2.1直流電機的工作原理；2.2直流電機的結構、額定值及主要系列；2.3直流電機的電樞繞組；2.4直流電機的磁場；2.5直流電機的感應電勢和電磁轉矩；2.6直流電動機的運行原理；2.7直流發電機的運行原理；2.8直流電機的換向。第2章直流電機電機與拖動2.1直流電機的工作原理2.1.1直流電動機的工作原理要解決的問題：依據：電磁力定律

B—磁密，l—導體有效長度，i—電流直流電動機是怎樣轉起來的？方向由左手定則判定電機與拖動結論：只要兩個線圈邊在不同的極下能及時改變電流方向，即可使得直流電動機得到持續的同方向的電磁轉矩，從而朝著同一方向連續旋轉。由換向器和電刷來完成。N-S極為一對在空間固定不動的磁極（可以是電磁鐵也可以是永久磁鐵）；兩個磁極之間裝著一個可以自由轉動的鐵磁材料制成的圓柱體（稱為電樞），圓柱體上裝有一個線圈ax。如圖2-1所示。當a導體在N極下，b導體在S極下時產生的電磁轉矩逆時針方向當a導體在S極下，b導體在N極下時。

產生的電磁轉矩順時針方向電樞擺動

圖2-1直流電動機簡化模型磁極電樞目前位置：ab線圈邊在N極下，cd線圈邊在S下目前位置：cd線圈邊在N極下，ab線圈邊在S下線圈中電流方向A→a→b→c→d→B電樞逆時針方向旋轉線圈中電流方向A→d→c→b→a→B電樞逆時針方向旋轉ab邊:電流a→b

,電磁力方向逆時針

cd邊:電流c→d

,電磁力方向逆時針ab邊:電流b→

a

,電磁力方向逆時針

cd邊:電流d

→c,電磁力方向逆時針磁極電樞換向器電刷(靜止）圖2-2直流電動機工作原理結論：

（1）電刷和換向器裝置將電刷外部的直流電流變成了線圈內部的交流電流，從而實現了換向。

（2）對直流電動機而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流到內部繞組交流的轉換作用，即相當于一個機械式逆變器。電機與拖動2.1.1直流電動機的工作原理要解決的問題：直流發電機是怎樣發出電來的？依據：電磁感應定律方向由右手定則判定B—磁密，l—導體有效長度，v—電樞旋轉的線速度電機與拖動2.1.2直流發電機的工作原理目前位置：ab線圈邊在S極下，cd線圈邊在N下線圈電勢方向：

a→b→c→d電刷電勢方向：A+；B-ab邊：感應電勢（電流）a→b

cd邊：感應電勢（電流)

c→d目前位置：ab線圈邊在N極下，cd線圈邊在S下ab邊：感應電勢（電流）b→a

cd邊：感應電勢（電流）d→c線圈電勢方向：

d→c→b→a電刷電勢方向：A+；B-假設原動機拖動電樞逆時針恒速旋轉原動機拖動原動機拖動圖2-3直流發電機的工作原理（1）電刷和換向器裝置將線圈內部的交流電勢和電流變成了電刷外部的直流電勢和電流，從而實現了換向；（2）對直流發電機而言，電刷和換向器起到了由內部繞組交流到外部電源直流的轉換作用，即相當于一個機械式整流器。

電機與拖動2.1.2直流發電機的工作原理結論：

作為直流電動機運行時，電刷兩端接直流電源，軸上接機械負載，電動機將電能轉換為機械能拖動機械負載運行；作為直流發電機運行時，則要用原動機拖動電樞運轉，就可從電刷兩端引出直流電勢對電負載供電，發電機將機械能轉換為電能。

同一臺直流電機即可作為電動機也可作為發電機使用，只要改變外部條件即可。2.1.3直流電機的可逆原理電機與拖動2.2直流電機的結構、額定值（1）主磁極：

主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組組成，主磁極鐵心一般由1.0~1.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊組成，鐵心中的上部套有勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴展的部分稱為極靴。勵磁繞組由絕緣銅線繞制而成，勵磁繞組套在主磁極鐵心上通以直流電流來建立磁場。整個主磁極用螺釘固定在機座上。見圖2-5a)電機由兩大部分組成:靜止部分——定子旋轉部分——轉子（電樞）1、定子部分電機與拖動2.1.1直流電機的結構圖2-5主磁極和換向極a)主磁極b)換向極（2）換向極換向極裝在兩極之間。其作用是用來改善換向，也是由鐵心和繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯。如圖2-5b）所示。（3）機座

