电机学-直流电机

第三章直流电机重点内容：（1）直流电机的工作原理（2）电枢感应电势和电磁转矩（3）基本方程（4）直流机的运行特性以及调速、制动难点：（1）电枢绕组及电路图（2）电枢反应第三章直流电机3.1直流电机的工作原理和基本结构3.2直流电枢绕组3.3直流电机的磁场3.4电枢的感应电动势和电磁转矩3.5直流电机的基本方程3.6直流发电机的运行特性3.7直流电动机的运行特性3.8直流电动机的起动、调速和制动3.1直流电机的工作原理和基本结构直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的机器分类：直流电机直流发电机：直流电动机：机械能电能电能机械能用途：直流发电机：电源励磁机

信号传递测速发电机

用途：直流电动机：动力用-直流电动机信号传递直流伺服电动机

优点：直流发电机：波形平滑性好，电磁干扰小直流电动机：①调速范围宽，平滑性好；②起动、过载、制动转矩大；③易于控制，可靠性高；④调速时能量损耗小，经济，系统成本低。缺点：应用实例：直流发电机：直流电动机的电源、同步机的励磁、电镀、电解、电冶炼等的直流电源直流电动机：给粉系统、卷扬机、大型机床、电力机车、电车、电气机车牵引、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、轧钢机、船舶推进等成本高、结构和工艺复杂、维修困难、安全可靠性差。

发展趋势：直流发电机逐步被电力电子整流电源所取代；直流电动机逐步被交流电动机所取代；3.1.1直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理一、直流发电机的工作原理通过换向片，电刷A总与位于N极下的导体相连，极性为正。电刷B总与位于S极下的导体相连，极性为负一、直流发电机的工作原理线圈中的电动势和电流均为交流通过换向片，电刷固定接于某一磁极下的导体换向器将电枢绕组中的交流电转化为电刷两端的直流电一、直流发电机的工作原理增加导体可减小感应电动势的脉动。当有足够多的线圈和换向片时，可获得稳定直流电势。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。一、直流发电机的工作原理结论：1）电枢绕组内电势、电流为交流电；2）电刷间为直流电势。绕组中感应电势与电流方向一致；3）电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4）产生的电磁转矩与转子转向相反，为制动性质；5）原动机克服电磁制动转矩作功，将机械能转换为电能。二、直流电动机的工作原理在直流电动机中，虽然外加电源为直流，但通过换向器的作用，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。即线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。二、直流电动机的工作原理结论：1）外施电压、电流是直流，电枢绕组内电流是交流；2）电枢绕组中感应电势与电流方向相反；3）线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；4）产生的电磁转矩与转子转向相同，为驱动性质；5）电磁转矩克服负载转矩作功，将电能转换为机械能。二、直流电动机的工作原理三、直流电机的可逆原理同一台直流电机，通过改变外界条件，既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。在电机理论中称为可逆原理。如果用原动机拖动电枢旋转，可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电，此为发电机运行。如果在电刷端外加直流电压，则可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能，此为电动机运行。直流电机的基本结构主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组机座换向极主磁极电刷装置端盖主极铁心励磁绕组刷杆电刷刷握刷杆座(产生励磁磁场)(产生电动势，流过电流，产生电磁转矩)风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机的基本结构NSNS直流电机的基本结构N极和S极成对出现且沿圆周均匀交替分布；极对数：N极或S极的个数，通常用p表示；极数：主磁极的个数，等于2p。p=2即4极电机直流电机的基本结构一、主磁极作用：产生主磁场构成：⑴主极铁心：1~1.5mm厚的钢板⑵励磁绕组：用绝缘铜线构成主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）主磁极由钢板冲片叠压而成励磁绕组套在主磁极极身上直流电机的基本结构一、主磁极直流电机的基本结构二、换向极（附加极）作用：改善换向构成：铁心：整块钢或钢板绕组：和电枢绕组串联位置：两个主磁极的中心线上→几何中心线个数：一般和主极个数一样。也有是主极个数的一半。直流电机的基本结构三、机座作用：①固定主磁极、换向极和端盖等②主磁路的一部分（磁轭）构成：铸钢或厚钢板焊接四、电枢铁心作用：①主磁路②安放电枢绕组构成：硅钢片迭成

