第三章直流電機直流電機是實現機械能與直流電能相互轉換的電磁裝置。直流發電機把機械能轉換為直流電能，直流電動機把直流電能轉換為機械能。

直流電動機的調速性能和起動性能優異，被廣泛應用于電力機車、軋鋼機、無軌電車等對調速性能要求高的場合。直流發電機主要用作直流電源，供電質量好，一般用于電鍍、電解及交流發電機的勵磁機等。

3.1直流電機的工作原理、結構和額定值一、直流電機的工作原理1、直流發電機的工作原理圖3.1是直流發電機的原理模型圖3.1直流發電機原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷在圖3.1所示瞬間，感應電動勢方向如圖所示，這時電刷A呈正極性，電刷B呈負極性。當線圈逆時針方向旋轉180°時，導體cd位于N極下，導體ab位于S極下，兩導體中的電動勢都改變了方向。但由于換向片隨著線圈一同旋轉，本來與電刷B相接觸的換向片，現在與電刷A接觸；原來與電刷A相接觸的換向片與電刷B接觸，電刷A仍呈正極性，電刷B仍呈負極性。可以看出，與電刷A接觸的導體永遠位于N極下，與電刷B接觸的導體永遠位于S極下。因此，電刷A始終為正極性，電刷B始終為負極性，電刷兩端能引出方向不變的電壓。線圈abcd切割磁力線產生感應電動勢。由右圖可以看出：換向器使線圈內的交變感應電動勢轉變為電刷兩端的直流電壓，該直流電壓有較大的脈動。在實際電機中，電樞上線圈數很多，并按照一定的規律連接起來，可使電壓脈動較小以獲得波形較好的直流電壓。這就是直流發電機的工作原理。圖3.2氣隙磁密、線圈內感應電動勢和電刷之間的電壓2、直流電動機的工作原理圖3.3所示為直流電動機的原理模型。與圖3.1不同的是：線圈沒有原動機拖動，電刷A、B接至直流電源，線圈abcd中有電流流過，電流的方向如圖3.3所示。載流導體受到的電磁力為：

圖3.3直流電動機原理模型

1-磁極2-電樞3-換向器4-電刷導體受力的方向用左手定則確定。在圖3.3所示瞬間，導體ab的受力方向是從右向左，導體cd的受力方向是從左向右，都產生逆時針方向的轉矩，使電樞沿逆時針方向轉動。當電樞轉過180o后，導體cd在N極下，導體ab在S極下，直流電源供給的電流方向不變，但線圈內電流方向發生了變化，導體cd受力方向變為從右向左，導體ab受力方向變為從左向右，產生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向，使線圈繼續沿逆時針方向旋轉。因此，由于換向器的作用，直流電流交替地由導體ab和cd流入，使處于N極下的線圈邊中電流的方向總是由電刷A流入，而處于S極下的線圈邊中電流的方向總是從電刷B流出，從而產生方向不變的轉矩，使電動機連續旋轉，這就是直流電動機的工作原理。3、直流電機的可逆運行從上述電磁現象可以看出，直流電機既可以作為發電機運行，也可以作為電動機運行。如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，機械能從電機軸上輸入，電刷端輸出直流電壓，將機械能轉換成電能；反之，如在電刷端加直流電壓，將電能輸入電機，從電機軸上輸出機械能，拖動機械負載工作，將電能轉換成機械能。同一臺電機既能作發電機又能作電動機運行，稱為電機的可逆運行。直流電機的結構直流電機的結構形式多種多樣，圖3.4是一臺小型直流電機的結構剖面圖。圖3.4直流電機的結構剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風扇8—電樞繞組9—電樞鐵心直流電機的結構直流電機由靜止的定子和轉動的轉子構成，定、轉子之間有一間隙，稱為氣隙。

直流電機的定子，主要由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。

直流電機的轉子，主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器和轉軸等組成。

直流電機的結構主磁極在直流電機中，主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成，其作用是在氣隙內產生氣隙磁場。圖3.5是主磁極的裝配圖。各主磁極上勵磁繞組的連接必須使勵磁電流產生的磁極呈N、S極交替排列。

圖3.5直流電機的主磁極1—主極鐵心2—勵磁繞組直流電機的結構

換向極功率在1kW以上的直流電機，通常要在相鄰兩主磁極之間裝設換向極，又稱附加極或間極，其作用是改善換向。換向極也由鐵心和繞組構成，如圖3.6所示。鐵心一般用整塊鋼或薄鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯。圖3.6直流電機的換向極直流電機的結構機座機座有兩方面的作用：一是導磁，二是作機械支撐。

電刷裝置電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置，如圖3.7所示。電刷組的數目可以用電刷桿數表示，電刷桿數與電機的主磁極數相等。圖3.7電刷裝置直流電機的結構電樞鐵心電樞鐵心有兩方面作用：一是作為主磁路的一部分，二是用于嵌放電樞繞組。電樞繞組

電樞繞組由許多線圈按一定規律排列和連接而成，是產生感應電動勢和電磁轉矩以實現機電能量轉換的關鍵部件。線圈用絕緣圓形線或扁銅線繞制而成，也稱為元件。電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中，每個元件有兩個出線端。所有元件按一定規律連接，就構成電樞繞組。圖3.8

直流電機的電樞

直流電機的結構換向器

換向器也是直流電機的重要部件。在直流發電機中，換向器將繞組內的交變電動勢轉換為電刷兩端的直流電動勢；在直流電動機中，換向器將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流。換向器安裝在轉軸上，如圖3.9所示，由許多換向片組成，換向片之間用云母進行絕緣，換向片數與元件數相等。圖3.9換向器直流電機的額定值直流電機運行時，若各物理量都與額定值相同，稱為額定運行狀態或額定工況。額定功率（W或kW）指電機在額定狀態時的輸出功率。對于電動機，是指軸上輸出的機械功率；對于發電機，是指線端輸出的電功率額定電壓（V）指額定狀態下電樞兩端的電壓額定電流（A）指電機在額定電壓下輸出額定功率時的電流額定轉速（r/min）指電機在額定狀態下的轉速額定勵磁電壓（V）(僅對他勵電機)指額定狀態下的勵磁電壓

直流電機的額定值有些物理量雖然不標在銘牌上，但它們也是額定數據，如額定轉矩、額定效率等。直流發電機的額定功率為直流電動機的額定功率為

式中，為直流電動機的額定效率電動機軸上輸出的額定轉矩用表示，為

上面三式中，的單位都是W，的單位為r/min，的單位為。此式不僅適用于直流電動機，也適用于交流電動機。3.2直流電機的電樞繞組電樞繞組的基本概念電樞繞組的節距單疊繞組

單波繞組

電樞繞組的基本概念電樞繞組由許多形狀完全相同的元件（也稱為線圈）按一定規律排列和連接而成。每個元件有兩個出線端，一個稱為首端，另一個稱為末端。同一個元件的首端和末端分別接到兩個不同的換向片上。同一個換向片上，連有一個元件的首端和另一個元件的末端。因此，電樞繞組的元件數等于換向片數，即，其中

