电机学课堂讲义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第二十四讲直流电机基本原理 重点：基本结构，励磁绕组连接方式，电枢反应，电动机与发电机运行状态 难点：电枢反应，状态转换，换向 问题：直流电机结构的特点是什么？直流电机电枢绕组内部导体电流和电势是直流吗？励磁绕组与 电枢绕组之间有哪些连接方式？直流电机主磁场与电枢反应磁场有什么区别？ 1、直流电机基本结构 直流电机是直流电能与机械能相互转换的装置，其基本结构包括定子、转子和两者之间的气隙。 定子包括定子磁轭、主磁极，刷架。通常主磁极采用厚钢板叠压而成，上面套装励磁绕组。对于小 功率永磁直流电机，磁极采用永磁体，不需要励磁绕组。对于大中型直流电机，为了消除电枢反应 对主极磁场的不对称影响，在主磁极铁心表面开槽，槽内安放补偿绕组：为了消除电枢反应对换向 线圈换向的影响，在主磁极之间安装换向极铁心和换向绕组。主磁极磁场是静止的。 转子上有电枢，换向器，转轴和冷却风扇。电枢是直流电机的关键部件，包括硅钢片叠压而成的铁 心和嵌放在铁心槽内的电枢绕组。电枢绕组产生的磁场也是静止的。每个线圈的引出端与换向器上 对应的换向片连接，换向片的数目等于线圈的个数，每个电枢槽内通常有多个线圈边，假设电枢铁 心有Z个槽，每个槽包含u个虚槽，那么实际线圈数等于Z换向片之间用云母绝缘，防止短路。安 装在转轴上的风扇对直流电机（电枢铜耗和铁耗，励磁绕组铜耗）起通风冷却作用。 机座 机械螺栓紧固 主极铁心 主磁极 励磁绕组他励、自励 直流电机 定子 补偿绕组 换向铁心 换向极 换向绕组 串联流过电枢电流 刷架 电刷 接触，串并联后引出电枢电流 换向器 换向片 连续封闭绕组 转子 电枢绕组 电枢 电枢铁心 机械耦合机电能量转换 转轴 主极磁场 电磁场作用产生电磁转矩，影响主极磁场分布 电枢磁场 气隙 补偿磁场 削弱电枢磁场对主极磁场分布的畸变 换向磁场 削弱电枢磁场对换向线圈的影响，改善换向 图1直流电机结构与功能 1
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第二十四讲 直流电机基本原理 重点：基本结构，励磁绕组连接方式，电枢反应，电动机与发电机运行状态 难点：电枢反应，状态转换，换向 问题：直流电机结构的特点是什么？直流电机电枢绕组内部导体电流和电势是直流吗？励磁绕组与 电枢绕组之间有哪些连接方式？直流电机主磁场与电枢反应磁场有什么区别？ 1、直流电机基本结构 直流电机是直流电能与机械能相互转换的装置，其基本结构包括定子、转子和两者之间的气隙。 定子包括定子磁轭、主磁极，刷架。通常主磁极采用厚钢板叠压而成，上面套装励磁绕组。对于小 功率永磁直流电机，磁极采用永磁体，不需要励磁绕组。对于大中型直流电机，为了消除电枢反应 对主极磁场的不对称影响，在主磁极铁心表面开槽，槽内安放补偿绕组；为了消除电枢反应对换向 线圈换向的影响，在主磁极之间安装换向极铁心和换向绕组。主磁极磁场是静止的。 转子上有电枢，换向器，转轴和冷却风扇。电枢是直流电机的关键部件，包括硅钢片叠压而成的铁 心和嵌放在铁心槽内的电枢绕组。电枢绕组产生的磁场也是静止的。每个线圈的引出端与换向器上 对应的换向片连接，换向片的数目等于线圈的个数，每个电枢槽内通常有多个线圈边，假设电枢铁 心有Z个槽，每个槽包含u个虚槽，那么实际线圈数等于uZ。换向片之间用云母绝缘，防止短路。安 装在转轴上的风扇对直流电机（电枢铜耗和铁耗，励磁绕组铜耗）起通风冷却作用。 直流电机 定子 转子 气隙 机座 主磁极 换向极 刷架 主极铁心 励磁绕组 补偿绕组 换向铁心 换向绕组 换向器 电枢 转轴 电刷 换向片 电枢绕组 电枢铁心 主极磁场 他励、自励 电枢磁场 补偿磁场 换向磁场 连续封闭绕组 接触，串并联后引出电枢电流 机械耦合机电能量转换 串联流过电枢电流 机械螺栓紧固 电磁场作用产生电磁转矩，影响主极磁场分布 削弱电枢磁场对主极磁场分布的畸变 削弱电枢磁场对换向线圈的影响，改善换向 图1 直流电机结构与功能
