第一篇直流電機

直流電機(DCMachines)概述

直流電機是電機的主要類型之一。直流用機可作為發電機使用，也可作為電動機使用。

用作發電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調速性能，在許多調速性

能要求較高的場合，得到廣泛使用。

直流電機的用途:作電源用:發電機；作動力用：電動機；信號的傳遞:測速發電機，伺服電機

二.直流電機的優缺點

1.直流發電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。

2.直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。

3.直流電動機過載能力較強，起動和制動轉矩較大。

4.由于存在換向器，其制造復雜，成本較高。

第1章直流電機的工作原理和結構

1-1直流電機工作原理

、原理圖（物理模型圖）

磁極對N、S不動，線圈（繞組）abed旋轉，換向片1、2旋轉，電刷及出線A、B不動

二、直流發電機原理（機械能＞直流電能）（PrinciplesofDCGenerator）

1.原動機拖動電樞以轉速n（r/min）旋轉；

2.電機內部有磁場存在；或定子（不動部件）上的勵磁繞組通過直流電流（稱為勵磁電流

L）時產生恒定磁場（勵磁磁場，主磁場）（magneticfield,fieldpole）

3.電樞線圈的導體中將產生感應電勢e=B1v,但導體電勢為交流電，而經過換向器

與電刷的作用可以引出直流電勢以便輸出直流電能。（看原理圖1,看原理圖2）

（commutatorandbrush）

1.問題IT：直流電機電樞單個導體中感應電勢的性質？

2.問題1-2：直流電機通過電刷引出的感應電勢的性質？

3.看直流發電機原理動畫

4.問題1-3：直流發電機如何得到幅值較為恒定的直流電勢？

5.為了得到穩定的直流電勢，直流電機的電樞圓周上一般有多個線圈分布在不同的位置,

并通過多個換向片聯接成電樞繞組。以前曾使用環形繞組.

6.問題1-4：環形繞組的缺點是什么？

三.直流電動機的原理(PrinciplesofDCMotor)

1.將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導體有電流A通過。

2.電機內部有磁場存在。

3.載流的轉子(即電樞)導體將受到電磁力f的作用f=8/。(左手定則)

4.所有導體產生的電磁力作用于轉子可產生電磁轉矩，以便拖動機械負載以n(r/min)旋

轉。

5.結論：直流電機的可逆性原理：同一臺電機，結構上不作任何改變，可以作發電機運行,

也可以作電動機運行。

1.看直流電動機原理動畫

2.問題1-5：討論電刷的位置。

3.結論：為了得到最大的直流電勢，電刷的位置必須與位于幾何中線上的導體相接觸。

1-2直流電機的結構(Structure)

主磁極一-主磁極的作用是建立主磁場。

絕大多數直流甩機的主磁極不是用永久

磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建

立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在

鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠

近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它

的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極

磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為

了減少轉子轉動時由于齒槽移動引起的

鐵耗，主磁極鐵心采用1?1.5mm的低碳

鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁

極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿

固定在機座上。主磁極的個數一定是偶

數，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁

極的極性按N,S極交替出現。

機座——機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。機座中作為

磁通通路疊部分稱為磁鋼。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件(小型機座用

鑄鐵件)制成。機座的兩端裝有端蓋。___________________________________

換向極——換向極是安裝在兩相鄰主磁

極之間的一個小磁極，它的作用是改善

直流電機的換向情況，使電機運行時不

產生有害的火花。換向極結構和主磁極

類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的

換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座

匕換向極的個數一般與主磁極的極數

相等，在功率很小的直流電機中，也有

不裝換向極的。換向極繞組在使用中是

和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電

流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導

線有較大的截面。____________________

端蓋——端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電

機內部還起防護作用。

電刷裝置——電刷裝置是電樞電路的引

出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，

刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電

刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放

在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換

向器的表面，旋轉肘與換向器表面形成

滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。

每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷

組，同極性的各刷桿用連線連在一起，

再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿

座上，以便調整電刷的位置。

電樞鐵心——電樞鐵心既是主磁路的組

成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞

繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少

電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用厚

0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR53O或

DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖

所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓

裝在軸匕大型電機的電樞鐵心沖片先

壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定

在軸上。為改善通風，沖片可沿軸向分

成幾段，以構成徑向通風道。

電樞繞組——電樞繞組由一定數目的電

樞線圈按一定的規律連接組成，他是直

流電機的電路部分，也是感生電動勢，

產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部

分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導

線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽

內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都

要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。

大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞

組支架上。

換向器——在直流發電機中，換向器起整

流作用，在直流電動機中，換向器起逆

變作用，因此換向器是直流電機的關鍵

部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的

換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕

緣，兩端再用兩個V形環夾緊而構成，

如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的

引線,分別焊入相應換向片的升高片內。

小型電機常用塑料換向器，這種換向器

用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓

制成。

1-3電樞繞組

電樞繞組是直流電機的電路部分，亦是實現機電能量轉換的樞紐。電樞繞組的構成，應能

產生足夠的感應電動勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產生所需的電磁轉矩和電磁功率。

此外，還要節省有色金屬和絕緣材料，結構簡單，運行可靠。_____________________________

一.主要分類

宏觀分類為環形和鼓形；環形繞組只曾在原始電機用過，由于容易理解故講原理時也用此

類繞組；鼓形繞組比環形繞組制造容易，又節省導線，運行較可靠，經濟性好，故現在均用鼓

形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。

1-I、】■I

環形電樞繞組（展開圖）鼓形電樞繞組（展開圖）

1.鼓形繞組有許多個形狀相同的線圈組成，每個

線圈有兩個有效邊，分別位于電樞圓周相距約M

"

