第3章 直流电动机 3.1 直流电动机的结构原理 3.2 直流电动机的工作原理 3.3 直流电动机特性分析 3.4 直流电动机的控制技术

自学提示 了 解 熟 悉 掌 握 本章以直流电动机为主要内容，介绍其工作原理、机械特性、起动、调速、制动等。通过本章学习，要求： 直流电动机的结构组成、工作原理、直流电机的分类及用途，铭牌数据 。 熟 悉 各类直流电动机的运行情况、机械特性、换向问题及改善换向的方法。 掌 握 直流电机的机械特性分析方法，起动、制动、调速的控制原理。

与交流电机相比，直流电机的最大弱点就是存在电流的换向问题，消耗有色金属较多，结构复杂、成本高，运行中的检修和维护也比较困难。因此直流电机使用的广泛程度远比不上交流电机。作为直流电源的直流发电机虽已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解方面仍被继续使用。而直流电动机因为其调速性能较好、起动转矩较大，过载能力强，仍然得到对起动和调速要求较高的大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车及汽车拖拉机电路等场合的广泛应用。在控制系统中，直流测速电动机、直流伺服电动机的应用也非常广泛。

3.1 直流电动机的结构原理 直流电机是依据电磁感应原理及导体在磁场中受力这两条基本原理制造的。因此，从结构上看，任何电机都包括磁路和电路两部分。 3.1.1 直流电机的结构组成

直流电机结构组成图

小型直流电机剖面结构图

显然，直流电机主要结构有定子、转子两大部分组成。 1、定子 直流电机的定子包括： 主磁极的作用是产生气隙磁场。由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成，用螺钉固定在机座内壁。 机座既可用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。 换向极的作用是改善换向，换向极绕组套在换向极铁芯上，换向极的数目与主磁极相等。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座组成 ，其作用是引入或引出直流电压和直流电流。

2、转子 直流电机的转子包括： 转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。 电枢铁心是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。电枢铁心固定在转子支架或转轴上，沿铁心外圆均匀地分布有槽，在槽内嵌放电枢绕组。 电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。直流电机的电枢绕组是直流电机的主要电路部分。 换向器由许多换向片组成，换向片间用云母片绝缘，是直流电机的结构特征，其作用是机械整流。在直流电动机中，它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电流。

3.1.2 直流电动机的铭牌数据 每一台直流电机上面都有一块铭牌，上面标注各种额定 数据，说明该直流电机的型号、规格、性能，是用户合理 选择和正确使用直流电机的依据。

6.1.2 直流电机的铭牌数据 每台直流电机上面都有一块铭牌，铭牌数据是生产厂家根据国家标准要求，设计和试验所得的一组反映电机性能的主要数据。铭牌上标注有各种额定数据，说明该直流电机的型号、规格、性能，是用户合理选择和正确使用直流电机的依据。

1、额定功率 2、额定电压 3、额定电流 额定功率指直流电机按规定工作方式运行时，能向负载 提供的输出功率。直流电动机的额定功率是指电动机转轴 上输出的有效机械功率。单位为千瓦（kW）。 2、额定电压 指额定输出时电机接线端子间的电压。单位为伏【V】。 3、额定电流 指电机按照规定的工作方式运行时，电机绕组允许流过的 最大安全电流。单位为安【A】。

4、额定转速 指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，直流电机的旋转速度。单位为转/分【r/min】。 此外，直流电机的额定数据还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、额定温升、额定效率等。 额定值是选用或使用电机的主要依据，一般希望电机按额定值运行。但实际上，电机运行时的各种数据可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期过载运行将使电机过热，降低电机寿命甚至损坏；长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。两种情况都将降低电机的效率，都是不经济的。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。

例 解 一台Z252型直流电动机，已知其铭牌数据为： PN=13kW，UN=220V，ηN=0.86，nN=3000r/min。试求该直流电动机的P1N，IN和TN。 解 根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为 额定电流为 额定电磁转矩为

问题与思考 在直流电动机中，电枢所加电压已是直流，为什么还要加装换向器？如果直流电机没有换向器，还能转动吗？ 直流电机的定子都包含哪几部分？各部分作用如何？ 何谓直流电机的铭牌数据？其中的额定功率，是电功率还是机械功率？ 直流电机的转子都包含哪几部分？各部分作用如何？