电机学课堂讲义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 电刷安装在刷架上的刷握内，通过弹簧片压紧与安装在转轴上的换向器形成良好接触。电刷在换向 器上的位置通常在位于几何中心线处线圈所对应的换向片上。但需要在负载试验中加以调整，以避 免产生换向火花。电枢绕组与外界的联系必须依靠电刷和换向器才能实现。由于电刷和换向器是机 械接触导电，因此电枢电流根据外界电压与电枢内部电势之差的正负可以双向流通，这一点是与电 力电子器件的单向导通性完全不同的。 2、电枢绕组结构 (1)电枢绕组形式 电枢绕组通常有叠绕组，波绕组和蛙绕组三种基本结构，绕组中每个线圈的形式如图2所示。 叠绕组的每个线圈形同六边形，其中产生 感应电势的两个线圈边通过相同的端部连 接，引出线与换向器上的相邻（单叠）或 相隔m个（复叠）换向片的铜排连接，这样 所有线圈沿电枢表面排列，各引出线对应 换向器上连续的换向片位置，构成一个或m (a (c) 个封闭的电枢绕组，称为单叠或复叠绕 图2电枢绕组线圈结构形式：(a)叠，(b)波，(cd)蛙 组。根据引出线是否交叉，叠绕组有左行和右行之别，左行叠绕组端部引线交叉，耗铜量较多，用 得比较少。叠绕组每个线圈可以有多匝串联，因此可以产生比较高的电压。叠绕组的并联支路数为 2m叩，多极电机可以产生较大的电枢电流，适用于低压大电流直流电机。因气隙磁场不均匀，或电刷 位置偏差，叠绕组多条支路电压可能出现不均匀，因此叠绕组需要采用甲种均压线，将相同电位的 换向片用铜线短接起来，但均压线对绕组电势没有贡献。V 波绕组的每个线圈形同波浪，其中产生感应电势的两个线圈边一端闭合，另一端开口作为引出线。 引出线与换向器上相距接近一对极的两个换向片的铜排连接，实际间距根据绕行方向确定，这样所 有线圈沿电枢表面排列，各引出线对应换向器上近一对极的两个换向片位置，也构成一个或个封闭 的电枢绕组，分别称为单波或复波绕组。根据引出线的跨距小于还是大于一对极距，波绕组又分为 左行和右行两种。波绕组的并联支路数为2m,与极对数无关，因此，常用于高压直流电机。单波绕 组对称，电压均匀，不需要采用均压线，复波绕组需要采用乙种均压线。 蛙绕组其实是叠绕组和波绕组的组合，每个线圈包含一个六边形叠线圈和一个波浪形波线圈，形状 如同青蛙而得名。四个引出线可以 在同侧，也可以在两侧。叠绕组每 励磁 个线圈可以多匝，容易形成高压感 电 m 电 电 应电势，波绕组具有均压功能。 一 r 枢 枢 枢 般地，蛙绕组有m个封闭的叠绕组 励磁 励磁 和mp个封闭的被绕组，电枢绕组 形成2mp+2mp=4mp条并联支路 (a) (b) (c) 数，m=称为单蛙，m>1称为复蛙 绕组。 串励 串励 mm° 电 m.mm 电 3、各绕组的连接方式 并励 枢 并励 枢 补偿绕组和换向极绕组产生的磁场 要根据电枢绕组电流变化而变化， 因此在设计过程中，补偿绕组和换 (d) (e) 向极绕组的电流等于电枢绕组的电 图3励磁绕组接线形式(a他励(b)并励(c串励(de)复励 2
