直流电动机直流电动机是利用电磁感应原理实现直流电能与机械能的相互转换。

如果将电能转换为机械能则为电动机，反之就是发电机。

直流电动机具有调速范围广且平滑，起动和制动转矩大，过载能力强，且易于控制，常用于对调速有较高要求的场合。

本章主要介绍直流电机的基本结构、工作原理和机械特性。

并以他励电动机为例，讨论了直流电动机的启动、反转与调速等运行问题。

8.1 直流电机的构造常用的中小型直流电动机的结构如图8.1.1所示。

它由定子、转子、电刷装置，端盖，轴承、通风系统等部件组成。

图8.1.1 直流电动机的结构1.定子定子有机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，其剖面结构示意图见8.1.2所示。

它的作用就是产生主磁场和附加磁场，作电机的机械支架。

图8.1.2 直流电动机定子结构机座用作电机的外壳，并固定主磁极和换向极，并且也是磁路的一部分。

机座常用铸钢或厚钢板制成，保证良好的导磁性能和机械支撑作用。

主磁极由磁极铁心、励磁线圈组成，它能产生一定形状分布的气隙磁密。

主磁通铁心，由1~1.5mm厚的硅钢片冲压叠制而成，用铆钉与电动机壳体相连，铁心外套上预先绕制的线圈，以产生主磁场。

主极掌面呈孤型，以保证主磁极掌面与电枢表面之间的气隙均匀，磁场分布合理。

换向极结构与主磁极相似，只是几何尺寸小主磁极小。

其作用是产生附加磁场，以改善电机的换向。

电刷装置通过固定的电刷与转动的换向片之间的滑动接触，使旋转的转子与静止的外电路相连接，是电机结构中的薄弱之处。

石墨制成的电刷放在刷握内，用压紧弹簧将其压在换向器表面。

刷握固定在刷杆上，通过电刷的刷辩，将电流从电刷引入或引出。

2.转子转子（又称电枢）由电枢铁心，电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，如图8.1.3所示。

它是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量转换的关键。

图8.1.3 直流电动机的转子结构电枢铁心也是电机主磁路的一部分。

为了减少涡流和磁滞损耗，铁心采用0.5mm 厚的两面涂绝缘漆的硅钢片选压而成。

在电枢铁心的表面有均匀分布的槽用以嵌放电枢绕组。

电枢线圈用包有绝缘的导线制成一定的形状，按要求嵌入电枢铁心，线圈的出线端都与换向器的换向片相连，按一定规律构成电枢绕组。

8.2 直流电机的基本工作原理任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力的基础上，直流电机也不例外 为方便讨论，把复杂的直流电机结构简化为8.2.1所示的直流电动机的工作原理图。

在模型中，电机具有一对磁极，电枢绕组也只有一个线圈，线圈两端联在两个换向片上，而换向片上压着电刷A 和B 。

图8.2.1 直流电动机的工作原理图当直流电源接在电刷之间而使电流流入电枢线圈。

电流方向应该是这样的：N 极下的有效边上的电流总是一个方向，而S 极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。

因此，当线圈的有效边从N （S ）极下转到S （N ）极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变，而这也必须通过换向器就可以实现。

电枢线圈通电后在磁场中受力而转动，与此同时，当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势e ，由右手定则判断可知，该电动势的方向与电流或外加电压的方向总是相反的，所以称为反电动势，它与发电机中的电动势的作用是完全不同的。

直流电机电刷间的电动势常用下式表示：E=μφe k （8.2.1） 式中，E —电动势（V ）；φ—一对磁极的磁通（wb ）； n —电枢转速（minr）；k e —与电机结构有关的常数。

直流电枢电枢绕组中产生的电流与磁通φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩。

直流电机电磁转矩常用下式表示：T=φT k I a （8.2.2） 式中，T —电磁转矩（N 、m ）； φ—一对磁极的磁通（wb ）； I a —电枢电流(A)；k t —与电机结构有关的常数，k t =9.55 k e 。

电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。

当电动机匀速转动时，电动机的电磁转矩T 就必须与机械负载转矩T 2及空载损耗转矩T 0相平衡。

当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速，电动势、电流及电磁转矩都作相应调整，以适当负载的变化，保持新的平衡。

8.3 直流电动机的机械特性直流电动机按励磁方式分为他励，并励，串励和复励四种，其中前二种较为常用。

它们的接线图如图8.3.1所示。

他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源fU和电枢电源U 供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电源U 供电。

下面以他励电动机为例，讨论直流电动机的机械特性。

并励电动机的并联电压不改变时，可认为与他励电动机相同。

图8.3.1 直流电动机的接线图当励磁绕组电源电压为f U ，励磁回路的电阻为f R ，则励磁电流为f I 为f I =ff RU （8.3.1）当电枢回路电源电压为V ，电枢绕组的电阻为R a ，则电枢回路方程 U=E+a a I R （8.3.2）其中电源电压U 大部分与反电势平衡，而电枢绕组压降a a I R 较小。

将式（8.2.1）和（8.2.2）代入式（8.3.2），可得直流电动机机械特性的一般表达式 n =2φφt e a e k k R k U -=n n ∆-0 (8.3.3)式中，0n —直流电动机的理想空载转速n ∆—输出电磁转矩为T 时，电动机的转速下降。