為換向片數，為元件數。每個元件有兩個元件邊，一個元件邊放在某一個槽的上層，稱為上層邊，另一個元件邊放在另一個槽的下層，稱為下層邊，所以直流電機的繞組一般都是雙層繞組。電樞繞組的基本概念在直流電機中，常在每個槽的上、下層各放置若干個元件邊。為了確切地說明每個元件邊所處的具體位置，引入了“虛槽”的概念。設槽內每層有個元件邊，則每個實際槽包含個“虛槽”，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊。若用代表槽數，代表虛槽數，則直流電機的電樞繞組有疊繞組、波繞組和混合繞組三種。疊繞組又分為單疊繞組和復疊繞組，波繞組也有單波繞組和復波繞組之分，其中單疊繞組和單波繞組是電樞繞組的基本形式。電樞繞組的節距第一節距一個元件的兩個元件邊在電樞表面所跨的距離（即跨距）稱為第一節距，如圖3.10所示。用所跨虛槽數表示。選擇時盡量讓元件中感應電動勢最大，即

應等于或接近于一個極距。極距定義為

由于不一定能被極數整除，而又必須為整數，可使

式中為小于1的分數。稱為整距繞組，稱為長距繞組,稱為短距繞組。因短距繞組有利于換向，對于疊繞組還可節約端部用銅，故常被采用。

電樞繞組的節距第二節距

第二節距是連至同一個換向片的兩個元件邊之間的距離，如圖3.10所示。用所跨虛槽數表示。合成節距

緊接著串聯的兩個元件的對應邊之間在電樞表面所跨的距離，稱為合成節距，用虛槽數表示。不同類型繞組的差別主要表現在合成節距上。由圖3.10知：

對于疊繞組，有

對于波繞組，有

電樞繞組的節距換向器節距

同一元件首、末端所連兩個換向片之間所跨的距離稱為換向器節距，用換向片數表示。換向器節距等于合成節距。

圖3.10

繞組的節距

單疊繞組單疊繞組的連接規律是：所有相鄰元件依次串聯，后一個元件的首端與前一個元件的末端連在一起并接到同一個換向片上，最后一個元件的末端與第一個元件的首端連在一起，構成一個閉合回路。單疊繞組的合成節距等于一個虛槽，換向器節距等于一個換向片，即

式中，“+1”或“-1”表示每串聯一個元件就“向右”或“向左”移動一個虛槽或一個換向片，分別稱為右行繞組和左行繞組。左行繞組中，元件接到換向片的連接線互相交錯，用銅較多，故很少采用。通常采用右行繞組。

單疊繞組下面以，，為例，說明單疊繞組的連接規律和特點。繞組展開圖

繞組元件連接順序圖繞組電路圖

單疊繞組的特點

繞組展開圖

計算各節距

第一節距為

合成節距和換向器節距為

第二節距為繪制繞組展開圖

所謂繞組展開圖就是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面的連接圖。作圖步驟如下：繞組展開圖第一步，先畫16根等長等距的實線，代表各槽上層元件邊；再畫16根等長等距的虛線，代表各槽下層元件邊，虛線與實線靠近。畫16個小方塊代表換向片，并編號。為了繪圖方便，使換向片寬度等于槽與槽之間的距離。為了便于連接，將元件、槽和換向片按順序編號，編號時令元件號、元件上層邊所在槽的編號以及元件上層邊相連接的換向片號相同，即1號元件的上層邊放在1號槽內并與1號換向片相連接。第二步，放置主磁極。讓每個磁極的寬度大約等于，4個磁極均勻放置在電樞槽之上，并標上N、S極性。假定N極的磁力線進入紙面，S極的磁力線從紙面穿出。繞組展開圖第三步，將1號元件的上層邊放在1號槽（實線）并與1號換向片相聯，其下層邊放在第5號槽（

）的下層（虛線）；因，所以1號元件的末端應連接在2號換向片上（

）。然后將2號元件的上層邊放入2號槽的上層（

），下層邊放在6號槽的下層（

），2號元件的上層邊連在2號換向片上，下層邊連在3號換向片上。按此規律連接，一直把16個元件都連起來為止，并構成一條閉合回路。繞組展開圖第四步，放置電刷。假設電刷的寬度等于換向片的寬度，將四組電刷、、、均勻地布置在換向器表面。放置電刷的原則是，要求正、負電刷之間得到最大的感應電動勢，同時被電刷所短路的元件中感應電動勢最小，這兩個要求實際上是一致的。由于每個元件的幾何形狀對稱，如果把電刷的中心線對準主極的中心線，就能滿足上述要求。圖3.11中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13，這幾個元件中的電動勢恰為零。實際運行時，電刷靜止不動、電樞旋轉，但被電刷所短路的元件總是處于兩個主磁極之間的地方，其感應電動勢為零。繞組展開圖圖3.11

單疊繞組展開圖

繞組元件連接順序圖繞組元件連接順序圖用來表示電樞上所有元件邊的串聯次序。根據圖3.11可以畫出繞組元件連接順序圖，如圖3.12所示。每根實線所連接的兩個元件邊構成一個元件，兩元件之間的虛線則表示通過換向片把兩元件串聯起來。可以看出，從第1元件出發，連接完16個元件后又回到第1元件，整個繞組是閉合的。

圖3.12

單疊繞組元件連接順序圖繞組電路圖在圖3.11所示的瞬間，根據電刷之間元件連接順序，可以得到如圖3.13所示的電樞繞組電路圖。可以看出，電樞繞組由4條并聯支路組成。上層邊處在同一極下的元件中的感應電動勢方向相同，串聯起來通過電刷構成一條支路；被電刷短路的元件中電動勢等于零，此時這些元件不參加組成支路。單疊繞組的并聯支路對數等于電機的極對數，即繞組電路圖由于組成各支路的元件在電樞上處于對稱位置，各支路電動勢大小相等，故從閉合電路內部來看，各支路電動勢恰巧互相抵消，不會產生環流。此外，單疊繞組的支路電動勢由電刷引出，所以電刷組數必須等于支路數，也就是等于磁極數。

圖3.13單疊繞組電路圖

單疊繞組的特點位于同一個極下的各元件串聯起來組成了一條支路，即并聯支路對數等于極對數當元件幾何形狀對稱時，電刷應放在主極中心線上，此時正、負電刷間感應電動勢最大，被電刷所短路的元件內感應電動勢為零電刷組數等于磁極數單波繞組單波繞組的連接規律是:從某一換向片出發，把相隔約為一對極距的同極性磁極下對應位置的所有元件串聯起來，沿電樞和換向器繞一周之后，恰好回到出發換向片的相鄰一片上，然后從該換向片出發，繼續繞連，直到全部元件串聯完，最后回到開始的換向片，構成一個閉合回路。連線特點是元件兩出線端所連換向片相隔較遠，相串聯的兩元件也相隔較遠，形狀如波浪一樣向前延伸，所以稱為波繞組。

單波繞組選擇時，應使相串聯的元件感應電動勢同方向。為此，須把兩個相串聯的元件放在同極性磁極的下面，空間位置上相距約兩個極距。其次，如果有對極，當沿圓周方向繞過一周，就有個元件串聯起來。從換向器上看，每連一個元件前進片，連接個元件后所跨的總換向片數為。單波繞組在換向器上繞一周后，回到出發換向片的相鄰一片上，總共跨過，即

