第三章直流电机的工作原理及特性 电动机有直流电动机和交流电动机两大类 交流电动机具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠等优点。 直流电动机虽然没有交流电动机具备的这些特点,但直流电动机具有交流电动机所不 能比拟的良好的启动性能和调速性能 目前,虽然交流电动机的调速问题已经解决,但在速度调节要求较高、正反转和启停 频繁或多单元同步协调运转的生产机械上,仍采用直流电动机拖动。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种 直流电动机将电能转换成机械能。直流发电机将机械能转换成电能,主要用于直流电 源。如供给直流电动机、同步电动机的励磁以及化工、冶金、采矿、交通运输等部门的直流 3.1直流电机的基本结构和工作原理 直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图3.所示: 日31直流电机构图 1一机座2一励磁绕组3一轴承端盖4—换向器5—播环与副握 6一风扇7一主磁极8—电枢铁心9一电枢绕组 图3.1直流电机结构图
第三章 直流电机的工作原理及特性 电动机有直流电动机和交流电动机两大类。 交流电动机具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠等优点。 直流电动机虽然没有交流电动机具备的这些特点，但直流电动机具有交流电动机所不 能比拟的良好的启动性能和调速性能。 目前，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但在速度调节要求较高、正反转和启停 频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种。 直流电动机将电能转换成机械能。直流发电机将机械能转换成电能，主要用于直流电 源。如供给直流电动机、同步电动机的励磁以及化工、冶金、采矿、交通运输等部门的直流 电源。 3．1 直流电机的基本结构和工作原理 一、直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图 3.1 所示： 图 3.1 直流电机结构图
从工作原理的角度来看,直流电机可分为主磁极、电枢、换向器和电刷四大部分。 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由很多彼此绝缘的刚片组合而成,这些刚片称为换向片。每个换向片都与电枢 绕组连接。 电刷装置包括电刷与电刷座,它们固定在机座上,换向器与电刷保持滑动接触,以便 将电枢和外电路接通。 基本的工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。直流电机也是如此 为了讨论直流电机的工作原理,可把复杂的直流电机结构简化为具有一对主磁极,一个 电枢绕组线圈,线圈两端分别联在两个换向片上,换向片上压着电刷A和B的工作原理图, 如图所示 1-主磁极:励磁绕组上加上直流电压,励磁绕 组上有励磁电流通过,使定了铁心产生固定磁场 即定子的主要作用是产生主磁场。 2—电枢线圈:在固定的磁场中旋转,主要作用 是产生感应电动势或机械转矩,实现能量的转换 3、4换向器、电刷:电刷固定在定了上不动, 换向片与电枢统组一起旋转,电刷与换向片保持滑动 接触。 对发电机而言,换向器的作用是将电枢统组内感 应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。 对电动机而言,则是将外加的直流电流转换为电 枢绕组的交变电流,并保证每一磁极下,电枢导体的 电流方向不变,以产生恒定的电磁转矩 直流电机原理结构图 图3.2直流电机原理图 1.发电机原理:将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图3.3所示:
从工作原理的角度来看，直流电机可分为主磁极、电枢、换向器和电刷四大部分。 定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器由很多彼此绝缘的刚片组合而成，这些刚片称为换向片。每个换向片都与电枢 绕组连接。 电刷装置包括电刷与电刷座，它们固定在机座上，换向器与电刷保持滑动接触，以便 将电枢和外电路接通。 二、基本的工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。直流电机也是如此。 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为具有一对主磁极，一个 电枢绕组线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷 A 和 B 的工作原理图， 如图所示： 图 3.2 直流电机原理图 1．发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图 3.3 所示：
N 图3.3直流发电机工作原理图 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转,在电枢线圈的两根有效边ab和cd(切割磁力线的 导体部分)中便感应出电动势e。显然,每一有效边中的电动势是交变的,即在N极下是 个方向,当它转到S极下时是另一个方向。但是,由于电刷A总是同与N极下的有效边相 联的换向片接触,而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触,因此,在电刷A B间就出现一个极性不变的电动势或电压,当电刷之间接有负载时,在电动势的作用下就在 电路中产生一定方向的电流。 2.电动机原理:将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图34所示 图3.4直流电动机工作原理图 直流电源接在电刷A、B之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的:N极下 的有效边中的电流总是一个方向,而S极下的有效边中的电流总是另一个方向,这样才能 使两个边上受到电磁力的方向一致,电枢因而转动。因此,当线圈的有效边从N(S)极下 转到S(N)极下时,其中电流的方向必须同时改变,使电磁力的方向不变,即电磁转矩的 方向不变而使转子以n的转速旋转
