激智科技 千人计划:课题八 直流电机简介

                      课题八  直流电机简介

教学目的及要求：通过教学使学生了解直流电机的结构、工作原理和基本类型；掌握直流电动机的电磁转矩、电枢电动势的计算以及直流电动机的基本方程。了解电枢反应的概念和换向的基本知识。

教学方式：理论讲解 实物演示

展示设备：直流电机 电机系统实验装置

重点难点：直流电机的工作原理，直流电机的电磁转矩，电枢反应及换向

8.1直流电机的基本工作原理

    图8.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

                        图8.1  直流电动机工作原理示意图

一、直流电动机工作原理

    将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图8.1(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图8.1(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

    由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

    实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。 

二、直流发电机工作原理

    直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机(如汽轮机等)拖动电枢朝某一方向(例如逆时针方向)旋转，如图8.2(a)所示。这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右手定则确定。可知导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势的方向由d指向c，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷A为电源正极，电刷B为电源负极。电枢转过180°后，导体cd与导体ab交换位置，但电刷的正负极性不变，如图8.2(b)所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。

                        图8.2  直流发电机工作原理示意图 

    从以上分析可以看出：一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。

8.2    直流电机的结构和额定值

一、直流电机的结构

    由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图8.3所示。直流电机的纵向剖视图如图8.4所示。

1.   定子

（1）主磁极

    主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图8.5所示。

                        图8.3  直流电机装配结构图

                1—换向器  2—电刷装置 3—机座  4—主磁极  5—换向极
                6—端盖   7—风扇   8—电枢绕组  9—电枢铁心

                            图8.4  直流电机纵向剖视图

                1—换向器  2—电刷装置  3—机座  4—主磁极  5—换向极
                6—端盖   7—风扇   8—电枢绕组  9—电枢铁心

（2）换向极

    换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

（3）机座

    电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换         图8.5  主磁极的结构

向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；     1—主磁极  2—励磁绕组  3—机座

二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

（4）电刷装置

    电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

        图1.6  换向极                               图1.7  电刷装置

        1—换向极铁心                                   1—刷握2—电刷 

        2—换向极绕组                                   3—压紧弹簧  4—刷辫

2. 转子(电枢)

（1）电枢铁心

    电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

                                图8.8  转子结构图

（2）电枢绕组

    电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

（3）换向器

    在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以

电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向        图8.9  电枢槽的结构

片的紧固通常如图8.10所示，换向片的下部做成鸽   1—槽楔2—线圈绝缘 3—电枢导体

尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘5—槽绝缘 6—槽底绝缘

螺母锁紧。

（4）转轴

    转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

        图8.10  换向器结构                          图8.11  单叠绕组元件

        1—换向片2—连接部分                 1—首端  2—末端  3—元件边                                                 4—端接部分  5—换向片

二、直流电机的励磁方式

    励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类。（1）他励直流电机

    励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图8.13(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图8.20中电流正方向是以电动机为例设定的。

（2）并励直流电机

    励磁绕组与电枢绕组并联。如图8.13(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，            图8.12  单波绕组元件

所以励磁绕组的导线细而匝数多。                 1—首端  2—末端  3—元件边

（3）串励直流电机                          4—端接部分  5—换向片

    励磁绕组与电枢绕组串联，如图8.13(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。

（4）复励直流电机

    每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图8.13(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。

    直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。

(a)他励电动机       (b)并励电动机   (c)串励电动机  (d)复励电动机

                图8.13  直流电机的励磁方式

三、直流电机的额定值

    电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。直流电机的额定值主要有下列几项：

1.额定功率

    额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电枢输出的电功率。单位为kW(千瓦)。

2.额定电压

    额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。

3.额定电流

额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安培)。

4.额定转速

    额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min(转/分)。

    额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩TN、额定效率hN等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。

    额定功率与额定电压和额定电流之间有如下关系：

                        直流电动机    PN=UNINhN×103 kW                           

                        直流发电机    PN=UNIN×103 kW                                  

    直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。

8.3直流电机的磁场、电动势、转矩

一、直流电机的磁场

    由直流电机基本工作原理可知，直流电机无论作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。因此，在分析直流电机的运行原理以前，必须先对直流电机中磁场的大小及分布规律等有所了解。