电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚)（硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽直流电机的基本结构五、电枢绕组六、换向器作用：将线圈里的交流电势变为电刷端的直流电势。或把外加的直流电流变为线圈中的交流电流。构成：铜片组成，用云母绝缘作用：感应电动势和通过电流，实现能量转换构成：按一定规律连接的绝缘铜线构成直流电机的基本结构换向器直流电机的基本结构七、电刷装置作用：保持和换向器的滑动接触，与换向器配合，将线圈中的交流电势变为电刷上的直流电势构成：电刷、刷握、刷杆、刷杆座个数：与磁极个数相同。

我们知道直流电机的磁场，既可以由永久磁场产生，也可以由励磁绕组通入直流电流产生,现在绝大多数直流电机的磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的。我们称这种磁场为直流电机的主磁场,有时也称为励磁磁场.

励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机的运行性能因励磁方式的不同而不同。按照励磁方式的不同，直流电机分他励和自励两大类.四、励磁方式他励：励磁绕组中电流与电枢绕组中的电流没有任何联系自励：励磁绕组中电流与电枢绕组中的电流有联系，励磁绕组与电枢绕组或串联或并联，或既有串联又有并联

1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源供电的直流电机电枢电流等于负载电流

Ia=I

2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压.

对发电机:Ia=I+If

对电动机:I=Ia+If图示为直流发电机3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联

I=Ia=If4、复励直流电机串励绕组与并励绕组产生的磁势方向相反为差复励.具有两个励磁绕组,一个与电枢并联.一个与电枢绕组串联.若串励绕组与并励绕组产生的磁势方向相同为积复励1、额定功率PN

（千瓦kW）2、额定电压UN

（伏V）：额定状态下电枢出线端电压3、额定电流IN

（安A）：额定电压下，输出额定功率，电机线电压4、额定转速nN(转/分r/min)5、额定励磁电压UfN

（伏V）6、额定励磁电流IfN

（安A）注、对发电机额定功率为PN=UN

IN

对电动机额定功率为PN=UN

INηN

P1=UN

IN五、直流电机的额定值每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌,上面标注一些额定数据,若电机运行时,各数据符合额定值,这样的运行情况称为额定工况,在额定下运行,可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能.根据国标，直流电机的额定数据有：

电枢绕组是直流电机的电路部分，也是直流电机的核心部分，是实现机电能量转换的枢纽，无论是电动机还是发电机，它们的电枢绕组在磁场中旋转，都会感应出电势，当电枢中有电流时，又产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。本节主要介绍单叠和单波绕组的组成及连接规律。

3-2直流电枢绕组一、

直流电机电枢绕组的一般知识分类特点：闭合绕组(1)叠绕组：单叠和复叠绕组。(2)波绕组：单波和复波绕组。(3)蛙绕组：叠绕和波绕混合的绕组。电枢绕组的演变环形电枢绕组鼓形电枢绕组eeeeeeeeeeeeee一、

直流电机电枢绕组的一般知识电枢绕组的演变环形电枢绕组只有一半的导体产生感应电动势，导体利用率低。环形绕组2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e2e一、

直流电机电枢绕组的一般知识电枢绕组的演变鼓形电枢绕组线圈的两边都在电枢铁芯表面的槽中,两边都能切割磁场而产生感应电势。鼓形绕组一、直流电机电枢绕组的一般知识NS电枢绕组展开图AB+_一、

直流电机电枢绕组的一般知识1、叠绕组和波绕组元件：构成绕组的线圈。电枢绕组的基本单元，单匝和多匝一、

直流电机电枢绕组的一般知识1、叠绕组和波绕组双层绕组1）每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。2）一个元件边放在槽的上层，另一边放在另一槽的下层，一个槽里总有上下层线圈边。3）线圈的两个元件边处于不同极性的极面下，线圈的跨距约等于一个极距，两个电势相加。一、