一個極距的兩個槽中。a

2.一個邊在上層時，另一個邊一般在下層。

(b)

1.每個換向片接兩個不同的線圈端頭。

2.將所有的電樞線圈按照一定的規律聯接起來，就構成電樞繞組。

3.在實際電機中，電樞繞組有多種形式。

4.每個換向片接兩個不同的線圈端頭。

5.將所有的電樞線圈按照一定的規律聯接起來，就構成電樞繞組。

6.在實際電機中，電樞繞組有多種形式。

疊繞組示意圖波繞組示意圖

二、單疊繞組的聯接方法

1.強調概念：極數2p,極對數p,極距，繞組元件，元件邊，上層邊，下層邊，第1節距,

第2節距，合成節距等。

2.單疊繞組的展開圖舉例

一臺4極16槽直流電機，已知換向片數K=16；電樞繞組的線圈數S=16；試畫出整距右

行單疊繞組展開圖。

3.【析】每槽兩個邊，每個線圈兩個邊，所以槽數z=線圈數S=16,極距r=z/2p=4槽。

因為要求整距線圈即第一節距y1=T=4（槽），又因為單疊右行，則合成節距y=l；

則第二節距y2=y「y=3（槽），也就是說一個線圈的一個有效邊若放在1號槽內，另一個

有效邊必須放在5號槽內。即一個線圈跨過4個槽的位置。元件聯接圖如圖繞組展開圖。

其等效電路圖如下圖所示：

【畫出展開圖的具體部驟】

1.畫出均勻分布的平行豎線代表電機各槽的元件邊，下層邊用虛線，上層用實線畫；

2.標出槽號：畫出第一個元件，跨廣5。展開圖中可以把一個元件畫成一匝。K注意元件

的端部要畫對稱。3

3.在第一個元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標出換向片號；換向片號與所

連的上層邊槽號要相同。

4.依次串聯16個元件。

5.再畫出各磁極N、S、N、So

6.鼓形繞組的電刷中心線在每個磁極的中心線上。K即保證電刷必須與位于幾何中線處的

導體相接觸。2

7.畫出電樞轉向和電刷連線。

三.結論

1.常用直流電機繞組型式的支路數2a：

2.單疊繞組：2a=2p,單波繞組：2a=2

3.雙疊繞組：2a=4p,雙波繞組：2a=4

1-4直流甩機的額定值

額定值--是制造廠對各種電氣設備（本

章指直流電機）在指定工作條件下運行

時所規定的一些量值。在額定狀態下運

行時，可以保證各電氣設備長期可靠地

工作。并具有優良的性能。額定值也是

制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依

據。額定值通常標在各電氣的銘牌上，

故又叫銘牌值。

直流電機的額定值(Rating)主要有：

1.額定功率P*指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以"W"為量

綱單位。若大于IkW或1MW時，則用kW或MW表示。

2.額定電壓U%指額定狀態下電樞出線端的電壓，以"V"為量綱單位。

3.額定電流葭指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以"A”為量綱單位。

4.額定轉速m,指額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/min為量綱單位。

5.額定勵磁電流Ir,指電機在額定狀態時的勵磁電流值。

注意：

1.對于直流發電機，P、是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即

P“=U*IN

2.對于直流電動機，R是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率心存在，即

Px=UxIxrix

第2章直流電機的基本理論

內容簡介

1.直流電機的磁場:勵磁方式、磁場分布、電樞反應

2.感應電勢：電勢公式、電勢方程式

3.電磁轉矩：轉矩公式、轉矩平衡方程式

4.功率與損耗:損耗分析、功率平衡方程式

2-1直流電機的勵磁方式

一、定義

直流電機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。

二、分類

除了永磁直流電機外，直流電機的勵磁方式有他勵式和自勵(串勵、并勵和復勵)式。

2-2空載時直流電機的磁場

-、直流電機的磁通路徑

磁路從主磁極1出發經氣隙1—電樞齒1—電樞朝一電樞齒2一氣隙2—主磁極2—定子腕

一主磁極1。

二、空載磁通密度波形

?空載時電樞電流為0,氣隙磁場是由勵磁電流單獨決定。

?磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強且均勻。

?極而外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。

?空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數B0(x)表示；分析可知它是平頂波。

2-3負載時直流電機的磁場一一電樞反應

概述

?直流電機負載后，電樞繞組有電流通過，并產生電樞磁場。

?負載時氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同作用

?電樞磁場會對主磁場產生一定的影響，這一影響稱為電樞反應。

?電樞反應會使得每極磁通發生變化，也會使氣隙磁場發生畸變，從而影響電機的性能。

、電樞磁勢的分布

1.電樞磁勢的分布與電樞電流的分布有關。

2.電樞電流的方向由電刷來界定。圖中電刷以上電流為流入紙里，電刷以下為流出紙面。

3.這樣的電流分布所產的磁力線如圖所示。(右手定則)