1. 直流电机的空载磁场

    直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图8.14所示，为方便起见，只画一半。

                        图8.14  直流电机空载磁场分布图

（1）主磁通和漏磁通

    图8.14表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁轭(电枢磁轭)，到S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座(定子磁轭)形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用F0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组交链的磁通称为漏磁通，以F0表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。

（2）直流电机的空载磁化特性

    直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通F，当励磁绕组的匝数Wf一定时，每极磁通F的大小主要决定于励磁电流If。空载时每极磁通F0与空载励磁电流If(或空载励磁磁势的关系或)称为电机的       图8.15  直流电机铁心空载磁化曲线

空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的B-H曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性在较大时也出现饱和，如图8.15所示。为充分利用铁磁材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分(图中A点附近)。

（3）空载磁场气隙磁密分布曲线

    主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙δ大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的75%左右，如图8.16(a)所示。磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数，靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平顶波，如      图8.16  空载气隙磁密分布曲线

图8.16(b)所示。

2. 直流电机的电枢反应及负载磁场

（1）直流电机的电枢反应

    直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波，如图8.16(b)所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia，产生电枢磁势Fa，与励磁磁势Ff共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。

    下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。

（2）直流电机的电枢磁场图

    图8.17表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用产生的电枢磁场分布情况，圈中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中设上部元件边中电流为出来，下部元件边电流是进去，由右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直。

    下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设图8.17所示电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如图8.18所示。该元件有Wc匝。元件中电流为ia，每个元件的磁势为iaWc安匝，由该元件建立的磁场的磁力线分布如图8.17所示，如果假想将此电机从几何中性线处切开展平，如图8.18所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电流iaWc，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁势为，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁势的分      图8.17  电刷在几何中性线处的电枢磁场

布情况如图1.26所示。可以看出一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2τ为周期、幅值为的矩形波。

                            图8.18绕组元件的磁势 

    当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁势仍是幅值为 的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2τ为周期的多级阶梯形波，为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图8.19所示。

    如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁势全都消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为： 

式中  Fax——气隙中x处的磁势；

      Bax——气隙中x处的磁密。

    由上式可知，在磁极极靴下，气隙δ较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与电枢磁势成正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使Bax反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图8.19中曲线3所示。

                        图1.26  直流电机电枢反应磁密分布

（3）负载时的气隙合成磁场

    如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙磁密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图8.19中的曲线4所示。对照曲线l和4可见：电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通Φ维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图8.19所示。利用图8.19可以分析得知，对发电机，物理中性线顺着旋转方向(nF的方向)偏离几何中性线；而对电动机，则是逆着旋转方向(nD的方向)偏离几何中性线。

    考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图8.19中的曲线5所示。由于铁磁性材料的非线性，曲线5与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。 

    由以上分析可以知电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：

    a)使气隙磁场发生畸变。半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对发电机，是前极端(电枢进入端)的磁场削弱，后极端(电枢离开端)的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。

    b)磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加的磁通小于另半个极下减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减小。

二、电枢绕组的感应电动势

    电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢旋转时，电枢绕组元件边内的导体切割电动势，由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图8.20所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。为分析推导方便起见，可把磁密看成是均匀分布的，取每个极下气隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为                            

式中  Bav——一个极下气隙磁密的平均值，称平均磁通密度；

      l——电枢导体的有效长度(槽内部分)；

      v——电枢表面的线速度。

    设电枢绕组总的导体数为N(N＝2SW)，则每一条并联支路总的串联导体数为N/2α，因而电枢绕组的感应电动势

式中——对已经制造好的电机，是一个常数，故称直流电机的电动势常数。

    每极磁通Φ的单位用Wb(韦伯)，转速单位用r/min时，电动势Ea的单位为V。上式表明：对已制成的电机，电枢电动势Ea与每极磁通Φ和转速n成正比。假定电枢绕组是整距的(y1＝τ)，如果是短距绕组(y1<τ)，电枢电动势将稍有减小，因为一般短距不大，影响很小，可以不予考虑。式中的Φ一般是        图1.27  气隙合成磁场磁密的分布

