第三章 直流电机的工作原理及特性 直流电动机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵,维护维修也较困难。 近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。 尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。 因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需频繁正、反转和启、停，多单元同步协调运转的生产机械等。

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 直流电机包括静止的和转动的两大部分，静止部分称为定子，转动部分就是转子，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(以后称为气隙)。 定子的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。 转子(通常称为电枢)的作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。

直流电机的剖面 主磁极 励磁绕组 机座 换向极 电枢绕组 换向极绕组 电枢铁心

1. 主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。 主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极掌，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。 主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。

2. 换向极 换向极绕组 换向极铁心 换向极，又称附加极或间极，是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向性能。换向极结构和主磁极类似。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组与电枢绕组串联。

3．机座 机座通常由铸钢或厚钢板焊成。 它有两个作用： 一个是用来固定主磁极、换向极和端盖； 另一个作用是作为磁路的一部分。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。

4. 电枢铁心 电枢铁心既是主磁通的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用硅钢片叠压夹紧而成。

直流电机电枢

5. 换向器 换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片(即换向片)组成，如图所示。 换向器的作用：对于直流电动机，它将外加的直流电动势逆变成电枢绕组的交流电流，以产生恒定的电磁转矩。

6．电刷装置 电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷由石墨制成，放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间都绝缘。刷架装在端盖或轴承内盖上，调整位置以后，将它固定。

现将国产直流电动机系列简介如下: 一.Z型系列 Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风保护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度低的场所。 二.Z2型系列 它是Z型系列的改进型,也上保护式。调速范围可达3比1，即可超过额定转速的一倍。 三.ZO型系列 这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。 四.ZD型系列 主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型机床、卷扬机、起重设备。 五.ZQD型系列 它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。

直流电动机的型号 以Z2-31型电机为例： Z2系列是一般用途的中小型直流电动机，共分11个机座号，每个机座号有二种铁心长度，功率范围为0.4～200kW；转速范围600～3000r/min。

直流电机的额定值主要有： 1. 额定功率 PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。若大于 1KW 或 1MW 时,则用 KW 或 MW 表示。 2. 额定电压 UN： 指额定状态下电枢出线端的电压，以 V为量纲单位。 3. 额定电流 IN： 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 A为量纲单位。

4. 额定转速 nN： 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。 5. 额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励磁电流值。 注意: 对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即 PN＝μUN × IN

二、直流电机的基本工作原理 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电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，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。 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，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。

2—电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。 3—电刷 4—换向片 5—换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。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，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。

发电机原理：将机械能转换为电能。 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（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。

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T及空载损耗转矩T0相平衡。 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TL及空载损耗转矩T0相平衡。

三、电动势和电磁转矩 1. 电动势E 根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为: 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——与电机结构有关的常数。 直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。 直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。

2．电磁转矩TM 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： 式中：T——电磁转矩（N·m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke

电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 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转速与电磁转矩之间的关系。 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。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 M E Ia Ra Uf If Rf T n U I

E Ia Ra Uf If Rf T n U I 电枢回路部分 励磁回路部分 式中: ——外加电枢电压（V）； ——感应电势（V）； M E Ia Ra Uf If Rf T n U I 电枢回路部分 励磁回路部分 式中: ——外加电枢电压（V）； ——感应电势（V）； ——电枢电流（A）； ——电枢回路内阻（Ω）

∵ ∴ 即： ……转速特性 ……机械特性 △n n n0 nN TN △T T 由他励电动机的特性可知：励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时, If为定值，即磁通为定值。

T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。 1. 理想空载转速： 理想空载点 △n n n0 nN TN △T T 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： 2. 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，其定义为：

即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。 △n n n0 nN TN △T T 即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。 根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。 （1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10

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UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T) 即: 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)即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额定电流IN和额定转速 nN。

直流电动机的固有机械特性的计算 分析： （1）已知PN、UN、IN、nN,机械特性是一条直线 （2）只需知道直线上两点(0, n0)、(TN, nN) （3）因此只需求出 n0和TN （4）因n0＝UN/(KeΦN)，所以需求出KeΦN （5）TN＝9.55PN/nN 具体计算步骤如下：

依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的50%～75%。 式中： 是额定运行条件下电动机的效率，且此时 故得

(2) 求 额定运行条件下的反电势为： 故 (3) 求理想空载转速: 得 (4) 求额定转矩: 得 根据 两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线

Ф 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 M E Ia Ra U If Uf Ф Rad T n0 n Rad=0 Rad1 Rad2 Rad1< Rad2 电压平衡方程式为： 得到的人为机械特性方程式为：

Ф 空载速度不变； 随着电阻的增加，转速降落增加； 特性变软 n Rad n0 If Ia Uf U M E Ra T Rad=0 Rad1 T n0 n Rad=0 Rad1 Rad2 Rad1< Rad1

由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。 2. 改变电枢电压U时的人为特性 空载速度随着U的减小而减小； 转速降落不变； 特性硬度不变 T n0 n UN UN > U1 > U2 > U3 n01 U1 n02 U2 n03 U3 由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。

3．改变磁通 时的人为特性 理想空载转速随磁通的改变而变化； 转速降随磁通的改变而变化。 特性变软 n n03 n02 n01 n0 T T n0 ФN> Ф1 > Ф2 > Ф3 n01 n02 n03 Tst3 ФN Ф1 Ф2 Ф3 Tst2 Tst1 Tst

由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后： （1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载； （2）当＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常称为“飞车”； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。

3．3 直流他励电动机的启动特性 一、启动特性 电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。 对直流电动机而言，在未启动之前n=0 , E=0, 而Ra一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为： 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（10～20）倍。过大的启动电流危害很大： （1） 对电动机本身的影响： • 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子； • 过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏；

