电机与拖动第一章课件

第1章 直流电机

要点提示：

1. 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。

2. 直流电机由两大部分组成：定子和转子。 3. 掌握直流电机的工作原理。

4. 掌握直流电动机的工作特性：转速特性、转矩特性、效率特性 5. 掌握直流电机定子绕组的励磁方式有：他励、并励、串励、复励。

6. 理解电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路的过程称为

换向。

7. 直流电机的感应电动势：电枢绕组中的感应电动势，即正负电刷之间的感应电

动势。

1.1 直流电机的基本工作原理与结构

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。按工作电源种类可分为

直流电机和交流电机。直流电机按能量转换的方向可分为直流电动机和直流发电机。 在电机发展的历史上，直流电机的发明较早，它的电源是电池，后来才出现了交流电机。直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力，比较容易控制。常用于调速要求较高的生产机械上，如轧钢机，矿井提升设备，大型起重机，电力机车，挖掘机械和纺织机械等；同时直流发电机可用来作为直流电机以及交流电机的励磁直流电源。

直流电机的换向问题，限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。随着近年来电力电子技术的发展，在很多领域内，直流电机有逐步被交流电机取代的趋势。但在某些要求调速范围大、调速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电机的应用目前仍占有较大的比重。

1.1.1 直流电机的结构

任何电机都包括三大部分：定子、转子和气隙。同一般类型电机一样，直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同，都由定子、转子和气隙三部分组成。如图1.1.1所示。

直流电动机主要由定子、转子、电刷装置、换向极、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。

图1.1.2 直流电机纵向剖视图 图1.1.1 直流电机装配结构图

1.定子

定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等组成，其剖面结构如图1.1.2所示其主要作用是产生主磁场和作为电机的机械支架。

1）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由铁心和励磁绕组两部分组成，通过螺钉固定。如图1.1.3所示为减小涡流损耗，主磁极铁心通常用1～1. 5mm厚的钢板冲片叠压铆紧而成，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴。极靴的作用是使气隙磁场分布比理想，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。

励磁绕组是用来产生主磁通的，用绝缘铜线绕制而成。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。 2）换向极

两相邻主磁极之间的小磁极称为换向极，又称

为附加极或间极，其作用是改善直流机的换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。换向极由换向极铁心和向极绕组组成，换向极的铁心比主磁极的简单，一般用整块钢板制成，在其上放置换向绕组。换向极的数目与主磁极数相等。如图1.1.4所示。

3)机座

图1.1.3主磁极的结构

1—主磁极 2—励磁绕组

3—机座

图1.1.5电刷装置

1—刷握 2—电刷 3—压紧弹簧 4—刷辫

图1.1.4 换向极

1—换向极铁心 2—换向极绕组

机

座一般为铸钢件或由钢板焊接而成，具有足够的机械强度和良好的导磁性能。机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖，对整个电机起支撑和固定作用；另一方面也是机主磁 路的一部分，用于构成磁极之间的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

端盖固定于机座上，主要起支撑作用，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直机能够旋转。 4)电刷装置

电刷装置是直流电机的重要组成部分，主要用于引入或引出直流电压和直流电流，通过该装置把电机电枢中的电流与外部电路相连或把外部电源与电机电枢相连。

电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及弹簧片等组成。电刷一般由导电耐磨石墨材料制成，放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，如图1.1.5所示刷握固定在刷杆上，刷杆固定在圆环形的刷杆座上，相互之间绝缘。刷杆目在端盖或轴承内盖上，可以转动调整电刷在换向器表面上的位置，调好以后加以固定。刷辫的作用是将电流从电刷引入或引出。 2．转子

转子，又称电枢，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。 1）电枢铁心

电枢铁心是直流电机主磁路的一部分，对放置在其上的电枢绕组起支撑作用。为了减小涡流和磁滞损耗，电枢铁心常采用0. 35～0. 5mm厚的相互绝缘的硅钢片冲制叠压而成。