直流电机电枢绕组的一般知识1、叠绕组和波绕组叠绕组：一个元件的两出线端接在两相邻换向片上（单叠绕组），或相隔数片的换向片上（复叠绕组）。折叠式前进波绕组叠绕组波绕组：一个元件的两出线接在相隔约两个极距的换向片上，绕它一周后回到与起始片相邻的换向片上（单波绕组），或相隔数片的换向片上（复波绕组）。波浪式前进23.1直流电机电枢绕组的一般知识二、实槽和虚槽为改善电机的性能，希望用更多的元件组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心不能开太多的槽，故在每槽的上下层各放置若干元件边。若每一实槽中一层并排放置u排元件边，则一个实槽可以看成u个“虚槽”，每一个虚槽的上、下层各有一个元件边。实槽与虚槽

u=3一、

直流电机电枢绕组的一般知识2、实槽和虚槽每一元件有两个边；每一换向片上接两个边；每一虚槽内放置有两个边；元件数S等于换向片数K，等于虚槽数每线圈有Nc匝，则总导体数为N

一、

直流电机电枢绕组的一般知识3、节距第一节距y1：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。整数为凑整分数整距绕组短距绕组长距绕组短距绕组端部接线短、省铜，且利于换向，故常用第一节距y1换向器节距yk：每元件的两端所连接的换向片之间在换向器表面的跨距，用换向片数表示。yK

＝y一、直流电机电枢绕组的一般知识3、节距第二节距y2：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。合成节距y第二节距y2换向器节距yk合成节距y：连接同一换向片的两个元件的对应边在电枢表面的跨距。y＝y1＋y2二、

单叠绕组元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上，第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。相邻元件(线圈)相互叠压,后一元件的端部紧叠在前一元件的端部（叠）；首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度，合成节距与换向节距均为1（单），即yK

＝y＝1槽数Q、元件数S和换向片数K三者相同二、

单叠绕组单叠绕组元件

右行

左行

单叠左行绕组和单叠右行绕组二、

单叠绕组举例：2p＝4，

u=1，Q＝Q

u＝S＝K＝16，单叠右行整距绕组一、节距计算y＝yk＝＋1节距计算y,y1,y2画绕组展开图安放电刷和磁极展开图展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系二、单叠绕组1单叠绕组展开图1.槽展开2.绕组放置3.安放磁极电刷123456789101112131416152345678910111213141615槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττA+B–++－－二、

单叠绕组单叠绕组展开图二、

单叠绕组二、

单叠绕组极轴线：磁极的中心线磁极的放置：磁极宽度约为,均匀分布，N、S极交替排列几何中性线：相邻两个主磁极之间的中心线电刷的放置原则空载时，正、负电刷间的电动势最大；被电刷短路的元件的感应电动势最小或等于零。换向器的几何中性线：线圈轴线与主磁极轴线重合时，该线圈所接两换向片的分界线电刷的位置：换向器的几何中性线，简称几何中性线二、

单叠绕组同一极下导体电流方向相同（同一槽中上下层边不属于同一线圈，但电流的方向一致）；N、S极下导体电流方向相反。直流电机示意图二、

单叠绕组电路图二、

单叠绕组

单叠绕组的特点（1）元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上；（2）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。2a=2p（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无“环流”；（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷数等于主磁极数；（5）电刷位置应使感应电动势最大，正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压；Ea=ea（6）由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和，即Ia=2aia（式中ia为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。三、

单波绕组首末端所连的两换向片相隔很远，两个元件串联后形似波浪。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。合成节距与换向节距相等yK

＝y整数三、

单波绕组单波左行绕组和单波右行绕组单波绕组元件

右行

三、单波绕组举例：2p＝4，

u=1，Q＝Q

u＝S＝K＝15，左行短距单波绕组一、节距计算节距计算y,y1,y2画绕组展开图安放电刷和磁极三、

单波绕组元件、换向片的放置：1＃元件上层边1＃槽，下层边4＃槽;首末端所连的换向片相距yk＝7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1＃元件的轴线重合。1＃元件上层边所连的换向片定为1＃。依次联接。磁极放置：

N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置：放在与主磁极轴线重合的换向片上。即几何中心线上。三、单波绕组单波绕组展开图334567891110121314152145678910111213141512NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷三、

单波绕组单波绕组展开图三、

单波绕组单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1815714613512411310291用联接顺序图表示为：1815714613512411310291411310291815714613512上层边下层边三、

