直流电动机的稳态分析

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第三章直流电机的稳态分析

    主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。

3-1直流电机的工作原理和基本结构

电机是由两大部分组成1、静止部分——定子

2、  旋转部分——转子

一、直流电机的静止部分（定子）

1、主磁极

主磁通的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成它的，铁心是由1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。极靴的作用是使主磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。

2、  机座

其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。

3、换向极

换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。

4、电刷装置

电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。

二、直流电机的转动部分

1、电枢铁心

电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.

2、  电枢绕组.

电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.

3、  换向器

换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。

换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.

三、电流电机的工作原理

1、直流电动机的工作原理

   我们首先分析一个简单的物理模型，图中N.S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁，所谓电磁铁就是在磁极铁心上绕上励磁线圈且通入直流，便产生固定的极性。

两极间装一转动的线圈，当线圈abcd中通入直流电流，此时载流导体在磁场受到力的作用，根据电磁力定律，

力的大小为f=bli     方向由左手定则判断

在力的作用下使线圈按逆时针方向旋转，当线圈转过180度后,所产生的电磁转距变成顺时针方向了，所以这种物理模型不能作连续运转.要使电枢受到一个方向不变的电磁转距.关键在于旋转过程中应保持每极下导体中甸柳的方向不变，即流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓”换向”，为此必须增加换向器装置.

换向器由互相绝缘的换向片构成,装在轴上与电枢一同旋转,换向器又与两个固定不动的电刷B1、B2 相接触，这样当直流电压加于电刷时，换向器的作用使外电路的直流电流改为线圈内的交变电流，这种换向作用称为逆变，以保证每极下导体中所流过的电流方向不变,从而使电机连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。

2、  直流发电机的工作原理

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势靠换向器的作用，从电刷端引出时为直流电势的原理，如上图所示模型中,电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢按逆时针方向旋转,根据电磁感应定律导体ab和cd分别切割不同极下的磁力线而感应电势

e=BLV   方向由右手定则判定

整个线圈的电势.  Ead=2BLV

当电枢逆时针转过180度时,线圈边中和整个线圈电势反向,随着电枢的旋转线圈中感应出交变电势，而在电刷两端的电势却为直流电势。由于换向器的作用,电刷B1通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力线的线圈中的电势，因此B1始终是正极性，同理B2始终是负极性.所以电刷端引出方向不变,但大小变换的脉振电势,这就是直流发电机的工作原理.

3、  直流电机运行的可逆性

从以上对直流发电机和直流电动机的分析可看出一台直流电机即可作为发电机运行,也可以作为电动机运行,只是外界条件不同而已.一个是输入机械能,一个是输入电能,这种既能作发电机运行,又能作电动机运行的原理,在电机理论中称为可逆原理.

4、  脉动的减小

为了减小电枢感应电动机和电磁转距的脉动,实际的电枢绕组由许多线圈串联而成.脉动可减小下图为3个线圈产生的电动势之和.可见其脉动程度较1个线圈大大减小,电磁转距的情况与电势类似,实际的一台直流电机,每极下线圈很多,则作为发电机运行可获得直流电势.

  

四、励磁方式

我们知道直流电机的磁场,可以由永久磁场产生.也可以由励磁绕组产生.前者为永久磁场后者为电磁场,一般来讲永久磁铁的磁场较弱,所以现在绝大多数直流电机的主磁场都是由励磁绕组通以直流励磁电流产生的.我们称这种磁场为直流电机的主磁场,有时也称为励磁磁场.

励磁绕组的供电方式称为励磁方式.直流电机的运行性能因励磁方式的不同而不同,按照励磁方式的不同,直流电机分他励和自励两大类.

1、  他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源供电的直流电机电枢电流等于负载电流Ia=I

2、  并励直流电机

励磁绕组与电枢绕组并联后加同一电压

.对发电机:Ia=I+If    对于电动机:I=Ia+If

3、串联直流电机

励磁绕组与电枢绕组串联

I=Ia=If

4、复励直流电机

具有两个励磁绕组,一个与电枢并联.一个与电枢绕组串联.

电枢与并联绕组并联后再与串励磁绕组串联称短复励.

电枢与串联绕组串联后再与并励磁绕组并联称长复励.

若串励绕组与并励绕组产生的磁势方向相同为积复励,相反为差复励.

五、直流电机的额定值

每台直流电机绕组的机座都有一个铭牌,上面标注一些额定数据,若电机运行时,各数据符合额定值,这样的运行情况称为额定工况,在额定下运行,可保证电机可靠的运行,并具有优良的性能.