3.2 直流电动机的工作原理 直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应的基础上。为了便于分析问题，我们把复杂的直流电机结构用下图所示的直流电动机简化模型来代替。 简化模型中，左右两极相当于直流电动机的工作主磁极，单匝线圈相当于直流电动机的电枢绕组，当电枢中通入直流电时，电动机就会转动。电枢转动方向可用左手定则判断。

3.2.1 直流电动机转动原理 转动原理归纳 N S A B i F 个引出端分别连在两个换向片 上，换向片上压着电刷A和B。 n F I U + _ 转动原理归纳 当直流电动机电枢绕组与直流电源连通时，根据左手定则 可判断出两个线圈有效边在磁场中所受电磁力的作用，两电 磁力对轴形成一个力矩，在电磁力矩的作用下，电枢便按顺 时针方向旋转起来。

直流电动机的工作原理动画演示

直流电动机中的反电动势 电动机电枢在磁场中转动时，电枢载流导体要与定子主磁极相切割，切割速度方向由电枢转动方向决定，如图示： 载流导体切割磁场感应电动势，感应电动势的电流方向可用右手定则判断： I v 显然，电动机电枢感应电动势的电流与电源提供的电枢电流方向总是相反的。因此，把电枢中产生的感应电动势称为反电动势，用Ea表示。

直流电动机的电磁转矩 直流电动机的电磁转矩T是驱动转矩，与机械负载的阻转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。电磁转矩公式： 式中KT是直流电动机的结构常数，Φ是每极下工作磁通，Ia是电枢电流。 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。例如当负载增加时，轴上的机械转矩增大，平衡被打破，动力矩小于阻力矩，电动机转速下降，转速下降导致切割速度减小，反电动势减小，则电枢电流增大，电磁转矩增大，直至达到新的平衡，电动机的转速重新稳定。

3.2.2 直流电动机的励磁方式 他励电动机 + + If Ia + Uf M E U _ Rf _ _ 直流电机的励磁方式是指直流电机励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。不同励磁方式的直流电机，其特性有很大差异。因此，励磁方式是选择直流电机的重要依据。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四种类型。 M Rf 他励电动机 他励电动机的励磁绕组由独立的直流电源供电，励磁电流If的大小只取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与直流电动机电枢电压的大小及负载无关。 Uf + _ If Ia + _ U + _ E 用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机。

M U Rf If + _ Ia E 并励电动机 并励电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数。所以并励绕组匝数多，导线较细。并励发电机电压建立的首要条件就是其磁极必须有剩磁。 M U R + _ Ia=If E 串励电动机 串励电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联，如图所示。 励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。

问题与思考 复励电动机 复励电机至少有两个励磁绕组，一个是串励绕组，另一个是并励或他励绕组。 + M U Rf If + _ Ia E 复励电动机 复励电机至少有两个励磁绕组，一个是串励绕组，另一个是并励或他励绕组。 并励绕组起主要作用，匝数多，导线细；串励绕组起辅助作用。匝数少，导线粗。 为什么说直流电动机中的感应电动势是反电动势？这个反电动势与发电机中的感应电动势有何不同？ 问题与思考 直流电动机的电枢绕组中通过的电流是直流吗？为什么？ 直流电动机有哪些励磁方式？应用得较多的有哪几种？

式中ΔU是直流电动机的电枢压降。对串励式直流电 3.3 直流电动机特性分析 3.3.1 直流电动机的运行特性 直流电动机的主要参数有电动机输出功率、电压、电枢 电流、转速、电磁转矩、输出转矩和效率等。电动机运行 特性即是指这些参数间的变化关系。电动机各参数之间的 关系可由电动势平衡方程式和转矩平衡方程式来确定。 1、电动势的平衡方程式 电动机稳定运行时的端电压应满足下面的关系式： 式中ΔU是直流电动机的电枢压降。对串励式直流电 动机来讲，电流流过电枢时，引起的电压降为：

2、转矩平衡方程 式中的Ra是电枢电路的铜耗电阻，Rm是磁系统电路的电 阻。对于永磁式直流电动机，则有： 电动机稳定运转情况下，电动机产生的电磁转矩为： 式中电磁转矩T是由通过电枢电路的电流与电动机总磁通量相互作用而产生的。式中CT为电机结构常数，电磁转矩与磁通量Φ及电枢电路上的电流Ia成正比。