電機定子的外殼部分稱為機座。機座的主體部分作為磁極間的通路，這部分稱為磁軛。機座同時用來固定主磁極、換向極和端蓋，起到整個電機的支撐和固定作用。（4）電刷裝置

電刷裝置是電樞電路的引入（或引出）裝置，通過它可以把電機旋轉部分的電流引出到靜止的電路里，它與換向器配合才能使電機獲得直流電機的效果。電刷裝置由電刷、刷盒、刷桿座和銅絲辮等組成。

圖2-6直流電機的電刷裝置

電機與拖動2.1.1直流電機的結構（1）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁通磁路的主要部分，同時用來嵌放電樞繞組。為了降低電機運行時的電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵心一般用0.5mm厚的硅鋼片沖片疊壓而成為一圓柱體，將其安裝在轉軸上。電樞的外圓開有電樞槽，槽內嵌入電樞繞組。

（2）電樞繞組.

電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電勢，是電機進行能量轉化的關鍵部件。電樞繞組疊放在電樞鐵心的槽內,是由按一定規律聯接的線圈組成，它是直流電機的電路部分。2、轉子（電樞部分）電機與拖動2.1.1直流電機的結構（a）電樞鐵心沖片（b）電樞鐵心圖2-7直流電機的電樞鐵心沖片和鐵心（3）換向器

換向器的作用是把電樞繞組內部的交流電流轉換為電刷間的直流電流。換向器由許多換向片組成，片間用云母絕緣，電樞繞組的每個線圈的兩端分別接到兩個換向片上。如圖2-8所示。（4）轉軸轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需要一定的強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。電機與拖動2.1.1直流電機的結構圖2-8直流電機的換向器（1）額定功率：電機按規定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。

●對于電動機，額定功率是指轉子軸上輸出的機械功率；●對于發電機，額定功率則是指電刷輸出端輸出的電功率。2.2.2直流電機的額定數據（3）額定電流：

電機按規定的工作方式運行時，電樞繞組允許通過的最大電流。

（并勵機和復勵機指得是總電流）

（2）額定電壓：電樞繞組能夠安全工作的最大電壓。●對于電動機是電刷輸出端的輸入電壓；●對于發電機是電刷輸出端的輸出電壓。電機與拖動（3）額定轉速：

在額定電壓、額定電流、和輸出額定功率運行時，電機的轉速。（4）額定效率：

在額定條件下電機的輸出功率與輸入功率之比。

直流電動機：

直流發電機：電動機軸上輸出的額定轉矩：

額定數據之間存在著如下關系：

（上式中的單位為kw）電機與拖動2.2.2直流電機的額定數據2.3直流電機的電樞繞組對電樞繞組的主要要求：

正、負電刷間所感應的電勢應盡量大；繞組所用的導線和絕緣材料盡可能節?。唤Y構簡單運行可靠。

電機與拖動2.3.1電樞繞組的一般知識

1．電樞繞組的元件電樞繞組是由若干個線圈按照一定的規律組成。由絕緣導線繞制而成的線圈稱為元件，一個元件有兩個有效邊，其匝數為NY，見圖2-9a，其中一個有效邊嵌放在電樞槽的上層，稱為上層邊；另一個有效邊放在相距約一個極距的電樞槽的下層，稱為下層邊。電樞槽外的部分稱為元件的端部，如圖2-9b所示。圖2-9電樞繞組的元件(c)(a)(b)●一個元件有兩根引出線，稱為首端和尾端，它們分別接到兩個換向片上，而每個換向片又與不同元件的兩根引出線相連接，所以整個電樞繞組的元件數S應等于換向片數K，即

S=K●每個元件有兩個有效邊，而每電樞槽分上下兩層嵌放兩個有效邊，所以元件數S應等于電樞的槽數Z，即

S=Z●把一個上層邊和一個下層邊看成一個虛槽，虛槽數與實槽數的關系為

Zu=Uz=S=K●相鄰兩個異性極中心線之間用電樞鐵心外圓的對應弧長表示的距離，稱為極距，當用槽數表示時，有（2-5）若用長度表示時，有（2-6）式中，D為電樞鐵心的外直徑，單位為mm。電機與拖動2.3.1電樞繞組的一般知識