或式中“－1”表示繞連完一周后后退一片，稱為左行繞組；“＋1”表示繞連完一周后前進一片，稱為右行繞組。右行繞組因端部交叉，較少采用。單波繞組以，，直流電機的繞組為例，說明單波繞組的連接規律和特點。計算繞組各節距得：采用與單疊繞組相同的步驟，畫出繞組展開圖和元件連接順序圖，分別如圖3.14和3.15所示。與圖3.14所示瞬間各元件連接情況對應的繞組電路圖如圖3.16所示。單波繞組圖3.14單波繞組展開圖

圖3.15

單波繞組元件連接順序圖

單波繞組圖3.16單波繞組電路圖

由圖可得出單波繞組具有以下3個特點：

同極性下各元件串聯起來組成一條支路，并聯支路對數，與極對數無關當元件的幾何形狀對稱時，電刷放在主極中心線上，正、負電刷間感應電動勢最大電刷組數也應等于極數3.3直流電機的磁場直流電機的空載磁場

直流電機的電樞磁場直流電機的負載磁場電刷偏離幾何中性線時的電樞反應

直流電機的空載磁場勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式。他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，由其他直流電源對勵磁繞組供電。其接線如圖3.17(a)所示。并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯，接線如圖3.17(b)所示。串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯，勵磁電流就是電樞電流，接線如圖3.17(c)所示。復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖3.17(d)所示。若串勵繞組產生的磁動勢與并勵繞組產生的磁動勢方向相同，稱為積復勵。若兩個磁動勢方向相反，則稱為差復勵。

直流電機的空載磁場直流電動機的主要勵磁方式是并勵、串勵和復勵，直流發電機的主要勵磁方式是他勵、并勵和復勵。勵磁方式不同，直流電機的特性也不同。

圖3.17

直流電機的勵磁方式直流電機的空載磁場空載磁場的分布

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。直流電機的空載磁場由于主磁通經過的磁路中氣隙較小、磁導較大，漏磁通經過的磁路中氣隙較大、磁導較小，而作用在這兩條磁路的磁動勢是相同的，所以漏磁通比主磁通小得多。圖3.18

直流電機空載磁場分布

直流電機的空載磁場在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時，直流電機一個極下的空載磁密分布如圖3.19所示。圖3.19

直流電機的空載磁場分布直流電機的電樞磁場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。圖3.20(a)表示由電樞電流單獨產生的電樞磁場。圖中沒有考慮齒槽影響，認為轉子光滑，元件均勻分布在電樞表面，電刷位于相鄰兩極之間的中心線，即幾何中性線上。根據電樞電流方向和右手螺旋定則，可判斷電樞磁動勢的軸線與幾何中性線重合，并與主磁極軸線正交，稱為交軸電樞磁動勢。與主極軸線正交的軸線稱為交軸。直流電機的電樞磁場圖3.20直流電機的氣隙磁場

直流電機的電樞磁場線負荷是指電樞表面單位長度上的安培導體數，用表示。設為電樞繞組的總導體數，為導體內的電流，

為電樞直徑，則線負荷為將電樞外表面從幾何中性線處展開，如圖3.20(b)所示，并設主磁極軸線與電樞表面的交點處為坐標原點，該點的電樞磁動勢為零，在離原點

處作一矩形閉合回路，根據安培環路定律，當不考慮鐵心內的磁壓降時，每個氣隙上的磁壓降為直流電機的電樞磁場可以看出，與成正比，電樞磁動勢沿電樞表面的分布為三角波。根據

可推出氣隙磁密為

在磁極下，氣隙均勻，則；在磁極之間處，氣隙很大，很小。電樞磁密沿電樞表面分布為馬鞍形，如圖3.20(b)所示。直流電機的負載磁場電樞反應的存在對氣隙磁場產生以下影響：使氣隙磁場發生畸變對發電機而言，前極尖磁場被削弱，后極尖磁場被加強；對電動機而言，前極尖磁場被加強，后極尖磁場被削弱。使物理中性線發生偏移通常把通過電樞表面磁密等于零處稱為物理中性線。直流電機空載時，幾何中性線與物理中性線重合；負載時物理中性線與幾何中性線不再重合。對發電機，物理中性線順電機旋轉方向移過角；對電動機，物理中性線逆旋轉方向移過角。直流電機的負載磁場當磁路飽和時有去磁作用不計磁飽和時，交軸電樞磁場對主極磁場的去磁作用和增磁作用恰好相等；考慮磁飽和時，增磁邊將使該部分鐵心的飽和程度提高、磁阻增大，從而使實際的氣隙磁磁比不計飽和時略低，如圖3.20(b)中虛線所示；去磁邊的實際氣隙磁密則與不計飽和時基本一致；因此負載時每極下的磁通量將比空載時少。換言之，飽和時交軸電樞反應具有一定的去磁作用。

電刷偏離幾何中性線時的電樞反應當電刷偏離幾何中性線時，除存在交軸電樞磁動勢外，還有直軸電樞磁動勢。以電動機為例，電刷逆電樞旋轉方向偏離角，如圖3.21所示，產生的電樞磁動勢為。可以認為電樞磁動勢由兩部分組成：一部分由角度范圍內的導體產生，另一部分由角度范圍外的導體產生。角度范圍外的導體產生的磁動勢為交軸電樞磁動勢，其最大值為角度范圍內的導體產生直軸電樞磁動勢，其最大值為

電刷偏離幾何中性線時的電樞反應直軸電樞磁動勢的軸線與主磁極軸線重合，但方向相反，使主磁通削弱，故有去磁作用；同理，當電刷順電樞旋轉方向偏離角時，產生的直軸電樞磁動勢有助磁作用。發電機的情況與電動機恰好相反。圖3.21電刷偏離幾何中線時的電樞反應3.4直流電機的感應電動勢和電磁轉矩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。本節將討論直流電機感應電動勢和電磁轉矩的計算公式。為便于分析，作以下假設：(1)電樞表面光滑無槽(2)電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續分布(3)線圈為整距(4)電刷位于幾何中性線上直流電機的感應電動勢圖3.22為一個極距內氣隙磁密沿電樞表面的分布曲線。當一根長度為的導體以線速度垂直于磁場方向運動時，導體中的感應電動勢為

其中，為導體所在位置的氣隙磁密。

圖3.22氣隙磁密和導體的分布

直流電機的感應電動勢電樞繞組總導體數為，組成條并聯支路，則每支路的串聯導體數為。電樞轉動時，組成一條支路的導體處于變化中，但每條支路內串聯導體數保持不變。一條支路的感應電動勢就是電樞繞組的感應電動勢式中，是支路中第根導體中的感應電動勢。在計算支路感應電動勢時，可以認為這根導體等效于在一個磁極下均勻連續分布。只要求出一根導體在一個極下感應電動勢的平均值，乘以根導體數，即得繞組的感應電動勢。因此上式可以寫成直流電機的感應電動勢而一根導體的平均電動勢為

式中，是每極下的平均氣隙磁密。

導體的線速度為，其中是轉速，單位是r/min。每極總磁通量為代入上式得每根導體的平均電動勢為式中，是電樞每轉一周導體切割的總磁通量。從上式可知，導體平均電動勢與氣隙磁密分布的形狀無關。