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 电刷安装在刷架上的刷握内，通过弹簧片压紧与安装在转轴上的换向器形成良好接触。电刷在换向 器上的位置通常在位于几何中心线处线圈所对应的换向片上。但需要在负载试验中加以调整，以避 免产生换向火花。电枢绕组与外界的联系必须依靠电刷和换向器才能实现。由于电刷和换向器是机 械接触导电，因此电枢电流根据外界电压与电枢内部电势之差的正负可以双向流通，这一点是与电 力电子器件的单向导通性完全不同的。 2、电枢绕组结构 （1）电枢绕组形式 电枢绕组通常有叠绕组，波绕组和蛙绕组三种基本结构，绕组中每个线圈的形式如图2所示。 叠绕组的每个线圈形同六边形，其中产生 感应电势的两个线圈边通过相同的端部连 接，引出线与换向器上的相邻（单叠）或 相隔m个（复叠）换向片的铜排连接，这样 所有线圈沿电枢表面排列，各引出线对应 换向器上连续的换向片位置，构成一个或m 个封闭的电枢绕组，称为单叠或复叠绕 组。根据引出线是否交叉，叠绕组有左行和右行之别，左行叠绕组端部引线交叉，耗铜量较多，用 得比较少。叠绕组每个线圈可以有多匝串联，因此可以产生比较高的电压。叠绕组的并联支路数为 2mp，多极电机可以产生较大的电枢电流，适用于低压大电流直流电机。因气隙磁场不均匀，或电刷 位置偏差，叠绕组多条支路电压可能出现不均匀，因此叠绕组需要采用甲种均压线，将相同电位的 换向片用铜线短接起来，但均压线对绕组电势没有贡献。 波绕组的每个线圈形同波浪，其中产生感应电势的两个线圈边一端闭合，另一端开口作为引出线。 引出线与换向器上相距接近一对极的两个换向片的铜排连接，实际间距根据绕行方向确定，这样所 有线圈沿电枢表面排列，各引出线对应换向器上近一对极的两个换向片位置，也构成一个或m个封闭 的电枢绕组，分别称为单波或复波绕组。根据引出线的跨距小于还是大于一对极距，波绕组又分为 左行和右行两种。波绕组的并联支路数为2m，与极对数无关，因此，常用于高压直流电机。单波绕 组对称，电压均匀，不需要采用均压线，复波绕组需要采用乙种均压线。 蛙绕组其实是叠绕组和波绕组的组合，每个线圈包含一个六边形叠线圈和一个波浪形波线圈，形状 如同青蛙而得名。四个引出线可以 在同侧，也可以在两侧。叠绕组每 个线圈可以多匝，容易形成高压感 应电势，波绕组具有均压功能。一 般地，蛙绕组有m个封闭的叠绕组 和mp个封闭的波绕组，电枢绕组 形成2mp＋2mp＝4mp条并联支路 数，m=1称为单蛙，m>1称为复蛙 绕组。 3、各绕组的连接方式 补偿绕组和换向极绕组产生的磁场 要根据电枢绕组电流变化而变化， 因此在设计过程中，补偿绕组和换 向极绕组的电流等于电枢绕组的电 (a) (b) (c) (d) 图2 电枢绕组线圈结构形式：(a)叠，(b)波，(cd)蛙 (a) (b) (c) (d) 图3 励磁绕组接线形式(a)他励 (b)并励 (c)串励 (de)复励 励磁 电 枢 励磁 电 枢 励磁 电 枢 并励 电 枢 串励 并励 电 枢 串励 (e)
电机学课堂讲义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 流，它们是串联的。励磁绕组则根据需要有多种连接方式，如图3所示：(1)采用独立电源励磁， 称为他励直流电机：(2)与电枢绕组并联，称为并励直流电机：(3)与电枢绕组串联，称为串励 直流电机：(4)励磁绕组分成多匝数并励和少匝数串励两部分，并励绕组先与电枢绕组并联再与串 励绕组串联，构成短复励直流电机：(5)励磁绕组同样分成多匝数并励和少匝数串励两部分，串励 绕组先与电枢绕组串联再与并励绕组并联，构成长复励直流电机。对于复励直流电机，通常串励绕 组产生的磁场可以起助磁作用获得积复励性能，也可以起去磁作用，获得差复励性能。积复励直流 电机中，额定状态串励绕组助磁超过电枢反应去磁，称为过复励，串励绕组助磁正好抵消电枢反应 去磁称为平复励，串励绕组助磁弱于电枢反应去磁称为欠复励。复励直流电机一般以积复励为主。 4、直流电机磁场 (1)励磁磁场 励磁绕组流过电流时产生空间静止、对称的磁场（假设磁路结构对称），含有与转子匝链的主磁场 和只与励磁绕组匝链的漏磁场，如图4所示。由于气隙大小不均匀，主磁极中心位置气隙小，两边气 隙大，极间气隙在没有换向极情况下达到最大。