2025/6/261直流電機原理★5.1直流電機工作原理★5.2直流電機的結構和額定值★5.3直流電機的磁場、電動勢和轉矩★5.4直流電動機的基本平衡方程式★5.5直流電機的電樞反應和換向★5.6直流電動機的工作特性★5.7直流發電機★5.8應用實例5.1直流電機工作原理2025/6/263直流電動機與交流異步電動機相比，具有較好的啟動性能、在較寬的范圍內達到平滑無級地調速，同時又比較經濟；所以廣泛地應用于軋鋼機、電力機車、大型機床拖動系統以及玩具行業中。控制性能優良。2025/6/2645.1直流電動機工作原理

圖5.1是一臺直流電機的最簡單模型。N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導體構成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。圖5-1直流電動機工作原理示意圖2025/6/265

如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，輸入機械能，電機能將機械能轉換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發電機運行。同一臺電機，既能作電動機運行，又能作發電機運行的原理，稱為電機的可逆原理。圖5-2直流發電機工作原理圖5.1.2直流發電機基本工作原理5.2直流電機的結構和額定值2025/6/2675.2.1直流電機的結構2025/6/2681.定子部分：直流電機定子部分主要由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。1）主磁極

又稱主極。在一般大中型直流電機中，主磁極是一種電磁鐵。2）換向極

容量在1kw以上的直流電機，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極。換向極又稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機的換向。3）機座

一般直流電機都用整體機座。所謂整體機座，就是一個機座同時起兩方面的作用：一方面起導磁的作用，一方面起機械支撐的作用。4）電刷裝置

電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。5.2.1直流電機的結構2025/6/2692.轉子部分：直流電機轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。1）電樞鐵心

電樞鐵心作用有二，一個是作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。2）電樞繞組

它是直流電機的主要電路部分，是通過電流和感應產生電動勢以實現機電能量轉換。3）換向器

在直流發電機中，它的作用是將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢；在直流電動機中，它將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流。5.2.1直流電機的結構2025/6/2610

按照連接規律的不同，電樞繞組主要分為單疊繞組(見圖5-4)、單波繞組(見圖5-5)5.2.2直流電機的電樞繞組圖5-4單疊繞組

圖5-5單波繞組1-首端2-末端3-元件邊4-端接部分5-換向片2025/6/26111.電樞繞組元件電樞繞組元件由絕緣漆包銅線繞制而成，每個元件有兩個嵌放在電樞槽內、能與磁場作用產生轉矩或電動勢的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分。為便于嵌線，每個元件的一個元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上層邊，畫圖時以實線表示；另一個元件邊則嵌放在另一槽的下層，稱為下層邊，畫圖時以虛線表示。每一個元件有兩個元件邊，每片換向片又總是接一個元件的上層邊和另一個元件的下層邊，所以元件數S總等于換向片數K，即S=K；而每個電樞槽分上下兩層嵌放兩個元件邊，所以元件數S又等于槽數Z，即S=K=Z。

5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/26122.節距

節距是用來表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規律的數據。直流電機電樞繞組的節距有第一節距y1、第二節距y2、合成節距y和換向器節距yk4種，如圖5-6所示。(a)單疊繞組(b)單波繞組圖5-6節距示意圖5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/26131)第一節距。同一元件的兩個元件邊在電樞圓周上所跨的距離，用槽數來表示，稱為第一節距y1。一個磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距τ，當用槽數表示時，節距的表達式為

式中--磁極對數。為使每個元件的感應電動勢最大，第一節距y1應盡量等于一個極距τ，但τ不一定是整數，而y1必須是整數，為此，一般取第一節距5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2614整數式中，ε為小于1的分數。

的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；

的元件稱為短距元件，繞組稱為短距繞組。2)第二節距。第一個元件的下層邊與直接相連的第二個元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離，用槽數表示，稱為第二節距y2，如圖5-6所示。

5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/26153)合成節距。直接相連的兩個元件的對應邊在電樞圓周上的距離，用槽數表示，稱為合成節距y，如圖5-6所示。