空载电磁转矩T0是因电动机上的轴承、电刷和整流环 间的摩擦、电枢和磁系统的旋转以及铜损耗而形成的阻转 矩。空载阻转矩T0的数值可以用没有负载时的电动机功率 P0来计算。空载功率是能保持额定转速时的最低电压与电 流的乘积。 直流电动机的空载损耗P0很小，大约只是额定输出功率 的2%~3%，故空载阻转矩也为输出转矩的2%~3%。 直流电动机的输出转矩T2的大小取决于直流电动机拖动负载的大小。

3.3.2 直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是指时机的转速n与电磁转矩T之 间的关系，以常用的他励电动机为例，说明其机械特性。 3.3.2 直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是指时机的转速n与电磁转矩T之 间的关系，以常用的他励电动机为例，说明其机械特性。 他励直流电动机电枢中的反电动势为 直流电动机的转速：

若将电磁转矩公式代入上式即可得到电机转速另一形式 直流电动机的转速： 若将电磁转矩公式代入上式即可得到电机转速另一形式 其中的n0为空载转速，C是一常数，反映了电机特性曲线斜率。 T n TL n0 nN 图示他励直流电机的机械特性曲线是一条略向下倾斜的直线，这种机械特性称为硬特性。

并励电动机的机械特性通常认为和他励直流电动机的机械特性差别不大，都属于硬特性。 T n TL n0 nN 串励直流电动机的机械特性较软，因为串励直流电动机的励磁电流与电枢电流相同，当负载增大时励磁电流随之增大，磁通量与励磁电流成正比增大，电磁转矩变化也较大，其机械特性是一条随负载增大，转速下降很快的软特性。 如果串励电动机轻载或空载，转速将达很高，严重时还会造成飞车事故。因此，串励机不允许在空载或轻载下运行。 复励直流电动机的机械特性介于他励机和串励电动机之间。

例 一台并励直流电动机，已知其铭牌数据为：PN=15kW，UN=110V，ηN=0.83，nN=1800r/min，Ra=0.05Ω，Rf=25Ω。试求：该直流电机的额定电流IN，励磁电流If，电枢电流Ia，反电动势Ea及额定电磁转矩TN。 解 根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为 额定电流为 额定电磁转矩为

问题与思考 励磁电流为 电枢电流为 反电动势为 各种励磁方式不同的直流电动机，哪些属于硬特性？哪些属于软特性？ 何谓直流电动机的运行特性？何谓直流电机的机械特性？

3.4 直流电动机的控制技术 3.4.1 直流电动机的起动 1、直接起动 直流电动机作为驱动机械时，与交流电动机的情况类似，生产机械也有对起动、制动和调速性能的要求。他励机和并励机在拖动中应用得最为广泛，因此我们将以他励机或并励机为例介绍直流电动机的上述控制过程。 3.4.1 直流电动机的起动 1、直接起动 直接起动是在不采取任何限流措施的情况下，电枢绕组直接接额定电压的起动方法。直接起动瞬间，由于电机电枢转速n=0，所以把电动势Ea=0，则此时加额定电压时电枢的起动电流为：

2、电枢回路串电阻起动 由于电枢电阻的数值通常很小，此时起动电流可达额定 电流的10~20倍，超出额定电流这么多的起动电流可能在 换向器上产生火花而损坏换向器，因此是不允许的。 起动转矩正比于起动电流，所以直接起动时其起动转矩 也很大，电动机的转轴在直接起动时会受到较大的机械冲 击作用，可能造成机械性损伤。因此，直接起动方法只允 许用于容量很小的直流电动机中。 2、电枢回路串电阻起动 为了限制起动电流，可在电枢回路中串入适当的限流电 阻Rst。这时刚一起动瞬间的电流为： 在起动过程中，随着电动机转速的不断升高，可逐渐切 除起动电阻，直到正常运行状态时全部切除。