根据国标，直流电机的额定数据有：

1、额定功率  PN （千瓦KW）

2、额定电压  UN  （伏V）

3、额定电流  IN  （安A）

4、额定转速  nN  (转/分 r/min)

5、额定励磁电压 UFn  （伏V）

6、额定励磁电流  IfN  （安A）

注、对发电机额定功率为      PN= UN IN

      对电动机额定功率为      PN= UN IN ηN      P1= UN IN

3-2直流电机的电枢绕组

   电枢绕组是直流电机的电路部分,也是直流电机的核心部分,是实现机电能量转换的枢纽,无论是电动机还是发电机,它们的电枢绕组在磁场中旋转,都会感应出电势，当电枢中有电流时，又产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。

电枢绕组的构成应能产生足够的感应电势，并允许通过一定的电枢电流，此外还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。

本节主要介绍单叠和单波绕组的组成及连接规律。

一.   直流电枢绕组的构成

电枢绕组分 1.叠绕组2.波绕组3.混和绕组

组成绕组的基本单元称为元件.元件有单匝,也有多匝,一个元件由两条导体边和端接线组成。元件边置于槽内称为有效边,端接线置于铁心外,不切割磁场，仅起连接线作用

一条有效边放在上层，另一条有效边放在下层构成双层绕组，元件首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过换向片连接城一个闭合回路。

若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组元件数s应等于槽数Q

S=Q

在大型电机中每槽上、下层包含U个元件，此时

S=UQ    U为槽内一层嵌放的元件边数.

通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间作为一个虚槽Qu

则u=S=UQ

由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接,所以换向片数K=S

则K=S=Qu

二、直流电枢绕组的节距

电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的,下面分别叙述各个节距的定义和计算方法.

1.       第一节距y1

一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距用y1表示

:

为使y1凑成整数的一个小数或整数.

每一极距内的虚槽数为:

极距也可用电枢表面圆弧长度表示即  

常采用短距绕组,可节省端用铜,有利于换向.

2、第二节距y2

相串连的两个元件中,第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离,称为第二节距。用y2表示,也用虚槽数计算.

3、合成节距y

相串连的两个元件对应边在电枢表面所跨的距离。不同类型绕组的差别,主要表现的合成节距上。

      

所谓叠绕组指各极下元件依次连接，后一个元件总是叠在前一个元件上，

波绕组指把相隔约为一对极下的同极性磁场下的相应元件串连起来,像波浪一样向前延伸。

叠绕组  

波绕组  

4、换向器节距yc

一个元件的两个出线端所连接的两个换向片之间所跨的距离,其大小用换向片数计算.

三、单叠绕组

单叠绕组的连接规律是，所有的相邻元件依次串连，连接方法是后一个元件的首端与前一个元件尾端联在一起并接到一个换向片上，最后一个元件的尾与第一个元件的首端连在一起.构成一个闭合回路。

+1为右行，-1为左行，因左行元件接到换向片的连接线需交叉用铜较多，很少采用。

例：2P=4  S=K=Qu=16   u=1

绘制单叠绕组展开图

            

由已确定的各节距，可绘出绕组展开图

按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图

由绕组电路图可清楚地看出，从电刷外面看绕组时是由四条支路并联组成。1，5，9，13号元件被电刷短路，同极下元件电流方向一致。

综上所述，单叠绕组有以下特点：

1）  单叠绕组的并联支路数2a=应等于电机的极数；

   

2）  当元件几何形状对称时，电刷应放在主机中心线上，此时正、负电刷间感应电势最大，被电刷所短路元件感应电势为零；

3）  电刷数等于极数；

4）  电刷间引出的电势为每一支路电势，正、负电刷间引出的电流为各支路电流之和。

四、单波绕组

   单波绕组的连接规律是:从某一换向片出发把相隔约为两个极距的同极性磁场中对应位置的所有元件串连起来。这种绕组连接的特点是元件两出线端所连换向片相隔较远,相串连的两元件也相隔较远.形状如波浪一样向前延伸,所以称为波绕组.

“-”表示左行，“+”表示右行。上式的含义是，绕组绕电枢一周后，经过P对极，就由P个元件串联起来，每个元件在换向器上跨过yc换向片，绕一周后需接到起始换向片的左边（k-1），或右边（k+1）一个换向片上。

例：2P=4  S=K=Qu=15   u=1

绘制单叠绕组展开图

            

由已确定的各节距，可绘出绕组展开图

按照绕组展开图，可画出该瞬间的电枢电路图

单波绕组有以下特点

1.       同极性下各元件串连起来组成一条之路.

   

2.       几何形状对称时电刷应放在主磁极中心线上

3.       电刷数也应等于极数.可减小每组电刷上的电流.改善换向

五、各种绕组的应用范围

除单叠和单波外.还有复叠.复波和混和绕组.