4)換向器節距。每個元件的首、末兩端所連接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換向片數表示，稱為換向器節距yk。由圖5-6可見，換向器節距yk與合成節距y總是相等的，即yk=y。單疊繞組的聯接方法和特點。下面通過一個實例來說明。5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2616[例題5-1]設一臺直流發電機2=4，Z=S=K=16，聯接成單疊右行繞組。計算各節距,第一節距

合成節距

和換向器節距

5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2617第二節距繪制繞組展開圖

如下圖5-7所示。所謂繞組展開圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面的聯接圖5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2618圖5-7繞組展開圖5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2619繞組元件聯接順序圖圖5-8繞組元件順序聯接圖5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2620繞組電路圖圖5-9繞組電路圖5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2621總結：對電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點：（1）位于同一個磁極下的各元件串聯起來組成了一條支路，即支路對數等于極對數，

。（2）當元件的幾何形狀對稱，電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時，正、負電刷間感應電動勢為最大，被電刷所短路的元件里感應電動勢最小。（3）電刷數等于極數。5.2.2直流電機的電樞繞組2025/6/2622勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電機可以分為以下4類。1．他勵直流電機勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯系。2．并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯。5.2.3直流電機的勵磁方式2025/6/26233.串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯4．復勵直流電機每個主磁極上套有兩套勵磁磁繞組，一個與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組。一個與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組。5.2.3直流電機的勵磁方式2025/6/2624圖5-10直流電機分類5.2.3直流電機的勵磁方式2025/6/2625

直流電機的額定值主要有下列幾項：

1)額定功率PN額定功率是指電機按照規定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指轉軸上輸出的機械功率；對發電機來說，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。2)額定電壓UN額定電壓是電機電樞繞組按照規定的工作方式外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。5.2.4直流電機的額定值2025/6/26263)額定電流IN額定電流是電機按照規定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A(安培)。

4)額定轉速nN額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機的旋轉速度，單位為rpm。

額定值一般標在電機的銘牌上，又稱為銘牌數據。還有一些額定值，例如額定轉矩TN、額定效率

等，不一定標在銘牌上，可查產品況明書或由銘牌上的數據計算得到。5.2.3直流電機的勵磁方式2025/6/2627額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關系：直流電動機

直流發電機

直流電機運行時，如果各個物理量均為額定值，就稱電機工作在額定運行狀態，亦稱為滿載運行。在額定運行狀態下，電機利用充分，運行可靠，并具有良好的性能。如果電機的電樞電流小于額定電流，稱為欠載運行(輕載)；電機的電樞電流大于額定電流，稱為過載運行。欠載運行，電機利用不充分，效率低；過載運行，易引起電機過熱損壞。5.2.3直流電機的勵磁方式5.3直流電機的磁場、電動勢和轉矩2025/6/2629

由直流電機基本工作原理可知，直流電機無論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

直流電機空載時勵磁磁勢單獨產生的氣隙磁密分布為一平頂波，負載時，電樞繞組流過電樞電流Ia，產生電樞磁勢Fa，與勵磁磁勢Ff共同建立負載時的氣隙合成磁密，必然會使原來的氣隙磁密的分布發生變化。通常把電樞磁勢對氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應。

5.3.1直流電機的磁場2025/6/2630電刷放在幾何中性線上時電樞反應的影響為：(1)使氣隙磁場發生畸變。半個極下磁場削弱，半個極下磁場加強。對發電機，是前極端(電樞進入端)的磁場削弱，后極端(電樞離開端)的磁場加強；對電動機，則與此相反。氣隙磁場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對發電機，是順旋轉方向偏離；對電動機，是逆旋轉方向偏離。(2)磁路飽和時，有去磁作用。因為磁路飽和時，半個極下增加的磁通小于另半個極下減少的磁通，使每個極下總的磁通有所減小。5.3.1直流電機的磁場2025/6/2631

電樞繞組的感應電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應電動勢，也就是電樞繞組一條并聯支路的電動勢。電樞旋轉時，電樞繞組元件邊內的導體切割電動勢，由于氣隙合成磁密在一個極下的分布不均勻，所以導體中感應電動勢的大小是變化的。為分析推導方便起見，可把磁密看成是均勻分布的，取每個極下氣隙磁密的平均值