单波绕组三、

单波绕组电路图三、

单波绕组单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，即a＝1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数原则上等于2，为降低电刷电流密度，可用2p只电刷，即电刷数等于磁极数（采用全额电刷）；5）电枢电流等于两条支路电流之和。即Ia=2ia4）电枢电动势等于支路感应电动势；因只有两条支路，元件一定时，可得到较高的电压；单叠绕组和单波绕组的主要区别单叠绕组：各个极面下上层的绕组元件构成一支路，并联支路数等于极数，每增加一对主极就增加一对支路。2a＝2p。相同元件数时，叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，称并联绕组，适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组：全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路，即N极下上层的绕组元件串联为一支路，S极下的串联为另一支路，并连支路数恒等于2，整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。2a＝2。相同元件数时，波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，称串联绕组，适用于较高电压、较小电流的电机。大容量的电机，可以采用混合绕组。NNSS叠绕组波绕组单叠绕组和单波绕组的主要区别直流电机绕组归纳直流电机的电枢绕组总是自成闭路;电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，因为磁极数(2p)是一个偶数；且至少有2条并联支路；

单叠绕组：a=p

即并联支路对数恒等于电机极对数单波绕组：a=1 即并联支路对数恒等于1电刷放置的一般原则是空载时通过正、负电刷间的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。3.3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场为了弄清稳态运行时直流电机内部的电磁过程，必须了解空载和负载时电机内部的磁场，本节介绍直流电机的磁场。一、空载时直流电机的气隙磁场空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。1、主磁通和漏磁通磁场是电机实现机电能量转换的媒介。主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。空载时电机中的磁场分布是对称的。主磁通，经气隙进入电枢主极漏磁通(15-25%)φ0,不进入电枢，只增加磁极的饱和程度主磁通磁路：气隙1－电枢齿－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭－主磁极1－气隙12、气隙主极磁场的分布在一个磁极的范围内，励磁磁势大小相同，主磁极下气隙磁通密度的分布取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时的气隙磁通密度为平顶波，二、负载时的电枢磁动势负载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，电枢磁动势的出现使气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量的转换。电刷是电枢表面电流方向的分界线1、交轴电枢磁动势

当电刷位于几何中性线时，电枢磁动势的轴线与主极轴线正交，此时的磁动势称为交轴电枢磁动势。

以下分析交轴磁动势的大小和分布作用在x点处每个气隙磁势为:电负荷：电枢表面单位长度上的安培导体数电枢直径为D，导体中的电流为ia

在几何中性线处，即,交轴电枢磁势达到最大值2、直轴电枢磁动势若电刷从几何中性线移过β角，将电枢磁势分为两部分交轴电枢磁动势的最大值为：直轴电枢磁动势的最大值为：当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场是相对静止的。三、

直流电机的电枢反应负载时的气隙磁场负载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同决定负载时的气隙磁场主极磁场电枢磁场气隙磁场电枢反应：负载时电枢磁动势对主磁场的影响。电枢磁动势由电刷的位置决定，故电枢反应决定于电刷的位置交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主磁场的影响直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响1、电刷位于何中性线上时的电枢反应电枢磁动势全部为交轴电枢磁动势，故为交轴电枢反应物理中心线：电枢表面气隙磁密为零的直线1、电刷位于几何中性线上时的电枢反应交（横）轴电枢反应的表现：（1）扭斜气隙磁场，使气隙磁场发生畸变。发电机：前极端去磁后极端加磁；电动机：前加后去（2）物理中性线偏离几何中性线α角（空载时，两者重合）。发电机：顺转向偏离α角；电动机：逆转向偏离α角。（3）磁路不饱和时：增加的磁通量等于减少的磁通量，每极的磁通量不变。负载时电动势=空载时电动势。磁路饱和时：负载时的每极磁通量小于空载磁通量（附加去磁作用），负载时的电动势小于空载时的电动势。（4）Faq与Ff相对静止，且在空间相差90º电角度，它们相互作用，产生平均电磁转矩。1、电刷位于几何中性线上时的电枢反应2、电刷不在几何中性线上时的电枢反应既有交（横）轴电枢反应Faq又有直轴电枢反应Fad2、电刷不在几何中性线上时的电枢反应电枢反应的表现：（1）Faq起扭斜气隙磁场的作用，使气隙磁场畸变，物理中性线偏离，附加去磁作用。（2）Fad对主磁场起去磁或加磁作用发电机：顺转向移刷－去磁；逆转向移刷－加磁电动机：顺转向移刷－加磁；逆转向移刷－去磁（3）Fad与Ff同轴线，不能产生平均电磁转矩。3.4直流电机的感应电动势和电磁转距本节推导电枢的感应电动势和电磁转矩的计算公式一、电枢绕组的感应电动势感应电动势指一条支路的电势（也就是电刷间的电势）称电枢电势。每根导体的电势为：为导体所在处气隙磁密电枢导体的有效长度导体切割气隙磁场的速度设电枢总导体数为Za，支路数为2a，则每条支路串联导体数则支路电势为：导体的平均磁密：不计饱和时，当磁路饱和时，Ea与磁通和转速成正比当磁路不饱和时，Ea与励磁电流和转速成正比空载和负载时电动势的变化：1、只有交轴电枢反应时1）不计饱和时，电动势不变2）计饱和时，电动势变小2、只有直轴电枢反应时1）若为发电机，电刷顺电枢旋转方向移动β角，则直轴电枢反应是去磁的，因此负载电势比空载电势变小；