表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規律的數據稱為節距。（1）第一節距Y1Y1是同一個元件的兩個元件邊的距離，一般用槽數表示，為了使每個元件的感應電動勢最大，應接近或等于極距，有

式中，ε是使Y1湊成整數的一個分數。2．節距

稱為整距線圈稱為短距線圈稱為長距線圈短距線圈和整距線圈多被采用，長距線圈因為端部長，用銅多而造成浪費，很少被采用。電機與拖動2.3.1電樞繞組的一般知識

（2-7）（4）換向器的節距：同一線圈的兩個出線端所接換向片之間的距離。

（3）合成節距：直接相連的兩個元件的對應邊的距離。（2）第二節距：連接同一個換向片的兩個元件邊之間的距離。

電機與拖動2.3.1電樞繞組的一般知識

按照電樞繞組的連接規律不同，直流電機的電樞繞組主要可分為：

單疊繞組、單波繞組和混合繞組等。下面重點介紹常用的單疊繞組。2.3.2單疊繞組●同一元件的兩個出線端分別接至相鄰的換向片上；連接特點:

●相鄰的兩個元件的對應邊接至相鄰的換向片上。

所有的相鄰元件依次串連，連接方法是后一個元件的首端與前一個元件尾端聯在一起并接到一個換向片上，最后一個元件的尾端與第一個元件的首端連在一起，構成一個閉合回路。所謂疊繞組指各極下元件依次連接，后一個元件總是疊在前一個元件上。連接規律:上式中：+1為右行（見右圖），-1為左行，因左行元件接到換向片的連接線需交叉用銅較多，很少采用。電機與拖動例2-1一臺直流電機的繞組數據為：極對P=2，槽數Z=16，

，換向片數K=16，試設計單疊繞組連接圖。1．單疊繞組的展開圖（1）計算節距解：

為了得到最大感應電勢，取整距繞組。電機與拖動2.3.2單疊繞組連接元件根據已確定的各節距，繪出繞組展開圖，如圖2-11所示。電機與拖動2.3.2單疊繞組圖2-11單疊繞組展開圖（3）畫磁極和電刷電刷安裝原則：●電刷的桿數與主磁極的個數相同，即為4;

被電刷短路的元件中感應電勢應盡可能小，或由電刷引出的元件串聯電勢應最大；各并聯支路電勢要平衡。電機與拖動2.3.2單疊繞組電刷安裝位置：

在磁極的中心線下

此時被短路的元件的兩個有效邊正好在兩個主極之間的中性線位置(此中性線叫幾何中性線)，該位置磁密幾乎為零，因此兩個有效邊的感應電勢幾乎為0，該元件被電刷短路不會產生環流。電刷放在主磁極的中心線下相同極下的電刷連一起并引出兩端。2.3.2單疊繞組圖2-11單疊繞組展開圖電機與拖動2．單疊繞組的并聯支路圖根據電樞繞組的展開圖瞬間，可做出其電路圖，如圖2-13所示。電機與拖動2.3.2單疊繞組圖2-13單疊繞組的并聯支路圖結論：（1）對于單疊繞組，電刷總是把上層邊處于同一主磁極下的元件串聯成一條支路，所以有幾個極就有幾條支路，即2a=2p。即

式中，a為支路對數，p為極對數。（2）電刷桿數等于極數。（3）電樞總電流Ia為支路電流ia的2a倍，即

電機與拖動2.3.2單疊繞組2.4直流電機的磁場2.4.1直流電機的各種勵磁方式

主磁極上勵磁繞組通以直流電流而產生的磁動勢稱為勵磁磁動勢。勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式與電樞繞組的關系。按勵磁方式的不同，勵磁方式可以分為以下4種類型：

電機與拖動1、他勵直流電機勵磁繞組用其他的直流電源供電，與電樞繞組之間無電的聯系，見圖2-16a。對于小容量電機，常采用永磁鐵提供主磁場。永磁式直流電機也屬于他勵直流電機。2、并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯。見圖2-16b，勵磁繞組電壓與電樞繞組電壓相等，兩者的電流之和等于總電流，即。3、串勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯。見圖2-16c，勵磁繞組電流與電樞繞組電流相等。4、復勵直流電機主磁極上裝有兩套繞組，一組與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組；一組與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組，見圖2-16d。若兩組繞組產生的磁動勢相同，稱為積復勵；若兩組磁動勢相反，稱為差復勵。