磁极磁场主要从极靴经入气隙，再与转子电枢绕组 匝链，也存在励磁磁极极身和相邻磁极极间漏磁场。由于励磁电流是直流，在稳态条件下，漏磁场 对励磁电流没有影响，但对主磁极饱和有影响，设计时要尽可能减少漏磁。 气隙磁场分布基本上接近平顶波，由于转子电枢铁心齿槽、磁极补偿绕组齿 ☒ 槽引起气隙磁场出现均匀的凹陷。当转子高速旋转时，气隙主磁场在主磁极 表面会产生脉振磁场损耗，在电枢铁心内磁场以同步频率交变，因此也要产 生电枢铁心损耗。同时电枢绕组中产生感应电势，在主磁极下（直轴位置） ☒ 磁场最强，线圈边产生的感应电势最大，磁极两边气隙磁场逐渐减弱，磁极 极间感应电势较小，磁极极间中心位置（交轴位置）称为几何中心线，几何 中心线处线圈边产生的感应电势等于零。气隙磁场等于零的位置成为物理中 图4主磁场，极间 心线，当电枢电流等于零时几何中心线与物理中心线是重合的。没有补偿绕 和极身漏磁场 组时，物理中心线随电枢电流的大小发生小角度移动。 (2)电枢反应磁场 无论是外部电源输入电枢电流还是电枢旋转产生感应电势对外做功输出电流，电枢绕组都要产生磁 场，并对主磁极磁场产生影响，即直流电机电枢反应，如图5所示。尽管理论上直流电机电枢磁场与 主极磁场相互正交，属于交轴电枢反应，对主磁极磁场产生扭曲作用。主磁场扭曲的结果是一半极 靴助磁增强，而另一半极靴去磁削弱。由于磁极极靴磁场本身的饱和性，助磁增加的磁通比去磁减 少的磁通少，因此电枢反应在磁极饱和的条件下主磁场总体上仍然是去磁的。主磁场扭曲造成的另 一个后果是气隙磁场等于零的物理中性线偏离几何中心线。若电刷原来安放在几何中心线位置线圈 边对应的换向片位置，那么物理中心线移动，使得被电刷短路的线圈内感应电势增加，造成换向困 难，会产生火花和电磁波干扰，严重时甚至换向器产生环火，损坏整个换向器。 主磁场 电枢反应磁势 ☒ 发电机电枢反应磁场 电动机 合成磁场 图7补偿绕组和 图5电枢反应磁场 图6直流电机电枢反应对主磁场的影响 换向极绕组电流 3
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 流，它们是串联的。励磁绕组则根据需要有多种连接方式，如图3所示：（1）采用独立电源励磁， 称为他励直流电机；（2）与电枢绕组并联，称为并励直流电机；（3）与电枢绕组串联，称为串励 直流电机；（4）励磁绕组分成多匝数并励和少匝数串励两部分，并励绕组先与电枢绕组并联再与串 励绕组串联，构成短复励直流电机；（5）励磁绕组同样分成多匝数并励和少匝数串励两部分，串励 绕组先与电枢绕组串联再与并励绕组并联，构成长复励直流电机。对于复励直流电机，通常串励绕 组产生的磁场可以起助磁作用获得积复励性能，也可以起去磁作用，获得差复励性能。积复励直流 电机中，额定状态串励绕组助磁超过电枢反应去磁，称为过复励，串励绕组助磁正好抵消电枢反应 去磁称为平复励，串励绕组助磁弱于电枢反应去磁称为欠复励。复励直流电机一般以积复励为主。 4、直流电机磁场 （1）励磁磁场 励磁绕组流过电流时产生空间静止、对称的磁场（假设磁路结构对称），含有与转子匝链的主磁场 和只与励磁绕组匝链的漏磁场，如图4所示。由于气隙大小不均匀，主磁极中心位置气隙小，两边气 隙大，极间气隙在没有换向极情况下达到最大。磁极磁场主要从极靴经入气隙，再与转子电枢绕组 匝链，也存在励磁磁极极身和相邻磁极极间漏磁场。由于励磁电流是直流，在稳态条件下，漏磁场 对励磁电流没有影响，但对主磁极饱和有影响，设计时要尽可能减少漏磁。 气隙磁场分布基本上接近平顶波，由于转子电枢铁心齿槽、磁极补偿绕组齿 槽引起气隙磁场出现均匀的凹陷。当转子高速旋转时，气隙主磁场在主磁极 表面会产生脉振磁场损耗，在电枢铁心内磁场以同步频率交变，因此也要产 生电枢铁心损耗。