指负载时气隙合成磁场的每极磁通。

三、电枢绕组的电磁转矩

    电枢绕组中流过电枢电流Ia时，元件的导体中流过支路电流ia，成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图1.27所示。一根导体所受电磁力的大小为

    如果仍把气隙合成磁场看成是均匀分布的，气隙磁密用平均值Bav表示，则每根导体所受电磁力的平均值为

     一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为

式中  D——电枢外径。

    不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向也不同，所以电枢所有导体产生的电磁转矩方向部是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等于一根导体电磁转矩的平均值Tem乘以电枢绕组总的导体数N，即     

式中 ——对已制成的电机是一个常数，称为直流电机的转矩常数。

    磁通的单位用Wb，电流的单位用A时，电磁转矩Tem的单位为N·m(牛·米)。上式表明：对已制成的电机，电磁转矩T与每极磁通Φ和电枢电流Ia成正比。

    电枢电动势和电磁转矩是直流电机两个重要的公式。对于同一台直流电机，电动势常数Ca和转矩常数CT之间具有确定的关系：

或者               

8.4直流电机的换向

    换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。

一、换向的过程

    直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如图8.21所示。图8.21是电机中一元件K的换向过程，设bS为电刷的宽度，一般等于一个换向片bK的宽度，电枢以恒速Va从左向右移动，TK为换向周期，S1、S2分别是电刷与换向片1、2的接触面积。

        (a)换向开始瞬时      (b) 换向过程中某一瞬时       (c) 换向结束瞬时

                            图1.28  换向元件的换向过程

    1.换向开始瞬时(图8.21(a)所示)，t =0，电刷完全与换向片2接触，S1=0，S2为最大，换向元件K位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件K中流的电流i=+ia，由相邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片2流入电刷。

    2.在换向过程中(图8.21(b)所示)，t =TK/2，电枢转到电刷与换向片1、2各接触一部分，换向元件K被电刷短路，按设计希望此时K中的电流i=0，由相邻两条支路而来的电流为2ia，经换向片1、2流入电刷。

    3.换向结束瞬时，(图8.21(c)所示)，t=TK，电枢转到电刷完全与换向片1接触，S1为最大，S2=0，换向元件K位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，K中流过的电流i=-ia，相邻两条支路电流2ia经换向片1流入电刷。

    随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。

二、影响换向的因素

    影响换向的因素是多方面的，有机械因素、化学因素，但最主要的是电磁因素。机械方面可通过改善加工工艺解决，化学方面可通过改善环境进行解决。电磁方面主要是换向元件K中，附加电流iK的出现而造成的，下面分析产生iK的原因。

1. 理想换向(直线换向)

    换向过程所经过的时间(即换向周期TK)极短，只有几豪秒，如果换向过程中，换向元件K中没有附加其它的电动势，则换向元件K的电流i均匀地从+ia变化到-ia(+ia→0→-ia)，如图8.22曲线1所示，这种换向称为理想换向，也称直线换向。

2. 延迟换向

    电机换向希望是理想换向，但由于影响换向的主要因素——电磁因素的存在，使得换向    图8.22  直线换向与延时换向          图8.23  换向元件K中产生的电枢反映电动势

不能达到理想，而出现了延迟换向，引起火花。电磁因素的影响有电抗电动势以及电枢反应电动势两种情况。

    (1) 电抗电动势eX：电抗电动势又可分为自感电动势eL与互自感电动势eM。由于换向过程中，元件K内的电流变化，按照棱次定律将在元件K内产生自感电动势eL=-Ldia/dt；另外，其它元件的换向将在元件K内产生互感电动势eM=-Mdia/dt，则

                               eX=eL+eM                                               

eX总是阻碍换向元件内电流i变化的，即eX与换向前电流+ia方向相同，即阻碍换向电流减少的变化。

    (2)电枢反应电动势(旋转电动势)eV：电机负载时，电枢反应使气隙磁场发生畸变，几何中性线处磁场不再为零，这时处在几何中性线上的换向元件K将切割该磁场，而产生电枢反应电动势eV；电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，按右手定则，可确定eV的方向，如图8.23所示，eV与换向前电流ia方向相同。