4.可見，電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線重合。或者說電刷位置決定了電

樞磁勢的軸線。

5.當電刷與處于幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線在交軸方向。并把這一磁

勢稱為交軸電樞反應磁勢。

6.設直軸線與電樞外圓的交點為0點，在起0點為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍

的電流數即為總磁勢匕。

7.電樞表面單位長度上的安培導體數稱為電機的線負荷A,A=Ni?/(nD?)o

8.x處閉路上的總磁勢Fa(x)=A*2x,忽略鐵心磁阻，則每個氣隙消耗的磁勢為

Fa(x)=Ax(-t/2<x<t/2)

9.上式為一個極距的甩樞磁勢分布，將一對極的電樞磁勢波形畫出，(忽略齒槽影響)將

得到三角波。

二、電樞磁勢單獨產生的磁感應強度的分布：

B?(x)=uoF?(x)/8

?該磁密由磁勢和氣隙共同決定。

?極面下氣隙基本不變，磁密正比于磁勢；

?兩極之間的區域內，氣隙變大，磁密迅速減小。一個周期的磁密波形呈馬鞍形。

一二、電樞磁場與勵磁磁場(主磁場)的合成及電樞反應

?主磁場為平頂波，□電樞磁場為馬鞍形波。□

?在一個極距內相加時，一半極距內磁密加強，另一半極距內磁密減弱。

?如果電機的磁場不飽和，則半個極距內增加的磁通量與另半個極距內減少的磁通量相

等。即每極總磁通中與空載時一樣。

?實際上由于飽和，使得每極磁通總體上有所減少。

?由圖可知，原來的磁場發生了畸變，0點發生了位移。

?交（軸）電樞反應：氣隙磁場發生畸變（對發電機而言

?前極端去磁、后極端增磁；而對電動機而言則為前極端增磁、后極端去磁）：每極磁通

減少。此反應會對電機性能產生不良影響。

四、直軸電樞反應

?電樞磁勢的軸線總是與和電刷接觸的導體的連線相一致。

?當電刷與幾何中性線上的導體相接觸時，電樞磁勢的軸線也處于幾何中性線上，即與主

極軸線正交，稱其為交軸電樞磁勢。

?以上討論的實際上是交軸電樞反應。

?如果將電刷位置逆時針移動P角，則電

樞磁勢可分為兩部分。

?2B范圍內的磁勢為直軸電樞磁勢已。

?（n-2B）角度內的磁勢為交軸電樞磁勢

Faqo

直軸電樞磁勢的作用為：

1.對發電機來說，電刷順轉向偏移時為去磁，逆轉向偏移時為增磁；

2.對電動機來說，電刷順轉向偏移時為增磁，逆轉向偏移時為去磁。

2-4電樞繞組中的感應電勢

?當電樞以一定的轉速n向一個方向轉動時，電樞繞組的導體便會切割磁力線，產生感應

電勢。

?由電刷引出的感應電勢￡也就是每條支路的感應電勢，即一條支路中所有串聯導體的

感應電勢之和。

?本節將推導感應電勢的計算公式。

?公式推導

C.為電勢的結構常數，由繞組結構決定。可見感應電勢正比于每極磁通量和轉子轉速。

這一感應電勢公式把電量E0、機械量n、磁場量少聯系起來了。

2-5直流電機的電勢平衡方程式

o直流電機的電路包括電樞支路和勵磁支路。

o在分析直流電機時，最好先根據勵磁方式畫出電機的電路連線。

0發電機按照發電機慣例標注電勢，電流和電壓。電動機則按照電動機慣例標注。

一、直流發電機的電勢平衡方程

?以他勵發電機為例。

?注意圖中電樞和勵磁的圖符。

□

?作為發電機運行時，電勢E,和電樞電流L同方向。

?除了電阻壓降LR,外，還要考慮電刷壓降

?電勢平衡方程為E?=U+LR.+2AUs

?如有串勵繞組，則R,中應為串勵、補償和換向極

繞組電阻。

二、直流電動機的電勢平衡方程

?以并勵電動機為例。

□?電樞接通直流電源。

?流的轉子導體在磁場中受力產生轉矩

?子一旦旋轉，就有電勢產生。

?勢與電流方向相反。故電動機的感應電勢又叫反

電勢。U=E“+IR+2Z\U,

2-6電磁轉矩(Magnetic-e1ectricTorque)

?在直流電機中，當電樞繞組通過電流時，與氣隙磁場作用會產生電磁轉矩T。

?在電動機中，電磁轉矩屬于拖動轉矩；而在發電機中則為阻力轉矩。

、公式推導

?G為轉矩常數，由電機結構決定。可見電磁轉矩正比于每極磁通量和電樞電流。

?這一電磁轉矩公式把機械量T,磁場量①和電量1“聯系起來了。

二、穩態時的轉矩平衡

?對發電機來說，轉軸上輸入的是機械轉矩「克服各種阻力轉矩（如摩擦，鐵耗，風

阻等）T。后與負載后電樞電流L產生的電磁轉矩T相平衡：T,=T+T?