图 3.3 直流发电机工作原理图 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边 ab 和 cd（切割磁力线的 导体部分）中便感应出电动势 e。显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在 N 极下是一 个方向，当它转到 S 极下时是另一个方向。但是，由于电刷 A 总是同与 N 极下的有效边相 联的换向片接触，而电刷 B 总是同与 S 极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷 A、 B 间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在 电路中产生一定方向的电流。 2．电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图 3.4 所示： 图 3.4 直流电动机工作原理图 直流电源接在电刷 A、B 之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N 极下 的有效边中的电流总是一个方向，而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能 使两个边上受到电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从 N（S）极下 转到 S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的 方向不变而使转子以 n 的转速旋转
感应电动势和电磁转矩 1.感应电动势E 根据电磁学原理,两电刷A、B间的感应电动势为 E=K.④n 式中,E一感应电动势(V Φ一一对磁极的磁通(Wb) 1——电枢转速(r/min); K——电势常数,与电机结构有关。 在直流发电机中,感应电动势的方向总是与电流的方向相同,所以发电机中的感应电 动势常称为电源电动势。 在直流电动机中,电动势的方向总是与电流的方向相反。所以,直流电动机中的感应 电动势常称为反电动势。 2.电磁转矩TM 直流电机电枢绕组中的电流和磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩,其大小可用如 下公式表示 TM=K④ 式中:7M——电磁转矩(N·m); d—对磁极的磁通(Wb) a—电枢电流(A); Km——电磁常数,与电机结构有关,Kmx9.55K 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的 发电机的电磁转矩是阻转矩,它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。 因此,在等速转动时,原动机的转矩T必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩7o相 平衡。当发电机的负载(电枢电流)增加时,电磁转矩和所供给的机械功率亦必须相应增加, 以保持转矩之间及功率之间的平衡,而转速基本上不变。 电动机的电磁转矩是驱动转矩,它使电枢转动。因此,电动机的电磁转矩M必须与机
三、感应电动势和电磁转矩 1. 感应电动势E 根据电磁学原理，两电刷 A、B 间的感应电动势为 E = KeΦn 式中， E ——感应电动势（V）； Φ —一对磁极的磁通（Wb）； n ——电枢转速（r/min）； Ke——电势常数，与电机结构有关。 在直流发电机中，感应电动势的方向总是与电流的方向相同，所以发电机中的感应电 动势常称为电源电动势。 在直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反。所以，直流电动机中的感应 电动势常称为反电动势。 2．电磁转矩TM 直流电机电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如 下公式表示： M m a T = K ΦI 式中：TM ——电磁转矩（N·m）； Φ ——对磁极的磁通（Wb）； aI ——电枢电流（A）； K m ——电磁常数，与电机结构有关， m 55 e K ≈ 9. K 。 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。 因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM 及空载损耗转矩T0 相 平衡。当发电机的负载（电枢电流）增加时，电磁转矩和所供给的机械功率亦必须相应增加， 以保持转矩之间及功率之间的平衡，而转速基本上不变。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM 必须与机
械负载转矩兀及空载损耗转矩T0相平衡。当轴上的机械负载发生变化时,则电动机的转速、 电动势、电流、及电磁转矩将自动进行调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。 从以上分析可知,直流电机作发电机运行和作电动机运行时,虽然都产生感应电动势E 和电磁转矩TM,但二者的作用正好相反,见表3.1。 表3.1电机在不同运行方式下,E和TM的作用 电机运行方式E与的方向E的作用 M的性质 转矩之间的关系 发电机 相同 电源电动势 阻转矩 7=TM+70 电动机 相反 反电动势 驱动转矩 TM=t +T 四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类:他励电动机、并励电动机、串 励电动机和复励电动机。它们的结构和特点如表3-2所示: 表3-2直流电动机按励磁方式不同的分类 类别 特 点 结构原理图 他励磁绕组由外加电源单独供电,励磁电 励流的大小与电枢两端电压或电枢电流的 电大小无关。 机 励磁绕组与电枢绕组并联连接,由外部 并电源一起供电,励磁电流的大小与电枢 励两端电压或电枢电流的大小有关。 电动机
