(1)空載特性空載特性是指原動機的轉速n=nN，輸出端開路，負載電流I=0（Ia=0）時，電樞端電壓與勵磁電流之間的關系，即：U0=E0=?(If)。

57發電機由原動機拖動，轉速保持恒定，閘刀K斷開，（a)逐步調節勵磁回路的分壓電阻rf,使得勵磁電流If單方向由0逐步增加直到UO=1.25UN.(b)單方向逐步減小If,直到If=0,測取相應的UO和If,作出特性曲線

圖

他勵直流發電機試驗線路58他勵直流發電機的空載特性由于鐵磁材料的磁滯現象，所求特性的上升分支3和下降分支1不重合，一般取其平均值作為該電機的空載特性，如圖中曲線2圖中If=0時，U0=Er為剩磁電壓，為額定電壓的2%-4%If比較小時，鐵芯磁路不飽和，特性近似為直線.If較大時，鐵芯隨著If的增大而逐漸飽和，，空載特性出現飽和段，一般情況下，電機的額定電壓處于A附近.這樣既能使得磁通勢的較小變化不致引起端電壓的變化，同時又能通過調節If在一定范圍內調節輸出電壓59(2)外特性外特性是指原動機的轉速n=nN，If=IfN,電樞端電壓與負載電流之間的關系，即：U=?(I)。

外特性是一條稍稍向下傾斜的曲線60直流電機運行時，隨著電樞的轉動，電樞繞組的元件從一條支路經過電刷換到另一條支路，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。61

為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。

電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。

電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為

電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為直流電機運行時，隨著電樞的轉動，電樞繞組的元件從一條支路經過電刷換到另一條支路，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。1.7直流電機的換向62圖1.40

電樞繞組元件的換向過程63

換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。

產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現象。

元件從開始換向到換向終了所經歷的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經過電刷時都要經歷換向過程。64一、直線換向當時換向元件電流隨時間線性變化。當