?對于電動機來說，從電樞端輸入電流并產生電磁轉矩T,T克服各種阻力轉矩T。后與機

械負載轉矩上相平衡：T=TO+T2

2-7直流電機的損耗和功率平衡方程

-＞損耗

?機械損耗P*軸與軸承摩擦、電刷與換向器摩擦、通風損耗等。這些損耗主要與轉速有

關，轉速變化不大時，基本為常量。

?鐵心損耗Pre：電樞鐵心中磁場交變，會產生渦流損耗和磁滯損耗。鐵耗近似與磁密的

平方及轉速的L2-1.5次方成正比。

?勵磁損耗Pr：Pf=UfIf=II2R|

?P.+PF°+Pr統稱為空載損耗(不變損耗)。

?負載損耗：電樞回路電阻損耗p“=L2R“；電刷接觸壓降損耗P“=2AU,L(可變損耗)

?雜散損耗P、：齒槽引起磁場脈動引起的鐵耗，一些機械部件切割磁通產生的鐵耗等

p1=(0.5-l)%P2?

二、發電機功率平衡方程

?功率流程圖(永磁式時)

?功率平衡方程

衣=凡+以+外+。、=8+。」外+。+加+小+。,、=2+2p

?電磁功率用從機械功率轉化為電功率的那一部分功率，它是能量形態變化的基礎。

R=7Q=610Z0=PN/(2Jta)OL*(2nn/60)

=pN/(60a)On71=EL

效率n=R/A=(1-Sp；/p、

二、電動機功率平衡方程

?功率流程圖（永磁式時）

?功率平衡方程

Pi=Fit+p.,+Pk=P-+flk+pe^+pi+p,+p,+p-=R+￡p

?電磁功率以從電功率轉化為機械功率的那一部分功率。P"二艮L

?效率n=Pi/P\=（1-Sp；/fl

本章小結

?直流電機的主磁場一般由套在主極鐵心上的勵磁繞組通過電流產生。勵磁繞組與電樞回

路之間的連接方式有：他勵、并勵、串勵、復勵。不同的勵磁方式對電機的性能將產生

較大的影響。

?直流電機空載時的磁場由勵磁繞組單獨激勵，其分布取決于磁路的情況。一般情況下,

直流電機的空載磁通密度分布呈平頂波。

?當直流電機負載時，電樞繞組繞組中的電樞電流將產生電樞磁勢，電樞磁勢對主磁場的

分布和主磁通的大小將產生一定的影響，這種影響稱為電樞反應。

?交軸電樞反應將使主磁場發生畸變，當磁路飽和時會對主磁場產生去磁作用。當電刷偏

離幾何中性線時，還將產生去磁或者增磁的直軸電樞反應。

?發電機和電動機是直流電機的兩種運行狀態。在兩種狀態下，電樞繞組中均產生感應電

勢。感應電勢的公式E.,=C&n表明感應電勢的大小正比于轉速及每極磁通。在發電機中

E〉U,在電動機中U>E.。

?同樣，直流發電機和電動機中均存在電磁轉矩。其公式T=G8L表明電磁轉矩的大小正

比于電樞電流和每極磁通。在發電機中，電磁轉矩是阻力轉矩，在電動機中電磁轉矩是

拖動轉矩。

?直流電機的電勢平衡方程反映了電機電路中各種量之間的關系。功率平衡方程表明了輸

入功率、輸出功率和各種損耗之間的關系。電磁功率R=TQ=E,L顯示了機械功率和電

磁功率之間的轉換關系。

第3章直流發電機

1.本章介紹直流發電機(DCGenerater)的特性。

2.發電機的轉速由原動機決定，一般需要轉速恒定。

3.除轉速n外，發電機的外部可測量出3個電量，即端電壓U、負載電流I、

4.勵磁電流

5.當發電機正常穩態運行時，3個物理量中1個保持不變，另外2個之間的關系稱為直流

發電機的特性。

6.不同勵磁方式之發電機的運行特性有所不同，本章將分別討論之。

3-1他勵直流發電機的特性

、開路特性U=f(lf)