各种绕组的差别主要在于它们的并联支路数上，支路数越多，相应的每条支路所串联的元件数越少，原则上电流大、电压低的直流电机采用叠绕组。若电流小，电压高采用波绕组。

3-3空载和负载时直流电机的磁动势和磁场

为了弄清稳态运行时直流电机内部的电磁过程，必须了解空载和负载时电机内部的磁场，本节介绍直流电机的磁场。

一、空载时直流电机的气隙磁场

空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零），励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。

空载时主磁场分布情况及计算方法已在1-3节中介绍。

空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。

由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如下图：

二、负载时的电枢磁动势

空载时的气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁势所建立。当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流，从而产生了电枢磁动势。因此负载是电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。电枢磁动势的出现是气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现了机电能量的转换。

下面对电枢磁动势进行研究：

首先看一下电枢磁场的分布情况，为简单计，绕组为整

距，电刷放在几何中性线上。在一极下元件中电枢电流

的方向相同，根据右手螺旋法则确定了电枢磁场磁力线

的方向如左图所示

1、交轴电枢磁动势

当电刷放在几何中性线上时，点数磁动势的轴线与

主极轴线正交，固称为交轴电枢磁动势。与主极轴线正

交的轴称为交轴，重合的轴称为直轴。

下面分析电枢磁势波形，首先从一个元件入手，将

右图从几何中性线处切开拉直

一个元件时，磁势波形为一个矩形波，三个元件时其磁势波形为三个矩形波的叠加成为一个三个阶梯的阶梯波，若元件再增多，则其波形为多个阶梯组成的阶梯波，其波形近似为一三角波，如上图fa(x)所示。

设主极中心取为原点O，取一经过距原点+x及-x的闭合回路，设Za为电枢绕组总导体数，D为电枢直径，根据安培环路定律，此回路所含的安培导体数为：

     在X处气隙的磁势为

  电枢表面单位长度上的安培导体数称为电负荷。

在几何中性线处，即 处，交轴电枢磁势达到最大值

2、直轴电枢磁势

若电刷从几何中性线移过β角（相应的电枢表面弧长bβ）

将电枢磁动势分为两部分，即交轴分量和直轴分量

   为交轴分量的最大值

        为直轴分量的最大值

当电枢旋转时，组成各支路的元件在变化，由于换向器的作用，每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场的分布波形是相对静止的。

三、电枢反应

负载时电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。如果电枢磁动势有交轴和直轴分量，则电枢反应就相应的称为交轴电枢反应或直轴电枢反应。

1、  交轴电枢反应

当电刷放在几何中性线上时，由电枢磁势波（三角波）可的电枢磁密的分布波形

  为气隙长度， 为空气导磁系数=4π×10-7

有上确定波形为马鞍形（如上图中ba(x)所示）

下面以直流发电机为例进行具体分析，将主极磁场与电枢磁场和称，便可看出电枢反应的作用。

得出两点结论：

1）气隙磁场发生畸变

2）去磁作用

2、直轴电枢反应

若电刷不在几何中性线上，除交轴电枢磁动势外，还有直轴电枢磁动势，若为发电机电刷顺电枢旋转方向移β角，直轴电枢反应是去磁的；若发电机电刷逆电枢旋转方向移β角，直轴电枢反应是增磁的。电动机情况与发电机正好相反。

3-4直流电动机的感应电动势和电磁转矩

本节将推导电枢的感应电势和电磁转矩的计算公式。

一、 电枢绕组的感应电动势

直流电机无论作为发电机还是作为电动机运行，电枢绕组中都感应电动势，该感应电势指一条支路的电势（即电刷间的电势），简称电枢电势。

计算方法是首先推出每根导体的电势，则一条支路中各串联导体的电动势的代数和即为电枢电势。

右图为气隙磁密分布与元件中电势方向

设电枢导体有效长度为L，导体切割气隙磁场

的速度为V，则每根导体的感应电势为：

为导体所在处的气隙磁密，

设电枢总导体数为Za，支路数为2a,

则每条支路串联导体数为

则支路电势为：

各导体所处位置的 互不相同。为简单计引入气隙平均磁密Bav，它等于电枢表面各点气隙磁密的平均值 （一极下各导体磁密之和，再除导体数得平均磁密）

将上式带入Ea整理得

又

不计饱和时， 与励磁电流If成正比，即

当磁路饱和时，Ea与Ф、n成正比；当磁路不饱和时，Ea与If、n成正比

二、直流电机的电磁转矩

  当电枢内同有电流时，载流导体与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。

电磁转矩的计算方法为：首先算出一个导体的电磁转矩，再计算一个极下所有导体的电磁转矩，最后乘以2P就得到整个电枢产生的电磁转矩。

设电枢表面任一点的气隙磁密为bδx,该处导体中流过的电流为ia有效长度为L，电枢直径为D，则作用与该处载流导体上的电磁转矩为：

由于一极下导体数为 ，则作用于一极下导体的转矩为：

作用于整个电枢上的转矩为：

因为

       转矩常数

如Ia单位为安（A）， Ф单位为韦（Wb），则Te为牛米（Nm）

不计饱和时， 与励磁电流If成正比，即

当磁路饱和时，Te与Ф、Ia成正比；当磁路不饱和时，Te与If、Ia成正比

将Ea两端同乘Ia得：

        电磁功率

  上式表明无论是电动机还是发电机，在能量转换过程中电功率变为机械功率或机械功率变为电功率的这部分功率为 或 ，由于能

量不灭，所以两者是相等的。

3-5直流电机的基本方程式

直流电机是一种双边励磁的三端口机电系统，定子边为励磁绕组激励的励磁端口。转子边为电枢绕组激励的电枢端口，另外还有输出（或输入）转矩和转速的机械端口。直流电机的运行情况可由基本方程式进行研究。