有时为了加强电机冷却，在电枢铁心上冲制轴向通风孔，在较大型电机的电枢铁心上还安排有径向通风槽，用通风槽将铁心沿轴向分成数段。电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽用以嵌放电枢绕组，电枢铁心及冲片形状如图1.1.6所示。

图1.1.6 转子结构图

2)电枢绕组

电枢绕组是电机产生电磁转矩和感应电动势，进行能量变换的关键部件。电枢线圈用绝缘的圆铜线或扁铜线绕制成一定的形状，放置于电枢铁心槽中（线圈与槽之间有槽绝缘），并用非磁性槽楔封口，线圈的出线端按一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。直流电机的电枢绕组多为双层绕组，线圈分上下两层嵌入铁心槽内，上下层之间有层间绝缘。

电枢线圈的边是产生感应电动势和电磁转矩的有效元件，简称元件，元件数用s表示。每个元件的首尾端按一定规律与换向片连接，使电枢绕组形成一个闭合绕组。电枢绕组每个元件的匝数N可以是单匝．也可以是多匝。按照元件首尾端与换向片连接规律的不同，电枢绕组可分为叠绕组

和波绕组，叠绕组又有单叠和复叠之分，波绕组也有单波和 图1.1.7 电枢绕组的节距 复波之分，

下面先介绍绕组中常用的基本知识。

1 2 3 Yk

y1 1 2 y y2

每一个元件有两个元件边，每 片换向片又总是接一个元件的上层边和另一元件的下层边，所以元件数G总等于换向片数K，即S=K。 每个元件有两个元件边，而每个电枢槽分上下两层嵌放两个元件边，所以元件数S又等于槽数Z，即S=Z。

对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放个元件边，即把一个实槽当成个虚槽使用。

虚槽数

与实槽数

的关系为： 图1-8单叠绕组元件 1—首端 2—末端 3—元件边

。 4—端接部分 5—换向片

为分析方便起见，本书中均设

表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据为节距，直流电机电枢绕组的节距，直流电机电枢绕组有第一节距所示。

极距：一个磁极在电枢圆周上所跨的距离。 第一节距 第二节距

、第二节距

、合成节距

和换向器节距

四种，如图1-7

：元件的两条边在电枢表面所跨的距离，用两条边所跨的槽数表示。 ：第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周

上的距离，用槽数表示。

合成节距：直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示。 换向器节踱

：一个元件的首尾两端所接的两个换向片在换向器圆周上所跨的距离，

用换向片数表示。

叠绕组是后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上。单叠绕组的换向器节距 和合成节距均为1，即

，如图1-7所示。单叠绕组的连接特点是元件的首尾两端

分别接到相邻的两个换向片上，并且前一元件的尾端与后一元件的首端接在同一换向片上。 图中上层元件边用实线表示、下层元件边用虚线表示，所有相邻元件依次串联，形成一个闭合回路。 如图 1-8 所示 3)换向器

换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母隔开，彼此绝缘，其结构如图1-9所示。对于直流电动机，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为绕组中的交变电流，使电机旋转起来；对于直流发电机，换向器配以电刷，能将电枢绕组中的交变电动势转变为直流电

动势，向外部输出供给负载。换向器固定在转轴的一端，换向片靠近电枢绕组一端的部分与绕组引出线相焊接。 4)转轴

转轴一般用圆钢加工而成，有一定的机械强度和 图1-9 换向器结构 刚度，起转子旋转的支撑作用。 1—换向片 2—连接部分 3．铭牌

直流电机机座的外表面上钉有铭牌，用于标明电机主耍额定数据及电机产品数据，供使用者使用时参考。铭牌上的数据主要有：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等。

电机的产品型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，其格式为：第一部分用大写的汉语拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号，如下所示：

。型号为

的直流电机是一台机座号为6、电枢铁心为长

铁心的第2次改型设计的直流电机。机座号表示直流电机电枢铁心外直径的大小，共有1～9个机座号，机座号数越大，直径越大。电枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种：1表示短铁心，2表示长铁心。 第一部分字符的含义如下：