（2） 对机械系统的影响： 与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏； （3）对供电电网的影响： 过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。 因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.5～2倍。

二、启动方法 限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。 1. 降压启动： 所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。 2. 电枢回路串电阻启动 启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。

电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示： 直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流为额定值的两倍。

电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性1上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，KM闭合，电动机的机械特性变为2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从a点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点c。

从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到b点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻的方法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。 图中： －尖峰（最大）转矩； －换接（最小）转矩

(1) 电枢接入电网时，KM1、KM2和KM3均断开，电枢回路串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线a，在转矩 T1的作用下，转速沿曲线a上升；

(2) 当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即切除电阻R3 ，此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换到3，速度又沿着曲线b继续上升；

(3) 当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同时闭合，即切除电阻 R2、R3， 此时电枢回路串外加电阻 Rad1=R1，电动机的机械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由4切换到5，速度又沿着曲线c继续上升；

(4) 当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同时闭合，即切除电阻R1、 R2 、 R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由6切换到7，速度又沿着曲线d继续上升直到稳定工作点8。

由上可见，启动级数愈多， T1、 T2愈与平均转矩 接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（3～4）段。 多级启动时， T1、 T2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流I1 ）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流I2 ）也基本相同，一般选择：

3．4 直流他励电动机的调速特性 一、速度调节和速度变化 调速（又称速度调节）与速度变化是两个完全不同的概念 电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。 转速的改变是人为改变（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称调速或速度调节。

速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。 总之，速度变化是在某条机械特性上，由于负载改变而引起的；而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。

二、调速方法 下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。 从直流他励电动机机械特性方程式 可知：改变串入电枢回路的电阻Rad ；改变电枢供电电压U或主磁通，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。

1、改变电枢电路外串电阻 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机械特性。 从特性可看出，在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，可以分别得到稳定工作点A、C、D和E，对应的转速为nA、 nB、 nC、 nD。

改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： • 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； • 在空载或轻载时，调速范围不大； • 实现无级调速困难； • 在调速电阻上消耗大量电能等。 正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。

2．改变电动机电枢供电电压U 如图所示特性为改变电枢供电电压U调速的特性： 从特性可看出，在一定的负载转矩TL下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压分别为 UN、 U1、 U2、 U3的情况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和d，对应的转速为na、 nb、 nc、 nd。即改变电枢电压可以达到调速的目的。

改变电枢外加电压调速有如下特点： 1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节， 一般只能在额定转速以下调节； 2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大； 3）调速时，因电枢电流与电压U无关，且= N，转矩 T=Kt N Ia不变，属于有恒转矩调速。 调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速； 4）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。

3．改变电动机主磁通 如图所示曲线为改变电动机主磁通 调速的特性： 从特性可看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通 N、  1、  2、 ，可以得到不同的转速 na、 nb、 nc。 即改变主磁通可以达到调速的目的。

改变电动机主磁通特点： 1）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节； 2）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机”，调速范围可以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大得多； 3）调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变时，电动机的输出功率P=UIa电动机的输出功率不变。 在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。

3．5 直流他励电动机的制动特性 1．制动与启动 启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态； 制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。 2. 制动与自然停车 1）自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。这种停车过程需时较长，不能满足生产机械快速停车的要求； 2）制动：外加阻力转矩使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。

电动机的作用是将电能转换机械能。故称这种状态为电动状态。 3. 电动机的两种工作状态 1) 电动状态： 为拖动转矩 为阻转矩 电动机的作用是将电能转换机械能。故称这种状态为电动状态。 M G Uf T V n U M G Uf T V n U 2）制动状态： 为阻转矩 为拖动转矩 电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的这种工作状态为制动状态。

一、反馈制动 特点： 1）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空载转速； 2）电动机输出转矩的作用方向与n的方向相反。 1．电车走下坡路时的反馈制动 设电车与地面的摩擦转矩为Tr ，阻转矩；下坡时电车所产生的位能转矩为Tp，拖动转矩；且 Tp>Tr ，前进时速度n 为正。 电车由直流电动机拖动，机械特性如图所示：

匀速走平路时（a点）：输出转矩TM用来克服负载转矩Tr 。 在a—n0段：TM与n的方向相同，故为电动状态。 在n0—b段：TM与n的方向相反，且电机转速大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。

2．电枢电压突然下降时的反馈制动 设当电动机的电枢外加电压为U1和U2，且 U1>U2时的机械特性如图所示： 若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TL<0 ，电动机的转速在TM、TL的共同的作用下沿着曲线2下降直到新的平衡点D。 在B—C段，转速n与转矩TM的方向相反，运行速度大于空载转速n02，故为反馈制动状态。

二、反接制动 反接制动具有如下特点： 1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同； 2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。 在反接制动中，把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。

1．电源反接制动 设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。 当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特性为:

当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为: 其特性曲线分别如图（b）中的曲线1和曲线2所示。

a点：当电动机稳速运行在第一象限中特性曲线1的a点时： n>0，Tm>0——电动状态 b—c段： n>0，Tm<0——反接制动状态。

注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流 ，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。 电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。

2．倒拉反接制动 电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。 现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线3所示。

a点：重物匀速上升。 Tm>0，n>0，电动机工作在电动状态。 c—d段：Tm>0，n>0，电动机工作在电动状态。 由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。

d—b段：当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。 电动机在d—b段： Tm>0，n<0，电动机工作在制动状态。 常称这种制动状态为倒拉制动状态。

三、能耗制动 当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到b点。 b—o段：Tm<0，n>0，能耗制动。 电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。