1.定義：當門=常數，1=0時，改變勵磁電流，電樞端電壓隨勵磁電流L變化的關系。

2.U產E“TR-2AUkE“=C.en

3.Ir=F,-/N

4.結論：經過一定比例轉換后，開路特性Uo=f(L)曲線與電機的磁化曲線(Magnetization

curve)(t>=f(Fr)形狀完全相同。

?一般電機的工作點位于開路特性

上曲線開始彎曲的膝點附近。據

此可以判斷電機的飽和程度。其

飽和系數Kc=ac/cb

二、外特性U=f(I)□

1.定義：當n=n"R尸R*時，改變負載，端電壓U隨負載電流I變化的關系。

2.n=m,U=U、，I=h時的勵磁電流稱為額定勵磁電流，對應的勵磁電阻即R,、。

3.U=E-LRB-2△Us=(C..On-2AUs)-IX

4.負載電流增加時，電阻壓降增大、電樞磁勢的去磁效應增大，使得曲線下降。

5.結論：外特性U=f(I)曲線是略微下降的曲線。

1.電壓調整率：從空載到滿載電壓

變化的程度。

2.AU=(UO-UN)/Ux(100%)

3.一般他勵直流發電機

4.AU=5'10)%。□

3-2并勵直流發電機的特性

一、建壓過程及建壓條件

?自勵：勵磁繞阻并接于電樞繞組兩

端，由發電機本身的端電壓提供勵

磁，而發電機的端電壓又必須在有

了勵磁電流后才能產生，所以并勵

發電機由初始的U=0到正常運行時

U為一定值，有一個自己建立電壓

的過程(自勵過程).□

?電機的主磁極通常總有剩磁存在。

?原動機拖動轉子旋轉，電樞繞組切割剩磁場，產生一個不大的剩磁感應電勢。

?這一電勢加到勵磁繞組將產生一個不大的勵磁電流。

?該勵磁電流產生的磁勢如果與剩磁同方向，將相互加強，會建立起穩定電壓。

?該勵磁電流產生的磁勢如果和剩磁反方向，將相互減弱，將無法建立穩定電壓。

?可見勵磁繞組的接線對建立電壓很重要。

□

1.穩定點：由動態方程可知，當

2.Uo(ir)-Rrir=0時，勵磁電流和電壓將達到穩定值。

3.建壓臨界電阻：場阻線與空載特性相切時對應的勵磁回路電阻。

4.建壓條件：a.甩機中要有剩磁；b.勵磁繞組與電樞繞組并接正確；c.勵磁回路總電

阻應小于建壓時臨界電阻。

二、開路特性U?=f(Ir)

1.并勵發電機的勵磁電流很小，只占額定電流的(小3)%o

2.這樣微小的電流在電樞繞組中引起的電壓降和電樞反應的影響很小，可以忽略不計。所

以并勵發電機的開路電壓也就是電樞中的感應電勢。Uo=E-I,R-2AU^E?

3.并勵發電機的開路特性曲線與他勵時相同，一般試驗時接成他勵方式即可。

三、外特性U=f(D

—

1.U=E?-Ra(I+I,)-2AUs

=(Ce<t>n-RaI,-2AUs)-RaI

2.有三個原因引起端電壓隨負載電

流增加而下降：

電阻Ra上的壓降；

電樞反應的去磁作用；

以上2因素引起勵磁電流的進一步

減少。從而導致端電壓再下降。一

般AU=(10^30)%。

3-3復勵直流發電機的特性

復勵發電機同時有兩種勵磁繞組

即串勵和并勵繞組。

如果串勵與并勵繞組的磁勢方向

相同，則稱為加復勵(或叫積復

勵)，反之為差復勵(或叫減復勵)。

一般來說，并勵繞組起主導作用，串勵繞組起調節性能的作用。

一、開路特性Uo=f(Ir)

開路時串勵繞組不起作用，則其開路特性同并勵發電機的開路特性。

二、外特性U=f(I)

1.負載運行時，串勵繞組產生磁勢，這個磁勢將影響主磁通的大小和電機性能。

2.對加復勵發電機來說串勵磁勢起增磁作用即升壓作用，而電阻壓降和電樞反應的去磁作

用起降壓作用，二者的相對影響力會決定發電機的外特性。

3.如果串勵繞組作用較大，即在額定電流時端電壓超過額定電壓，則為過復勵。

4.如果串勵繞組的作用不足，即在額定電流時端電壓小于額定電壓，則為欠復勵。

?如果串勵繞組的作用適當，即在額

定電流時端電壓等于額定電壓則

為平復勵。

?差復勵發電機的串勵繞組為一個

去磁磁勢，負載增大時端電壓迅速

下降。

本章小結

?主要分析了他勵、并勵、復勵式直流發電機空載特性、外特性。

?著重討論了并勵直流發電機的電壓建立條件，他勵和并勵式直流發電機的外特性曲線隨負載

電流增加而下降的原因及其區別。

?幣:點是:

1.并勵直流發甩機的建壓條件；

2.并勵式直流發電機負載時電壓隨電流增加而下降的原因。

第4章直流電動機

本章概述：

?本章介紹直流電動機(DCMotor)的啟動、調速和制動方面的知識。同時涉及到直流電動機的

機械特性。

4-1直流電動機的啟動

?、啟動過程及其要求

?電動機接到規定電源后，轉速從0上升到穩態轉速的過程稱為啟動(starting)過程。

?合閘瞬間的啟動電流很大可達(10'20)hn=0,E?=C.?n=0,L=(U-E?)/R尸

U/Ra

?這樣大的啟動電流會引起電機換向困難，并使供電線路產生很大的壓降。因此必須采取

適當的措施限制啟動電流。

?對啟動的要求：(1)最初啟動電流L要小；

(2)最初啟動轉矩L要大；

(3)啟動設備要簡單和可靠。

二、直流電動機的啟動方法

a.電樞回路串電阻啟動

1.最初啟動電流:I.,,=U/(R..+Rsl)