系列：一般用途直流电动机。 系列：精密机床用直流电动机。 系列：广调速直流电动机。 系列：直流牵引电动机。 系列：船用直流电动机。 系列：防爆安全型直流电动机。

系列：挖掘机用直流电动机。 系列：冶金起重机用直流电动机。 系列：龙门刨床用直流电动机。

系列：无槽直流电动机，用于快速响应的伺服系统中。

系列：力矩直流电动机，在位置或速度伺服系统中作执行元件。

电机铭牌上所标的数据称为额定数据，主要有下列几项： 额定功率

：在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机，额定功率是指电动机

)。 )。

轴上输出的机械功率；对于发电机，是指电枢出线端输出的电功率，单位为千瓦( 额定电压 额定电流(

)。

：电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为伏(

：电机在额定电压情况下，运行于额定功率时所对虚的电流值，单位为安

额定转速：电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋

)。

转速度，单位为转／分( 额定励磁电流位为安(

)。

：对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流．单

励磁方式：指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据二者连接方式不同，直流电机励磁有并励、串励和复励等方式。

此外，电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。 直流电机运行时，若各个物理量均为额定值，则称电机运行于额定状态，也称为满载运行。若电机的运行电流小于额定电流，称为欠载运行；若电机的运行电流大于额定电流，则称为过载运行。电机长期欠载运行会使电机的额定功率不能全部发挥作用，造成浪费；长期过载运行会引起电机过热损坏，缩短电机的使用寿命。电机运行于额定状态或额定状态附近时，电机的运行效率和工作性能最好。因此，根据负载选择电机时，最好使电机接近于满载运行。

【例1. 1】某台直流发电机额定数据为：额定功率额定转速率。

解：额定电流：

，额定效率

，额定电压，

。求它的额定电流及额定负载时的输入功

额定负载时的输入功率：

【例】某台直流电动机的额定数据为：额定功率转速

，额定效率

，额定电压

，额定

。求它的额定电流及额定负载时的输入功率。

解：额定负载时的输入功率：

额定电流：

1.1.2 直流电机的基本工作原理

直流电机的工作原理是利用电磁感应定律和电磁力定律实现能量转换，即绕组切割磁力线产生感应电动势和绕组电流在磁场中受力而产生电磁转矩。 1．直流发电机的工作原理

如图1-10所示为直流发电机的物理模型，

和

是一对固定的磁极，为直流发电机的

是固定在铁心表面的

定子。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。

电枢线圈，线圈和铁质圆柱体是直流发电机可转动部分，称为电机转子。线圈的首末端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷

和

，线圈

通过换向器和电刷接

通外电路。在定子与转子间有间隙存在，称为空气隙，简称气隙。

图1-10 直流发电机工作原理示意图

在模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，导体

和

分别切割

极和

极下的磁感应线，将产生感应电动势。感应电动势的方向

在

极下，感应电动势的方向由指向；导体

为正极性，电刷

为负极性。当

与

所连

用右手定则确定。如图1.1所示，导体在

极下，感应电动势的方向由指向，所以电刷

°后，导体

转至

线圈旋转极下，感应电动势的方向由指向，电刷转至

换向片接触，仍为正极性；导体极下，感应电动势的方向变为指向，电刷

与以所连换向片接触，仍为负极性。

由上述分析可知：虽然直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，但通过换向器和电刷的作用，电刷

的极性总为正，而电刷

的极性总为负，在电刷两端可获得方

向不变的直流电动势。 实际直流发电机的线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要 2．直流电动机的工作原理 如图所示，在导体位于

