第2章 直流电机-修改版20120925

2.1直流电机的工作原理；2.2直流电机的结构、额定值及主要系列；2.3直流电机的电枢绕组；2.4直流电机的磁场；2.5直流电机的感应电势和电磁转矩；2.6直流电动机的运行原理；2.7直流发电机的运行原理；2.8直流电机的换向。第2章直流电机电机与拖动2.1直流电机的工作原理2.1.1直流电动机的工作原理要解决的问题：依据：电磁力定律

B—磁密，l—导体有效长度，i—电流直流电动机是怎样转起来的？方向由左手定则判定电机与拖动结论：只要两个线圈边在不同的极下能及时改变电流方向，即可使得直流电动机得到持续的同方向的电磁转矩，从而朝着同一方向连续旋转。由换向器和电刷来完成。N-S极为一对在空间固定不动的磁极（可以是电磁铁也可以是永久磁铁）；两个磁极之间装着一个可以自由转动的铁磁材料制成的圆柱体（称为电枢），圆柱体上装有一个线圈ax。如图2-1所示。当a导体在N极下，b导体在S极下时产生的电磁转矩逆时针方向当a导体在S极下，b导体在N极下时。

产生的电磁转矩顺时针方向电枢摆动

图2-1直流电动机简化模型磁极电枢目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下目前位置：cd线圈边在N极下，ab线圈边在S下线圈中电流方向A→a→b→c→d→B电枢逆时针方向旋转线圈中电流方向A→d→c→b→a→B电枢逆时针方向旋转ab边:电流a→b

,电磁力方向逆时针

cd边:电流c→d

,电磁力方向逆时针ab边:电流b→

a

,电磁力方向逆时针

cd边:电流d

→c,电磁力方向逆时针磁极电枢换向器电刷(静止）图2-2直流电动机工作原理结论：

（1）电刷和换向器装置将电刷外部的直流电流变成了线圈内部的交流电流，从而实现了换向。

（2）对直流电动机而言，电刷和换向器起到了由外部电源直流到内部绕组交流的转换作用，即相当于一个机械式逆变器。电机与拖动2.1.1直流电动机的工作原理要解决的问题：直流发电机是怎样发出电来的？依据：电磁感应定律方向由右手定则判定B—磁密，l—导体有效长度，v—电枢旋转的线速度电机与拖动2.1.2直流发电机的工作原理目前位置：ab线圈边在S极下，cd线圈边在N下线圈电势方向：

a→b→c→d电刷电势方向：A+；B-ab边：感应电势（电流）a→b

cd边：感应电势（电流)

c→d目前位置：ab线圈边在N极下，cd线圈边在S下ab边：感应电势（电流）b→a

cd边：感应电势（电流）d→c线圈电势方向：

d→c→b→a电刷电势方向：A+；B-假设原动机拖动电枢逆时针恒速旋转原动机拖动原动机拖动图2-3直流发电机的工作原理（1）电刷和换向器装置将线圈内部的交流电势和电流变成了电刷外部的直流电势和电流，从而实现了换向；（2）对直流发电机而言，电刷和换向器起到了由内部绕组交流到外部电源直流的转换作用，即相当于一个机械式整流器。

电机与拖动2.1.2直流发电机的工作原理结论：

作为直流电动机运行时，电刷两端接直流电源，轴上接机械负载，电动机将电能转换为机械能拖动机械负载运行；作为直流发电机运行时，则要用原动机拖动电枢运转，就可从电刷两端引出直流电势对电负载供电，发电机将机械能转换为电能。

同一台直流电机即可作为电动机也可作为发电机使用，只要改变外部条件即可。2.1.3直流电机的可逆原理电机与拖动2.2直流电机的结构、额定值（1）主磁极：

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，主磁极铁心一般由1.0~1.5mm厚的钢板冲片叠压铆紧组成，铁心中的上部套有励磁绕组的部分称为极身，下面扩展的部分称为极靴。励磁绕组由绝缘铜线绕制而成，励磁绕组套在主磁极铁心上通以直流电流来建立磁场。整个主磁极用螺钉固定在机座上。见图2-5a)电机由两大部分组成:静止部分——定子旋转部分——转子（电枢）1、定子部分电机与拖动2.1.1直流电机的结构图2-5主磁极和换向极a)主磁极b)换向极（2）换向极换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。如图2-5b）所示。（3）机座