2.最初啟動轉矩：T“=G81”

3.為了在限定的電流1“下獲得較大的啟動轉矩T“，應該使磁通中盡可能大些，因此啟

動時串聯在勵磁回路的電阻應全部切除。

4.有了■—定的轉速n后，電勢E“不再為0,電流1“會逐步減小，轉矩，,也會逐步減小。

5.為了在啟動過程中始終保持足夠大的啟動轉矩，一般將啟動器設計為多級，隨著轉速n

的增大，串在電樞回路的啟動電阻R“逐級切除，進入穩態后全部切除。

6.啟動電阻R“一般設計為短時運行方式，不容許長時間通過較大的電流。

b、他勵電動機降壓啟動

1.對于他勵直流電動機，可以采用專門設備降低電樞回路的電壓以減小啟動電流。

2.串勵與復勵電動機啟動方法基本上與并勵電動機相同，即采用電樞回路串電阻的方法減

小啟動電流。

3.串勵電動機絕對不允許空載啟動。(詳述見后)

4.串電阻啟動設備簡單.，投資小，但啟動電阻上要消耗能量；電樞降壓啟動設備投資較大,

但啟動過程節能。

4-2他勵直流電動機工作特性

工作特性：U=U”L=L、，電樞回路不串電阻的情況下，負載P2變化時，電機的轉速n、轉

矩T、效率n分別隨輸出功率B變化的關系曲線。

一、轉速特性n=f(Pz)

U=C.On+IaR,+2△U.,

n=(U-2AU-IaR.)/(CO)

1.影響轉速n的因素有二：1)電流L增大時電樞電阻壓將LR,也增大，使轉速趨于下降;

2)電流增大時，電樞反應的去磁作用使得磁通中下降，使轉速趨于上升。

2.?般電阻壓降的影響較大，所以隨著電流的增大，電動機轉速降低。由于電阻Ra的值

很小，所以轉速下降比較平緩。電流增大，電壓恒定時意味著R增大，所以n=f(P?)是

一條較平的下降曲線(硬特性)。

二、轉矩特性T=f(Pz)

T=T2+To=Pa/(2nn/60)+To

他勵直流電動機在負載變化時，轉速變化很小，可以近似認為T后常數。

三、效率特性1=f色)

可以根據本教材2.3.2小節介紹的方法計算。

____________________________4-3他勵直流電動機機械特性

?機械特性：產1'(7)是指1；=&,L=L時，改變負載的過程中，轉速n隨電磁轉矩T變化的函

數關系

一、機械特性方程式n=f(T)

?用電樞回路總電阻考慮電刷接觸壓降。n=[U-(R..+R?)I[.]/(C..O)

L=T/(G①)

n=U/(C.)-(R?+R?)/(CXTO2)XT=n<?-kT

?其中，n°=U/(C&)為理想空載轉速，而k=(R+R,)/(CC①D為機械特性的斜率。

二、固有機械特性n=f(T)

?改變三個量U、①、R,中任意一個，可以改變機械特性曲線形狀。

?U=U”中=市、，R0=0時的機械特性稱為固有機械特性。其方程為n=U/(C.①。-

2

RJ/(CeCTOx)

□

?由于R.很小，轉矩T增大時，n下降很小，他

勵電動機的固有機械特性是一條比較平的下

降曲線。(即屬硬特性)

二、人為(人工)機械特性n=f(T)

?改變三個量U、①、R.之一而其他量不變時可以得到人為機械特性。

n圖1圖2

2)改變電樞電壓的人為機械特性，圖2

1)電樞回路串電阻時的人為機械特性，圖1所示所示

2

n=U/(C6)-(R.+Rp)T/(G.Cr<1>N)n=U/(C6)-R.T/(CC)

對應于不同的R。可以得到一簇斜率不同的曲線斜率不變，理想空載轉速3不同的一簇

平行線。(U<U?)

(3)減少電動機氣隙磁通的人為機械特性

n=U/(C*?)-R?T/(QCr①2)

?①減少時，和k同時增大。匚

4-4串勵直流電動機的機械特性

n=U/(C①J-RJ/(CC仇。

?串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，所以R“

是電樞繞組與串勵繞組電阻之和且串勵電流I=

L,故T=CT①L=GKL2,解出L并帶入上式可得：

U

?電壓不變時，n與sqrt(T)反比，當負載轉矩增大時，轉速n下降很快。(軟特性)

?上述結論是在負載較小、電流較小電機不飽和的情況下得出的。

?并勵電動機的n=f(T)是斜率很小的一次曲線。(硬特性)

?當負載轉矩很小時，T也很小，n會達到危險的高值，所以串勵電動機不允許空載啟動

和運行。

?同樣大的起動電流時，串勵電動機能產生更大的啟

動轉矩，常用于啟動較為困難的場合。

?串勵電動機轉矩增大時轉速在減少，功率增加緩

慢，故該電機過載能力較強。

4-5復勵直流電動機的機械特性□

?復勵直流電動機既有并勵繞組又有串勵繞組。

其機械特性介于并勵和串勵電動機之間.