直流電機的感應電動勢將導體平均電動勢的表達式代入感應電動勢中可得

式中，的單位是韋伯(Wb)；是常數，稱為電動勢常數。負載大小會影響每極磁通量，進而影響感應電動勢的大小。計算負載感應電動勢時，為負載時的每極氣隙磁通。計算空載感應電動勢時，為空載時的每極氣隙磁通。直流電機的電磁轉矩當電樞繞組中有電流流過時，每一導體中流過的電流為。這些載流導體在磁場中受力，并在電樞上產生轉矩，稱為電磁轉矩，用表示。一個極距內電樞表面的磁密分布曲線如圖3.23所示。當一根長為的導體中流過電流時，所受的電磁力為

力的方向由左手定則決定。

圖3.23理想化電樞的電磁轉矩直流電機的電磁轉矩導體距電樞軸心的徑向距離為，所產生的轉矩為全部根受力導體所產生的轉矩總和就是電機的電磁轉矩式中，是第根導體所產生的轉矩。每一條支路中的根導體可以認為均勻連續分布在一個極距內。因此，可以用一根導體所產生的平均電磁轉矩來表示，即直流電機的電磁轉矩全部根導體受力所產生的電磁轉矩的總和就是電機的電磁轉矩，為將及代入上式可得

式中是一個常數，稱為直流電機的轉矩常數。比較電動勢常數和轉矩常數的表達式，可以看出3.5直流發電機的基本方程與運行特性直流發電機的電壓平衡方程

直流發電機的功率平衡方程直流發電機的轉矩平衡方程直流發電機的運行特性：

直流發電機的空載特性他勵發電機的運行特性(外特性、調節特性、效率特性)并勵發電機的自勵與運行特性

復勵發電機的運行特性

直流發電機的電壓平衡方程以并勵發電機為例建立直流發電機的基本方程。并勵發電機穩態運行時的等效電路如圖3.24所示。其中電樞繞組電動勢為，電樞繞組電阻為，勵磁繞組電阻為，勵磁回路調節電阻為，發電機端電壓為，輸出電流為，電樞電流為，勵磁電流為。圖3.24并勵直流發電機等效電路直流發電機的電壓平衡方程根據圖3.24，電樞回路的電壓平衡方程式為

式中，為正、負一對電刷上的接觸電壓降，其大小與電刷型號有關，一般=0.5~2V。為電樞回路的總電阻，包括電樞繞組的電阻

和電刷接觸電阻。勵磁回路的電壓方程為

式中，為勵磁回路總電阻。電流方程為

直流發電機的功率平衡方程定義直流電機的電磁功率為電樞繞組感應電動勢與電樞電流的乘積，即

式中，為轉子的機械角速度。在電壓平衡方程式兩邊同乘以，考慮到，有

即

式中，為發電機輸出的電功率，為勵磁銅耗，為電樞回路的總銅耗。直流發電機的功率平衡方程機械功率的一部分被用于平衡轉子轉動和實現能量轉換所必然產生的損耗，這些損耗有：（1）機械損耗，包括軸承、電刷摩擦損耗，空氣摩擦損耗以及通風損耗等。（2）鐵耗，電樞鐵心中磁場交變產生的磁滯損耗和渦流損耗。（3）雜散損耗，又稱附加損耗，包括主磁場脈動和畸變引起的鐵耗、漏磁場在金屬緊固件中產生的鐵耗和換向元件內的附加損耗等。

因此有直流發電機的功率平衡方程發電機的功率平衡方程為

式中：

——為空載損耗

——為并勵發電機的總損耗

根據功率平衡方程，可畫出直流發電機的功率圖，如圖3.25所示。圖3.25直流發電機的功率圖

直流發電機的轉矩平衡方程式兩邊同除以角速度得

即這就是直流發電機的轉矩平衡方程。式中，是輸入轉矩，為拖動性質；是電磁轉矩，為制動性質；為空載轉矩，也是制動性質。

直流發電機的空載特性直流發電機的穩態運行特性包括：表征輸出電壓質量的外特性、勵磁調節用的調整特性和表征力能指標的效率特性。空載特性是指轉速常值，輸出電流時，電樞的空載端電壓與勵磁電流之間的關系。電機空載時，電樞電流為零或很小，可以認為發電機的空載端電壓就是空載感應電動勢，因此正比于主磁通，所以空載特性與磁化曲線的縱坐標之間僅相差一個比例常數，空載特性實質上就是電機的磁化曲線。空載特性常用來確定磁路的飽和程度。直流發電機的空載特性空載特性可以用實驗方法來求取，圖3.26為空載實驗的接線圖。實驗時，發電機空載，保持轉速，調節勵磁電流，使空載電壓，然后將逐步減小到零，再將反向，并逐步增加，直到反向時的與正向時的相等為止，記錄每次的和相應的值。由于鐵心有磁滯現象，所得到的相當于整個磁滯回線的左半邊。根據對稱關系，可畫出磁滯回線的另外半邊，然后找出整個磁滯回線的平均曲線，如圖3.27中虛線所示，此虛線即為電機的空載曲線。

直流發電機的空載特性直流電機勵磁后，再將勵磁切斷，磁路中就會有剩磁，此后即使，電樞仍會出現由剩磁所感應的剩磁電壓，通常。圖3.26空載實驗接線圖圖3.27空載特性

他勵發電機的外特性外特性是當常值、勵磁電流常值時，發電機的端電壓與輸出電流之間的關系，如圖3.28所示。外特性是一條隨負載電流增大而下降的曲線。發電機端電壓隨負載電流變化而變化的程度可用額定電壓調整率來衡量，定義為：當、時，發電機從額定負載過渡到空載時的電壓變化率，即圖3.28他勵發電機的外特性

他勵發電機的調節特性調節特性是指常值時，隨著負載電流的變化，保持常值時勵磁電流的調節規律。調節特性表征負載變化時如何調節勵磁電流才能維持發電機端電壓不變。如圖3.29所示，調節特性隨負載電流增大而上翹。

圖3.29他勵發電機的調節特性

他勵發電機的效率特性效率特性是指在常值，常值時，效率與輸出功率之間的關系，如圖3.30所示。損耗分為兩大類，一類是隨負載變化很小的損耗，包括機械損耗、鐵耗，稱為不變損耗；另一類是隨負載變化較大的損耗，包括電樞回路損耗、電刷接觸損耗、勵磁繞組銅耗（負載變化時勵磁電流也要調整）和雜散損耗，稱為可變損耗。

圖3.30他勵發電機的效率特性并勵發電機的自勵與運行特性并勵發電機的自勵

并勵發電機的接線圖如圖3.31所示。由于磁極鐵心中存在剩磁，電樞在剩磁磁場內旋轉時，就會產生剩磁電動勢。剩磁電動勢由電樞端點輸出，加到勵磁繞組上，產生一個較小的勵磁電流，其磁動勢方向既可能與剩磁方向相同而形成正反饋作用，也可能與剩磁方向相反而形成負反饋作用。負反饋時，剩磁磁場被抑制，電壓建立不起來；正反饋時，氣隙磁場加強，使電樞的感應電動勢升高，從而使勵磁電流和氣隙磁場進一步加強，如此往復，發電機的端電壓將逐步建立起來。要實現勵磁電流的正反饋，勵磁繞組端點與電樞繞組端點的連接要正確。并勵發電機的自勵與運行特性