电机定子的外壳部分称为机座。机座的主体部分作为磁极间的通路，这部分称为磁轭。机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖，起到整个电机的支撑和固定作用。（4）电刷装置

电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。电刷装置由电刷、刷盒、刷杆座和铜丝辫等组成。

图2-6直流电机的电刷装置

电机与拖动2.1.1直流电机的结构（1）电枢铁心

电枢铁心是主磁通磁路的主要部分，同时用来嵌放电枢绕组。为了降低电机运行时的电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心一般用0.5mm厚的硅钢片冲片叠压而成为一圆柱体，将其安装在转轴上。电枢的外圆开有电枢槽，槽内嵌入电枢绕组。

（2）电枢绕组.

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电势，是电机进行能量转化的关键部件。电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的电路部分。2、转子（电枢部分）电机与拖动2.1.1直流电机的结构（a）电枢铁心冲片（b）电枢铁心图2-7直流电机的电枢铁心冲片和铁心（3）换向器

换向器的作用是把电枢绕组内部的交流电流转换为电刷间的直流电流。换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上。如图2-8所示。（4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需要一定的强度和刚度，一般用圆钢加工而成。电机与拖动2.1.1直流电机的结构图2-8直流电机的换向器（1）额定功率：电机按规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。

●对于电动机，额定功率是指转子轴上输出的机械功率；●对于发电机，额定功率则是指电刷输出端输出的电功率。2.2.2直流电机的额定数据（3）额定电流：

电机按规定的工作方式运行时，电枢绕组允许通过的最大电流。

（并励机和复励机指得是总电流）

（2）额定电压：电枢绕组能够安全工作的最大电压。●对于电动机是电刷输出端的输入电压；●对于发电机是电刷输出端的输出电压。电机与拖动（3）额定转速：

在额定电压、额定电流、和输出额定功率运行时，电机的转速。（4）额定效率：

在额定条件下电机的输出功率与输入功率之比。

直流电动机：

直流发电机：电动机轴上输出的额定转矩：

额定数据之间存在着如下关系：

（上式中的单位为kw）电机与拖动2.2.2直流电机的额定数据2.3直流电机的电枢绕组对电枢绕组的主要要求：

正、负电刷间所感应的电势应尽量大；绕组所用的导线和绝缘材料尽可能节省；结构简单运行可靠。

电机与拖动2.3.1电枢绕组的一般知识

1．电枢绕组的元件电枢绕组是由若干个线圈按照一定的规律组成。由绝缘导线绕制而成的线圈称为元件，一个元件有两个有效边，其匝数为NY，见图2-9a，其中一个有效边嵌放在电枢槽的上层，称为上层边；另一个有效边放在相距约一个极距的电枢槽的下层，称为下层边。电枢槽外的部分称为元件的端部，如图2-9b所示。图2-9电枢绕组的元件(c)(a)(b)●一个元件有两根引出线，称为首端和尾端，它们分别接到两个换向片上，而每个换向片又与不同元件的两根引出线相连接，所以整个电枢绕组的元件数S应等于换向片数K，即

S=K●每个元件有两个有效边，而每电枢槽分上下两层嵌放两个有效边，所以元件数S应等于电枢的槽数Z，即

S=Z●把一个上层边和一个下层边看成一个虚槽，虚槽数与实槽数的关系为

Zu=Uz=S=K●相邻两个异性极中心线之间用电枢铁心外圆的对应弧长表示的距离，称为极距，当用槽数表示时，有（2-5）若用长度表示时，有（2-6）式中，D为电枢铁心的外直径，单位为mm。电机与拖动2.3.1电枢绕组的一般知识