同时电枢绕组中产生感应电势，在主磁极下（直轴位置） 磁场最强，线圈边产生的感应电势最大，磁极两边气隙磁场逐渐减弱，磁极 极间感应电势较小，磁极极间中心位置（交轴位置）称为几何中心线，几何 中心线处线圈边产生的感应电势等于零。气隙磁场等于零的位置成为物理中 心线，当电枢电流等于零时几何中心线与物理中心线是重合的。没有补偿绕 组时，物理中心线随电枢电流的大小发生小角度移动。 （2）电枢反应磁场 无论是外部电源输入电枢电流还是电枢旋转产生感应电势对外做功输出电流，电枢绕组都要产生磁 场，并对主磁极磁场产生影响，即直流电机电枢反应，如图5所示。尽管理论上直流电机电枢磁场与 主极磁场相互正交，属于交轴电枢反应，对主磁极磁场产生扭曲作用。主磁场扭曲的结果是一半极 靴助磁增强，而另一半极靴去磁削弱。由于磁极极靴磁场本身的饱和性，助磁增加的磁通比去磁减 少的磁通少，因此电枢反应在磁极饱和的条件下主磁场总体上仍然是去磁的。主磁场扭曲造成的另 一个后果是气隙磁场等于零的物理中性线偏离几何中心线。若电刷原来安放在几何中心线位置线圈 边对应的换向片位置，那么物理中心线移动，使得被电刷短路的线圈内感应电势增加，造成换向困 难，会产生火花和电磁波干扰，严重时甚至换向器产生环火，损坏整个换向器。 图4 主磁场，极间 和极身漏磁场 图5 电枢反应磁场 主磁场 电枢反应磁势 电枢反应磁场 合成磁场 发电机 电动机 图6 直流电机电枢反应对主磁场的影响 图7 补偿绕组和 换向极绕组电流
电机学课堂讲义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 根据图5磁极与电枢电流方向，沿圆周顺时针方向展开，画出磁极主磁场（磁感应线离开转子进入到 定子方向为正)、电枢反应磁势、电枢反应磁场和合成磁场，如图6所示。直流电机转子顺时针旋转 时，电枢绕组的感应电势方向与电枢电流方向相反，电枢电流产生的电磁转矩顺时针方向，与转向 一致，因此是电动机运行状态，电枢反应对主磁极是前极尖（电枢进入的极尖）起助磁作用，后极 尖（电枢离开的极尖）起去磁作用。如果转子逆时针旋转，那么电枢绕组感应电势方向与电枢电流 方向一致，电枢电流产生的电磁转矩顺时针方向，与转向相反，因此是发电机运行状态，电枢反应 对主磁极是前极尖（电枢进入的极尖）去磁，后极尖（电枢离开的极尖）助磁。 (3)补偿绕组磁场 补偿绕组与电枢绕组串联，因此补偿绕组的电流等于电枢绕组的电流，补偿绕组的匝数根据补偿要 求在直流电机设计时确定。在完全补偿的情况下，主极磁场将恢复对称分布。因此主磁极极面处补 偿绕组的电流与电枢电流反向，如图7所示。 (4)换向极绕组磁场 电枢绕组产生交轴磁场，正好位于几何中心线换向线圈边所在位置，因此交轴磁场在换向线圈内会 感应电势，造成换向困难。为了消除电枢反应磁场产生的感应电势对换向造成的危害，必须设法消 除电枢绕组在交轴位置及其附近的电枢磁场，为此增设换向极，安装换向极绕组，并且换向极绕组 与电枢绕组串联，使得任何电枢电流都能消除交轴磁场。换向极绕组产生的磁势等于电枢绕组产生 的交轴磁势，由此确定换向极绕组匝数。换向极绕组中的电流方向如图7所示。 补偿绕组在相邻主磁极之间连接形成同心式线圈结构，每个线圈与换向极绕组串联，然后将2p个串 联线圈依次串联，最后与电枢绕组串联。 5、直流电机工作原理 (1)独立励磁系统 无论是永磁励磁还是独立电源励磁，主极磁场都是独立的，因此可以认为直流电机己经具备一定的 磁场大小。当电枢绕组外接电源电压U,转子以转速旋转，那么可以计算电枢绕组的感应电势。 如果感应电势小于外接电源电压，那么电枢绕组从电源接受电流，电枢电流与感应电势方向相反， 直流电机从电源吸取电磁功率，转变成电磁转矩驱动负载，因此是电动机运行状态。 