?如果并勵繞組起主導作用，則特性接近并勵電

動機。如果串勵繞組起主導作用，則接近串勵

電動機。

?復勵電動機空載時，由于有并勵繞組接通，所

以空載轉速不會太高。□

各種直流電動機機械特性比較：

4-6負載的機械特性

電動機拖動生產機械運轉，構成一個電力拖動系統，其工作狀況不僅取決于電動機的特性,

同時也取決于作為負載的生產機械的特性。

生產機械的負載轉矩與轉速之間的關系稱為負載的機械特性。由負載性質決定。

一、恒轉矩負載

負載轉矩的大小為常量，與轉速無關。

(1)反抗性恒轉矩負載：轉矩方向總是和轉速方向相反，永遠是阻轉矩。

(2)勢能性恒轉矩負載：轉矩方向不隨轉速方向改變。如重力型負載。

二、泵類負載

轉矩的大小與轉速平方成正比。例如：泵，風機等

三、恒功率負載

負載轉矩基本上與轉速反比。例如：車床進刀。功率基本不變。

4-7電動機穩定運行的條件

?最簡單的電力拖動系統就是電動機與生產機械軸對軸直接相連。

?實際情況復雜得多，但可以簡化為簡單情況來分析。

?電動機負載運行時，一般負載轉矩故在拖動分析時忽略兀。

?同軸相連時，電動機與負載的轉速始終相等。

?當電動機的轉矩T>R時，系統加速；反之，系統減速。T=T?時，系統轉速穩定。也就

是說在電動機的機械特性與負載的機械特性的交點處轉速將不變。

?轉速不變并不意味著電動機在該點就能穩定運行。

?判斷工作點是否穩定的方法為：給該點施加干擾，使轉速變化，然后取消干擾，如果

轉速能恢復，則該點為穩定點，反之為不穩定點圖中分別給出了穩定點與不穩定點的

實例。

—

?穩定運行的條件為：（1）電動機與負載兩條機械特性有交點；（2）交點處應符

合dTz/dn>dT/dn。

4-8他勵直流電動機調速方法

1.拖動一定的負載運行，其轉速由工作點決定。如果調節某些參數，則可以改變轉速。n=

U/（C.①）-［（R?+R?）/（CeCr<J>2）］XT=n?-kT

2.直流電動機的調速方法有三種：（D改變電樞回路外串電阻R”；（2）改變勵磁回路外串

電阻R,即改變磁通中；（3）改變電樞電壓U。

3.三種調速方法實質上都是改變了電動機的機械特性曲線形狀，使之與負載機械特性曲線

的交點改變，以達到調速的目的。

一、改變電樞電壓調速（設。為常數）

降低電樞電壓時，電動機機械特

性平行下移。負載不變時，交點

也下移，速度也隨之改變。

優點：調速后，轉速穩定性不變、無級、平滑、損耗小。便于計算機控制。

缺點：需要專門設備，成本較高。（可控硅調壓調速系統）

二、改變勵磁電流調速（調節勵磁電阻）

?（設乙為常數）

?增大勵磁電阻即減少勵磁電流

時，磁通中減少，電動機機械特

性點和斜率增大。負載不變

時，交點也下移，速度也隨之改

變。

優點：勵磁回路電流小約為（廣3）%I、，損耗小，連續調速，易控制。

缺點：只能上調，最高轉速受機械強度的限制，負載轉矩大時調速范圍小。

三、電樞回路串入調節電阻調速

?調節電阻R.增大時，電動機機械

特性的斜率增大，與負載機械特

性的交點也會改變，達到調速H

的。

優點：設備簡單、操作方便。

缺點：只能在低于固有機械特性的范圍內調速，低轉速時變化率較大，電樞電流較大，調速過程

中有損耗。

四、改變電動機轉向的方法

?要改變電動機轉向，就必須改變電磁轉矩的方向。

?T=G8L

?根據電動機的工作原理，單獨改變磁通方向(即通過改變勵磁繞組連接)或者單獨改變

電樞電流的方向，均可以改變電磁轉矩的方向。

?故改變轉向的方法：

(1)對于并勵電動機，單獨將勵磁繞組引出端對調。

(2)單獨將電樞繞組引出端對調。對于復勵電動機，應將電樞引出端對調或者同時將并勵繞組和

串勵繞組引出段分別對調(維持加復勵狀態)。

4-9直流電動機的制動(Retardation)