，從而可得一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密產生的電動勢的平均值eav，其表達式為

5.3.2電樞繞組的感應電動勢2025/6/2632式中--一個極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；--電樞導體的有效長度(槽內部分)；

--電樞表面的線速度。由于5.3.2電樞繞組的感應電動勢2025/6/2633所以，一根導體感應電動勢的平均值設電樞繞組總的導體數為N，則每一條并聯支路總的串聯導體數為

，因而電樞繞組的感應電動勢5.3.2電樞繞組的感應電動勢2025/6/2634式中，--對已經制造好的電機，是一個常數，故稱為直流電機的電動勢常數。

每極磁通

的單位用Wb(韋伯)，轉速單位用r/m時，電動勢Ea的單位為V。上式表明：對已制成的電機，電樞電動勢Ea與每極磁通

和轉速n成正比。5.3.2電樞繞組的感應電動勢2025/6/2635

電樞繞組中流過電樞電流Ia時，元件的導體中流過支路電流ia，成為載流導體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力

的方向按左手定則確定，一根導體所受電磁力的大小為

如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導體所受電磁力的平均值為

5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2636一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩，其大小為式中D--電樞外徑。

不同極性磁極下的電樞導體中電流的方向也不同，所以電樞所有導體產生的電磁轉矩方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉矩等于一根導體電磁轉矩的平均值Tav乘以電樞繞組總的導體數N，即5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2637式中--對已制成的電機是一個常數，稱為直流電機的轉矩常數。

磁通的單位用Wb，電流的單位用A時，電磁轉矩T的單位為N·m(牛·米)。上式表明：對已制成的電機，電磁轉矩T與每極磁通

和電樞電流Ia成正比。

5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2638電樞電動勢

電磁轉矩

是直流電機兩個重要的公式。對于同一臺直流電機，電動勢常數Ce和轉矩常數CT之間具有確定的關系：5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2639[例題5-2]:一并勵電動機額定電壓UN=220V，額定電流IN=40A，額定勵磁電流IFN=1.2A，額定轉速nN=1000r/m，電樞電阻Ra=0.5Ω，略去電樞反應的去磁作用。額定轉速時空載特性如表格5-1：求：在負載轉矩和勵磁電阻不變，電源端電壓為180V時1）輸入總電流2）電機轉速和理想空載轉速。5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2640解：根據E0=CenN

得下列Ce=f(IF0)表格電樞額定電流1）當電源電壓由220V降低至180V，勵磁電阻不變，并勵繞組的勵磁電流5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2641對照上述表格：當IFN=1.2（A）時，CeφN=0.1986當IF=0.982（A），采用插入法求Ceφ5.3.3直流電機的電磁轉矩2025/6/2642降壓后電機負載不變，得：輸入電流I=IF+Ia=42.6+0.982=43.582(A)2）降壓后電動機的負載轉速電機的理想空載轉速

n0=1000r/m(?)

5.3.3直流電機的電磁轉矩5.4直流電動機的基本方程2025/6/2644電樞回路的電勢平衡方程式為5.4.1電壓平衡方程Ud=Ea+IaRa+2Δus

式中Ia--電樞電流；

Ra--電樞回路的電阻；

2Δus--正負電刷的接觸電壓降落。在額定負載時，一般情況下取2Δus=2V。2025/6/2645如果端電壓Ud大于感應電動勢Ea，即Ud>Ea

，電流從電網流入電樞繞組，成為電動機運行；反之，如果Ud<Ea，則電樞繞組向外輸送電流，成為發電機運行。同樣，在這兩種運行狀態下，電樞均產生電磁轉矩。在電動機中，電磁轉矩與轉向同方向，成為驅動轉矩；而在發電動機中，電磁轉矩與轉向相反，使之成為制動轉矩。5.4.1電壓平衡方程2025/6/2646

以并勵電動機為例來進一步論述電動機內部的功率平衡關系。并勵電動機的負載電流I為電樞電流Ia與勵磁電流If之和，I=Ia+If由電網輸入的電功率為P1=UdI=UdIa+UdIf=UdIa+pf