（a）他勵（b）并勵（c）串勵（d）復勵圖2-16直流電機的勵磁方式各種勵磁方式下的接線圖：電機與拖動2.4.1直流電機的各種勵磁方式2.4.2直流電機的空載磁場空載：

直流電機的空載是指電樞電流為零或近似為零的運行狀態。這時的氣隙磁場只是由主磁極的勵磁繞組產生的，亦稱為空載磁場，又稱為主磁場。

1、主磁通和漏磁通圖2-17直流電機的空載磁場

空載時主磁場的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。其磁通路徑見圖2-17電機與拖動

2.直流電機的空載磁化曲線直流電機的空載磁化曲線的定義：每極主磁通與勵磁電流的關系，稱為空載磁化曲線，表示式為其曲線見圖2-18。電機與拖動2.4.2直流電機的空載磁場圖2-18空載磁化曲線結論:

由于磁路有飽和現象，主磁通與勵磁電流之間呈非線性關系。結論：

●空載時氣隙磁密分布為一禮帽形的平頂波，如圖2-19中特性曲線B0x所示。

●物理中性線與幾何中性線重合。

電機與拖動2.4.2直流電機的空載磁場3.空載磁場氣隙磁通密度分布曲線圖2-19空載時氣隙磁密分布2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場電樞磁勢：

直流電機負載后的電樞電流所產生的磁勢（或安匝數），稱為電樞磁勢。

負載時電樞繞組中有了電樞電流，此電流要在氣隙中產生磁勢，這時電機中的氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。要解決的問題：負載時由電樞電流單獨產生的磁密在氣隙下是如何分布的？電樞反應：電樞磁勢對主磁極氣隙磁場的影響，稱為電樞反應。

電機與拖動圖2-20電樞磁場

當電刷位于幾何中性線時，電樞磁勢所產生的磁場（方向用右螺旋定則判定）如圖2-20中虛線所示。結論：電樞磁勢的軸線在幾何中性線處，與主磁極勵磁磁勢軸線垂直，故稱勵磁磁勢軸線為直軸，電樞磁勢軸線為交軸。電機與拖動1、直流電機的電樞磁場2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場1、單個元件所產生的電樞磁勢一個整距元件所產生的磁動勢Fa為以兩個極距為周期，幅值為的矩形波。如圖2-21b所示。圖2-21一個元件產生的磁勢電機與拖動2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場a)b)2、多個元件所產生的電樞磁勢圖2-22電樞反應磁勢與磁密分布

若每對極下有若干個元件均勻分布，每個元件產生的磁動勢仍為矩形波，若干個元件產生的磁勢為這些矩形波疊加而成的階梯波，為了分析簡單起見，可近似認為這一階梯波為一三角波Fax。三角波磁動勢的最大值在幾何中性線處，主磁極中線處磁勢為零。見圖2-22中特性Fax

。

電樞氣隙磁密Bax的分布波形呈馬鞍形，見圖2-22中特性Bax。電機與拖動2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場2、直流電機負載時的氣隙合成磁場當不考慮磁路飽和時：

●則根據疊加原理得合成氣隙磁場為：，一個極下增加的和減少的磁力線數量相同，氣隙每極下總的磁通量不變。

負載時的氣隙合成磁場是主磁極勵磁磁勢和電樞反應磁勢共同作用產生的。要解決的問題：合成磁場是如何分布的？電樞反應的結果是什么？直流電機負載后的氣隙磁勢為：●由于氣隙磁場畸變的影響，使磁密為零的物理中性線偏移幾何中性線一個小角度，對于直流發電機為順轉向偏移，對于直流電動機為逆轉向偏移。當考慮磁路飽和時：