极下，

位于

中，电流由流向；在导体极下，均处于

和

中，电流由流向。载流导体

极交替放置多对。

极之间的磁场中，导体受到电磁力的作用。

电磁力的方向用左手定则确定，该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转180°，导体

转到

极下，

中的电

流变为由指向；转到极下，中的电流变为由流向，如图1-11所示。用左

手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。

由上述分析可知：虽然导体中流通的电流为交变的，但由于换向器和电刷的作用，下的导体受力方向和

极

极下导体所受力的方向并未发生变化，电枢产生的电磁转矩的方向

恒定不变，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应的换向器由许多换向片组成，磁极也并非一对。

图 1-11 直流电动机工作原理示意图

1.2 直流电机的磁场

介绍直流电机的运行原理之前，需要先对直流电机中的磁场产生及分析规律加以分析。

励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。

1.2.1 直流电机的励磁方式

（1）他励直流电机

励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图1-12所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图中电流正方向是以电动机为例设定的 （2）并励直流电机

励磁绕组与电枢绕组并联。如图1-12（b）所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。 以

上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。

（3）串励直流电机

励磁绕组与电枢绕组串联，如图1-12(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组

的导线粗而匝数较少。 （4）复励直流电机

每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢

绕组串联，称为串励绕组，如图1-13(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。他励直流电动机，由于改变电枢电压进行调速控制时，不影响其磁场，具有良好的控制性能，因而被广泛的应用在自动控制系统中。

(a)他励电动机

(b)并励电动机 (c)串励电动机 (d)复励电动机

图 1-12 直流电机的励磁方式

1.2.2直流电机的电枢反应 1.空载磁场

直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图1-13所示，为方便起见，只画一半。

- 图 1-13 直流电机空载磁场分布图 （1）主磁通和漏磁通

图1-13表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由极出来，经气隙进

入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)，到极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的

极，再经机座(定子磁轭)形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用

表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、

电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。

（2）直流电机的空载磁化特性

直流电机运行时，要求气隙磁场每个

表示。漏磁通路径

极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通，当励磁绕组的匝数Wf一定时，每极磁通

的大小主要决定于励磁电流

与空载励磁电流)称为电机的

。空 (或图

载时每极磁通

空载励磁磁势

的关系

或

1-14 直流电机铁心空载磁化曲线

空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的

曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性在

较大时也出现饱和，如

图1-14所示。为充分利用铁磁材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特

性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分(图中

点附近)。

（3）空载磁场气隙磁密分布曲线

主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，

当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的75%左右，如图1-15(a)所示。

磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数，靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平顶波，如

图 1-15 空载气隙磁密分布曲线

图1-15(b)所示。

2. 直流电机的电枢反应及负载磁场 （1）直流电机的电枢反应

直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图1-15(b)所示，负

，产生电枢磁势

，与励磁磁势

共同建立负载时的气隙

载时，电枢绕组流过电枢电流

合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。

下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气

隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。 （2）直流电机的电枢磁场

图1-16表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈中没有

画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中设上部元件边中电流为出来，下部元件边电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电

刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直。

下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气

隙磁密的分布情况。如果假设图8.17所示电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如图8.18所示。该元件有匝。元件中电流为

，每个元件的磁势为

安匝，由该元件建立的磁场的磁力线分布如图1-16所示，如果假想将此电机从几何

中性线处切开展平，如图1-17所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电流

，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认

为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁势为，一般取磁力线自电枢出，进定

图

1-16

子时的磁势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁势的分 电刷在几何中性线处的电枢磁场

布情况如图1-17（b）所示。可以看出一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个

以两个极距为周期、幅值为的矩形波。

图 1-17 绕组元件的磁势

（a） 磁力线路径 ； （b） 磁动势的空间分布

当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁势仍是幅值为

的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得电枢磁势在空间的分布为一个以

两个极距

为周期的多级阶梯形波，为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认

为电枢磁势空间分布为一个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图1-18中的曲线2所示。

如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可

得电枢磁场磁密的表达式为： 式中

——气隙中处的磁势；

——气隙中处的磁密。

由上式可知，在磁极极靴下，气隙

较小且变化不大，所以气隙磁密

与电枢磁势成

正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使Bax反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图1-18中曲线3所示。