电刷逆电枢旋转方向移动β角，则直轴电枢反应是增磁的，因此负载电势比空载电势变大；2）若为发电机，电刷顺电枢旋转方向移动β角，则直轴电枢反应是增磁的，因此负载电势比空载电势变大；

电刷逆电枢旋转方向移动β角，则直轴电枢反应是去磁的，因此负载电势比空载电势变小；直轴电枢反应的性质与电机的转动方向有关，因此负载电势的变化与电机转动方向有关二、直流电机的电磁转矩当电枢内有电流时，载流导体与气隙磁场相作用产生电磁转矩首先计算一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体产生的电磁转距，最后乘2P即得整个电枢产生的电磁转矩导体的电磁转矩为：一极下导体数为Za/2P一极下导体产生的电磁转距为：作用于整个电枢上的转距为：不计饱和时，当磁路饱和时，Te与磁通和电枢电流成正比当磁路不饱和时，Te与励磁电流和电枢电流成正比电磁功率3.5直流电机的基本方程式

直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入）转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。基本方程式：1、电端口的电压平衡方程式

2、机械端口的转矩平衡方程式一、电压方程

他励直流电机对电枢回路：发电机

电动机

2、并励磁直流电机对发电机

对电动机电动机：

发电机：对电枢回路：对励磁回路：励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励磁相同3、串励直流电机

IS：串励绕组中励磁电流

二、转距方程1、直流发电机原动机以T1

的转矩拖动转子沿逆时针方向旋转，则Ea、Ia

、Te的方向如图所示，Te的方向与T1相反，为制动性质的转距，T1为拖动转距。则：2、直流电动机

电动机中电枢电流与运动电势方向相反。Te为驱动转矩，所以：轴上输出转矩拖动性质的转矩Te与制动性质的负载转矩及电机本身的机械阻力转距相平衡。三、电磁功率及功率方程1、电磁功率采用电动机惯例励磁绕组输入的功率为：这部分功率全部变为励磁绕组内的电阻损耗。

电枢绕组输入的功率为：由两部分组成：1）电枢回路铜损耗

2）电磁功率对于电动机，为电枢绕组中运动电势所吸收的电功率，为电磁转矩对机械负载所作的机械功率，由于能量守恒，两者相等。所以无论是电动机还是发电机，是能量转换过程中的转换功率，能量转换发生在电枢电路和机械系统之间，的大小与的大小（即耦合磁场的强弱）有关。Te与n同向，与T2、To反向T1与n同向，与Te、To反向2、功率方程以并励磁直流电机为例研究功率方程并励电动机：

式中：：输入功率

：电枢回路总铜耗

：励磁回路铜耗：为电动机输出的机械功率式中：由上式可直观的画出功率流程图：杂散损耗，由于电枢有齿槽的存在产生的损耗，难于精确计算，国标规定有补偿绕组的0.5%无补偿绕组的1%估算并励发电机为发电机输出的电功率3.6直流发电机的运行特性