●在增磁的半個磁極下，由于飽和的影響，磁阻增大，磁通不能增加很多，故磁通增加后的數量比不飽和時少；而在減磁的半個磁極下，磁通減少較多。因此，電樞反應的結果是負載后每極下總的磁通量比空載時要少。而且電樞電流越大，這個現象越嚴重。電機與拖動2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場電機與拖動2.4.3直流電機的電樞反應和負載磁場圖2-23直流電機的電樞反應（1）氣隙磁場發生畸變，半個磁極下的磁場增加，半個磁極下磁場削弱。物理中性線偏移幾何中性線α角度，對于直流發電機是順轉向偏移；對于電動機是逆轉向偏移。（2）當磁路飽和時，每極總磁通量減少，具有去磁作用。結論：2.5直流電機的電樞感應電動勢和電磁轉矩2.5.1直流電機的電樞感應電動勢直流電機的感應電樞指正負電刷間的感應電動勢。推導思路：先求出一根導體在一個極距范圍內切割磁力線所產生的平均電動勢E1，再乘上一個支路內的總導體數，即可得到每條支路的感應電動勢，也就是正負電刷之間的電動勢Ea

。電機與拖動以發電機為例：如圖2-24所示，一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密所產生的感應電動勢的平均值為設電樞的外直徑為Da，則電樞的外圓周長為將上式代入中，可得線速度表達式為又知每極下的總磁通量為平均磁密BAV與每極面積的乘積，即電機與拖動2.5.1直流電機的電樞感應電動勢圖2-24每極下氣隙合成磁密分布和導體的感應電動勢（2-16）（2-15）從而有（2-17）將式（2-16）及式（2-17）代入式（2-15），可得每條支路的總導體數為電樞繞組的感應電勢為電機與拖動2.5.1直流電機的電樞感應電動勢（2-18）（2-19）式中，稱為直流電機的電勢常數。結論：對于已經制造好的電機，電樞感應電勢Ea與每極磁通Φ及轉速n成正比。當Φ及n中任一個參量方向改變時，Ea的方向跟著改變。推導思路：先求出一根導體所產生的平均電磁轉矩TAV，再乘上電樞繞組的總導體數N，即可到電機的電磁轉矩Tem。電機與拖動2.5.2直流電機的電磁轉矩圖2-25每極下氣隙合成磁密分布和電磁轉矩如圖2-25所示，一根導體所在處受到電磁力的大小為一根導體所受到的平均電磁力為設電樞總電流為Ia，則支路電流為，又設電樞外直徑為Da，一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩的大小為以電動機為例：式中稱為直流電機轉矩常數。結論：對于已經制造好的電機，電磁轉矩Tem與每極磁通Φ及電樞電流Ia成正比。當Φ及Ia中任一個參量的方向改變時，Tem的方向跟著改變。電機與拖動2.5.2直流電機的電磁轉矩當電樞繞組總導體數為N時，則電機的電磁轉矩為（2-21）電樞感應電勢和電磁轉矩兩個公式對于直流發電機和直流電動機都適用。對于直流發電機，與同方向，與反方向，為阻轉矩；

對于直流電動機，與反方向，為反電動勢，與同方向，為拖動轉矩。電機與拖動2.5.2直流電機的電磁轉矩對于同一臺電機，電勢常數和轉矩常數之間具有確定的關系：從而得由圖2-26，用基爾霍夫電壓定律得：穩態運行

1、電壓平衡方程式結論：直流電機在電動機運行狀態下的電樞電動勢總小于電樞端電壓。

2.6.1直流電動機的基本方程式電機與拖動動態運行2.6直流電動機的運行原理

（a）動態（b）穩態圖2-26他勵直流電動機的電路和機械聯接示意圖2、轉矩平衡方程式

根據牛頓第二定律得：穩態運行

結論：電動機穩定運行時，電磁轉矩等于負載轉矩與

空載轉矩之和。動態運行

電機與拖動2.6.1直流電動機的基本方程式

（2-28）

（2-27）3、功率平衡方程式以并勵直流電動機為例：電磁功率為:由圖2-27得，輸入功率為：電樞電路的銅耗為：將式（2-28）兩邊乘以機械角速度，得電機與拖動2.6.1直流電動機的基本方程式圖2-27并勵直流電動機的電路其對應功率為式中：機械軸上的輸出功率；空載損耗；直流電機的鐵耗，當電機運行時，電樞鐵心在直流磁場中受到反復磁化，產生磁滯損耗和渦流損耗，兩者之和為鐵耗；機械損耗，轉動部分的摩擦損耗和自扇冷式的電機的風阻損耗等；實際中還存在著雜散損耗（附加損耗）。由磁場畸變和齒槽效應等引起的。電機與拖動2.6.1直流電動機的基本方程式功率流程圖如圖2-28所示。其效率為圖2-28并勵直流電動機的功率流程圖綜合上述關系可得：電機與拖動2.6.1直流電動機的基本方程式2.6.1直流電動機的基本方程式（2-32）2.6.2并勵直流電動機的工作特性定義：直流電動機的工作特性定義為：，，且電樞回路無外接電阻條件下，電動機的轉速n，電磁轉矩Tem，運行效率η分別與電樞電流Ia的關系。