基本方程式：1、电端口的电压平衡方程式

2、机械端口的转距平衡方程式

一、电压方程

1、  他励磁电机

   

对励磁回路：           

对电枢回路：  发电机

              电动机

式中  ra：电枢绕组电阻，   ：正、负一对电刷上的接触电压降，  Ra：电枢回路总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻， Rf：励磁绕组电阻。

注：发电机    且输出电流作为电枢电流的正方向

电动机    且输入电流作为电枢电流的正方向

2、  并励磁直流电机

  

对发电机         对电动机

励磁回路和电枢回路的电压方程仍与他励磁相同

3、  串励直流电机

            IS：串励绕组中励磁电流

二、转距方程

1、直流发电机

原动机以T1的转矩拖动转子沿逆时针方向旋转，

则Ea、Ia 、Te的方向如图所示，Te的方向与T1相反，

为制动性质的转距，Te为拖动转距。则：

其物理意义为：当电机作为发电机运行时，拖动转距T1与发电机内部产生的制动性质转矩Te和电机本身的机械阻力转矩T0相平衡。

2、直流电动机

电动机中电枢电流与运动电势方向相反。Te为驱动转矩，所以

           ：轴上输出转矩

拖动性质的转矩Te与制动性质的负载转矩 及电机本身的机械阻力转距相平衡。

三、电磁功率及功率方程

1、电磁功率

采用电动机惯例

励磁绕组输入的功率为：

这部分功率全部边为励磁绕组内的电阻损耗。

电枢绕组输入的功率为：

由两部分组成：1） 电枢回路铜损耗         2）电磁功率

前已证明：

对于电动机， 为电枢绕组中运动电势所吸收的电功率， 为电磁转矩对机械负载所作的机械功率，由于能量守恒，两者相等。是机械功率转换为电功率。所以无论是电动机还是发电机， 是能量转换过程中的转换功率，能量转换发生在电枢电路和机械系统之间，而 的大小与 的大小（即耦合磁场的强弱）有关。

P80图3-30位直流电机内能量转换表象图

2、功率方程

以并励磁直流电机为例研究功率方程

并励电动机：

式中： ：输入功率   ：电枢回路总铜耗  ：励磁回路铜耗

式中： ：为电动机输出的机械功率

由上式可直观的画出功率流程图

：杂散损耗，由于电枢有齿槽的存在产生的

损耗，难于精确计算，国标规定由补偿绕组的

按1% ，无补偿绕组的0.5% 估算

并励发电机

式中：

为发电机输出的电功率

3-6直流发电机的运行特征

直流发电机在拖动系统中大都作为电源使用，目前直流发电机有被大功率可控硅整流电源取代的趋势，但有些系统中还要使用。

发电机的特征一般指发电机运行时，端电压u、负载电流I、励磁电流If这三个物理量之间的关系，保持其中的一个量不变，其余两个量就构成一种特性。

因此有（1）空载特性         （2）外特性

（3）调整特性          （4）效率特性  

有的特性与励磁方式有关，下面按他励、并励、复励三种不同励磁方式分别进行研究。

一、 他励磁发电机的运行特性

1、  空载特性

用实验方法测取空载特性时，接线如下图

发电机由原动机拖动，且保持 ，

调节  ，使发电机空载端电压 ，

然后使 逐渐降至零，测取 和 即得 。

再将 反向，测取反方向空载特性，因存在磁滞现象，所以正、反空载特性是整个磁滞回线的一半，根据对称关系可画出另一半，取整个回线的平均线，虚线所示为空载特性曲线。

实际上，空载特性曲线 与磁化曲线 相同。

   而 均为常数，将 改一下尺标，即为　 。

说明：经励磁后，再将励磁切断时，磁路中会留有剩磁，即使 ，电枢仍会出现由剩磁磁通所感应的剩磁电压，        

2、外特性

用实验方法测取外特性时，发电机电枢加入负载电阻RL，当 时，调RL 和 使 ，然后保持 不变，变 RL 使I逐渐减小测取U，I，即得

由电压方程 可知U下降的原因为

1）去磁作用   2）

发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整律来衡量，发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值与额定电压的比值，称为额定电压调整率。