表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据称为节距。（1）第一节距Y1Y1是同一个元件的两个元件边的距离，一般用槽数表示，为了使每个元件的感应电动势最大，应接近或等于极距，有

式中，ε是使Y1凑成整数的一个分数。2．节距

称为整距线圈称为短距线圈称为长距线圈短距线圈和整距线圈多被采用，长距线圈因为端部长，用铜多而造成浪费，很少被采用。电机与拖动2.3.1电枢绕组的一般知识

（2-7）（4）换向器的节距：同一线圈的两个出线端所接换向片之间的距离。

（3）合成节距：直接相连的两个元件的对应边的距离。（2）第二节距：连接同一个换向片的两个元件边之间的距离。

电机与拖动2.3.1电枢绕组的一般知识

按照电枢绕组的连接规律不同，直流电机的电枢绕组主要可分为：

单叠绕组、单波绕组和混合绕组等。下面重点介绍常用的单叠绕组。2.3.2单叠绕组●同一元件的两个出线端分别接至相邻的换向片上；连接特点:

●相邻的两个元件的对应边接至相邻的换向片上。

所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，构成一个闭合回路。所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上。连接规律:上式中：+1为右行（见右图），-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很少采用。电机与拖动例2-1一台直流电机的绕组数据为：极对P=2，槽数Z=16，

，换向片数K=16，试设计单叠绕组连接图。1．单叠绕组的展开图（1）计算节距解：

为了得到最大感应电势，取整距绕组。电机与拖动2.3.2单叠绕组连接元件根据已确定的各节距，绘出绕组展开图，如图2-11所示。电机与拖动2.3.2单叠绕组图2-11单叠绕组展开图（3）画磁极和电刷电刷安装原则：●电刷的杆数与主磁极的个数相同，即为4;

被电刷短路的元件中感应电势应尽可能小，或由电刷引出的元件串联电势应最大；各并联支路电势要平衡。电机与拖动2.3.2单叠绕组电刷安装位置：

在磁极的中心线下

此时被短路的元件的两个有效边正好在两个主极之间的中性线位置(此中性线叫几何中性线)，该位置磁密几乎为零，因此两个有效边的感应电势几乎为0，该元件被电刷短路不会产生环流。电刷放在主磁极的中心线下相同极下的电刷连一起并引出两端。2.3.2单叠绕组图2-11单叠绕组展开图电机与拖动2．单叠绕组的并联支路图根据电枢绕组的展开图瞬间，可做出其电路图，如图2-13所示。电机与拖动2.3.2单叠绕组图2-13单叠绕组的并联支路图结论：（1）对于单叠绕组，电刷总是把上层边处于同一主磁极下的元件串联成一条支路，所以有几个极就有几条支路，即2a=2p。即

式中，a为支路对数，p为极对数。（2）电刷杆数等于极数。（3）电枢总电流Ia为支路电流ia的2a倍，即

电机与拖动2.3.2单叠绕组2.4直流电机的磁场2.4.1直流电机的各种励磁方式

主磁极上励磁绕组通以直流电流而产生的磁动势称为励磁磁动势。励磁方式是指励磁绕组的供电方式与电枢绕组的关系。按励磁方式的不同，励磁方式可以分为以下4种类型：

电机与拖动1、他励直流电机励磁绕组用其他的直流电源供电，与电枢绕组之间无电的联系，见图2-16a。对于小容量电机，常采用永磁铁提供主磁场。永磁式直流电机也属于他励直流电机。2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。见图2-16b，励磁绕组电压与电枢绕组电压相等，两者的电流之和等于总电流，即。3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。见图2-16c，励磁绕组电流与电枢绕组电流相等。4、复励直流电机主磁极上装有两套绕组，一组与电枢绕组并联，称为并励绕组；一组与电枢绕组串联，称为串励绕组，见图2-16d。若两组绕组产生的磁动势相同，称为积复励；若两组磁动势相反，称为差复励。