定義：當并勵直流電動機的、、時，轉速n與電樞電流Ia的關系被稱為轉速特性，即1、轉速特性將電動勢公式代入電壓平衡方程式中，整理得電機與拖動圖2-29并勵直流電動機的工作特性轉速特性曲線如圖2-29中特性1所示。

其中，為理想空載轉速；為轉速特性的斜率。結論：●如果忽略電樞反應的影響，轉速特性是一條略向下垂的直線?！袢绻撦d較重時，考慮電樞反應的去磁作用的影響，隨著Ia的增加，磁通Φ將減少，轉速特性將被抬高，甚至出現上翹的現象（如虛線所示），這將影響電動機的穩定運行。電機與拖動2.6.2并勵直流電動機的工作特性2、轉矩特性定義：當直流電動機的，，時，電磁轉矩與電樞電流的關系被稱為轉矩特性,即結論：

不計飽和時，Tem成Ia正比，轉矩特性為直線；

計飽和時：Ia較大時，電樞反應的去磁作用，使曲線偏離直線而往下彎曲。電機與拖動2.6.2并勵直流電動機的工作特性

由電磁轉矩的公式可作出轉矩特性曲線，見圖2-29中特性2。3、效率特性定義：當直流電動機的，，時，效率與電樞電流的關系被稱為效率特性，即。

結論：

當電動機某負載時的可變損耗與不變損耗相等時，其效率最高。

電機與拖動2.6.2并勵直流電動機的工作特性（2-35）

不變損耗：勵磁損耗、鐵耗、機械損耗以及附加損耗之和；可變損耗：電樞銅耗。根據式（2-35）可做出效率特性曲線，如圖2-29中特性3所示。

2.6.3他勵直流電動機的機械特性定義：機械特性是指電動機的電磁轉矩Tem和轉速n的關系，即。

他勵直流電動機的電氣原理圖見圖2-30，將基本方程式及帶入電壓平衡方程式中，整理得：電機與拖動1、機械特性方程式

（2-37）

—Tem=0時的轉速，稱作理想空載轉速；

—機械特性的斜率。圖2-30他勵直流電動機的電氣原理圖（1）轉速降。越小，轉速變化越小，特性越平，稱電動機具有較硬的機械特性；反之，稱電動機具有較軟的機械特性。(2)電機的理想空載轉速:

(3)重載時由于電樞反應的去磁作用造成機械特性的上翹。

特點：實際空載轉速:(4）對于固有特性有：電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性圖2-31他勵直流電動機的機械特性其特性曲線見圖2-31.定義：當、、電樞回路不串外加電阻（）時的機械特性稱為電動機的固有機械特性，又稱為自然機械特性。其方程式為特點：（1）因為RΩ較小，所以較小β，特性較硬。（2）當，后面要討論的人為機械特性一般沒有此結論。2、固有機械特性

電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性（2-38）3、人為機械特性特性定義:

不同時滿足、及時的機械特性稱為人為機械特性。

（1）電樞回路串接電阻的人為特性

保持、，改變電樞回路串接的電阻的值，可得到電樞回路串接電阻的人為機械特性方程式為電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性圖2-32電樞串電阻時的機械特性不變結論：電樞回路串接電阻的人為特性為一組通過的n0射線，處于固有特性的下方，且RΩ

越大特性越陡。電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性其特性曲線如圖2-32所示。（2）降低電樞電壓保持、電樞回路不串接電阻（），只改變電樞電壓時，可得到降低電樞電壓的人為機械特性方程式為不變結論：

降低電樞電壓的人為特性為一組與固有特性平行下移的特性曲線，且處于固有特性的下方。圖2-33降低電樞電壓時的機械特性電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性其特性曲線見圖2-33。（3）減弱每極磁通保持、電樞回路不串接電阻（），只改變磁通時，可得到減弱磁通的人為機械特性方程式為圖2-34減弱磁通時的機械特性結論：降低磁通的人為特性為一組處于固有特性的上方，且比固有特性軟的特性曲線。