圖3.31并勵發電機的接線圖圖3.32并勵發電機自勵時的穩態空載電壓

并勵發電機的自勵與運行特性從空載時勵磁回路的電壓方程和圖3.32可知，自勵時發電機的空載運行點應由空載特性和勵磁回路的伏安特性（勵磁電阻線）的交點A來確定。與空載特性相切的電阻線，稱為臨界電阻線，對應的電阻稱為臨界電阻。綜上所述，并勵發電機的自勵條件是：1）氣隙中必須有剩磁；2）勵磁磁動勢與剩磁磁場的方向必須相同；3）勵磁回路的總電阻必須小于臨界電阻。

并勵發電機的自勵與運行特性并勵發電機的運行特性（調整特性和效率特性與他勵發電機相似）并勵發電機的外特性是指，常值時，發電機的端電壓與負載電流間的關系。由于并勵發電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯，勵磁電流與負載電流互相影響，導致其外特性與他勵發電機有明顯的差別，如圖3.33所示。圖3.33并勵發電機的外特性

并勵發電機的自勵與運行特性并勵發電機的外特性有以下三個特點：負載增大時，端電壓下降較快在同一負載下，并勵發電機的端電壓要比他勵時下降得多。

外特性有拐彎現象當負載電阻減小，負載電流增大，端電壓下降到一定值時，磁路將處于不飽和狀態，此時若進一步減小，端電壓的下降使勵磁電流下降，而勵磁電流的下降將導致氣隙磁通和感應電動勢較大幅度的下降，結果使端電壓的下降比負載電阻減小得更快，于是外特性就出現“拐彎”現象，即端電壓下降，負載電流亦下降。穩態短路（端電壓等于零）時，電流較小

復勵發電機的運行特性復勵發電機的勵磁繞組包括并勵和串勵兩部分，其接線圖如圖3.34所示。

復勵發電機中，若串勵磁動勢與并勵磁動勢方向相同，稱為積復勵；若串勵磁動勢與并勵磁動勢方向相反，稱為差復勵。常用的復勵發電機都是積復勵。圖3.34復勵發電機的接線圖

復勵發電機的運行特性復勵發電機的外特性可出現三種情況，如圖3.35所示。若電機額定負載時串勵繞組恰好能補償電樞反應的去磁作用以及電樞回路的壓降，則額定電壓等于空載端電壓，這種情況稱為平復勵。若串勵磁動勢的作用較強，補償作用有余，外特性就會上翹，這種情況稱為過復勵。若補償作用不足，外特性仍下降，稱為欠復勵。圖3.35積復勵發電機的外特性

復勵發電機的運行特性調節特性

積復勵發電機的調節特性與串勵磁動勢的大小有關，如圖3.36所示。

圖3.36積復勵發電機的調節特性3.6直流電動機的基本方程與運行特性

按勵磁方式分，直流電動機可以分為：他勵電動機（包括永磁電動機）、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機。勵磁方式不同，運行特性也不同。直流電動機的基本方程直流電動機的運行特性直流電動機穩定運行條件直流電動機的基本方程電壓平衡方程以并勵電動機為例，其穩態運行時的等效電路如圖3.37所示。在直流電動機中，感應電動勢與電樞電流方向相反，因此也稱為反電動勢。圖3.37并勵直流電動機的等效電路直流電動機的基本方程電樞回路的電壓方程為勵磁回路的電壓方程為電流方程為直流電動機的基本方程功率平衡方程把電樞回路的電壓方程兩邊都乘以，得考慮到有即式中，是從電源輸入的電功率，其它符號的含義與直流發電機相同。從上式可以看出，從電源吸收的功率，除了一小部分轉換為電損耗外，大部分為電磁功率。電磁功率扣除鐵心損耗、機械損耗和雜散損耗，剩下的才是電動機軸上輸出的機械功率，即綜合以上兩式，得到直流電動機的功率平衡方程式圖3.38直流電動機的功率圖

直流電動機的基本方程轉矩平衡方程方程兩邊同除以機械角速度，得

即其中：為電磁轉矩，為輸出轉矩，為由機械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的制動轉矩。直流電動機的基本方程直流電動機的運行特性主要包括轉速特性、轉矩特性、轉速－轉矩特性（即機械特性）、效率特性，它們與勵磁方式直接相關。由于直流電動機的效率特性與直流發電機類似，此處不再論述。他勵直流電動機的運行特性并勵直流電動機的運行特性串勵直流電動機的運行特性復勵直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性轉速特性

他勵直流電動機的轉速特性是指外加電壓和勵磁電流為額定值時，電動機的轉速與電樞電流之間的關系。由和可得：當電樞電流增加時，若氣隙磁通不變，則轉速將隨的增加而線性下降。由于電樞繞組電阻壓降很小，因此轉速下降不多。如果考慮電樞反應的去磁作用，隨電樞電流的增大而略有減小，轉速下降會更小些，甚至會上升。他勵直流電動機的運行特性他勵直流電動機的運行特性為保證電動機穩定運行，通常將電機設計為圖3.39所示的稍微下降的轉速特性圖3.39他勵直流電動機的轉速特性和轉矩特性他勵直流電動機的運行特性需要指出的是，他勵直流電動機在運行過程中勵磁回路絕對不能斷開。當勵磁回路斷開時，氣隙磁通驟然下降到剩磁磁通，感應電動勢很小，由于機械慣性的作用，轉速不能突然改變，電樞電流急劇增大，會出現兩種情況：1）若電動機重載，所產生的電磁轉矩小于負載轉矩，轉速下降，電動機減速直至停轉，停轉時，電樞電流為起動電流，引起繞組過熱將電機燒毀；2）電機輕載，所產生的電磁轉矩遠大于負載轉矩，使電動機迅速加速，造成“飛車”。這兩種情況都是非常危險的。他勵直流電動機的運行特性轉矩特性他勵直流電動機的轉矩特性是指外加電壓和勵磁電流為額定值時，電磁轉矩與電樞電流之間的關系。根據直流電動機的電磁轉矩表達式可知，磁路不飽和時，氣隙磁通不變，電磁轉矩與電樞電流成正比，轉矩特性為一條直線；當磁路飽和時，氣隙磁通隨電樞電流的增加而略有減小，轉矩特性略微向下彎曲，如圖3.39中的虛線所示。圖3.39他勵直流電動機的轉速特性和轉矩特性他勵直流電動機的運行特性機械特性他勵直流電動機的機械特性是指當電動機加上一定的電壓和一定的勵磁電流時，轉速與電磁轉矩之間的關系，即，是電動機的一個重要特性。由和

可得：式中，是理想空載轉速，是機械特性的斜率。如圖3.40所示，機械特性是一條略向下傾斜的直線。他勵直流電動機的運行特性若直流電動機轉速隨負載轉矩變化不大，我們稱其機械特性為硬特性，反之稱為軟特性。轉速的變化可用轉速調整率表征，定義為式中，為額定轉速；為額定勵磁電流時的空載轉速。圖3.40他勵直流電動機的機械特性并勵直流電動機的運行特性并勵直流電動機屬于他勵直流電動機的一個特例，即在連接方法上使勵磁繞組與電樞回路并聯，由同一電源供電，因此其工作特性和機械特性與他勵直流電動機的相同，這里不再贅述。串勵直流電動機的運行特性串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞回路串聯，如圖3.41所示，電樞電流等于勵磁電流，因而氣隙磁通隨電樞電流的變化很大，是其主要特點。圖3.41串勵直流電動機接線圖