（a）他励（b）并励（c）串励（d）复励图2-16直流电机的励磁方式各种励磁方式下的接线图：电机与拖动2.4.1直流电机的各种励磁方式2.4.2直流电机的空载磁场空载：

直流电机的空载是指电枢电流为零或近似为零的运行状态。这时的气隙磁场只是由主磁极的励磁绕组产生的，亦称为空载磁场，又称为主磁场。

1、主磁通和漏磁通图2-17直流电机的空载磁场

空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。其磁通路径见图2-17电机与拖动

2.直流电机的空载磁化曲线直流电机的空载磁化曲线的定义：每极主磁通与励磁电流的关系，称为空载磁化曲线，表示式为其曲线见图2-18。电机与拖动2.4.2直流电机的空载磁场图2-18空载磁化曲线结论:

由于磁路有饱和现象，主磁通与励磁电流之间呈非线性关系。结论：

●空载时气隙磁密分布为一礼帽形的平顶波，如图2-19中特性曲线B0x所示。

●物理中性线与几何中性线重合。

电机与拖动2.4.2直流电机的空载磁场3.空载磁场气隙磁通密度分布曲线图2-19空载时气隙磁密分布2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场电枢磁势：

直流电机负载后的电枢电流所产生的磁势（或安匝数），称为电枢磁势。

负载时电枢绕组中有了电枢电流，此电流要在气隙中产生磁势，这时电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的。要解决的问题：负载时由电枢电流单独产生的磁密在气隙下是如何分布的？电枢反应：电枢磁势对主磁极气隙磁场的影响，称为电枢反应。

电机与拖动图2-20电枢磁场

当电刷位于几何中性线时，电枢磁势所产生的磁场（方向用右螺旋定则判定）如图2-20中虚线所示。结论：电枢磁势的轴线在几何中性线处，与主磁极励磁磁势轴线垂直，故称励磁磁势轴线为直轴，电枢磁势轴线为交轴。电机与拖动1、直流电机的电枢磁场2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场1、单个元件所产生的电枢磁势一个整距元件所产生的磁动势Fa为以两个极距为周期，幅值为的矩形波。如图2-21b所示。图2-21一个元件产生的磁势电机与拖动2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场a)b)2、多个元件所产生的电枢磁势图2-22电枢反应磁势与磁密分布

若每对极下有若干个元件均匀分布，每个元件产生的磁动势仍为矩形波，若干个元件产生的磁势为这些矩形波叠加而成的阶梯波，为了分析简单起见，可近似认为这一阶梯波为一三角波Fax。三角波磁动势的最大值在几何中性线处，主磁极中线处磁势为零。见图2-22中特性Fax

。

电枢气隙磁密Bax的分布波形呈马鞍形，见图2-22中特性Bax。电机与拖动2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场2、直流电机负载时的气隙合成磁场当不考虑磁路饱和时：

●则根据叠加原理得合成气隙磁场为：，一个极下增加的和减少的磁力线数量相同，气隙每极下总的磁通量不变。

负载时的气隙合成磁场是主磁极励磁磁势和电枢反应磁势共同作用产生的。要解决的问题：合成磁场是如何分布的？电枢反应的结果是什么？直流电机负载后的气隙磁势为：●由于气隙磁场畸变的影响，使磁密为零的物理中性线偏移几何中性线一个小角度，对于直流发电机为顺转向偏移，对于直流电动机为逆转向偏移。当考虑磁路饱和时：