    (3) 附加电流iK：元件换向过程中将被电刷短接，除了换向电流i外，由于eX与eV的存在，产生了附加电流iK。

                       iK=(eX+eV)/(R1+R2)                                     

式中，R1、R2分别为电刷与换向片1、2的接触电阻。iK与eX+eV方向一致，并且都阻碍换向电流的变化，即与换向前电流+ia方向相同。iK的变化规律如图8.22中曲线2所示。这时换向元件的电流是曲线1与2的叠加，即如图8.22中曲线3所示。可见，使得换向元件中的电流从+ia变化到零所需的时间比直线换向延迟了，所以称作延迟换向。

    (4) 附加电流对换向的影响。由于iK的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均匀性，从而使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密度减小，如图8.24所示。当换向结束，即换向元件K的换向片脱离电刷瞬间，iK不为零，换向元件K中储存的一部分磁场能量  图8.22  延迟换向时附加电流的影响

LKi2K/2就以火花的形式在后刷端放出，这种火花称为电磁性火花。当火花强烈时，将灼伤换向器材和烧坏电刷，最终导致电机不能正常运行。

三、改善换向的方法

    产生火花的电磁原因是换向元件中出现了附加电流iK，因此要改善换向，就得从减小、甚至消除附加电流iK着手。

1. 选择合适的电刷

    从iK=(eX+eV)/(R1+R2)可见，当eX+eV一定时，可以选择接触电阻(R1,R2)较大的电刷，从而减小附加电流来改善换向。但它又引起了损耗增加及电阻压降增大，发热加剧，电刷允许流过的电流密度减小，这就要求应同时增大电刷面积和换向器的尺寸。因此，选用电刷必须根据实际情况全面考虑，在维修更换电刷时，要注意选用原牌号。若无相同牌号的电刷，应选择性能接近的电刷，并全部更换。

2. 移动电刷位置

    如将直流电机的电刷从几何中性线n-n移动到超过物理中性线m-m的适当位置，如图8.23(a)中v-v所示，换向元件位于电枢磁场极行相反的主磁极下，则换向元件中产生的旋转电动势为一负值，使eX-eV)≈0，iK≈0，电机便处于理想换向。所以对直流电动机应逆着旋转方向移动电刷，如图8.23(a)所示。但是，电动机负载一旦发生变化，电枢反应强弱也就随之发生变化，物理中性线偏离几何中性线的位置也就随之发生变化，这就要求电刷的位置应做相应的重新调整，实际中是很难做到。因此，这种方法只有在小容量电机中才采用。

    (a)移动电刷位置改善换向                    (b) 安装换向极改善换向

                        图8.23  改善换向的方法

3. 装置换向极

    直流电机容量在1kW以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方法，换向极安装在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图8.23(b)所示。改善换向的作用是在换向区域(几何中性线附近)建立一个与电枢磁动势Fa相反的换向极磁动势FK，它除了抵消换向区域的电枢磁动势Fa(使eV=0)之外，还要建立一个换向极磁场，使换向元件切割换向极磁场产生一个与电抗电动势eX大小相等、方向相反的电动势e'V，使得e'V+eX=0，则iK=0，成为理想换向。

    为了使换向极磁动势产生的电动势随时抵消eX和eV，换向极绕组应与电枢绕组串联，这时流过换向极绕组上的电流ia，产生的磁动势与ia成正比。且与电枢磁动势方向相反便可随时抵消。

    换向极极性应首先根据电枢电流方向，用右手螺旋定则确定电枢磁动势轴线方向，然后应保证换向极产生的磁动势与电枢磁动势方向相反，而互相抵消，即电动机换向极极性应与顺着电枢旋转方向的下一个主磁极极性相反，如图8.23(b)所示。