UdIa=EaIa+Ia2Ra+2ΔusIa=Pem+pa+pb

5.4.2功率平衡方程式2025/6/2647式中稱為電磁功率，是電樞電流與電樞電動勢的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產生的電功率。輸入至電樞回路中的功率除了一小部分化作電樞回路的銅損（或）和電刷接觸損耗外，大部分為電磁功率。在直流電動機情況下，電磁功率就是轉變為機械功率的功率。這一轉變而來的機械功率尚不能全部被利用，還需克服鐵心損耗、機械損耗和雜散損耗后，才是電動機軸上的輸出功率，即有5.4.2功率平衡方程式2025/6/2648電動機的功率平衡方程式為畫出直流并勵電動機的功率流程如圖5-11所示。圖5-11直流電機功率流程圖5.4.2功率平衡方程式2025/6/2649直流電動機的轉矩平衡方程式是：電磁轉矩電動機軸上的輸出轉矩5.4.3轉矩平衡方程式2025/6/2650損耗引起空載轉矩電動機軸的電磁轉矩一部分與負載轉矩相平衡，另一部分是空載損耗。5.4.3轉矩平衡方程式2025/6/2651

電樞磁動勢對主極磁場產生的影響，這種現象稱為電樞反應。

當電樞繞組中沒有電流通過時，由磁極所形成的磁場稱為主磁場，近似按正弦規律分布。當電樞繞組中有電流通過時，繞組本身產生一個磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場對主磁場的作用將使主磁場發生畸變,產生電樞反應;5.5直流電機的電樞反應和換向2025/6/26521．主極磁場主極磁場有勵磁繞組通入勵磁電流產生（1）幾何中性線nn。（2）物理中性線mm。在電樞電流為零的情況下，主極磁場的nn和mm是重合的。2．電樞磁場當電機在負載下運行時，電樞繞組中有負載電流流過，電樞電流產生的磁場稱為電樞磁場。5.5.1直流電機的磁場2025/6/2653圖5-12直流電機磁場分布直流發電機主磁場分布直流發電機電樞磁場分布直流發電機合成磁場分布5.5.1直流電機的磁場2025/6/26541．交軸電樞反應交軸電樞磁動勢對主極磁場的影響。在這里，我們為了分析問題的簡單，假定(1)磁場是不飽和的，(2)發電機電樞轉向是逆時針，電動機為順時針。可知A:交軸電樞磁場在半個極內對主極磁場起去磁作用，在另半個極內則起增磁作用，引起氣隙磁場畸變，使電樞表面磁通密度等于零的位置偏移幾何中性線，新的等于零的位置我們稱之為物理中性線。B:不計飽和，交軸電樞反應即無增磁，亦無去磁作用。考慮飽和時，起到去磁作用。5.5.2電樞反應2025/6/26552.直軸電樞反映當電刷不在幾何中性線上，出現了直軸電樞反應。A:若為發電機，電刷順著旋轉的方向移動一個夾角，對主極磁場而言，直軸起去磁反應;若電刷逆著旋轉方向移動一個夾角，則直軸電樞反應將是增磁的。5.5.2電樞反應2025/6/2656

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短路后進入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過程稱為換向過程，簡稱換向。產生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機械方面和化學方面的原因。1.機械原因產生換向火花的機械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間云母絕緣凸出、轉子平衡不良、電刷在刷握中松動、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的接觸面研磨得不好因而接觸不良等等。為使電機能正常工作，應經常進行檢查、維護和保養。5.5.3直流電機的換向2025/6/26572.化學原因電機運行時，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過時熱和電化學的綜合作用，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較高的電阻值，能有效地限制換向元件中的附加換向電流