直流发电机在拖动系统中大都作为电源使用，目前直流发电机有被大功率可控硅整流电源取代的趋势，但有些系统中还要使用。

发电机的特性一般指发电机运行时，端电压U、负载电流I、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。因此有（1）空载特性：发电机的稳态特性在很大程度上受到饱和影响（2）外特性：表示输出电压质量;

（3）调整特性：表示励磁调节作用；（4）效率特性：力能指标（效率特性）；

发电机的运行特性与励磁方式有关，下面按他励、并励、复励三种不同励磁方式分别进行研究一、他励发电机的运行特性1、空载特性空载时，U0=Ea0=CeΦn∞用实验方法测取空载特性时，接线如下图发电机由原动机拖动，保持转速不变

调节励磁电流，使发电机空载端电压达到（1.1~1.3)UN

然后使励磁电流逐渐降至零，测取U0

和If即得。与磁化曲线相同整个磁滞回线的平均曲线即虚线为电机的空载特性曲线空载特性常用来确定磁路和运行点的饱和程度（非线性程度）

直流电机励磁后再将励磁切断时,磁路中就会有剩磁,即使If=0,电枢中仍会出现由剩磁磁通所感应的的剩磁电压U0r,U0r=(2~4)%UN2、外特性由电压方程他励发电机，I=IaΦ

=常值n=常值电刷在几何中性上不计饱和随负载电流I的增加,电枢回路的电阻压降逐渐增加,发电机的端电压将稍微下降,外特性为比水平线略微下降的直线.由电压方程

如计及饱和作用,随负载电流的的增大,气隙磁通将略有减少,使电枢电动势Ea随之减少,再计及电枢的电阻压降的增加,外特性变为曲线,且下降程度略有增加.

如果考虑到电刷不在几何中性线上,则外特性更会有不同的曲线.(1)电刷顺转动方向偏移一定角度,则直轴电枢反应是去磁的-----外特性曲线下降程度更大;(2)电刷逆转动方向偏移一定角度,则直轴电枢反应是增磁的-----外特性曲线下降程度很小,甚至上翘;使用实验方法测取外特性时，发电机电枢加入负载电阻RL，当时，调RL

和然后保持不变，变

RL

使I逐渐减小测取U，I，即得U下降的原因1）去磁作用

2）

发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整率来衡量.在n=nN,If=IfN时,发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值与额定电压的比值，称为额定电压调整率。

他励发电机的额定电压调整率大致在5%~10%左右,即负载变化时,发电机的端电压变化不大,所以他励发电机基本上可以看成一个恒压的直流电源.他励发电机在额定励磁下短路时，短路电流由于

很小，所以很大，可达（20~30）IN

，故不允许在额定励磁下短路。3、调整特性曲线是一条上升的曲线。由外特性可知，当负载电流I增加时，发电机端电压下降。如需维持U为常值，I增加时，要相应的增加以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降，通过调节特性实验可求出空载时和额定负载时所需的励磁电流和

4、效率特性：总损耗

式中：为电枢绕组铜损耗；

：一对电刷的接触电压降

对石墨

对金属石墨将以上损耗分别分为两大类

1、不变损耗，不随P2的变化而变化2、可变损耗，随P2变化而变化

解出最大效率即当不变损耗=可变损耗时发生最大效率一般在3/4PN左右发生最大效率小型直流发电机中大型直流发电机二、并励发电机的自励和运行特性1、并励发电机的自励并励和复励都是一种自励发电机，即不需要外部电源供励磁电流，这种自励发电机首先是在空载时建立电压即所谓“自励”，然后再加负载下面以并励为例研究其自励过程。（1）自励过程和条件自励过程：并励发电机建立电压的过程。自励条件：满足建压的条件。过程分析：剩磁：励磁磁场与剩磁方向一致。Φr

→Er→If→Φ

与Φr方向一致→Φ

↑→Ea↑→If↑→Φ↑↑

U和If同时满足空载特性曲线U0＝f（If）和场阻线U＝RfIf

。临界电阻：tgα＝U0/If=Rf3---空载特性曲线2---励磁电阻线1---临界电阻线（2）自励条件2、并励发电机的运行特性与他励相同，也有外特性，调整特性和效率特性。调整特性和效率特性与他励十分相近，仅说明其外特性。