●在增磁的半个磁极下，由于饱和的影响，磁阻增大，磁通不能增加很多，故磁通增加后的数量比不饱和时少；而在减磁的半个磁极下，磁通减少较多。因此，电枢反应的结果是负载后每极下总的磁通量比空载时要少。而且电枢电流越大，这个现象越严重。电机与拖动2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场电机与拖动2.4.3直流电机的电枢反应和负载磁场图2-23直流电机的电枢反应（1）气隙磁场发生畸变，半个磁极下的磁场增加，半个磁极下磁场削弱。物理中性线偏移几何中性线α角度，对于直流发电机是顺转向偏移；对于电动机是逆转向偏移。（2）当磁路饱和时，每极总磁通量减少，具有去磁作用。结论：2.5直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩2.5.1直流电机的电枢感应电动势直流电机的感应电枢指正负电刷间的感应电动势。推导思路：先求出一根导体在一个极距范围内切割磁力线所产生的平均电动势E1，再乘上一个支路内的总导体数，即可得到每条支路的感应电动势，也就是正负电刷之间的电动势Ea

。电机与拖动以发电机为例：如图2-24所示，一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密所产生的感应电动势的平均值为设电枢的外直径为Da，则电枢的外圆周长为将上式代入中，可得线速度表达式为又知每极下的总磁通量为平均磁密BAV与每极面积的乘积，即电机与拖动2.5.1直流电机的电枢感应电动势图2-24每极下气隙合成磁密分布和导体的感应电动势（2-16）（2-15）从而有（2-17）将式（2-16）及式（2-17）代入式（2-15），可得每条支路的总导体数为电枢绕组的感应电势为电机与拖动2.5.1直流电机的电枢感应电动势（2-18）（2-19）式中，称为直流电机的电势常数。结论：对于已经制造好的电机，电枢感应电势Ea与每极磁通Φ及转速n成正比。当Φ及n中任一个参量方向改变时，Ea的方向跟着改变。推导思路：先求出一根导体所产生的平均电磁转矩TAV，再乘上电枢绕组的总导体数N，即可到电机的电磁转矩Tem。电机与拖动2.5.2直流电机的电磁转矩图2-25每极下气隙合成磁密分布和电磁转矩如图2-25所示，一根导体所在处受到电磁力的大小为一根导体所受到的平均电磁力为设电枢总电流为Ia，则支路电流为，又设电枢外直径为Da，一根导体所受电磁力形成的电磁转矩的大小为以电动机为例：式中称为直流电机转矩常数。结论：对于已经制造好的电机，电磁转矩Tem与每极磁通Φ及电枢电流Ia成正比。当Φ及Ia中任一个参量的方向改变时，Tem的方向跟着改变。电机与拖动2.5.2直流电机的电磁转矩当电枢绕组总导体数为N时，则电机的电磁转矩为（2-21）电枢感应电势和电磁转矩两个公式对于直流发电机和直流电动机都适用。对于直流发电机，与同方向，与反方向，为阻转矩；

对于直流电动机，与反方向，为反电动势，与同方向，为拖动转矩。电机与拖动2.5.2直流电机的电磁转矩对于同一台电机，电势常数和转矩常数之间具有确定的关系：从而得由图2-26，用基尔霍夫电压定律得：稳态运行

1、电压平衡方程式结论：直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势总小于电枢端电压。

2.6.1直流电动机的基本方程式电机与拖动动态运行2.6直流电动机的运行原理

（a）动态（b）稳态图2-26他励直流电动机的电路和机械联接示意图2、转矩平衡方程式

根据牛顿第二定律得：稳态运行

结论：电动机稳定运行时，电磁转矩等于负载转矩与

空载转矩之和。动态运行

电机与拖动2.6.1直流电动机的基本方程式

（2-28）

（2-27）3、功率平衡方程式以并励直流电动机为例：电磁功率为:由图2-27得，输入功率为：电枢电路的铜耗为：将式（2-28）两边乘以机械角速度，得电机与拖动2.6.1直流电动机的基本方程式图2-27并励直流电动机的电路其对应功率为式中：机械轴上的输出功率；空载损耗；直流电机的铁耗，当电机运行时，电枢铁心在直流磁场中受到反复磁化，产生磁滞损耗和涡流损耗，两者之和为铁耗；机械损耗，转动部分的摩擦损耗和自扇冷式的电机的风阻损耗等；实际中还存在着杂散损耗（附加损耗）。由磁场畸变和齿槽效应等引起的。电机与拖动2.6.1直流电动机的基本方程式功率流程图如图2-28所示。其效率为图2-28并励直流电动机的功率流程图综合上述关系可得：电机与拖动2.6.1直流电动机的基本方程式2.6.1直流电动机的基本方程式（2-32）2.6.2并励直流电动机的工作特性定义：直流电动机的工作特性定义为：，，且电枢回路无外接电阻条件下，电动机的转速n，电磁转矩Tem，运行效率η分别与电枢电流Ia的关系。