图 1-18 直流电机电枢反应磁密分布

（3）负载时的气隙合成磁场

如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙磁

密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图1-18中的曲线4所示。对照曲线l和4可见：电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通

维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等

于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图1-18所示。利用图1-18可以分析得知，对发电机，物理中性线顺着旋转方向偏离几何中性线；而对电动机，则是逆着旋转方向偏离几何中性线。

考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，气隙磁密的

实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图8.19中的曲线5所示。由于铁磁性材料的非线性，曲线5与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。

由以上分析可以知电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：

1) 使气隙磁场发生畸变。半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对发电机，是前极

端(电枢进入端)的磁场削弱，后极端(电枢离开端)的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。

2) 磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加的磁通小于另半个极下

减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减小。

1.3 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩

1.3.1 电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图1-19所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值

，从而可

，其表达式为

式中 ——一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度； ——电枢导体的有效长度(槽内部分)； ——电枢表面的线速度。

，支路对数为

，则每一条并联支路总的串联导体数为

设电枢绕组总的导体数为

，因而电枢绕组的感应电动势

式中——对已经制造

好的电机，是一个常数，故称直流电机的电动势常数。

每极磁通

的单位用

时，。上式表

(韦伯)，转速单位用电动势

的单位为

明：对已制成的电机，电枢电动势

与每极磁通

和转速

成正比。假定电枢绕组是整

距的，如果是短距绕组，电枢电动势将稍有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不予考虑。式中的

一般是

图 1-19 气隙合成磁场磁密的分布

指负载时气隙合成磁场的每极磁通。

1.3.2 电枢绕组的电磁转矩

电枢绕组中流过电枢电流

时，元件的导体中流过支路电流

，成为载流导体，在磁

场中受到电磁力的作用。电磁力的方向按左手定则确定，如图1-19所示。一根导体所受电磁力的大小为

表示，则每根导体所

如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值

受电磁力的平均值为

一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为

式中 ——电枢外径。

不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方

乘以电枢绕组

向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值

总的导体数，即

式中

——对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。

的单位为

(牛·米)。上式

磁通的单位用Wb，电流的单位用A时，电磁转矩

与每极磁通

表明：对已制成的电机，电磁转矩

电枢电动势

和电枢电流成正比。

和电磁转矩和转矩常数

是直流电机两个重要的公式。对于同一

之间具有确定的关系：

台直流电机，电动势常数

或者

1.4 直流电机的换向

换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之

间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。

1.4.1 换向的过程

直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入

另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如图1-20所示。图1-20是电机中一元件K的换向过程，设bn为电刷的宽度，一般等于一个换向片br的宽度，电枢以恒速VZ从左向右移动，TK为换向周期，S1、S2分别是电刷与换向片1、2的接触面积。

(a) 换向开始瞬时 (b) 换向过程中某一瞬时 (c) 换向结束瞬时

图 1-20换向元件的换向过程

1.换向开始瞬时(图1-20(a)所示)，t?0，电刷完全与换向片2接触，S1?0，S2为

最大，换向元件K位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件K中流的电流i??iz，由相邻两条支路而来的电流为2iz，经换向片2流入电刷。

2.在换向过程中(图1-20(b)所示)，t?TK，电枢转到电刷与换向片1、2各接触一部2分，换向元件K被电刷短路，按设计希望此时K中的电流i?0，由相邻两条支路而来的电流为2iz，经换向片1、2流入电刷。

3.换向结束瞬时，(图1-20(c)所示)，t?TK，电枢转到电刷完全与换向片1接触，S1为最大，S2?0，换向元件K位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，K中流过的电流

i??iz，相邻两条支路电流2iz经换向片1流入电刷。 1.4.2 影响换向的因素

影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械方

面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向元件

K中，附加电流ir的出现而造成的，下面分析产生ir的原因。

1. 理想换向(直线换向)