串勵直流電動機的運行特性轉速特性

串勵電動機的轉速特性是指外加額定電壓、串勵繞組電阻為常數時，轉速和電樞電流之間的關系。串勵電動機的轉速為式中。可見，串勵電動機的轉速特性為雙曲線，轉速與電樞電流成反比。當負載增大時，電樞電流和勵磁電流都增大，導致電阻壓降增大、氣隙磁通增大，轉速迅速下降。如圖3.42所示。

串勵直流電動機的運行特性串勵電動機不允許空載運行，所以轉速調整率定義為式中:為1/4額定負載時的轉速。圖3.42串勵直流電動機特性曲線

串勵直流電動機的運行特性轉矩特性

串勵電動機的轉矩特性是指外加額定電壓、串勵繞組的電阻為常數時，電磁轉矩和電樞電流之間的關系。當電機輕載時，勵磁電流很小，電機的磁路不飽和，串勵電動機的電磁轉矩為隨著負載的增加，勵磁電流逐漸增大，磁路飽和，磁通不再與勵磁電流成正比。當磁路非常飽和時，磁通可認為是常值，電磁轉矩為串勵電動機的轉矩特性如圖3.42所示。串勵直流電動機的運行特性機械特性串勵電動機的機械特性是指外加額定電壓、串勵繞組電阻為常數時，轉速和電磁轉矩之間的關系。整理轉速公式得：串勵直流電動機的運行特性圖3.43畫出了串勵電動機的機械特性曲線。串勵電動機的機械特性是軟特性。隨著電磁轉矩的增大，轉速下降很快。當電磁轉矩較小時，由于氣隙磁通的減小，轉速迅速增大。電磁轉矩為零時，理想空載轉速為無窮大。因此，串勵直流電動機不允許空載運行，也不能帶很輕的負載運行。安全起見，串勵電動機不能用皮帶傳動方式帶負載，因為如果皮帶不慎脫落，可能導致電動機轉速過高。因此串勵電動機和所驅動的機械負載必須直接耦合。圖3.43串勵直流電動機的機械特性復勵直流電動機的運行特性并勵直流電動機的機械特性很硬，串勵直流電動機的特性很軟且不能空載運行。復勵直流電動機則可折中兩者的特性，其接線圖如圖3.44所示。如果串勵繞組的磁動勢與并勵繞組的磁動勢方向相同，稱為積復勵直流電動機；方向相反時，稱為差復勵直流電動機。后者使用時，容易發生不穩定現象，通常不用。圖3.45中，曲線1是電樞反應較強的并勵直流電動機的機械特性。為了得到下降的機械特性，加上一個串勵繞組（穩定繞組），以補償電樞反應的去磁作用，其機械特性如圖中曲線2所示。曲線3是以串勵為主、并勵為輔時的機械特性，曲線4是純串勵時的機械特性。復勵直流電動機的運行特性圖3.44復勵直流電動機圖3.45不同復勵直流電動機的機械特性直流電動機穩定運行條件電動機工作過程中能否穩定運行與其機械特性和負載特性密切相關。電動機的機械特性用曲線表示，負載的機械特性用曲線表示，二者的交點就是運行工作點，如圖3.46所示。圖3.46(a)、(b)畫出了直流電動機帶負載運行的兩種情況。

(a)不穩定運行(b)穩定運行圖3.46電動機運行穩定的條件直流電動機穩定運行條件對于圖3.46(a)所示的情況，設初始工作點為，由于某種擾動，電動機轉速有一增量，轉速由變化到，由于負載轉矩小于電磁轉矩，即使擾動消失，電機也將繼續加速，不能恢復到初始工作點；反之，由于某種原因，電動機轉速降低，轉速由變化到，負載轉矩大于電磁轉矩，電機繼續減速，也不能恢復到初始工作點。因此圖3.46(a)所示為不穩定運行的情況。不穩定運行的條件是直流電動機穩定運行條件對于圖3.46(b)所示的情況，設初始工作點為，由于某種擾動，電動機轉速有一增量，轉速由變化到，此時負載轉矩大于電磁轉矩，擾動消失后，電機將減速，恢復到初始工作點；反之，由于某種原因，電動機轉速降低，轉速由變化到，負載轉矩小于電磁轉矩，電機加速，也能恢復到穩定工作點。因此圖3.46(b)所示為穩定運行的情況。穩定運行的條件是若負載為恒轉矩負載，則負載轉矩不隨轉速變化，上式變為即電動機穩定運行的條件是其機械特性必須是下降的。3.7直流電動機的起動和調速一、直流電動機的起動電動機由靜止的狀態，接通電源，加速至穩定的工作轉速，稱為起動。直流電動機起動時，必須滿足以下兩個要求：（1）有足夠的起動轉矩；（2）應把起動電流限定在安全范圍內。常用的起動方法有三種：直接起動、電樞串電阻起動和降壓起動，下面分別進行介紹。

1直接起動所謂直接起動，就是直接在電動機上施加額定電壓進行起動。這種方法無限流措施，起動電流很大，可達額定電流的幾十倍，對電機的換向、溫升以及機械可靠性都很不利，所以只有容量很小的直流電動機才可以直接起動。如果是并勵電動機，由于勵磁回路電感較大，在直接起動時，必須先把勵磁繞組接入電源，然后再給電樞回路通電。2電樞回路串電阻起動如圖3.47所示，在他勵電動機的電樞回路里串入起動電阻，可以限制起動電流的大小。一般直流電動機的起動電流限制在2~2.5倍額定電流范圍內。當電動機串電阻起動時，隨著轉速的上升，電樞電流減小，轉子加速趨緩，勢必延長起動時間。如果要求起動過程短，可將所串聯的起動電阻分為幾級，起動中逐級切除。當電動機的轉速上升到某一轉速時，將圖3.47中的觸頭C1閉合，切除電阻,于是電樞電流又增大，起動加速。之后，先后閉合C2、C3觸頭，最后將電阻全部切除。圖3.47直流電動機電樞回路串電阻起動3降壓起動當電動機容量較大而又起動比較頻繁時，電樞回路串電阻起動就很不經濟。這時可以采用降低電源電壓的辦法起動。用專用發電機或可控整流器控制電機的端電壓，開始時端電壓很低，隨著轉速的升高，逐漸增大電樞端電壓，使電樞電流控制在一定范圍內。

對于并勵電動機，如采用降壓起動，勵磁繞組的電壓不能降低，否則起動轉矩減小，對起動不利。

降壓起動的優點是：起動電流小，起動過程平滑，能量消耗少。缺點是調壓設備投資大。二、直流電動機的調速直流電動機具有良好的調速性能，能夠很好地滿足調速范圍寬廣、轉速連續可調、經濟性好等要求。由直流電動機的轉速表達式(3-18)可以看出，直流電動機的調速方法有三種：（1）調節每極磁通；（2）調節電樞端電壓；（2）電樞回路串電阻。圖3.48中，曲線1是他勵直流電動機的固有機械特性。在此基礎上，分別改變上式中的電樞回路電阻、氣隙磁通以及端電壓的大小，觀察電動機的機械特性如何