定义：当并励直流电动机的、、时，转速n与电枢电流Ia的关系被称为转速特性，即1、转速特性将电动势公式代入电压平衡方程式中，整理得电机与拖动图2-29并励直流电动机的工作特性转速特性曲线如图2-29中特性1所示。

其中，为理想空载转速；为转速特性的斜率。结论：●如果忽略电枢反应的影响，转速特性是一条略向下垂的直线。●如果负载较重时，考虑电枢反应的去磁作用的影响，随着Ia的增加，磁通Φ将减少，转速特性将被抬高，甚至出现上翘的现象（如虚线所示），这将影响电动机的稳定运行。电机与拖动2.6.2并励直流电动机的工作特性2、转矩特性定义：当直流电动机的，，时，电磁转矩与电枢电流的关系被称为转矩特性,即结论：

不计饱和时，Tem成Ia正比，转矩特性为直线；

计饱和时：Ia较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线而往下弯曲。电机与拖动2.6.2并励直流电动机的工作特性

由电磁转矩的公式可作出转矩特性曲线，见图2-29中特性2。3、效率特性定义：当直流电动机的，，时，效率与电枢电流的关系被称为效率特性，即。

结论：

当电动机某负载时的可变损耗与不变损耗相等时，其效率最高。

电机与拖动2.6.2并励直流电动机的工作特性（2-35）

不变损耗：励磁损耗、铁耗、机械损耗以及附加损耗之和；可变损耗：电枢铜耗。根据式（2-35）可做出效率特性曲线，如图2-29中特性3所示。

2.6.3他励直流电动机的机械特性定义：机械特性是指电动机的电磁转矩Tem和转速n的关系，即。

他励直流电动机的电气原理图见图2-30，将基本方程式及带入电压平衡方程式中，整理得：电机与拖动1、机械特性方程式

（2-37）

—Tem=0时的转速，称作理想空载转速；

—机械特性的斜率。图2-30他励直流电动机的电气原理图（1）转速降。越小，转速变化越小，特性越平，称电动机具有较硬的机械特性；反之，称电动机具有较软的机械特性。(2)电机的理想空载转速:

(3)重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。

特点：实际空载转速:(4）对于固有特性有：电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性图2-31他励直流电动机的机械特性其特性曲线见图2-31.定义：当、、电枢回路不串外加电阻（）时的机械特性称为电动机的固有机械特性，又称为自然机械特性。其方程式为特点：（1）因为RΩ较小，所以较小β，特性较硬。（2）当，后面要讨论的人为机械特性一般没有此结论。2、固有机械特性

电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性（2-38）3、人为机械特性特性定义:

不同时满足、及时的机械特性称为人为机械特性。

（1）电枢回路串接电阻的人为特性

保持、，改变电枢回路串接的电阻的值，可得到电枢回路串接电阻的人为机械特性方程式为电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性图2-32电枢串电阻时的机械特性不变结论：电枢回路串接电阻的人为特性为一组通过的n0射线，处于固有特性的下方，且RΩ

越大特性越陡。电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性其特性曲线如图2-32所示。（2）降低电枢电压保持、电枢回路不串接电阻（），只改变电枢电压时，可得到降低电枢电压的人为机械特性方程式为不变结论：