?制動問題：在生產過程中，經常需要采取一些措施使電動機盡快停轉，或者從某高速降

到某低速運轉，或者限制位能性負載在某一轉速下穩定運轉，這就是電動機的制動問題。

?實現制動有兩種方法，機械制動和電磁制動。電磁制動是使電機在制動時使電機產生

與其旋轉方向相反的電磁轉矩,其特點是制動轉矩大,操作控制方便。

?直流電動機的電磁制動類型有能耗制動、反接制動和回饋制動。

一、能耗制動

(1)能耗制動過程B-0

電機：他勵；負載：反抗性恒轉矩負載

?閘刀合向電源時，電動機處于正向電動機運行狀態。

?制動時將閘刀合向制動電阻。轉子由于慣性繼續旋轉，感應電勢方向不變，電流方向

改變了，電磁轉矩丁=09L方向也隨之改變成為制動轉矩，使轉速迅速下降。

?由機處于發電狀態，轉子動能轉化為電能消耗在制動電阻上。所以稱為能耗制動。

n=U/(Cd)-(RB+RP)T/(C..CT/2)

?制動電阻越小，制動開始時產生的制動轉矩就越大。

?高速時能耗制動作用較大，低速時應配合機械制動裝置使系統停掉。

(2)能耗制動運行0-C

?電機：他勵；負載：勢能性恒轉矩負載

?采用能耗制動時，工作點從A-BfO,B~O是能耗制動過程，到了0點后，如不采取其他

制動措施，則系統會在負載轉矩的作用下反轉，工作點沿著能耗制動曲線到達C后才穩

定運行。在C點，電磁轉矩為負，與轉速方向相反是制動轉矩。在C點的運行方式稱為

能耗制動運行。

二、反接制動

(1)電壓反接制動

?他勵電動機拖動反抗性恒轉矩負載運行。

?通過反接閘刀把電源突然反接，同時在電樞支路串入限流電阻R。

n=-UN/(G①H)(R..+R)T/(CC6?)

?如圖所示，工作點A-BfC,在C點時，n=0?這時應將電源切掉。在BfC的過程中轉速

為正，電磁轉矩為負，起制動作用。如果在C點時，電動機的轉矩大于負載轉矩(絕對值)

而沒有切除電源，則電動機在電磁轉矩作用下將反向起動，作為反轉的電動機運行。如

圖中的D點。

?對于頻繁正反轉的電力拖動系統，常采用這種先反接制動停車，再反向起動的運行方式,

達到迅速制動并反轉的目的。對于要求準確停車的系統，采用能耗制動較為方便。

(2)電勢反接制動(倒拉反轉運行)

?他勵電動機拖動位能性恒轉矩負載運行。電樞支路突然傳入較大的電阻，則工作點

A-B-C-D,D點位于第iv象限，轉速為負，電磁轉矩為正，屬于制動運行。在C點后,

負載轉矩大于電磁轉矩，轉速反向，感應電勢也反向，所以稱為電勢反接制動。

?這種運行方式通常用在起重設備低速下放物體的場合。電動機的電磁轉矩起制動作用，

限制了重物的下放速度。

三、回饋制動

(1)正向回饋制動

?他勵直流電動機通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點經過第II

象限，如圖中的BC段，轉速為正而電磁轉矩為負，電動機運行于制動狀態。在這一過程

中，由于電源電壓下降，使得Ea>U,電流方向改變，電能從電動機回饋到電源。

?在電力機車下坡時，由于重力作用使得電動機轉速高于原來的空載轉速，Ea增大，超過

U以后，電流也會反向，進入正向回饋制動狀態。

⑵反向回饋制動

?他勵電動機拖動勢能性恒轉矩負載運行。

反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點將會穩定在第iv象限。在D點，憫

機的轉速高于理想空載轉速，Ea>U,電流流向電源，屬于反向回饋制動。

反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機轉速。

4-10直流電機的換向

?旋轉著的電樞某元件從個支路轉:奐到另外一個支路時，元件中的電流變化的過渡過程

稱為換向過程。

一、換向過程分析

電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2片換向片分別和同時接觸時的情況。

換向剛開始時，元件仍屬于右邊支路，其電流為+i“（右一左）；

處于換向過程中時，元件被電刷短摩，電流大小和方向處于變化的過程中;

換向結束時，元件進入左邊支路，M電流已經由+i,變為-i“（左一右）。

一個元件的電流換向過程所需的時間就稱為換向周期T?,即一個換向片通過電刷所用的

時間。換向元件的電流從+i.變到T,所用的時間即為??個換向周期。L=0.5-2ms

換向問題十分復雜，換向不良會在阻刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度時

可能損壞換向器表面，從而使電機不能正常工作。

?產生火花的原因除電磁原因外，還百電化學、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理

論。

二、換向元件中的電勢

1.電抗電勢已

?一般，換向周期非常短暫，電流的或化會在繞組元件中產生自感和互感電勢,兩者的合成

電勢稱為電抗電勢，用e*表示。

?根據楞次定理，電抗電勢的性質總蕓:阻礙線圈中電流的變化，亦即&的方向企圖與換向前

的電流方向相同。或者說電抗電勢:強阻礙換向的。

?電抗電勢大小反比于換向周期。

2.電樞反應電勢

?換向元件切割電樞反應磁場，從而/士生了電樞反應電勢。其方向與2相同，即其性質也

是阻礙換向的