他励发电机的 大约在5~10%这一范围内。随负载变化基本上可看成是一个恒压的直流电源。

他励发电机在额定励磁下短路时，短路电流 ，由于 很小，所以 很大，可达（20~30）IN ，故不允许在额定励磁下短路。

3、调节特性

曲线是一条上升的曲线。由外特性可知，当附载电流I增加时，发电机端电压下降。如需维持U为常值，I增加时， 要相应的增加以补偿去磁的电枢反应和电枢回路电阻压降，通过调节特性实验可求出空载时和额定负载时

所需的励磁电流 和 。当（ 时所需的励磁电流即为 ）

4、效率特性

：总损耗

式中： 为电枢绕组铜损耗；  ：一对电刷的接触电压降，对石墨        对金属石墨

将以上损耗分别分为两大类1、不变损耗，不随P2的变化而变化

2、可变损耗，随P2变化而变化，

因负载变化时 要作相应调整以保证U=UN  ，所以 也属可变损耗，效率曲线如左图所示，可见发电机在某负载时效率最大。

令  解出最大效率，

即当不变损耗=可变损耗时发生最大效率

一般在3/4PN左右发生最大效率

小型直流发电机

中大型直流发电机

二、并励发电机的自励和运行特性

1、并励发电机的自励

并励和复励都是一种自励发电机，即不需要外部电源供给励磁电流，这种自励发电机首先是在空载时建立电压即所谓“自励”，然后再加负载，下面以并励为例研究其自励过程。

（1）自励过程

励磁绕组是并联在电枢绕组两端，励磁电流是由发电机本身提供。发电机由原动机拖动之额定转速，由于发电机磁路里总有一定的剩磁，当电枢旋转时，发电机电枢端点将有一个不大的剩磁电压E0r，E0r同时加在励磁绕组两端，便有一个不大的励磁电流通过，从而产生一个不大的励磁磁场。如励磁绕组接法适当，可使励磁磁场的方向与电机剩磁方向相同，从而使电机的磁通和由它产生的端电压 增加。在此大一点的电压作用下，励磁电流又进一步加大，最终稳定在空载特性和励磁电阻线的交点A，A点所对应的电压即为空载稳定电压。若调节励磁回路电阻，可调节空载电压稳定点。加大 ，则励磁电阻线斜率加大，交点A向原定移动。端点电压降低，当励磁电阻线与空载特性相切时，没有固定交点，空载电压不稳定，当励磁电阻线的斜率大于空载特性斜率，交点为剩磁电压，则发电机不能自励。

（2）自励条件

从上述发电机的自励过程可以看出，要使发电机能够自励，必须满足三个条件：

1）电机必须有剩磁。如电机失磁，可用其他直流电源激励一次，以获剩磁。

2）励磁绕组并到电枢绕组的极性必须正确。否则电枢电势不但不会增大反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕组对调。

3）励磁回路的电阻应小于临界电阻，即 。否则与空载特性无交点，不能建立电压

2、并励发电机的运行特性

与他励相同，也有外特性，调整特性和效率特性。

调整特性和效率特性与他励十分相近，仅说明其外特性。

外特性：

与他励外特性比较，并励的外特性有三个特点：

1）同一附载电流下，端电压较低。

2）外特性有“拐弯”现象。

3）稳定短路电流小

所以并励外特性比他励低。电压调整率一般在20%左右。

外特性“拐弯”现象的出现是因为：  ，在磁路比较饱和的区域中（右图AP段），随 ，由于磁路比较饱和，所以由于 的减少而引起Ea 和U的减少不大。即负载电阻减小，负载电流增大，一直到外特性“拐弯”点，该点电流称为临界电流约为（2~3）IN 。

若  进一步减小，U和 进一步减小，，此时磁路饱和度降低（途中A/A段），  的稍微减小，将引起Ea的很大下降，致使端电压U下降的幅度大于  减小的幅度。于是外特性出现“拐弯”现象，即  减小时，U减小，负载电流反而下降。

当稳态短路时（ ），U=0， ，此时电枢绕组中的电流由剩磁电动势产生，  ，因 不大，所以 不大。

三、复励发电机的运行特性

复励发电机有并励绕组和串励绕组两个励磁绕组，而串励绕组的作用是随着负载电流的增加增磁，从而补偿了并励绕组的去磁作用。所以复励发电机的外特性较平直。

   

积复励发电机应用很广，因可灵活的调整并励和串励磁场，从而设计出所需要的外特性。一般希望随负载变化发电机端电压稳定。这一点只有复励发电机能达到。

对串励，因励磁磁势直接随负载变化，端电压极不稳定，故不采用

3-7直流电动机的运行特性

直流电动机是直流发电机的一种逆运行状态，将电能变为机械能，由于表征机械能的参数为转距和转速。所以直流电动机稳定运行特性最主要的就是转距——转速特性即机械特性。再是工作特性。因直流电动机运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面分别加以研究

一、并励电动机的运行特性

1、机械特性

电动机带动负载运行，归根结底就是向负载发出一定的转距，并使之得到一定的转速。 Te和n是生产机械对电动机提出的两项要求。在电机内部Te和n 不是相互独立的，它们之间存在着确定的关系，这种关系称为机械特性。