械负载转矩TL 及空载损耗转矩T0 相平衡。当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、 电动势、电流、及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生感应电动势 E 和电磁转矩TM ，但二者的作用正好相反，见表 3.1。 表 3.1 电机在不同运行方式下， E 和TM 的作用 电机运行方式 E 与 aI 的方向 E 的作用 TM 的性质 转矩之间的关系 发电机 相同 电源电动势 阻转矩 T1 = TM +T0 电动机 相反 反电动势 驱动转矩 TM = TL +T0 四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：他励电动机、并励电动机、串 励电动机和复励电动机。它们的结构和特点如表 3-2 所示： 表 3-2 直流电动机按励磁方式不同的分类 类别 特 点 结 构 原 理 图 他 励 电 动 机 励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电 流的大小与电枢两端电压或电枢电流的 大小无关。 并 励 电 动 机 励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部 电源一起供电，励磁电流的大小与电枢 两端电压或电枢电流的大小有关
励磁绕组与电枢绕组串联连接,由外部 串电源一起供电,励磁电流的大小与电枢 励两端电压或电枢电流的大小有关。 机 励磁绕组分为两部分,一部分与电枢绕 复组并联连接,另一部分与电枢绕组并联 励连接,励磁电流的大小与电枢两端电压 电或电枢电流的大小有关。 机 3.2直流他励电动机的机械特性 机械特性的一般形式 电动机的机械特性指的是电动机轴上的转速与输出电磁转矩之间的函数关系。 不同励磁方式的电动机,其运行特性也不尽相同,下面主要介绍在调速系统中应用的较 广泛的他励电动机的机械特性 如图3.5所示为直流他励电动机的原理电路图。 la 图3.5他励电动机的原理电路 图中:左边电路部分为电枢回路,右边部为励磁回路。电枢回路的电压平衡方程式为 U=E+laRa 式中:U—外加电枢电压(V) E——感应电动势(V) la—电枢电流(A);
串 励 电 动 机 励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外部 电源一起供电，励磁电流的大小与电枢 两端电压或电枢电流的大小有关。 复 励 电 动 机 励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕 组并联连接，另一部分与电枢绕组并联 连接，励磁电流的大小与电枢两端电压 或电枢电流的大小有关。 3．2 直流他励电动机的机械特性 一、 机械特性的一般形式 电动机的机械特性指的是电动机轴上的转速与输出电磁转矩之间的函数关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较 广泛的他励电动机的机械特性。 如图 3.5 所示为直流他励电动机的原理电路图。 图 3.5 他励电动机的原理电路 图中：左边电路部分为电枢回路，右边部为励磁回路。电枢回路的电压平衡方程式为： aRa U = E + I 式中: U ——外加电枢电压（V）； E ——感应电动势（V）； aI ——电枢电流（A）；
Ra—电枢回路内阻(9) ∵:E=Kcn和T=Kma ∴U=kn+laRa U Ra 转速特性 Keo Ke Ra 机械特性 KdKKΦ 由他励电动机的特性可知:励磁电流l的大小与电枢电流la的大小无关,它的大小只 取决于Rr和Ur的大小,当R和U一定时,I=Ur/Rt为定值,即磁通Φ为定值,对 应的机械特性如图36所示: + 图36他励直流电动机的机械特性图 1.理想空载转速: 当T=0时的转速称为理想空载转速,用m表示。根据机械特性可知: Kg 实际上,电动机总存在空载制动转矩,靠电动机本身的作用是不可能使其转速上升到ho 的,“理想”的含义就在这里 转速降落△n
Ra ——电枢回路内阻（Ω） ∵ E = KeΦn 和 m a T = K ΦI ∴ e a Ra U = K Φn + I 即： a a e I K Φ R K Φ U n e = − ……转速特性 T K K R K U n 2 e m a e Φ − Φ = ……机械特性 由他励电动机的特性可知：励磁电流 f I 的大小与电枢电流 a I 的大小无关，它的大小只 取决于 Rf 和Uf 的大小，当 Rf 和Uf 一定时， f Uf Rf I = 为定值，即磁通Φ 为定值，对 应的机械特性如图 3.6 所示： 图 3.6 他励直流电动机的机械特性图 1． 理想空载转速： 当T = 0 时的转速称为理想空载转速，用 n0表示。根据机械特性可知： Φ = e 0 K U n 实际上，电动机总存在空载制动转矩，靠电动机本身的作用是不可能使其转速上升到 n0 的，“理想”的含义就在这里。 2． 转速降落 ∆n
Ra Kek 3.机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度,引进一个机械特性硬度的概念,记作β,其定义为 dT△T B 100% dn△n 即转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值,称为机械特性的硬度,根据β值的不 同,可将电动机机械特性分为三类。 类别 B值 例 绝对硬特性 B 如交流同步电动机的机械特性。 硬特性 B>10如直流他励电动机的机械特性,交流异步电动机机械特性 的上半部。 软特性 B<10 如直流串励电动机和直流复励电动机的机械特性 在生产实际中,应根据生产机械和工艺过程的具体要求来决定选用何种机械特性的电动 机。例如,一般金属切削机床、连续式冷轧机、造纸机等需选用硬特性的电动机;而对起重 机、电车等则需选用软特性的电动机 、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件(额定电压UN和额定磁通) 下和电枢电路内不外接任何电阻时的n=f()。即n=0NRT是 条直线 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,m0)和 (7N,nN)来确定。 直流电动机铭牌上通常给出额定功率f、额定电压UN、额定电流ⅠN和额定转速 nN等参数。固有机械特性的计算步骤如下
