第五章直流電機第五章直流電機第五章小結§5-1直流電機的工作原理和結構特點§5-2直流電機的勵磁方式和運行特性§5-3無刷直流電動機概述

直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起動轉矩較大，因此，對調速要求較高的生產機械或者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動機驅動。直流電機的優點：(1)調速性能好,調速范圍廣,易于平滑調節。

(2)起動、制動轉矩大,易于快速起動、停車。

(3)易于控制。應用：(1)軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機以及起重設備等調速范圍大的大型設備。

(2)用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。§5-1直流電機的工作原理和結構特點

本節的主要內容有三部分：構造：主要點：主要組成及作用，如換相器等。銘牌數據：參數個數、數據含義。勵磁方式：種類。

直流電機模型：磁極、線圈、電刷和換向片。5.1.1直流電機(directcurrentmotor)的工作原理

電樞轉子感應電動勢：電樞轉子由原動機拖動旋轉，電樞線圈切割N、S極磁場，線圈每個邊導體中產生感應電動勢（方向根據右手定則判斷）。

換向：轉子轉過180o后，線圈邊接觸的電刷更換而線圈邊所處位置的磁極極性也變了。因此，線圈邊感應的電動勢方向變反，但電刷極性卻不變。

結論：線圈感應電動勢和流過電流都是交流，而電刷兩端電壓和電刷導出電流卻都是直流的。電刷與換向器配合是起“機械整流器”作用。電磁力F=BlI——電磁轉矩——反轉矩

直流發電機(directcurrentgenerator)工作原理

轉子的轉動：電樞繞組通入直流電流在定子磁場的作用下，受力產生轉矩，轉子轉動。轉動方向由左手定則判斷。換向：轉子轉過180o后，線圈邊接觸電刷更換而線圈邊所處位置磁極極性也變了。因此，線圈流過電流方向變反，線圈邊產生的轉矩方向也變反。轉子轉動后線圈感應電動勢與電源電壓平衡。結論：電源電壓是直流的，線圈感應電動勢和流過電流卻都是交流，而產生電磁轉矩方向不變。

直流發電機(directcurrentgenerator)工作原理直流電動機的基本工作原理IU–+SbNacd

直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯接，無論線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力（左手定則）按順時針方向旋轉。U–+U–+電刷換向片IFFTn換向器作用：將外部直流電轉換成內部的交流電，以保持轉矩方向不變。直流電動機的基本工作原理IU–+SbNacdU–+U–+IFFTnEE

線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。

由圖可知，電樞感應電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。直流電動機的基本工作原理電刷換向片

直流電機的電樞繞組和電刷的正確位置

直流電機的電樞繞組：電刷的正確位置：這兩點與電機結構有關，放在下一小節中介紹。5.1.2直流電機的構造

基本組成：定子和轉子兩大部分。定子：主磁極、換向極、電刷裝置和機座等。轉子：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。直流電動機的構造極掌極心勵磁繞組機座轉子直流電動機的磁極和磁路

直流電機由定子(磁極)、轉子(電樞)和機座等部分構成。SN++++N+++++S+++2.轉子(電樞，armature)

由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。1.磁極永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁：磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：單個繞組元件組成。用來在電機中產生磁場。

解剖示意圖(自畫)風葉磁極電刷電樞轉子轉軸換向器換向片壓緊環電樞繞組繞組端部結構細說注：書P.69.圖5-5的電機是較大型的電機，其電樞繞組中間開有通風槽。換向器

定子結構（主要掌握作用）

主磁極：主極鐵心由薄鋼板沖片疊成，用螺栓固定在機座上，其上套有勵磁繞組。勵磁繞組中通入直流勵磁電流產生主磁場。——參見“示意圖”。換向極：其鐵心尺寸比主極小，也用螺釘固定在機座上；在定子機座圓周上的安裝位置與主磁極相間分布。換向極用于改善換向，減少因電磁原因而引起的電刷火花。機座：是直流電機的固定支撐和防護部件，又是磁路的一部分。機座通常是由鑄鋼制成。