如果感应电势大于外接电源电压，那么电枢绕组向电源提供电流，电枢电流与感应电势方向相同， 直流电机向电源输送电磁功率， 输出的电功率由外部驱动机械克服电磁转矩做功引起的，因此是发 电机运行状态。 (2)并励发电系统 A、自励电压的建立 并励直流发电机要能正常发电，首先必须建立电压，而电压是电枢电流在外电路（励磁回路）上的 电压降落，因此并励直流发电机必须在转子旋转的条件下，能产生感应电势。第一个必要条件是直 流发电机必须有剩磁。其次，自励电压必须要达到足够大小，因此 剩磁产生的电势在回路中获得的电流对主磁极剩磁起助磁作用，第 Rferit R 二个必要条件是励磁线圈与电枢绕组的连接方式必须正确。最终自 励电压必须足够大且稳定。在端电压达到期望值之前，励磁电流产 生的感应电势必须大于励磁电流在励磁电阻上的电压降，使得正反 馈能不断进行下去，直到端电压达到期望值为止。第三个条件是， 励磁回路的电阻要小于空载励磁曲线的临界电阻。 图8给出了一定转速下，直流发电机励磁电流与励磁电势关系的空 0 →y 载特性曲线（粗黑线），同时画出了不同励磁回路电阻对应的励磁 图8空载特性和场阻线 电压随励磁电流变化的场阻线。当励磁回路电阻（励磁绕组电阻和 4
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 4 根据图5磁极与电枢电流方向，沿圆周顺时针方向展开，画出磁极主磁场（磁感应线离开转子进入到 定子方向为正）、电枢反应磁势、电枢反应磁场和合成磁场，如图6所示。直流电机转子顺时针旋转 时，电枢绕组的感应电势方向与电枢电流方向相反，电枢电流产生的电磁转矩顺时针方向，与转向 一致，因此是电动机运行状态，电枢反应对主磁极是前极尖（电枢进入的极尖）起助磁作用，后极 尖（电枢离开的极尖）起去磁作用。如果转子逆时针旋转，那么电枢绕组感应电势方向与电枢电流 方向一致，电枢电流产生的电磁转矩顺时针方向，与转向相反，因此是发电机运行状态，电枢反应 对主磁极是前极尖（电枢进入的极尖）去磁，后极尖（电枢离开的极尖）助磁。 （3）补偿绕组磁场 补偿绕组与电枢绕组串联，因此补偿绕组的电流等于电枢绕组的电流，补偿绕组的匝数根据补偿要 求在直流电机设计时确定。 在完全补偿的情况下，主极磁场将恢复对称分布。因此主磁极极面处补 偿绕组的电流与电枢电流反向，如图7所示。 （4）换向极绕组磁场 电枢绕组产生交轴磁场，正好位于几何中心线换向线圈边所在位置，因此交轴磁场在换向线圈内会 感应电势，造成换向困难。为了消除电枢反应磁场产生的感应电势对换向造成的危害，必须设法消 除电枢绕组在交轴位置及其附近的电枢磁场，为此增设换向极，安装换向极绕组，并且换向极绕组 与电枢绕组串联，使得任何电枢电流都能消除交轴磁场。换向极绕组产生的磁势等于电枢绕组产生 的交轴磁势，由此确定换向极绕组匝数。换向极绕组中的电流方向如图7所示。 补偿绕组在相邻主磁极之间连接形成同心式线圈结构，每个线圈与换向极绕组串联，然后将2p个串 联线圈依次串联，最后与电枢绕组串联。 5、直流电机工作原理 （1）独立励磁系统 无论是永磁励磁还是独立电源励磁，主极磁场都是独立的，因此可以认为直流电机已经具备一定的 磁场大小。当电枢绕组外接电源电压Ｕ，转子以转速n旋转，那么可以计算电枢绕组的感应电势。 如果感应电势小于外接电源电压，那么电枢绕组从电源接受电流，电枢电流与感应电势方向相反， 直流电机从电源吸取电磁功率，转变成电磁转矩驱动负载，因此是电动机运行状态。 如果感应电势大于外接电源电压，那么电枢绕组向电源提供电流，电枢电流与感应电势方向相同， 直流电机向电源输送电磁功率，输出的电功率由外部驱动机械克服电磁转矩做功引起的，因此是发 电机运行状态。 （2）并励发电系统 A、自励电压的建立 并励直流发电机要能正常发电，首先必须建立电压，而电压是电枢电流在外电路（励磁回路）上的 电压降落，因此并励直流发电机必须在转子旋转的条件下，能产生感应电势。