，有利于換向。同時薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤滑作用，使電刷與換向器之間保持良好而穩定的接觸。電機運行時，由于電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經常遭到破壞。但是在正常使用環境中，新的氧化亞銅薄膜又能不斷形成，對換向不會有影響。如果周圍環境氧氣稀薄、空氣干燥或者電刷壓力過大時，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周圍環境中存在化學腐蝕性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。5.5.3直流電機的換向2025/6/26583.改善換向的方法 改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產生火花的原因是多方面的，其中最主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花的方法有：1）選擇合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻。2）裝設換向極。3）裝補償繞組。5.5.3直流電機的換向5.6直流電動機的工作特性2025/6/2660直流電動機的工作狀態和性能可用下列幾個特性來表示：1.轉速特性轉速特性是指當時，5.6直流電動機的工作特性Ua=UN，IF=IFNn=f（Ia）的關系曲線。由電動勢公式和電壓方程得轉速特性公式2025/6/2661

若忽略電樞反應，當Ia增加時，轉速n下降，形成轉速降

n，如圖5-13所示。若考慮電樞反應的去磁效應，磁通下降可能引起轉速的上升，與Ia增大引起的轉速降相抵消，使電動機的轉速變化很小。實際運行中為保證電動機穩定運行，一般使電動機的轉速隨電流Ia的增加而下降。轉速降一般為額定轉速的3~8%，呈基本恒速狀態。5.6直流電動機的工作特性圖5-13直流電動機的工作特性2025/6/26622.轉矩特性轉矩特性是指當Ud=UN，IF=IFN時，T=f（Ia）的關系曲線。由轉矩特性公式T=CTφIa可知在磁通為額定值時，電磁轉矩與電樞電流成正比。若考慮電樞反應的去磁效應，轉矩隨電樞電流的增加而略微下降，如圖5-13所示。3.效率特性效率特性是指Ua=UN，IF=IFN時，

=f（Ia）的關系曲線。電動機運行的總損耗為5.6直流電動機的工作特性2025/6/2663

電動機的損耗中僅電樞回路的銅耗與電流Ia成平方正比關系，其他部分與電樞電流無關。電動機的效率隨Ia增大而上升，當Ia大到一定值后，效率又逐漸下降，如圖5-13所示。一般直流電動機的效率在75%~94%之間。

直流電動機在使用時一定要保證勵磁回路連接可靠，絕不能斷開。若使勵磁電流IF=0，則電機主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若電動機負載為輕載，電動機的轉速迅速上升，造成“飛車”；若電動機的負載為重載，電動機的電磁轉矩將小于負載，電機轉速減小但電樞電流將飛速增大，超過電動機允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。因此在閉合電動機電樞電路前應先閉合勵磁電路，保證電動機可靠運行。5.6直流電動機的工作特性5.7直流發電機2025/6/26651.電動勢平衡方程式用基爾霍夫電壓定律，可以列出電動勢平衡方程式為5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式Ud上式表明，直流發電機的端電壓Ud等于電樞電動勢

減去電樞回路內部的電阻壓降

，所以電樞電動勢

應大于端電壓Ud。2025/6/26662.轉矩平衡方程式直流發電機以轉速n穩態運行時，作用在電機軸上的轉矩有三個：一個是原動機的拖動轉矩T1，方向與n相同；一個是電磁轉矩T，方向與n相反，為制動性質的轉矩；還有一個由電機的機械損耗及鐵損耗引起的空載轉矩T0，也是制動性質的轉矩。因此，可以寫出穩態運行時的轉矩平衡方程式為5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式2025/6/26673.功率平衡方程式將上式乘以發電機的機械角速度，得可以寫成5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式2025/6/2668式中，，為原動機輸給發電機的機械功率，即輸入功率；，發電機的電磁功率；，發電機的空載損耗功率。電磁功率5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式2025/6/2669和直流電動機一樣，直流發電機的電磁功率亦是既具有機械功率的性質，又具有電功率的性質，所以是機械能轉換為電能的那一部分功率。直流發電機的空載損耗功率也是包括機械損耗，和鐵損耗兩部分。將電動勢平衡方程式兩邊乘以電樞電流,有即5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式2025/6/2670式中，

Ua

，為發電機輸出的功率；

，為電樞回路銅損耗。上式可以寫成如下形式綜合以上功率關系，可得功率平衡方程式5.7.1直流發電機穩態運行時的基本方程式2025/6/2671一般情況下，直流發電機的總損耗直流發電機的效率5.7