主磁極

結構示意圖截面圖

定子結構（續）（主要掌握作用）

電刷裝置組成：刷架、刷桿、刷握、炭刷及壓緊彈簧等。安裝位置：中小型電機刷架裝在端蓋，或軸承內蓋上，大中型電機刷桿座固定在機座上。電刷裝置則裝在刷架的刷桿上。接線：多對磁極、多對電刷的直流電機，正、負電刷分別并聯在一起，然后只引出兩個接線端到接線盒上。定子結構

兩種刷握結構

轉子結構（主要掌握作用）

電樞鐵心：電樞鐵心是磁路的一部分，由固定在轉軸上的硅鋼片疊成。鐵心圓周上有均勻分布的槽，槽內用于嵌放電樞繞組。電樞繞組：電樞繞組由絕緣銅線繞制而成，用以產生電動勢和通過電流，是實現機電能量轉換的重要部件。各繞組線圈的兩個出線端按一定的規律焊接到換向器片上，形成一閉合回路。換向器：又稱為“銅頭”，主要由銅質換向片組成其作用是與電刷配合起“機械整流器”的作用。轉子結構轉子剖面圖

換向器

電樞繞組

電樞繞組的實質

直流電機的電樞繞組是一個閉合回路：——見書P.67，“實際采用分布式線圈結構，每個線圈有兩個邊，分別置于相距一個磁極極距位置的槽內，即這些線圈沿電樞鐵心圓周均勻分布，并通過相應數量的換向片依次串聯構成一個閉合回路。”被電刷分割成幾個支路并聯，引接到外部電路。隨著轉子的轉動，電刷接觸不同的換向片，每個繞組元件將從一個支路換接到其它支路去（即換向）。但某個磁極作用下的元件，固定與一對電刷連接。——參見下頁的“電樞繞組并聯支路圖”。

電樞繞組支路圖

電樞繞組（展開圖）另一半電樞繞組也構成另外一條支路。不管電樞如何轉動，一條支路中繞組感應總電勢大小基本不變（微小脈動）。

電刷的正確位置

原則：電刷正確位置的原則是，使正負電刷間能獲得最大電動勢。——即，應將位于磁場幾何中心線的元件短接。——參見“展開圖”。展開圖的畫法：元件幾何形狀對稱時，電刷與磁極的軸線重合。原理示意圖的畫法：原理示意圖的繪制原則是盡量簡單，每個元件只畫出上層邊，用一個“○”表示。此時的電刷就與“位于磁場幾何中心線”的元件直接接觸（畫在其旁邊）。也就是電刷就不能再畫在磁極的軸線上了。——書P.68，圖5-4。

電刷位置在展開圖上的位置在原理示意圖上的位置

原則：都是將幾中線上的元件短接。若不在→反電動勢→E下降→火花。電樞反應——去磁或增磁——電壓和轉速5.1.3直流電機的額定值

在直流電機外殼的銘牌上，給出了直流電機的型號和額定運行時各物理量的數值。額定值主要有：額定功率(kW)：指額定狀態下，發電機輸出功率Pn=UnIn或電動機軸上輸出功率Pn=UnInn

；額定電流(A)/額定電壓(V)：指額定狀態下，發電機輸出的或電動機輸入的額定電流I/額定電壓U；其它：額定轉速(r/min)；勵磁方式及額定勵磁電流If(A)；絕緣等級和溫升、工作制和使用條件等。1.額定功率PN：電機軸上輸出的機械功率。2.額定電壓UN：額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）3.額定電流IN：額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。三者關系：PN=UNIN（：效率）直流電動機的額定值4.額定轉速nN：在PN,UN,IN

時的轉速。直流電機的轉速一般在500r/min

以上。特殊的直流電機轉速可以做到很低（如每分鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上）。注意：調速時對于沒有調速要求的電機，最大轉速不能超過1.2nN

。直流電動機的額定值(3)恒功率負載（P一定時，T和n

成反比)，要選軟特性電機拖動。如：電氣機車等。直流電動機特性類型的選擇：(1)恒轉矩的生產機械（TL一定，和轉速無關）要選硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。(2)通風機械負載，機械負載TL