降低电枢电压的人为特性为一组与固有特性平行下移的特性曲线，且处于固有特性的下方。图2-33降低电枢电压时的机械特性电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性其特性曲线见图2-33。（3）减弱每极磁通保持、电枢回路不串接电阻（），只改变磁通时，可得到减弱磁通的人为机械特性方程式为图2-34减弱磁通时的机械特性结论：降低磁通的人为特性为一组处于固有特性的上方，且比固有特性软的特性曲线。

电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性其特性曲线如图2-34所示。关于堵转电流和堵转转矩：堵转转矩：与磁通成正比。堵转电流：不变；当磁通改变时

当负载较大时弱磁降速,一般情况下，弱磁升速,

电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性(a)堵转电流时的转速特性(b)堵转转矩时的机械特性图2-35弱磁时的堵转电流和堵转转矩根据铭牌数据，便可以绘制他励直流电动机的固有机械特性。具体方法是：（1）求出理想空载点；（2）求出额定运行点。通过上述两点绘制直线即可获得固有机械特性。理想空载转速：估算：额定运行点处的额定转矩：同样的方法可求出控制参数改变后的人工机械特性。上式中：总损耗电机与拖动2.6.3他励直流电动机的机械特性4、机械特性的绘制2.6.4串励直流电动机的机械特性图2-39串励直流电动机的电气原理图串励机的电压平衡方程式为当负载较轻、磁路未饱和时，磁通与励磁电流成正比，即，于是有

将代入上式中，得转速特性为电机与拖动

串励直流电动机的电气原理图如图2-39所示，其特点是电枢电流Ia就是励磁电流If

，即将式（2-46）代入上式中，得（2-46）

当负载较重、磁路饱和时，Φ近似不变。此时，转速随转矩的增加线性下降，与他励机的机械特性相似。串励直流电动机机械特性曲线如图2-40所示。图2-40串励直流电动机的机械特性警示：串励直流电动机不允许轻载或空载运行!!!

特点：（1）当电枢电流不大，磁路没有饱和时，转速随着电枢电流的增加而迅速减小；当电枢电流较大时，磁路趋于饱和，磁通近似为常数，特性为一略向下垂的直线。（2）当串励机空载或轻载运行时，电动机的转速将很高，导致“飞车”现象，使电动机受到严重的损害，

电机与拖动2.6.4串励直流电动机的机械特性

根据基尔霍夫第二定律，依照图2-43（a）（b）所示的正方向，可列出直流发电机动态和稳态时的电压平衡方程式。稳态运行时：1、电压平衡方程式2.7.1直流发电机的基本方程式2.7直流发电机的运行原理动态运行时：电机与拖动（a）动态(b)稳态图2-43直流发电机的电路和机械联结示意图结论：直流电机在发电机运行状态下的电枢电动势总是大于电枢端电压。2、转矩平衡方程式

根据牛顿第二定律得：稳态运行时

动态运行时电机与拖动2.7.1直流发电机的基本方程式3、功率平衡方程式

图2-44为并励直流发电机的接线图（正方向按发电机惯例），发电机从原动机输入的机械功率为电磁功率为：

由上式可知，与直流电动机一样，电磁功率具有机械功率性质又有电功率性质，其实质是机械功率转换成电能的那部分功率。图2-44并励直流电动机的电路和机械连接示意图电机与拖动2.7.1直流发电机的基本方程式图2-45并励直流发电机的功率流程图直流发电机功率流程图如图2-45所示：综合以上式：电机与拖动2.7.1直流发电机的基本方程式直流发电机的效率为2.7.2直流发电机的工作特性

1、空载特性定义：当、时，端电压U与励磁电流If的关系被称为空载特性，即。

发电机的特性一般指发电机运行时，端电压U、负载电流I2、励磁电流If

这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量就构成一种特性。电机与拖动空载特性可以通过试验来测定，试验接线图见图2-46

。实验测得空载特性如图2-47所示。图2-46他励直流发电机试验接线图图2-47他励直流发电机空载特性2、外特性定义：当、时，端电压U与负载电流If的关系被称为外特性，即。外特性可通过负载实验测得,如图2-48所示。图2-48直流发电机的外特性1­­—积复励2—他励3—并励电机与拖动2.7.2直流发电机的工作特性