由于 如不计磁饱和效应（忽略电枢反应影响）

则  ， 并励电动机机械特性为一稍微下降的直线

机械特性具有以下特点：

（1） 称为理想空载转速

（2）

（3）特性为一斜率为  的向下倾斜的直线

     所以为稍微下降的直线，这种特性称为硬特性。

（4）电枢反应的影响

     如考虑磁饱和，交轴电枢反应呈去磁作用，由公式 可见  机械特性的下降减小，或水平，或上翘。

     为避免上翘，采取一些措施，可加串励绕组，其磁势抵消电枢反应的去磁作用。

2、工作特性

   直流电动机的工作特性指：

   因在实际运行时电枢电流 可直接测量，且电枢电流 随 增加而增大，两者增大趋势相差不多，所以可将工作特性表示为：

（1）       转速特性

如不计电枢反应的去磁作用，则  为与  无关的常数。则

所以转速特性为一斜率为 的直线。

如考虑电枢反应的去磁作用会使n 趋于上升，为保证电机稳定运行，在电机结构上采取一些措施，使并励电动机具有略微下降的转速特性。

转速调整率为：

并励电动机负载变化时，转速变化很小，

注：并励电动机在运行时，励磁绕组绝对不允许断开。

   当   失磁

（2）转矩特性

不计饱和时              成正比

计饱和时，   较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线，如图实线所示。

（3）效率特性

和发电机效率特性相似

二、串励电动机的运行特性

串励电动机的特点是  随 变

1、机械特性（转距——转速特性）

n反比于Te，转速随转矩的增加迅速下降，这种特性称为软特性

2、工作特性

（1）转速特性

串励的转速特性与并励截然不同，它随负载增加迅速降低，变化很大。

当空载时  ，所以 ，转速达到危险的高速，称“飞车”现象，因此串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为：

为输出功率等于1/4PN 时的转速。

(2)转距特性

当磁路不饱和时，

当磁路饱和时，

一般可看成  ， 按大于一次方的比例增加。

它对启动和过载能力有重要意义，在同样大小的启动电流下能得到比并励电动机更大的启动转距。（用于电气牵引）

（3）效率特性

其效率特性与并励电动机相似

三、复励电动机的运行特性

复励电动机通常接成积复励，即有并励绕组，又有串励绕组，故其特性介于并励与串励之间。

若励磁绕组以并励为主，则其特性接近于并励电动机

但由于有串励磁势的存在， 补偿电枢反应的去磁作用，不致使转速特性上翘。

若励磁绕组中串励磁动势起主要作用，则特性接近于串励电动机，由于有并励磁势存在，不会使电动机空载时出现“飞车”现象。

3-8直流电动机的启动、调速和制动

  本节介绍直流电动机的启动、制动和调速原理及方法。

一、直流电动机的启动

直流电机接到电源后，转速从零达到稳定转速的过程称为启动过程，是一动态过程，情况较为复杂，仅介绍启动要求和启动方法。

直流电动机启动的基本要求是：（1）启动转距要大  

（2）启动电流要小，限制在安全范围之内  

（3）启动设备简单、经济、可靠

    直流电机在启动时，  ， 可突增至额定电流的十多倍，故此必须加以限制，在保证产生足够的启动转矩下（ ），尽量减小启动电流，一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN 。

常用的启动方法有三种，分别介绍如下

1、直接启动

加全压启动，启动电流 达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。

优点：操作简单，不需启动设备。

缺点：冲击电流太大1、对电网电压影响   2、对电机本身影响

只适用于小型电动机启动

2、电枢回路串变阻器启动

为限制启动电流，在启动时将启动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将启动电阻切除。

串入变阻器时的启动电流为

只要 选择适当，能将启动电流限制在允许范围内，随n的上升可切除一段电阻。采用分段切除电阻，可使电机在启动过程中获较大加速，且加速均匀，缓和有害冲击。如下图为分二级启动的机械特性曲线。