和轉速n的平方成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。

直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組各兩個，可通過標出的字符和繞組電阻的大小區別。電動機的連接：他勵(并勵)電機的勵磁繞組的阻值有幾百歐姆。串勵電機的勵磁繞組的阻值與電樞繞組的相當。(1)繞組的阻值范圍電樞繞組的阻值在零點幾歐姆到1~2歐姆。（2）繞組的符號S1T1B1C1H1

BC1Q1S2T2B2C2H2

BC2Q2電樞繞組他勵繞組并勵繞組串勵繞組換向極繞組補償繞組起動繞組始端繞組名稱末端

直流電機工作原理（電樞兩端電壓、電流和電動勢都是直流的，元件的電流與電動勢則都是交流的）；組成結構（主要理解各個部件的作用）；額定參數（額定功率是指輸出功率）。第一節要點§5-2直流電機的勵磁方式和運行特性

本節的主要內容有五部分直流電機的勵磁方式直流電機的基本理論直流發電機的運行特性直流電動機的運行特性直流電機的電樞反應和換向

復勵：⑴從磁通疊加效果看有：積復勵、差復勵；⑵從繞組連接情況看有：長復勵、短復勵。

積復勵又分為：平復勵、過復勵、欠復勵。注意：一般情況下，直流電動機不采用差復勵，發電機不采用串勵。5.2.1直流電機的勵磁方式基本勵磁方式：根據勵磁繞組與電樞繞組連接情況分，有他勵、并勵、串勵和復勵等4種。1.他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。以電動機為例

直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機。UUfIaM+_+_If他勵IaUM+_If+_IE并勵2.并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯，由一個直流電源供電。3.串勵電動機勵磁線圈與轉子電樞串聯接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復勵U+_IMIa4.復勵電動機勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在同一電源上。5.2.2直流電機的基本理論

兩種運行狀態：發電機和電動機。只要轉子轉動，電樞繞組都會感應電勢；只要電樞繞組有電流流過。都會產生電磁轉矩。——公式：P.70-71，5-1/5-2。發電機：Ia與E0同向（∵Ia是E0產生的），T與n反向（∵原動機要克服T才有n）。電動機：Ia與E0反向（∵E0要平衡U，才不會使Ia太大），T與n同向（∵有T轉子才動，才有n）。電磁功率：P=T=E0Ia

，T是機械功率，E0Ia是電功率。機電轉換前后功率相等。IU–+SbNacdU–+U–+電刷換向片IFFTnEE

線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。（發電機不同）CE:

與電機結構有關的常數n:

電動機轉速：磁通1.電樞感應電動勢E=CEnIU–+SbNacdU–+U–+電刷換向片IFFTnEE

由圖可知，電樞感應電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。（發電機不同）式中：U—外加電壓

Ra

—繞組電阻2.電樞回路電壓平衡式–RaIaE+–+UMCT:

與電機結構有關的常數:

線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3.電磁轉矩單位:(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)

直流電動機電樞繞組中的電流（電樞電流Ia）與磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，直流電機的電磁轉矩公式為（D---拖動轉矩、F---制動轉矩）T=CT

Ia4.轉矩平衡關系

電動機的電磁轉矩T為驅動轉矩，它使電樞轉動。在電機運行時，電磁轉矩必須和機械負載轉矩及空載損耗轉矩相平衡，即

當電動機軸上的機械負載發生變化時，通過電動機轉速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉矩將自動調整，以適應負載的變化，保持新的平衡。轉矩平衡過程：T2:機械負載轉矩T0:空載轉矩例：設外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調整過程為達到新的平衡點（Ia

、P入）。T2nIa

T

E發電機：P1=P2+P5.2.3直流發電機的運行特性

空載特性：條件：I=0，n=nN。特性：E0=f（If）。實質：——磁化曲線。與同步發電機相似，也是電機磁路的磁化曲線。空載特性：1、與勵磁方式無關。

2、剩磁電壓2%5%Ue。

3、改變勵磁電流，可調發電機的電壓。E=CEn

過程：轉子轉動，依靠剩磁可產生很小的剩磁電壓，如果接線正確，流過勵磁繞組的微小勵磁產生的磁通方向與剩磁磁通方向相同，電樞繞組感應的電勢增強，于是出現正反饋，如果勵磁回路電阻足夠小，正反饋的作用將繼續下去，直到磁路飽和，電勢穩定在一個確定的數值上。