图8.3.2 他励电动机的机械特性曲线他励电动机的机械特性曲线如图8.3.2所示。

原先电动机的机械特性与恒转矩负载T 2平衡，工作点是a 点。

突然负载转矩变成'2T ，这时电动机的电磁转矩T 便小于'2T ，电机转矩下降。

随着转矩下降，在励磁不改变的情况下，反电动势E 就成小，而电枢电流I a 将增大，于是电磁转矩也随之上升。

直到电磁转矩与阻转矩达到新的平衡后，转速不再下降，而电动机也较原先为低的转速稳定运行（工作点是b 点）。

【例8.3.3】有一台Z 322-型他励电动机，其额定数据如下：P 2=2.2kw,U= U f =110V ， n =1500minr，η=0.8；并已知R a =0.4Ω，f e =82.7Ω。

试求：（1）额定电枢电流；（2）额定励磁电流；（3）励磁功率；（4）额定转矩；（5）额定电流时的反电动势。

【解】 直流电动机的有些关系式类似于异步电动机 （1）aUI P P P 212==μ所以A A UP I a 251108.0102.232=⨯⨯==η（2）A A R UI fff 33.17.82110===（3）W W IU P ff f 3.14633.1110=⨯==（4）m N m N nP T ⋅=⋅==0.1415002.2955095502（5）V A I R U E a a 100)254.0110(=⨯-=-=8.4 他励电动机的启动与反转所谓启动，就当直流电源接入后，转速从零逐渐上升到稳定值的过程，它与电路的过渡过程相类似，有些关系式（式8.3.2）与稳态运行时不一致。

直流电动机启动时，必须先加励磁电流建立磁场，然后再将电枢电源接入。

他励电动机正常情况下，电枢电流I a 为aa R e U I -=而电源刚接入时，电动机的转速n =0，反电动势E=0，电枢回路只有电枢绕组电阻 R a ，这时电枢电流为起动电流I ast ，对应的电磁转矩为起动转矩T ast ,并且 aa s t R U I =（8.4.1）φt a s t k T =I ast （8.4.2）由于电枢绕组R a 很小，因此起动电流I ast 》I a ，约为（10~20）I a 。

这么大的起 动电流使电动机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；同时电枢绕 组也会因过热而损坏；另外，过大的起动转矩，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不 允许的。

因此，必须限制起动电流。

限制起动电流的方法之一就是在电枢回路中串接起动电 阻R st 。

这时电枢中起动电流的初始值 sta ast R R U I +=（8.4.3）而起动电阻则由上式确定，则 a a s tst R I U R -=（8.4.4）一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5~2.5倍。

随着转速的上升，就可以逐段 切除电阻，但通常起动电阻不超过三段。

如果要改变直流电动机的转动方向，就必须改变电磁转矩的方向。

可将式（8.2.2） 中的φ或I a 的方向。

当励磁电流不改变方向时，改变电枢电流（即电枢电压）的方向； 当励磁电流（励磁电压）改变方向时，电枢电流不改变方向。

通常改变电枢电流方向， 而不改变励磁电流方向。

8.5 他励电动机的调速直流电动机的优点之一就是良好的调速性能。

因此，对调速性能要求高的生产机械， 还常采用直流电动机。

由于并励电动机能无级调速，可以减化机械变速齿轮箱。

电动机的调速就是在同一负载时人为改变电机的转速，以满足生产要求。

由他励电动机的转速公式 φe aa k I R U n -=可知，改变转速常用下式两种方法： 8.5.1 改变磁通Φ（调磁）在保持励磁电压和电枢电压为额定值时，调节电阻'f R （图8.3.1），改变励磁电流 I f 以改变磁通。

由式 T k k R k U n T e a e 2φφ-=当磁通φ减小（弱磁）时，0n 上升，同时转速降n ∆也增大；前者与φ成反比，而后 者与φ成反比。

所以弱磁后的机械特性和固有机械特性会有交点。

当负载转矩（即电磁转 矩）较小时，0n 的上升大于n ∆的上升，所以弱磁后的转速上升。

但是随着负载转矩的上 升，0n 的上升会等于或小于n ∆的上升，两机械特性就会相交。

然后弱磁后的机械特性就 会低于固有机械特性，即转矩下降。

调速的过程是这样的：当电枢电压不变时，减小磁通φ。

由于机械惯性，转速来不即 发生变化，于是E=n e k φ就减小，I a 随之增加。

由于I a 的增加的影响超过φ减小的影响， 所以转矩T=φt k I a 也增加，如果负载转矩T 未变，则T>T c ，转速n 上升。

随着n 的升高，反电动势E 增大，I a 和T 也随之，直到T= T c 为止。

但这时的转速已经较原先升高 了。

即图8.5.1中的a 点→b 点→c 点的过程。

图8.5.1 改变Φ时的机械特性曲线上述调速过程是设负载转矩保持不变。

结束由于φ的减小而使I a 增大。

如果调速前电动机已在额定电流下运行，那么调速后的电流过会超过额定电流，这是不允许的。

从发热角度考虑，调速后的电流仍应保持额定值，则电动机在高速运转时负载必须减小。

因此，这种调速方式仅适用于转矩和转速成反比而输出功率基本上不变（恒功率调速）的场合，例如用于切削机床中。

这种调速方法有下列优点：（1） 调速平滑，可得无级调速；（2） 调速经济，控制方便；（3） 机械特性较硬，稳定性较好；（4） 对于专门生产的调磁电动机，其调速幅度可达3~4，例如530~2120minr及310~1240minr。