第一个必要条件是直 流发电机必须有剩磁。其次，自励电压必须要达到足够大小，因此 剩磁产生的电势在回路中获得的电流对主磁极剩磁起助磁作用，第 二个必要条件是励磁线圈与电枢绕组的连接方式必须正确。最终自 励电压必须足够大且稳定。在端电压达到期望值之前，励磁电流产 生的感应电势必须大于励磁电流在励磁电阻上的电压降，使得正反 馈能不断进行下去，直到端电压达到期望值为止。第三个条件是， 励磁回路的电阻要小于空载励磁曲线的临界电阻。 图8给出了一定转速下，直流发电机励磁电流与励磁电势关系的空 载特性曲线（粗黑线），同时画出了不同励磁回路电阻对应的励磁 电压随励磁电流变化的场阻线。当励磁回路电阻（励磁绕组电阻和 if Rf Ef 0 Rfo Rfcrit 图8 空载特性和场阻线
电机学课堂讲义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 串联调节电阻之和)过大时，对应R的场阻线，斜率很大，在很小的感应电势下就达到稳定电压， 不能建立正常的自励过程：当励磁回路电阻较小时，对应R的场阻线，斜率较小，小于正常电压的励 磁曲线位于场阻线以上，这样，励磁电势始终大于励磁电压就能不断增大励磁电流，直到励磁电势 等于空载电压和电枢回路电阻压降之和，能顺利建立自励过程。当励磁回路电阻处在临界状态时， 对应R的场阻线，是励磁曲线斜率最大的点或者与场阻线相切的点。 B、发电机工作原理 并励直流发电机必须具备自励条件，才能进入正常的发电状态，一旦形成正常发电状态，励磁电流 根据电枢电压和励磁回路调节电阻确定，负载电流变化，通过调节励磁回路电阻，使得电枢电压保 持不变。在励磁回路电阻不变的情况下，负载电流增加，因电枢反应去磁和电枢回路电阻压降使得 电枢电压有所下降，形成下垂的曲线，并且电枢电流存在临界状态，即并励发电机励磁回路电阻不 变时，电枢电流不能临界值。这一特性将在并励发电机外特性中再进一步说明。 并励直流电机作为电动机运行时，与独立励磁系统没有区别。 (3)串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联，构成串励电动机，通常不作为发电机运行。 串励电动机的特点是改变电枢电流不改变电机转向，常用单相交流系统供电，称为通用直流电机。 串励电动机不能轻载运行，因为磁通很小，转速很高，出现“飞车”现象。 (4)复励直流电机 同时存在串励绕组和并励绕组，当串励绕组与并励绕组磁场叠加增强时，称为积复励：当串励绕组 削弱并励绕组磁场时称为差复励。如果积复励直流电机的串励绕组助磁作用超过电枢反应去磁，使 得负载电压高于空载电压，那么称为过复励：负载电压与空载电压相等则称为平复励：负载电压小 于空载电压，串励绕组助磁较电枢反应去磁要弱，则称为次复励。 复励电机兼有并励和串励的特点，得到广泛。 教学方法： 直流电机是直流电能与机械能相互转换的装置，其电磁转矩是由两个空间静止的磁场相互作用产生 的，因直流发电机能产生恒定的直流电压，直流电动机具有优良的调速性能，因此直流电机在船舶 电源，矿山牵引，钢厂轧机，纺织机械等领域仍得到广泛应用。 直流电机基本结构一一电枢绕组产生最大电势的绕组一一换向器与电刷位置一一电枢反应—一补偿 绕组一一换向问题 换向极绕组一 励磁绕组形式： 直流电机基本原理 励磁一一外部驱动 一转速 一电势 一负载—一电压电流—一电磁转矩—一发电机双端口： 励磁一一机械负载←—电枢电压—一电流—一电磁转矩——转速一一电势—一电动机双端口： 直流电机定子直流励磁产生静止磁场，转子电枢必须产生空间静止的磁场，因此，电枢在任何转速 下，电枢绕组电流或磁势的空间分布也只能是静止的，相同磁极极性下的电枢导体电流方向相同， 而不同磁极极性下的电流方向相反，线圈导体从一个磁极到另一个磁极运动过程中，电流必须改变 方向，这就是直流电机电枢电流的换向。换向过程是通过相同电刷或并联的不同电刷短路的导体间 进行的。因此，电枢绕组必须相互串联形成封闭的回路，同时每个线圈都连到换向器相应的换向片 上，电刷安放在适当的位置。由于线圈具有电感且可能存在磁场感应电势，因此换向过程可能产生 不希望的火花，必须采取措施消除电刷火花。 5