自勵起壓過程以并激機為例：紅線以并激機為例條件：1.有剩磁（若無，應可充磁）

2.接線正確（勵磁與剩磁同向）

3.場阻線與空載特性有一個確定的交點（勵磁電路電阻適當——不太大）。

外特性(external)他勵和并勵特性：他勵的勵磁電流If與Ia沒有關系，并勵則隨端電壓下降有所減小。——P.73，圖5-11。復勵特性：∵有復勵繞組，根據兩個磁通方向是否相同及相同磁通時補償情況有所不同（差復勵如直流電焊機）——P.73，圖5-12。重新解釋：——直流發電機不用串勵的原因。5.2.4直流電動機的運行特性

勵磁方式：直流電動機的勵磁方式有并勵(parallelexcitation)、串勵(seriesexcitation)、復勵(Phasecompoundexcitation)三種。因為他勵與并勵沒有什么區別，都由外部電源提供，因此統統歸為“并勵”。——書P.74，圖5-13。直流電動機不采用差復勵的勵磁方式。因為，從P.74，式5-6可見，Ia=(U-E)/Ra，而由P.70，式5-1可知，E=Ce

n，若接成差復勵，則隨著Ia↑→E↓，這又引起：Ia↑↑，最終，E↓≈0，電機將因為大電流而燒毀(實際設有熔斷器保護)。

直流電動機的機械特性利用E0=cen、T=KTIa和電壓平衡方程可得：機械特性方程式：特點：并（他）勵特性，直線、硬特性；串勵，∵空載時≈0，∴無理想空載轉速，注意“飛車”；（積）復勵，介于并勵和串勵之間。自然機械特性：又稱為“固有機械特性”（無人為改變參數）；人工機械特性：是人為改變參數（弱磁、降壓、串電阻）。直流電動機的機械特性（求解）特點：勵磁繞組與電樞并聯由圖可求得由上分析可知：

當電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通不變，即=常數。IaUM+_If+_IE直流電動機的機械特性（求解）則

T=KTIa=KTIa

IaUM+_If+_IE令：即：并勵電動機的磁通=常數，轉矩與電樞電流成正比。

由以下公式求得直流電動機的機械特性（求解）式中：IaUM+_If+_IE直流電動機的機械特性（求解）n=f(T)

特性曲線n0nNTN

并勵電動機在負載變化時，轉速n的變化不大—硬機械特性（自然特性）。

改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線。n0Tn2.反轉例：串勵的單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流兩者的方向同時改變時而轉向不變的原理，采用特別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。電磁轉矩：T=CTIa

(1)改變勵磁電流的方向。(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。改變直流電機轉向的方法有兩種：5.2.5直流電機的電樞反應和換向發電機的電樞反應如右圖，將其展開，則為下圖。電動機若通入這樣的電流，則轉向及前后極尖正好相反。電樞反應的波形見下頁。

電樞反應波形（發電機）

主磁通

f

(磁密Bf)波形是平頂波。電樞反應磁勢Fa波形是三角波。電樞反應磁通a(磁密Ba)波形是馬鞍形波。馬鞍形波與平頂波疊加，氣隙波形發生畸變。若磁路飽和則后極尖增磁量小于前極尖的去磁量，每極總磁通減小，即“電樞反應飽和時具有去磁效應”。由圖可見，物理中性線偏離幾何中性線。

換向過程

直流電機運行時，電樞繞組從定子主磁極的一個極面下方進入另一個極面下方時，通過換向片與電刷的連接，繞組中的電流將改變方向，這一過程稱為直流電機的換向。——繞組元件換向過程見下頁。如果處于換向的元件，兩個邊所處的位置存在磁場(不在幾中線上)，換向時間感應電動勢，被電刷短接時，將產生電磁性換向火花，使電刷和換向器磨損加重，稱為換向變壞（或換向惡劣）。由于電樞磁場的存在，使幾中線偏離物中線，則換向元件將感應電勢，產生電磁火花。直流電機換向器火花還可能由于其它原因造成。

繞組元件換向過程：——元件1-5′的換向過程。

繞組元件的換向過程

改善換向的方法說明

改善換向的方法：①