1）电机必须有剩磁。可通过“充磁”获得

2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致

3）励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻。改变并励发电机的极性，励磁绕组连接及转向要同时改变；若转向不能变，改变剩磁方向，即反向充磁。若励磁绕组本身的电阻已超过所对应的临界电阻值，电机不可能自励，唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。外特性：与他励外特性比较，并励的外特性有三个特点：1）同一负载电流下，端电压较低。2）外特性有“拐弯”现象。3）稳定短路电流小1）去磁作用

2）所以并励外特性比他励低。电压调整率一般在20%左右端电压低外特性“拐弯”现象的出现是因为

↓Ea↓↓U↓↓端电压U的下降比负载电阻RL下降的快,负载电阻减小后，一方面使负载电流增加，端电压下降；另一方面，端电压下降后，使励磁电流减小，电势下降，使负载电流下降。当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响不大；（负载电流随电阻下降而增大）当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流的微小变化引起感应电势的较大变化，使端电压下降的幅度大于负载电阻减小的幅度，（负载电流下降）当稳态短路时（），U=0，，此时电枢绕组中的电流由剩磁电动势产生，，因不大，所以不大。稳定短路电流小三、复励发电机的运行特性

复励发电机有并励绕组和串励绕组两个励磁绕组，

串励绕组中的励磁电流就是负载电流,因此随负载电流的增加,串励绕组中的励磁电流增加,可以有效补偿并励绕组电机的去磁作用。所以复励发电机的外特性较平直并励绕组的作用同前

理论上,串励绕组产生的磁场方向可以同并励绕组电流产生的磁场方向相反------差复励.若串励绕组磁动势与并励绕组磁动势方向相同------积复励积复励发电机应用很广，因可灵活的调整并励和串励磁场，从而设计出所需要的外特性。一般希望随负载变化发电机端电压稳定。这一点只有复励发电机能达到。

对串励，因励磁磁势直接随负载变化，端电压极不稳定，故不采用过复励：补偿有余平复励：恰好补偿欠复励：补偿不足3.7直流电动机的运行特性

直流电动机是直流发电机的一种逆运行状态，将电能变为机械能，由于表征机械能的参数为转矩和转速。所以直流电动机稳定运行特性最主要的就是转矩——转速特性即机械特性。再是工作特性。直流电动机运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面分别加以研究一、并励电动机的运行特性电枢回路串可调电阻Rst励磁回路串可调电阻rf注意：直流电源与电枢回路及励磁回路的连接直流电流直接接到电枢回路和励磁回路中。1、机械特性转矩——转速特性（机械特性）如不计磁饱和效应（忽略电枢反应影响）并励直流电动机机械特性表达式机械特性曲线是稍有下垂的直线

并励电动机机械特性为下降程度减小，甚至可以成为水平或上翘的曲线。考虑到饱和影响，交轴电枢反应有去磁作用Te增大时，电枢电流增大，因此交轴电枢反应的去磁作用增大，转速趋于上升。

结论：并励直流电动机的转速随着所需电磁转矩的增加而稍有变化--------硬机械特性（硬特性）。机械特性具有以下特点：称为理想空载转速（1）（2）（3）特性为一斜率为的向下倾斜的直线所以为稍微下降的直线，这种特性称为硬特性（4）电枢反应的影响

如考虑磁饱和，交轴电枢反应呈去磁作用机械特性的下降减小，或水平，或上翘为避免上翘，采取一些措施，可加串励绕组，其磁势抵消电枢反应的去磁作用。2、工作特性

直流电动机的工作特性指：

因在实际运行时电枢电流可直接测量，且电枢电流随增加而增大，两者增大趋势相差不多，所以可将工作特性表示为：1)转速特性如不计电枢反应的去磁作用如考虑电枢反应的去磁作用会使n趋于上升，为保证电机稳定运行，在电机结构上采取一些措施，使并励电动机具有略微下降的转速特性。转速调整率为并励电动机负载变化时，转速变化很小，注：并励电动机在运行时，励磁绕组绝对不允许断开。所以转速特性为一斜率为的直线。如电机所需电磁转矩不变，则Ia迅速增大