電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性其特性曲線如圖2-34所示。關于堵轉電流和堵轉轉矩：堵轉轉矩：與磁通成正比。堵轉電流：不變；當磁通改變時

當負載較大時弱磁降速,一般情況下，弱磁升速,

電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性(a)堵轉電流時的轉速特性(b)堵轉轉矩時的機械特性圖2-35弱磁時的堵轉電流和堵轉轉矩根據銘牌數據，便可以繪制他勵直流電動機的固有機械特性。具體方法是：（1）求出理想空載點；（2）求出額定運行點。通過上述兩點繪制直線即可獲得固有機械特性。理想空載轉速：估算：額定運行點處的額定轉矩：同樣的方法可求出控制參數改變后的人工機械特性。上式中：總損耗電機與拖動2.6.3他勵直流電動機的機械特性4、機械特性的繪制2.6.4串勵直流電動機的機械特性圖2-39串勵直流電動機的電氣原理圖串勵機的電壓平衡方程式為當負載較輕、磁路未飽和時，磁通與勵磁電流成正比，即，于是有

將代入上式中，得轉速特性為電機與拖動

串勵直流電動機的電氣原理圖如圖2-39所示，其特點是電樞電流Ia就是勵磁電流If

，即將式（2-46）代入上式中，得（2-46）

當負載較重、磁路飽和時，Φ近似不變。此時，轉速隨轉矩的增加線性下降，與他勵機的機械特性相似。串勵直流電動機機械特性曲線如圖2-40所示。圖2-40串勵直流電動機的機械特性警示：串勵直流電動機不允許輕載或空載運行!!!

特點：（1）當電樞電流不大，磁路沒有飽和時，轉速隨著電樞電流的增加而迅速減?。划旊姌须娏鬏^大時，磁路趨于飽和，磁通近似為常數，特性為一略向下垂的直線。（2）當串勵機空載或輕載運行時，電動機的轉速將很高，導致“飛車”現象，使電動機受到嚴重的損害，

電機與拖動2.6.4串勵直流電動機的機械特性

根據基爾霍夫第二定律，依照圖2-43（a）（b）所示的正方向，可列出直流發電機動態和穩態時的電壓平衡方程式。穩態運行時：1、電壓平衡方程式2.7.1直流發電機的基本方程式2.7直流發電機的運行原理動態運行時：電機與拖動（a）動態(b)穩態圖2-43直流發電機的電路和機械聯結示意圖結論：直流電機在發電機運行狀態下的電樞電動勢總是大于電樞端電壓。2、轉矩平衡方程式

根據牛頓第二定律得：穩態運行時

動態運行時電機與拖動2.7.1直流發電機的基本方程式3、功率平衡方程式

圖2-44為并勵直流發電機的接線圖（正方向按發電機慣例），發電機從原動機輸入的機械功率為電磁功率為：

由上式可知，與直流電動機一樣，電磁功率具有機械功率性質又有電功率性質，其實質是機械功率轉換成電能的那部分功率。圖2-44并勵直流電動機的電路和機械連接示意圖電機與拖動2.7.1直流發電機的基本方程式圖2-45并勵直流發電機的功率流程圖直流發電機功率流程圖如圖2-45所示：綜合以上式：電機與拖動2.7.1直流發電機的基本方程式直流發電機的效率為2.7.2直流發電機的工作特性

1、空載特性定義：當、時，端電壓U與勵磁電流If的關系被稱為空載特性，即。

發電機的特性一般指發電機運行時，端電壓U、負載電流I2、勵磁電流If

這三個物理量之間的關系，保持其中的一個量不變，其余兩個量就構成一種特性。電機與拖動空載特性可以通過試驗來測定，試驗接線圖見圖2-46

。實驗測得空載特性如圖2-47所示。圖2-46他勵直流發電機試驗接線圖圖2-47他勵直流發電機空載特性2、外特性定義：當、時，端電壓U與負載電流If的關系被稱為外特性，即。外特性可通過負載實驗測得,如圖2-48所示。圖2-48直流發電機的外特性1--—積復勵2—他勵3—并勵電機與拖動2.7.2直流發電機的工作特性

對于他勵和并勵直流發電機，其電壓平衡方程式為分析:

對他勵直流發電機I2

=Ia，影響端部電壓隨負載增加而下降的因素：負載電流增加，電阻壓降增加；電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降。

對并勵直流發電機，影響端部電壓隨負載增加而下降的因素：●負載電流增加，電阻壓降增加；●電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降；●隨著電樞電壓下降，勵磁電流減少，引起每極磁通和相應感應電勢的進一步下降。

并勵直流發電機的電壓變化率大于他勵直流發電機。電機與拖動2.7.2直流發電機的工作特性

電壓變化率：定義：

當、時，發電機由額定負載到空載時電壓變化的數值對額定電壓的百分比，即

是衡量發電機運行性能的一個重要數據，一般他勵直流發電機的電壓變化率約為,并勵直流發電機的電壓變化率約為。發電機端電壓隨負載電流的增大而降低的程度用電壓變化率來表示。電機與拖動2.7.2直流發電機的工作特性

3、調節特性定義：

當、U2為常數時，勵磁電流與負載電流的關系被稱為調節特性，即。直流發電機的調節特性見圖2-49.

圖2-49直流發電機調節特性

調整特性是一條上升的曲線。由外特性可知，當負載電流I2增加時，發電機端電壓下降。如需維持U為常值，I2增加時,要相應的增加If

以補償去磁的電樞反應和電樞回路電阻壓降。調節特性反映了負載變化時是如何通過調節勵磁電流來保持端電壓不變的。電機與拖動2.7.2直流發電機的工作特性

1、自勵過程：

發電機由原動機拖動至額定轉速，假定發電機磁路里有一定的剩磁，當電樞旋轉時，發電機電樞端點將有一個不大的剩磁電壓Er，

Er同時加在勵磁繞組兩端，便有一個不大的勵磁電流通過，從而產生一個不大的勵磁場。如勵磁繞組接法正確，可使勵磁磁場的方向與電機剩磁方向相同，使總磁通增加，感應電勢亦增加，勵磁電流隨之增加，如此反復作用，空載端電壓便自動建立起來。電機與拖動(b)自勵建壓過程圖2-50并勵直流發電機的自勵建壓過程要解決的問題：并勵直流發電機不需要其他直流電源勵磁，其勵磁繞組是靠自身發出來的電壓供電的，但當發電機工作之初，原動機拖動電樞轉動，發電機還未發出電壓，勵磁繞組是如何獲得電流并產生磁場，使得電樞繞組切割此磁場，最終發出所需要數值的端電壓的？

2.7.3并勵直流發電機的自勵過程和自勵條件

圖2-50b中，曲線1為直流發電機的空載特性：；曲線2為勵磁回路的伏-安特性，其表達式：；曲線3為臨界磁場電阻線，其對應的臨界電阻為。2、自勵建壓的穩定工作點自勵過程中，，勵磁電流

不斷增加，當增加到交點A時，。勵磁電流不再增加，并勵發電機進入穩定運行狀態，可見A點是并勵發電機的穩定運行點。

電機與拖動2.7.3并勵直流發電機的自勵過程和自勵條件3、自勵條件并勵直流發電機自勵建壓必須滿足以下3個條件：(1)電機必須有剩磁;(2)勵磁繞組并聯到電樞繞組的極性必須正確;(3)勵磁回路的總電阻小于該轉速下的臨界電阻，即。

當RΩ增加時，則電阻線的斜率增加，故而穩定運行點下移，發電機的穩定電壓降低，但當RΩ很大時，則電阻線很陡，與空載特性的交點很低或無交點，則不能建立電壓，見圖2-50b中特性3，此時勵磁回路的總電阻Rcr稱為臨界值。電機與拖動2.7.3并勵直流發電機的自勵過程和自勵條件

當電樞旋轉時，元件從一條支路通過電刷進入另一條支支路時，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。

換向問題是一切帶有換向器電機的一個專門問題，它對電機的正常運行有重大影響，換向不良，將在電刷下發生有害火花，當火花超過一定程度，就會燒壞電刷和換向器，使電機不能繼續運行。

然而換向過程十分復雜，電磁、機械和電化學等方面因素相互交織在一起，我們僅就換向的電磁現象及改善換向的方法作簡單介紹。

2.8直流電機的換向電機與拖動2.8直流電機的換向電機與拖動換向過程？（假設電刷寬