3、降压起动 直流电动机在有可调电源的情况下，也可以采用降压起动，以限制起动电流。随着转速的升高，电压也随之调高，直到额定电压下稳定运行。这种方法大多用于直流发电机—电动机组。其优点是起动电流小，可平滑起动，能耗低。 3.4.2 直流电动机的反转 要改变直流电动机的旋转方向，必须改变电磁转矩的方 向，由可知，电磁转矩的方向由主磁通和电枢电流共同决 定，只要其中任意一项改变方向，都能使电磁转矩反向， 电动机反转。 由于直流电动机的励磁绕组电感较大，换接时会产生很 高的自感电压，造成操作的极不安全。因此在实际使用中 通常采用的方法是改变电枢电流达到反转目的。

3.4.3 直流电动机的调速 Ea＝Cen T＝CTIa 根据公式 U＝E+IaRa 1、调： 调速过程 ↘E↘Ia↗T（Ia的影响大于）↗n↗E↗ 只能升速，适合恒功率负载，需用调磁电动机。 2、调U： 调速过程 U↘Ia↘T↘n↘E↘Ia↗T↗ 调速幅度大、性能好，应用较广的调速方法。 调压采用晶闸管可控整流电路。

3.4.4 直流电动机的制动 1、能耗制动 运行时与电源连接；制动时连接电阻RB。 制动转矩和转速n方向相反。 能耗制动，就是在制动时让电枢绕组从电网中断开，并立即接到一个制动电阻上。此时电动机励磁不变，电动机因惯性继续旋转，并在电枢绕组中感应电动势，感应电动势的电流向制动电阻反向供电，产生反向的电磁转矩为制动转矩。在整个制动过程中，电动机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电机停止转动为止，故称为能耗制动。

2、反接制动 反接制动 倒拉反接制动 所谓反接制动，就是在电动机制动时，电枢电压反向接在电枢两端，使其与反电动势同向，在电枢中就会立即产生很大的反向电流与相反的制动转矩，从而使电动机迅速停车。

3、回馈制动 在起重机下放重物、电动机车下坡等场合，电动机的转速可能超过理想空载转速，此时电枢的反电动势增高而大于电枢端电压，造成电枢电流的反向，使电动机进入发电状态运行，发电状态下的电磁转矩成为制动转矩，限制转速的继续升高。这时电动机将负载的动能转换成电能回送给电网，因此称之为回馈制动。回馈制动方法经济性较好。

3.4.5 直流电动机的常见故障处理 1、换向故障 换向火花是电刷与换向器间的电弧放电现象，是换向不良的明显标志。微小火花不会损坏电动机，火花严重时能造成电枢绕组部分或全部短路而损坏电动机。产生火花的原因通常可分为三类：电磁原因、机械原因和负载与环境原因。 环火是恶性事故，出现环火时，正、负极电刷之间有电弧飞越，换向器表面出现一圈弧光，此时电弧的高温和具有的能量不仅会严重损坏换向器和电刷，不会造成电枢电路的短路，严重时还会危及操作和维修的人员安全。 处理这类问题的方法：更换换向片间绝缘；注意维修保养，保持清洁；清除短路、开焊和过电压；改善换向。

2、绕组故障与原因 运行时绕组常见故障有：绕组过热、匝间短路、接地、绝缘电阻下降以及极性接错等。 造成这些故障的原因是： ①绕组过热的主要原因是通风散热不良；过载或匝间短路。 ②匝间短路的主要原因常因绝缘老化引起 ；长期过载运行；过电压以及受到冲撞损坏使匝间绝缘受损。 ③定子绕组接地的原因主要由绝缘受损；线圈、铁心等槽口的尖毛刺对地击穿；绕组受潮绝缘电阻过低等。 ④绝缘电阻下降的主要原因是绕组绝缘受潮；绝缘表面积有粉尘、油污；化学腐蚀气体影响等。 ⑤励磁绕组极性接错，使电动机的电磁转矩减小，造成起动困难。换向极绕组极性错接，会造成换向困难，换向火化大。

问题与思考 何谓直流电动机的制动？起重机中常采用哪种制动方法？ 直流电动机的起动方法中，最常用的起动方法是什么？ 调速和电动机的速度变化是否同一个概念？ 直流电动机的常见故障有哪些？其中换向故障又包括哪些？ 直流电动机的调速性能和交流电动机相比如何？共有哪几种调速方法？

END 谢谢大家！