如负载为轻载或空载，电动机转速迅速上升，造成“飞车”；

如负载为重栽，所产生的电磁转矩不能克服负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而烧坏电机；2）转矩特性

不计饱和时成正比

计饱和时，较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线，如图实线所示。3）效率特性二、串励电动机的运行特性串励电动机的特点是随变1、机械特性（转矩——转速特性）转速随转矩的增加迅速下降，这种特性称为软特性2、工作特性（1）转速特性串励的转速特性与并励截然不同，它随负载增加迅速降低，随负载减小而迅速增加，当负载很小或空载时，转速很高，“飞车”现象串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为：为输出功率等于1/4PN

时的转速。(2)转矩特性当磁路不饱和时：当磁路饱和时：一般可看成，按大于一次方的比例增加。它对起动和过载能力有重要意义，在同样大小的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。（用于电气牵引）（3）效率特性其效率特性与并励电动机相似三、复励电动机的运行特性

复励电动机通常接成积复励，即有并励绕组，又有串励绕组，故其特性介于并励与串励之间。若励磁绕组以并励为主，则其特性接近于并励电动机但由于有串励磁势的存在，补偿电枢反应的去磁作用，排除了并励电动机转速特性的上翘的可能性。由于有并励磁势存在，不会使纯串励电动机空载时出现的“飞车”现象。若励磁绕组中串励磁动势起主要作用，则特性接近于串励电动机复励电动机的机械特性1：复励（并励为主）2：（串励为主）3：串励四、固有机械特性与人为机械特性1、电枢回路串电阻的人为机械特性2、改变电压的人为机械特性nTeU1UNU2固有机械特性3、减弱磁通的人为机械特性TenΦNΦ1五、电动机组稳定运行的条件下垂的机械特性五、电动机组稳定运行的条件上翘的机械特性稳定条件3.8直流电动机的起动、调速和制动本节介绍直流电动机的起动、制动和调速原理及方法。一、直流电动机的起动直流电机接到电源后，转速从零达到稳定转速的过程称为起动过程，是一动态过程，情况较为复杂，仅介绍起动要求和起动方法。直流电动机起动的基本要求是：（1）起动转矩要大（2）起动电流要小，限制在安全范围之内（3）起动设备简单、经济、可靠可突增至额定电流的十多倍，故必须加以限制

在保证产生足够的起动转矩下（），尽量减小起动电流，一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN

。常用的起动方法有三种，分别介绍如下1、直接起动加全压起动，起动电流达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。优点：操作简单，不需起动设备。缺点：冲击电流太大1、对电网电压影响

2、对电机本身影响只适用于小型电动机起动2、电枢回路串变阻器起动为限制起动电流，在起动时将起动电阻串入电枢回路，在转速的升速过程，逐级将起动电阻切除。

随n的上升可逐步切除一段电阻。首先保证起动过程中的电流不能太高，同时保证起动过程中的电流也不能太低，从而保证有足够的起动加速转矩。起动瞬间起动电流Ist：只要Rst

选择适当，就能将起动电流限制在允许范围内起动过程中的起动电流Ist：

显然，随转速的升高，这一起动过程中的电流将变小，因此起动转矩变小，起动时间增长；转速越接近额定转速，起动电流越小，加速转矩变的很低。切除可手动完成，也可自动完成。

优点：起动设备简单，操作方便。缺点：电能损耗大，设备笨重常用三点起动器接线图3-48（见课本P124）采用分段切除电阻，可使电机在起动过程中获较大加速，且加速均匀，缓和有害冲击。如下图为分二级起动的机械特性曲线。TenTNRst=0Rst1Rst2A３、降压起动优点：起动电流小，能量损耗小，缺点：设备投资大。采用降压起动时，需专用直流调压电源直流发电机作为调压直流电源可控硅整流电源

调速是人为的改变电气参数，从而改变机械特性（人工机械特性），使得在某一负载转矩下得到不同的转速。所以可有三种调速方法

二、直流电动机的调速

许多生产机械需要调节转速，直流电动机具有在宽广的范围内平滑而经济的调速性能。因此在要求调速的生产机械上目前还有一定的应用。1电枢回路串电阻调速2