由  产生  ，电机加速（ ）

由 ，加速逐渐减小。

为获较大加速，到b点时切除 ，特性由b到c，由c到d后再切除  ，运行到固有特性e点，最终稳定在g点。（ ）

切除可手动完成，也可自动完成。

优点：启动设备简单，操作方便。

缺点：电能损耗大，设备笨重

常用三点启动器接线图

３、降压启动

开始启动时将低电压，则 ，并使 限制在一定范围内。

采用降压启动时，需专用调压电源，直流发电机，或可控硅整流电源。

用发电机，调节励磁达到调压；

用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。　

优点：启动电流小，能量损耗小，

缺点：设备投资大。

二、直流电动机的调速

许多生产机械需要调节转速，直流电动机具有在宽广的范围内平滑而经济的调速的性能。因此在调速要求较高的生产机械上得到广泛应用。

调速是人为的改变电气参数，从而改变机械特性，使得在某一负载下得到不同的转速，

如左图中n1与n2，而负载变化时，在同一特性上转速由n1至n1/（ ）

下面讨论调速原理及优缺点

从直流电动机的转速公式 可知

在某一负载下（ 不变），其中Ｕ、 、Φ中均可调节，所以可有三种调速方法。

　　１、电枢串电阻调速

由串阻的机械特性可知，所串电阻越大，斜率越大，转速越低。

未串阻时，工作在ａ点，突串 时，ｎ来不及突变，由ａ点到ｂ点

因为此时 ，使n下降，直至ｃ点（ ），调速过程完了。

系统稳定运行在ｃ点。

优点：设备简单，操作方便。

缺点：属有级调速，轻载几乎没有调节作用，低速时电能损耗大，接入电阻后特性变软，负载变化时转速变化大（即动态精度差）只能下调。

此种调速方法一般用于调速性能要求不高的设备上，如电车，吊车，起重机等。

有时为提高机械特性硬度在串 的同时，在电枢两端并一电阻 。

用等效电源法求等效电路

等效电源电压为电枢两端开路电压 　　　

等效串联电阻为电源短路时从电枢两端看进去的电阻

由等效电路得

   

所以特性硬度提高

２、调节电枢电压调速

　　应用此方法，电枢回路应用直流电源单独供电，励磁绕组用另一电源他励。

目前用得最多的可调直流电源是可控硅整流装置（SCR），对容量数千千瓦以上的采用交流电动机直流发电机机组。

缺点：调压电源设备复杂，一般下调转速。

优点：硬度一样，可平滑调速，且电能损耗不大。从以上两种方法属电枢控制。

３、弱磁调速

改变Φ的调速，增大Φ可能性不大，因电机磁路设计在饱和段。所以只有减弱磁通。可在励磁回路中串阻实现。

  

   但 比 增加快，一般情况下

设负载转距不变，则

　　又　 　

因U不变，所以  

则     减少磁通可使转速上升

   基本不变

缺点：调速范围小，只能上调，磁通越弱， 越大，使换向变坏。

优点：设备简单，控制方便。调速平滑，效率几乎不变，调节电阻上功率损耗不大。

注：以上适用于他励和并励电动机，也适用于复励电动机

４、串励电动机的调速

由串励电动机机械特性

式中：

（１）可用在电枢回路中串接电阻的方法来调速

电枢回路总电阻为 ，

越大，斜率越大，电机效率较低。

（２）改变Ｕ

用改变U调速时，效率较高。特性与固有特性平行，红线所示

（３）可在励磁绕组两端并电阻

加入 后，减弱磁通，使ｎ上升，不接 时 ，接 后

   曲线如右图

（４）可在电枢两端并电阻 　　

并 后，　

不并 时，

　可下调转速，曲线为３，

（２）、（３）均为磁场控制，其线路图见ｐ93,3-57

三、直流电动机的制动

一台生产机械工作完毕就需要停车，因此需要对电机进行制动。最简单的停车方法是断开电源，靠摩擦损耗转矩消耗掉电能，使之逐渐停下来，这叫做自由停车法。

自由停车一般较慢，特别是空载自由停车，更需较长的时间，如希望快速停车，可使用电磁制动器，俗称“抱闸”。也可使用电气制动方法，分三种，能耗制动、反接制动和回馈制动

1、能耗制动

      

停车时，不只是断电，而且将电枢立即接到 上（为限制电流过大）因为磁场保持不变（书中为并励）

由于惯性，n存在且与电动时相同，所以Ea与电动时方向相同

电流方向相反，

所以Te反向。

由于转矩与电动状态相反，产生一制动性质的转距，使其快速停车。制动过程是电机靠惯性发电，将动能变成电能，消耗在电枢总电阻上，因此称之为能耗制动。

能耗制动操作简单，但低速时制动转矩很小。

2、反接法

采用以上能耗制动方法，在低速时效果差，如采用反接制动，可得到更强烈的制动效果。利用反向开关将电枢反接，反接同时串入电阻 （为限制电流过大）

  为负，所以Te为负

反接制动时最大电流不得超过 ，

则应使   

        

对于能耗制动      

缺点：能量损耗大，转速下降到零时，必须及时断开电源，否则将有可能反转。

3、回馈制动

当   为负，  Te为负  

例如电车下坡时的运行状态

电车在平路上行驶时，摩擦转矩TL是制动性质的，

系统运行于a点。这时   

当电车下坡时，TL 仍存在（暂不考虑数值变化），车重产生的转矩是帮助运动的，如 ，合成转矩与n方向相同，因而n上升，当 ，使变负，  使Ia变负，Te为负此时电机进入发电状态，发出电能，回馈到电网，称为回馈制动，稳定运行在b点。