變化。為了簡便起見，忽略了電樞反應的影響。1電樞回路串電阻調速在外加電壓和每極磁通不變的條件下，在電樞回路中串入電阻，理想空載轉速不受影響，仍為，而機械特性的斜率增大。而當時，對應的機械特性曲線分別如圖3.48中的曲線4、3、2、1所示。如果電動機帶恒轉矩負載，其機械特性如圖3.48中的AB線所示。如果希望工作轉速由高速的a點變為低速的b點，只要在電樞回路里串入電阻即可。這種調速方法只能使轉速往下調。如果所串電阻能夠連續變化，電動機轉速能平滑調節。至于調速范圍，從圖3.48可以看出，當負載轉矩較

小時，例如CD線，調速范圍很小。可見，在串聯同樣電阻的情況下，電動機的調速范圍隨負載轉矩的大小而變化。電樞回路串聯電阻調速方法最主要的缺點是調速時電機的效率低。對于AB線所示的負載特性，調速前后電樞電流不變，電磁轉矩不變，從電源輸入的電功率也不變。由于轉速降低，電磁功率成正比降低，因此效率降低了，能量大多消耗在所串聯的電阻上。而且，要求電阻箱能長時間運行，其體積是巨大的，也不可能做到連續調節。在大容量直流電動機中，一般不用這個方法。2減小氣隙磁通調速當電樞端電壓和電樞回路電阻都保持不變時，改變氣隙磁通也能調節他勵直流電動機的轉速。由于在額定勵磁電流時磁路已經較飽和，再增大氣隙磁通就比較困難，所以通常是減小氣隙磁通。從式（3-59）可以看出，氣隙磁通減小，將導致理想空載轉速和機械特性斜率的增大，機械特性變軟。圖3.49給出了減小氣隙磁通時的機械特性。圖中曲線1是固有機械特性，曲線2、3、4對應的磁通逐次減小。這種調速方法是通過在勵磁回路中串電阻實現的，控制功率小，設備簡單，比電樞回路串電阻調速要方便得多。調速時，磁通減小，為保證轉矩恒定，增大，減小得少，輸入功率增大，但電磁功率及輸出機械功率因轉速增高也增大了，所以效率并不降低，這是它的優點。受換向及機械強度的限制，調速比不能太大，約為1：2。3改變電樞端電壓調速當勵磁電流和電樞回路總電阻都保持不變、僅改變電樞端電壓時，機械特性曲線是一組與固有機械特性平行的直線，如圖3.50所示。

圖3.50他勵直流電動機改變電樞端電壓調速改變電樞端電壓調速時，輸入功率為與電壓成正比。電磁功率與轉速成正比，而電樞感應電動勢差不多等于端電壓，并且正比于，所以調速時效率基本不變。目前改變電樞端電壓的方法主要有兩種：一種是可控整流器供電，一種是直流斬波器供電。圖3.51(a)為采用可控整流器調壓的直流電動機調速系統。如果要求電動機能正反轉，可采用如圖3.51(b)所示的反并聯整流電路。圖3.52(a)為采用直流斬波器調壓調速的直流電動機調速系統，它利用電力半導體元件的開關作用控制電動機兩端的通電時間，從而控制電動機的輸入電壓。圖3.52(b)表示電動機端電壓隨時間的變化情況，端電壓的平均

可表示為(3-19)

式中，是斬波器開通時間，是斬波器的通電周期，是斬波器的占空比。圖3.51可控整流器調壓調速圖3.52直流斬波器降壓調速3.8直流電機的換向

直流電機的電樞旋轉時，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進入另一條支路，元件內電流的方向發生了改變，元件電流改變方向的過程，稱為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機中，任何瞬間都有元件在換向。換向是直流電機的共同問題，也是制約直流電機進一步發展的最主要問題。直流電機換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過一定程度，將燒壞電刷和換向器。火花嚴重時，還可能與電位差火花匯合在一起，形成環火，燒毀電機。此外，火花還會產生電磁波，產生無線電干擾。換向過程非常復雜，涉及到機械、電磁和電化學等多方面的因素，目前對換向的理論分析，都是建立在一定簡化基礎上的，尚不能完全解決實際問題。下面僅介紹影響換向的電磁因素和改善換向的方法。一、換向過程圖3.53表示一單疊繞組元件的換向過程。假設換向元件編號為1，電刷寬度b等于換向片寬度，片間絕緣厚度忽略不計，電樞繞組以線速度向左移動。圖(a)中，元件1屬于電刷右邊的支路，其中的電流為，電刷僅與換向片1接觸；運動到圖(b)所示位置時，電刷同時與換向片1和2接觸，元件1被短路，其中的電流發生變化，從開始衰減，直至電刷與換向片2完全接觸；在圖(c)所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過的電流是,所以從圖(a)到圖(c)，元件1經歷了換向過程，稱為換向元件。元件1、換向片1、換向片2、電刷所構成的回路，稱為換向回路。換向回路內的電流，也就是換向元件內的電流稱為換向電流。換向過程經歷的時間稱為換向周期，用表示。換向周期很短，一般約幾個毫秒。圖3.53單疊繞組元件中電流的換向過程（a）換向開始；（b）正在換向；（c）換向結束

圖3.54所示為理想換向過程中換向元件中電流隨時間變化的波形，其中Tc是元件從一種極性電刷轉到另一種極性電刷下所經歷的時間，一般為幾十毫秒。這里認為換向電流線性變化，是理想的換向過程。在實際換向過程中，換向回路中存在多種感應電動勢，對換向電流產生很大影響，導致實際換向過程與理想換向過程差別很大。圖3.54理想換向過程中換向元件中的電流二、換向元件中的感應電動勢在換向過程中，換向元件內將產生兩種感應電動勢，下面分別討論。1電抗電動勢換向元件本身有自感，還有與其它元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內產生自感電動勢和互感電動勢，二者的合成電動勢稱為電抗電動勢。由于所有元件（包括換向元件在內）所產生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應磁通，不在換向元件內產生感應電動勢，故電抗電動勢僅由換向元件的漏磁通所感應產生；在換向周期內，電抗電動勢的平均值為。根據電磁感應定律，電抗電動勢總是阻礙電流的變化，由于換向元件內電流

不斷減小，故的方向與換向前的電流方向相同。2旋轉電動勢理想情況下，換向元件的兩個邊位于幾何中性線位置上。由于電樞反應磁場的影響，幾何中性線位置的氣隙磁密不為零，換向元件切割磁場，產生感應電動勢,稱為旋轉電動勢或運動電動勢。無論是電動機還是發電機，旋轉電動勢的方向總與換向前的電流方向一致。即與

的方向相同。

在大多數直流電機中，為改善換向，在幾何中性線位置安裝換向極，換向極產生的磁場比電樞反應磁場略強而方向相反，此時幾何中性線位置的磁場方向與無換向極時的方向相反，因而和的方向相反。換向元件中

總的電動勢應是旋轉電動勢和電抗電動勢的代數和，即

(3-20)