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 5 串联调节电阻之和）过大时，对应Rfo的场阻线，斜率很大，在很小的感应电势下就达到稳定电压， 不能建立正常的自励过程；当励磁回路电阻较小时，对应Rf的场阻线，斜率较小，小于正常电压的励 磁曲线位于场阻线以上，这样，励磁电势始终大于励磁电压就能不断增大励磁电流，直到励磁电势 等于空载电压和电枢回路电阻压降之和，能顺利建立自励过程。当励磁回路电阻处在临界状态时， 对应Rfcrit的场阻线，是励磁曲线斜率最大的点或者与场阻线相切的点。 B、发电机工作原理 并励直流发电机必须具备自励条件，才能进入正常的发电状态，一旦形成正常发电状态，励磁电流 根据电枢电压和励磁回路调节电阻确定，负载电流变化，通过调节励磁回路电阻，使得电枢电压保 持不变。在励磁回路电阻不变的情况下，负载电流增加，因电枢反应去磁和电枢回路电阻压降使得 电枢电压有所下降，形成下垂的曲线，并且电枢电流存在临界状态，即并励发电机励磁回路电阻不 变时，电枢电流不能临界值。这一特性将在并励发电机外特性中再进一步说明。 并励直流电机作为电动机运行时，与独立励磁系统没有区别。 （3）串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联，构成串励电动机，通常不作为发电机运行。 串励电动机的特点是改变电枢电流不改变电机转向，常用单相交流系统供电，称为通用直流电机。 串励电动机不能轻载运行，因为磁通很小，转速很高，出现“飞车”现象。 （4）复励直流电机 同时存在串励绕组和并励绕组，当串励绕组与并励绕组磁场叠加增强时，称为积复励；当串励绕组 削弱并励绕组磁场时称为差复励。如果积复励直流电机的串励绕组助磁作用超过电枢反应去磁，使 得负载电压高于空载电压，那么称为过复励；负载电压与空载电压相等则称为平复励；负载电压小 于空载电压，串励绕组助磁较电枢反应去磁要弱，则称为欠复励。 复励电机兼有并励和串励的特点，得到广泛。 教学方法： 直流电机是直流电能与机械能相互转换的装置，其电磁转矩是由两个空间静止的磁场相互作用产生 的，因直流发电机能产生恒定的直流电压，直流电动机具有优良的调速性能，因此直流电机在船舶 电源，矿山牵引，钢厂轧机，纺织机械等领域仍得到广泛应用。 直流电机基本结构——电枢绕组产生最大电势的绕组——换向器与电刷位置——电枢反应——补偿 绕组——换向问题——换向极绕组——励磁绕组形式； 直流电机基本原理 励磁——外部驱动——转速——电势——负载——电压电流——电磁转矩——发电机双端口； 励磁——机械负载——电枢电压——电流——电磁转矩——转速——电势——电动机双端口； 直流电机定子直流励磁产生静止磁场，转子电枢必须产生空间静止的磁场，因此，电枢在任何转速 下，电枢绕组电流或磁势的空间分布也只能是静止的，相同磁极极性下的电枢导体电流方向相同， 而不同磁极极性下的电流方向相反，线圈导体从一个磁极到另一个磁极运动过程中，电流必须改变 方向，这就是直流电机电枢电流的换向。换向过程是通过相同电刷或并联的不同电刷短路的导体间 进行的。因此，电枢绕组必须相互串联形成封闭的回路，同时每个线圈都连到换向器相应的换向片 上，电刷安放在适当的位置。由于线圈具有电感且可能存在磁场感应电势，因此换向过程可能产生 不希望的火花，必须采取措施消除电刷火花