换向过程所经过的时间(即换向周期TK)极短，只有几豪秒，如果换向过程中，换向元

件K中没有附加其它的电动势，则换向元件K的电流i均匀地从?iz变化到?iz ((?iz?0?iz))，如图1-21曲线1所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。 2. 延迟换向

电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素——电磁因素的存在，使得换向图1-21 直线换向与延时换向

图1-22 换向元件K中产生的电枢反映电动势

不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。

电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢反应电动势两种情况。

(1) 电抗电动势：电抗电动势又可分为自感电动势与互自感电动势。由于换向过程中，

元件内的电流变化。另外，其中互感电动势总是阻碍换向元件内电流i变化的，即互感电动势与换向前电流?iz方向相同，即阻碍换向电流减少的变化。

(2) 电枢反应电动势(旋转电动势)：电机负载时，电枢反应使气隙磁场发生畸变，几何中性线处磁场不再为零，这时处在几何中性线上的换向元件K将切割该磁场，而产生电枢反应电动势；电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，按右手定则，可确定电枢反应电动势的方向，如图1-22所示，电枢反应电动势与换向前电流?iz方向相同。

(3) 附加电流ik：元件换向过程中将被电刷短接，除了换向电流i外，由于电抗电动势与电枢反应电动势的存在，产生了附加电流ik。可见，使得换向元件中的电流从?iz变化到零所需的时间比直线换向延迟了，所以称作延迟换向。

(4) 附加电流对换向的影响。由于ik的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均

匀性，从而使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密度减小，当换向结束，即换向元件K的换向片脱离电刷瞬间，ik不为零，换向元件K中储存的一部分磁场能量就以火花的形式在后刷端放出，这种火花称为电磁性火花。当火花强烈时，将灼伤换向器材和烧坏电刷，最终导致电机不能正常运行。

1.4.3 改善换向的方法

产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流ik，因此要改善换向，就得从减小、

甚至消除附加电流ik着手。 1) 选用合适的电刷，增加接触电阻

改善换向应选用接触电阻大的电刷来限制换向电流。但接触电阻大，接触电压降也加达，电能耗损大，发热量多，因此.要综合考虑选用合适的电刷。中小型电机，一般换向并不困难，可以采用石墨电刷，换向比较困难的电机，可选用接触电阻大的碳-石墨电刷。低压大电流电机，则可以采用接触压降较小的青铜-石墨电刷或紫铜-石墨电刷。电机在设计制造时，已综合考虑接触电阻和接触压降这俩方面的因素，选择恰当的电刷，所以在使用维修中，更换电刷必须选用与原来铜已牌号的电刷。如果实在配不到相同牌号的电刷，应该尽量选择特性 与原来相接近的电刷，并全部更换。 2) 移动电刷位置

如将直流电机的电刷从几何中性线n?n移动到超过物理中性线n?m的适当位置，如

图1-23(a)中所示，换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极下，则换向元件中产生的旋转电动势为一负值，附加电流约等于零，电机便处于理想换向。所以对直流电动机应逆着旋转方向移动电刷，如图1-23(a)所示。但是，电动机负载一旦发生变化，电枢反应强弱也就随之发生变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，这就要求电刷的位置应做相应的重新调整，实际中是很难做到。因此，这种方法只有在小容量电机中才采用。

(a) 移动电刷位置改善换向 (b) 安装换向极改善换向

图1-23 改善换向的方法

3) 装设换向极

目前改善直流电机换向最有效的办法，是安装换向极。换向极装设在相邻两主磁极之前的集合中心线上。其目的主要是让换向极在换向原件处产生一个磁动势，首先把电阻反应磁动势抵消掉，其次还再产生一个合适的气隙磁通密度，换向原件切割此磁场时，将产生感应电动势，让此感应电动势去抵消电抗电动势。未达到此目的，换向极绕组应与电枢绕组相串联，使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化。换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢相反。具体的讲，在发电机运行时，换向极的极性应在顺着电机转向的相邻主磁场极的极性相同，在电动机运行时，换向极的极性应在与逆着电机转向的相邻的主磁极的极性相同。 一般来说，1KW以上的电流电机几乎都安装换向极，如果换向极产生的磁动势很强，致使换向元件中电流变化曲线成为图1-23中加速换向曲线，这种换向称为超越换向。 4) 补偿绕组