总之，电气制动是电机本身产生一制动性质的转距，使电机快速停转。

3-9换向

当电枢旋转时，元件从一条支路通过电刷进入另一条支路时，该元件中的电流就要改变一次方向，这种电流方向的改变称为换向。

换向问题是一切带有换向器电机的一个专门问题，它对电机的正常运行有重大影响，换向不良，将在电刷下发生有害火花，当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能继续运行。

然而换向过程十分复杂，有电磁、机械和电化学等方面因素相互交织在一起，我们仅就换向的电磁现象及改善换向的方法作简单介绍。

一、换向元件中的电势

设电刷宽度等于换向片宽度，电刷不动，换向器从右向左运动，当电刷与换向片1接触时，元件1属于右边一条支路，电流为Ia ，当电刷与1、2换向片接触时，元件1被短路，当电刷与换向片2接触时，元件1进入左边一条支路，电流为Ia ，但方向相反，从正Ia 变负Ia ，即发生了2Ia 的变化。换向过程所经过的时间称为换向周期，用TC 表示。如换向元件中电势为零时是直线换向，即电流Ia 均匀的由+Ia 变到-Ia ，如图3-61b所示。

但实际在换向过程中。换向元件中会出现下列两种电势，这些电势会影响电流的变化。

1、电抗电势Er

换向元件本身是一个线圈，所以当元件中电流从+Ia 变到-Ia 时，线圈中必有自感作用，同时换向元件之间又存在互感作用，因此换向元件在电流变化时必须出现有自感和互感作用所引起的感应电势，这个电势成为电抗电势Er 。

式中 为换向元件等效漏电感，包括自感互感。

根据楞次定律，电抗电势的作用总是阻碍电流变化的，因电流在减小，所以其方向必与  + Ia相同，即与换向前电流方向一致。

2、运动电势Ea

   我们知道换向元件的有效边处于两极之间的几何中线位置，（固电刷放在磁极轴线下的换向片上），那里由主极产生的磁密几乎为零。但由电枢反应磁势产生的磁密不为零。换向元件切割此磁密产生运动电势。

根据右手定则判定换向元件中旋转电势的方向与换向前元件中电流方向一致。因而Ea 总是阻碍换向元件中电流的变化。

二、换向元件中电流变化规律

因上述两种电势Er 和Ea 均阻碍电流换向

    与Ia和V成正比，所以大电流、高转速的电机会给换向带来更大困难

为了改善换向，在电机几何中性线处装有换向极，换向极磁场的方向与电枢磁场方向相反，其强度比电枢磁场稍强，所以此时总的运动电势EC 与Ea 反向，即与Er 反向。

下面分三种情况对换向电流进行分析

1、直线换向

当   时为直线换向，电流均匀的由+Ia 变为-Ia ，是最理想的换向情况。如图中  所示

2、延迟换向

    ，换向元件中合成电势  倾向于保持换向前电流方向，所产生的附加电流为Ic ，使换向元件中电流由 组成，使换向元件中电流改变方向的时刻向后推移，所以称延迟换向。

3、超越换向

如 ，则换向极磁势过强，换向元件中合成电势 所产生的附加电流Ic 倾向于与换向后电流方向相同。在Ic的影响下，使换向元件中电流改变方向的时刻比直线换向时提前，称为超越换向。

三、改善换向的方法

    由上述分析可见，由于Ic的存在，当被电刷短路元件瞬时断开时，Ic 不为零，这部分能量  以弧光放电的形式释放出来，所以在电刷和换向片之间出现火花。

    改善换向的目的是消除电刷下面的火花，而产生火花的电磁原因是存在Ic（Ic 由 产生），因此必须设法减小或消除Ic，即使合成电势 。

目前改善直流电机换向最有效的方法是装设换向极。

换向极绕组与电枢绕组串联，装在几何中性线上，当电机负载运行时，电枢电流流过换向极产生磁势，其方向与电枢反应磁势方向相反，其大小除抵消Fa 外，还要建立一个换向极磁场BC，使换向元件切割BC 产生 ，并与  相抵消。这样既可消除 Ic ，使换向良好。

由于换向极与电枢串联， 正比于Ia ，而BC 正比于Ia ，

以使两者在不同负载电流时均能抵消。

四、补偿绕组

我们知道由于电枢反应使气隙磁场发生畸变，这不仅给换向带来困难，而且极尖下增磁区域内可使磁密达到很大数值，当元件切割该处磁密时会感应出较大电势，以至于使该处换向片间电位差较大，可能在换向片间产生电位差火花，在换向不利的条件下，电刷间的火花与换向片间的火花连成一片，出现“环火”现象，可在很短时间内烧坏电机。

防止上述情况的措施是减少电枢反应磁势，方法是装设补偿绕组。

在主极极靴上冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组。为了随时补偿电枢反应磁势，补偿绕组应与电枢绕组串联，它产生的磁势方向与电枢反应磁势方向相反，以保证任何负载下随时能抵消电枢磁势。

但结构复杂，成本高，仅用于大容量工作繁重的直流电机中。