T K K R n n n 2 e m a ∆ 0 Φ = − = 3． 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，记作 β ，其定义为： 100% ∆ ∆ d d = = × n T n T β 即转矩变化dT 与所引起的转速变化dn 的比值，称为机械特性的硬度，根据 β 值的不 同，可将电动机机械特性分为三类。 类 别 β 值 举 例 绝对硬特性 β → ∞ 如交流同步电动机的机械特性。 硬特性 β >10 如直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性 的上半部。 软特性 β <10 如直流串励电动机和直流复励电动机的机械特性 在生产实际中，应根据生产机械和工艺过程的具体要求来决定选用何种机械特性的电动 机。例如，一般金属切削机床、连续式冷轧机、造纸机等需选用硬特性的电动机；而对起重 机、电车等则需选用软特性的电动机。 二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压U N 和额定磁通Φ N ） 下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n = f (T) 。即: T K K R K U n e m 2 N a e N N Φ Φ = − 是一 条直线。 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出 (0 ) ，n0 和 （TN，nN ) 来确定。 直流电动机铭牌上通常给出额定功率 PN 、额定电压U N 、额定电流 I N 和额定转速 nN 等参数。固有机械特性的计算步骤如下
(1)估算电枢电阻Ra 依据:电动机在额定负载下的铜耗R2约占总损耗∑△的50%~75% ∑AR=输入功率一输出功率 FUNIN-PN UNIN-IN 尽R3=(0.5~0.751-nN)N PN 式中:nN=UN1N 是额定运行条件下电动机的效率,又因la=N,故得 R=(05~07501-X)N (2)求ke④ 额定运行条件下的反电势为: eN=KenN =UN-INRa 故 K④ UN-INRO (3)求理想空载转速 得(0,n0) K④ (4)求额定转矩: PN. PN 得(7N,nN) 根据(0,m0),(TN,nN)两点,就可作出他励直流电动机的近似机械特性曲线 n=f(T)。 前面讨论的是直流他励电动机正转时的机械特性,她在T-n直角坐标平面上的第 象限内。实际上电动机既可正转,也可反转。不难分析,电动机反转时的机械特性应在T-n 直角坐标平面上的第三象限内。他励直流电动机正反转时的固有机械特性如图3.7所示
（1） 估算电枢电阻 Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗 a 2 I N R 约占总损耗 ∑ ∆PN 的 50%～75%。 a N N N 2 N N N N N N N N N N N N N (0.5 ~ 0.75)(1 ) (1 ) I R U I U I U I U I U I P P η η η ∆ ∴ = − − − − ∑ ＝ ＝ ＝ Q ＝输入功率－输出功率 式中： N N N N U I P η = 是额定运行条件下电动机的效率，又因 I a＝I N ，故得 N N N N N a (0.5 ~ 0.75)(1 ) I U U I P R = − (2)求 KeΦ 额定运行条件下的反电势为： N e N N N Ra E = K Φn = U − I 故 N N N a e n U I R K − Φ = (3)求理想空载转速: eΦ N 0 K U n = 得(0 ) ，n0 (4) 求额定转矩: n P P T N N N = = 9.55 ϖ 得(TN，nN ) 根据 (0 ) ，n0 ， (TN，nN ) 两点，就可作出他励直流电动机的近似机械特性曲线 n = f (T) 。 前面讨论的是直流他励电动机正转时的机械特性，她在T − n 直角坐标平面上的第一 象限内。实际上电动机既可正转，也可反转。不难分析，电动机反转时的机械特性应在T − n 直角坐标平面上的第三象限内。他励直流电动机正反转时的固有机械特性如图 3.7 所示：
正转 T-7 图3.7直流他励电动机正反转时的固有机械特性 三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通Φ的大小以及电枢回 路串接附加电阻R3d所得到的机械特性 1.电枢回路中串接附加电阻时的人为特性U=UN,中=小N 电枢回路串接电阻后的原理电路图如图3.8(a)所示 MIE U Rall rulz Radisradxsrass O (a)电路图 (b)机械特性 图38电枢回路串接附加电阻的他励电动机 当电枢回路中串接附加电阻Rad后,电枢回路的电压平衡方程式为 UN =EN +IN(Ra rad) 得到的人为机械特性方程式为
图 3.7 直流他励电动机正反转时的固有机械特性 三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U 和励磁磁通Φ 的大小以及电枢回 路串接附加电阻 Rad 所得到的机械特性。 1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性(U = U N，Φ =Φ N ) 电枢回路串接电阻后的原理电路图如图 3.8（a）所示。 （a）电路图 （b）机械特性 图 3.8 电枢回路串接附加电阻的他励电动机 当电枢回路中串接附加电阻 Rad 后，电枢回路的电压平衡方程式为： ( ) N N N Ra Rad U = E + I + 得到的人为机械特性方程式为：