对于他励和并励直流发电机，其电压平衡方程式为分析:

对他励直流发电机I2

=Ia，影响端部电压随负载增加而下降的因素：负载电流增加，电阻压降增加；电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降。

对并励直流发电机，影响端部电压随负载增加而下降的因素：●负载电流增加，电阻压降增加；●电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降；●随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应电势的进一步下降。

并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发电机。电机与拖动2.7.2直流发电机的工作特性

电压变化率：定义：

当、时，发电机由额定负载到空载时电压变化的数值对额定电压的百分比，即

是衡量发电机运行性能的一个重要数据，一般他励直流发电机的电压变化率约为,并励直流发电机的电压变化率约为。发电机端电压随负载电流的增大而降低的程度用电压变化率来表示。电机与拖动2.7.2直流发电机的工作特性

3、调节特性定义：

当、U2为常数时，励磁电流与负载电流的关系被称为调节特性，即。直流发电机的调节特性见图2-49.

图2-49直流发电机调节特性

调整特性是一条上升的曲线。由外特性可知，当负载电流I2增加时，发电机端电压下降。如需维持U为常值，I2增加时,要相应的增加If

以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降。调节特性反映了负载变化时是如何通过调节励磁电流来保持端电压不变的。电机与拖动2.7.2直流发电机的工作特性

1、自励过程：

发电机由原动机拖动至额定转速，假定发电机磁路里有一定的剩磁，当电枢旋转时，发电机电枢端点将有一个不大的剩磁电压Er，

Er同时加在励磁绕组两端，便有一个不大的励磁电流通过，从而产生一个不大的励磁场。如励磁绕组接法正确，可使励磁磁场的方向与电机剩磁方向相同，使总磁通增加，感应电势亦增加，励磁电流随之增加，如此反复作用，空载端电压便自动建立起来。电机与拖动(b)自励建压过程图2-50并励直流发电机的自励建压过程要解决的问题：并励直流发电机不需要其他直流电源励磁，其励磁绕组是靠自身发出来的电压供电的，但当发电机工作之初，原动机拖动电枢转动，发电机还未发出电压，励磁绕组是如何获得电流并产生磁场，使得电枢绕组切割此磁场，最终发出所需要数值的端电压的？

2.7.3并励直流发电机的自励过程和自励条件

图2-50b中，曲线1为直流发电机的空载特性：；曲线2为励磁回路的伏-安特性，其表达式：；曲线3为临界磁场电阻线，其对应的临界电阻为。2、自励建压的稳定工作点自励过程中，，励磁电流

不断增加，当增加到交点A时，。励磁电流不再增加，并励发电机进入稳定运行状态，可见A点是并励发电机的稳定运行点。

电机与拖动2.7.3并励直流发电机的自励过程和自励条件3、自励条件并励直流发电机自励建压必须满足以下3个条件：(1)电机必须有剩磁;(2)励磁绕组并联到电枢绕组的极性必须正确;(3)励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻，即。

当RΩ增加时，则电阻线的斜率增加，故而稳定运行点下移，发电机的稳定电压降低，但当RΩ很大时，则电阻线很陡，与空载特性的交点很低或无交点，则不能建立电压，见图2-50b中特性3，此时励磁回路的总电阻Rcr称为临界值。电机与拖动2.7.3并励直流发电机的自励过程和自励条件

当电枢旋转时，元件从一条支路通过电刷进入另一条支支路时，该元件中的电流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。

换向问题是一切带有换向器电机的一个专门问题，它对电机的正常运行有重大影响，换向不良，将在电刷下发生有害火花，当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能继续运行。

然而换向过程十分复杂，电磁、机械和电化学等方面因素相互交织在一起，我们仅就换向的电磁现象及改善换向的方法作简单介绍。

2.8直流电机的换向电机与拖动2.8直流电机的换向电机与拖动换向过程？（假设电刷宽