為理想情況。通常情況下。若較大，將導致換向不良，在電刷下產生火花。三、換向元件中電流的變化規律

直線換向當換向元件中的合成電動勢時，換向元件中的電流變化規律大體為一直線，這種換向稱為直線換向，如圖3.55(a)所示。直線換向的特點是，電刷接觸面上的電流密度分布均勻、

換向良好。延遲換向以電抗電動勢作為正值，如果，則換向元件中的電流由直線換向電流和由合成電動勢產生的附加換向電流疊加而成，如圖3.55(b)所示。的出現，使換向元件中的電流改變方向的時刻向后推延，因此這種換向稱為延遲換向。延遲換向結束時，被電刷短路的換向元件瞬時斷開，后刷邊容易出現火花，導致換向不良。超越換向若換向極磁場較強，則換向元件中與電抗電動勢反向的旋轉電動勢可能大于電抗電動勢，此時，附加換

向電流將反向，因而換向元件中電流改變方向的時刻將比直線換向時提前，如圖3.55(c)所示，這種換向稱為超越換向，輕微的超越換向有一定好處，但過度的超越換向也是不利的。圖3.55換向元件中電流的變化四、火花等級雖然直流電機在運行時電刷下往往產生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會危及電機的運行。火花嚴重時，會影響電機運行甚至損壞電機。根據國家標準，電刷下的火花可以分為五個等級，即1級、級、級、2級和3級。1級表示無火花。級電刷邊緣及小部分有微弱的火花點或者非放電性紅色小火花，換向器上沒有黑痕，電刷上沒有灼痕。級

電刷邊緣大部分或全部有輕微的火花，換向器上有黑痕，但用汽油可擦除，同時在電刷上有輕微的灼痕。2級電刷邊緣全部或大部分有強烈的火花，換向器上有黑痕，用汽油不能擦除，同時電刷上有灼痕。3級在電刷的整個邊緣上都有強烈的火花，同時有大火花飛出。換向器嚴重發黑，用汽油不能擦掉，而且電刷有燒焦和損壞。

1級、級和級火花均為持續運行中無害的火花。在2級火花作用下，換向器表面會出現炭渣和黑色痕跡，如運行時間過長，黑色痕跡也將擴展，同時電刷和換向器的磨損也顯著增加。所以2級火花只允許在短時過載時

出現。3級火花是危險的，僅允許在直接起動或反轉的瞬間出現，正常運行時是不允許的。五、改善換向的方法換向不良將使電刷下出現火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產生火花的原因比較復雜，但若能設法減少或消除附加換向電流ic，就可以改善換向。下面介紹常見的改善換向方法。移動電刷由于電樞反應的存在，幾何中性線位置的磁密不再為零，換向元件內產生旋轉電動勢，使換向惡化。可以采用移動電刷的方法，使幾何中性線位置的磁密為零，可以改善換向。對于直流發電機，應順電機旋轉方向移動

電刷；對于直流電動機，應逆電機旋轉方向移動電刷。電刷的移動是在電機生產過程中實現的，電機制成之后，電刷無法移動。該方法缺點比較明顯，當負載變動時，電樞反應發生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電機允許正反轉，則該方法也不適合。這種方法只在運行情況固定而負載變化又不大的單向旋轉的直流電機中采用。安裝換向極幾乎所有的直流電機都在兩個主極之間的幾何中性線處裝有換向極，如圖3.56所示。換向極的磁動勢除抵消電樞磁動勢以外，還在換向區內產生一個與電樞磁場相反

的換向磁場，使換向元件切割該磁場后產生的電動勢與相抵消，這樣就可以消除附加換向電流，改善換向。換向極的極性可以由換向極磁場與電樞磁場相反的原則來確定。對于圖3.56所示主極極性，電機作發電機逆時針旋轉時，電樞磁場的方向為自左至右，故換向極磁場的方向為自右至左。由此可見，在發電機中，換向極的極性應與順旋轉方向的下一個主極的極性相同；在電動機中，換向極的極性與發電機相反。由于電抗電動勢與電樞電流成正比，所以換向磁場也應與電樞電流成正比，使切割換向磁場產生的電動勢與電樞電流成正比，和在不同負載下均能抵消，所以換向極繞組應與電樞繞組串聯。

實踐證明，只要換向極設計合理，可以實現無火花換向。因此，當直流電機的容量大于1kW時，大多裝設換向極。此外，選擇牌號合適的電刷和繞組型式，也可改善換向。圖3.56裝設換向極改善換向3.9特殊直流電機一、直流測速發電機直流測速發電機是一種把機械速度信號轉換為電信號的直流發電機，其輸出電壓與轉速成正比，在自動控制系統中廣泛用作檢測元件或解算元件，如傳動控制系統中的速度檢測、模擬量的積分和微分計算等。直流測速發電機主要采用他勵和永磁兩種勵磁方式，其中永磁式直流測速發電機的優點更突出，應用更加普遍。自動控制系統對直流測速發電機的基本要求是：（1）線性度好。在工作范圍內，輸出電壓與轉速有較好的線性關系（包括正、反轉情況）；（2）靈敏度高。速度的微小變化能由輸出電壓真實地反映；紋波小。輸出電壓的波形在速度均勻變化過程中無畸變。他勵直流測速發電機的接線圖如圖3.57(a)所示。勵磁電壓恒定，負載電阻固定不變。空載時（斷開），常數，電壓和轉速的關系為（3-21）如圖3.57(b)中的實線所示。負載電阻接入后，因（3-22）則電壓－轉速關系式變為（3-23）

不計電樞反應和電阻的溫度效應，電壓轉速特性仍為直線，只是斜率變小，如圖3.57(b)中的虛線所示。對于設計良好的直流測速發電機，在大范圍內的線性電壓－轉速特性是可以實現的，其斜率（也稱為測速發電機的靈敏度）可以通過改變負載電阻進行調節。圖3.57直流測速發電機(a)接線示意圖（b）電壓－轉速特性二、直流伺服電動機直流伺服電動機是一種將輸入電信號轉換為轉軸上的角位移或角速度來執行控制任務的直流電動機，其轉速和轉向隨輸入信號的變化而變化，并具有一定的負載能力，在各類自動控制系統中廣泛用作執行元件。自動控制系統對直流伺服電動機的基本要求是：可控性好。轉速和轉向完全由控制電壓的大小和極性決定，并以線性控制特性為最佳。運行穩定。在寬調速范圍內具有下降的機械特性，最好為線性機械特性。伺服性好。能敏捷地跟隨控制信號的變化，起、停迅速。為滿足上述要求，直流伺服電動機大都采用他勵或永磁勵磁方式，并在設計中力求磁路不飽和、電樞反應影響小、起動轉矩大、轉動慣量小。直流伺服電動機的功率一般很小，約在幾瓦至幾百瓦之間，在運行中采用電樞控制或磁場控制方式，下面分別介紹。電樞控制方式采用電樞控制方式時，直流伺服電動機的接線圖如圖3.58所示。勵磁繞組由恒定電壓源（=常數）供電，用以產生恒定磁通。電樞繞組（即控制繞組）加控制電壓。圖3.58電樞控制的直流伺服電動機當時，，，轉子靜止；當時，有，，電機轉動；的極性變化，改變方向，隨之反向，電機轉向發生變化。

直流伺服電動