由于电枢反应的影响会使气隙磁场发生畸变，这样就增大了某几个换向骗之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电机内，有可能出现环火现象（即正负电刷见出现电弧），造成在很短的时间内损坏电机。为防止环火，最常用的办法是加装补偿绕组，抵消电枢反应的影响。补偿绕组嵌放在主磁极极靴上专门冲制出的槽内，与电枢绕组串联，可有效的改善气隙磁通密度的分布，从而避免出现环火。有了补偿绕组，使换向极所需的磁动势可大为减少，有利于改善换向。但装设补偿绕组可增加直流电机的用铜量，使直流电机的结构更加复杂，因此仅在换向比较困难而负载经常变化的大中型直流电机中应用。

本章小结

(1) 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。直流电机分直流发电机和直

流电动机；直流电动机是根据电磁力定律而工作的。直流发电机是根据电磁感应定律而工作的。

(2) 直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、机座与电刷组

成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成，主要作用是产生感应电动势Ea和电磁转矩T，是直流电机机电能量转换的主要部件—电枢。

(3) 直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，

(4) 直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。

（5） 直流电机运行时，电枢电流产生电枢磁场，会使空载时的气隙每极磁通量和气隙磁通密度分布波形发生变化，称为电枢反应。在磁路饱和的情况下，每极下的磁通量减少，电枢反应表现为去磁作用，使磁通密度的零点发生偏离，偏离几何中心线。为补偿电枢反应的影响可加入补偿绕组抵消电枢反应的去磁效应。

(6) 无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将在电枢绕组中

产生感应电动势Ez?Cr?n；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的作用下就会产生电磁转矩Y?Cr?Iz。

(6) 电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路的过程称为换向。影

响直流电机换向的主要因素是电磁因素。改善换向的目的是消除或降低影响，常用的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极。

(7) 为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可在主磁极上安

装补偿绕组。

思考题与习题 1. 简述直流发电机的工作原理。 2. 直流电动机是如何转动起来的？

3. 直流电机按励磁方式分为几类？它们之间有何不同？

4. 换向过程是如何产生的？换向过程中的火花是如何产生的？如何改善换向？ 5. 什么是电枢反应？它对电机有何影响？

6. 直流电机的铭牌主要由哪些项目？简述它们各自的意义。 7. 电磁转矩与什么因素有关？如何确定电磁转矩的实际方向？

8. 直流电机空载时，气隙磁场是如何分布的？

9. 换向极在直流电机中有什么作用？如何得到直线换向？ 10. 什么是延迟换向？延迟换向严重时电刷下有没有火花出现？

11. 一台他励直流电动机的额定数据位：PN?5KW，UN?220V，nN?1000rmin，

铜损为508W，空载损耗为390W，计算额定运行时电动机的电磁转矩和效率。 12. 一台他励直流电动机的额定数据位：PN?17KW，Un?220V，nN?1500r，计算额定电枢电流、额定电磁转矩和额定负载时的输入电功率。

13. 一台他励直流发电机的额定数据位：Pn?10KW，Un?230V，nN?2850r，计算额定电流及额定负载时的输入功率。

14. 一台并励直流电动机的额定数据位：In?92A，Un?220V，Rz?0.08?，

min，

min，

Rf?88.7?，

，计算额定运行时的输入功率、输出功率和总损耗。

15. 一台并励直流发电机的额定数据位：PN?6KW，UN?230V，nN?1450rmin，

Ra?0.57?，Rf?177?，额定负载时的电枢铁损为234W，机械损耗为61W，求

额定负载下的电磁功率和电磁转矩以及额定负载时的效率。

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