四、补偿绕组

    在大容量和工作繁重的直流电机中，在主极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放一种所谓补偿绕组，如图8.24(a)所示。补偿绕组与电枢绕组串联，因此补偿绕组的磁动势与电枢电流成正比，并且补偿绕组连接得使其磁动势方向与电枢磁动势相反，以保证在任何负载情况下随都能抵消电枢磁动势，从而减少了由电枢反应引起气隙磁场的畸变。电枢反应不仅给换向带来困难，而且在极弧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，会感应出较大的电动势，以致使处于该处换向片间的电位差较大。当这种换向片间电位差的数值超过一定限度，就会使换向片间的空气游离而击穿，在换向片间产生电位差光火花。在换向不利的条件下，若电刷与换问片间发生的火花延伸到片间电压较大处，与电位差火花连成一片，将导致正负电刷之间有很长的电弧连通，造成换向器整个圆周上发生环火                        图8.24 环火和补偿绕组

如图8.24(b)，以致烧坏换向器。所以，直流电机中安装补偿绕组也是保证电机安全运行的措施，但由于结构复杂，成本较高，一般直流电机中不采用。

本章小结

    (1) 直流电动机是根据电磁力定律而工作的，电刷两端引入外加直流电源，与换向器共同作用，变换成交流电供给电枢元件，从而产生方向不变的电磁转矩，拖动转子旋转。

    (2) 直流发电机是根据电磁感应定律而工作的，电枢元件产生的电动势交流的，通过换向器与电刷的共同作用，变换成直流电，由电刷两端向外引出直流电压。

    (3) 直流电动机中，电流ia与电动势的Ea方向相反，Ea称为反电动势；电磁转矩T与转速n方向相同，T称为拖动转矩。直流发电机中电流ia与电动势的Ea方向相同，Ea为电源电动势；电磁转矩T与转速n方向相反，T称为制动转矩。

    (4) 直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、机座与电刷组成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成，主要作用是产生感应电动势Ea和电磁转矩T，是直流电机机电能量转换的主要部件—电枢。

    (5) 直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，单叠绕组是将同一个主磁极下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数a=P。它适用于低电压、大电流电机。单波绕组是将同一极性下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数a=1，它适用于高电压、小电流电机。

    (6) 直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。

    (7) 磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时，气隙磁场仅由主磁场磁动势Ff单独建立，特点为：首先是对称于主磁极轴线的平顶波，其次是物理中性线与几何中性线重合。当直流电机负载时，气隙磁场是由主磁场磁动势Ff与电枢磁动势Fa共同建立，Fa对主磁场的影响称为电枢反应。电枢的结果为1它是气隙磁场发生畸变；2物理中性线偏离几何中性线(电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，发电机时顺着旋转方向偏离一角度)；3当磁路不饱和时，总磁通量不变；当磁路饱和时，总磁通量减少。

    (8) 无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将在电枢绕组中产生感应电动势=Fn；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的作用下就会产生电磁转矩T= CTFIa。

    (9) 影响直流电机换向的主要因素是电磁因素，即换向元件内产生的电抗电动势eX和电枢反应电动势eV，进而产生附加电流iK。改善换向的目的是消除或降低iK的影响，常用的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极。

    (10) 为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可在主磁极上安装补偿绕组。

8.5直流电动机的电力拖动

一、直流电动机的工作特性

    直流电动机的工作特性是指在端电压，励磁电流，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率h分别随输出功率P2而变化的关系，即                               曲线。、、。

1.并励电动机的工作特性

（1）转速特性

    转速特性是指在端电压，励磁电流，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转速n随输出功率P2而变化的关系，即曲线。由 ，                                               得转速公式  ，当输出功率增加时，电枢电流增加，电枢压降增加，使转速下降，同时由于电枢反应的去磁作用使转速上升。上述两者相互作用的结果，使转速的变化呈略微下降，如图8.25所示。

    电动机转速随负载变化的稳定程度用电动机的额定转速调整率表示                                     

式中 ——理想空载转速；

     ——额定负载转速。

    并励直流电动机的转速调整率很小，通常为3%～8%。

（2）转矩特性

    转矩特性是指在端电压，励磁电流，电枢回路不串附加电阻时，电动机的电磁转矩Tem随 输出功率P2而变化的关系，即 曲线。

    根据输出功率 ，有  。由此可见：当转速不变时，特性曲线为一通过原点的直线。实际上，当P2增加时转速n略微有所下降，因此曲           图8.25  并励电动机的工作特性

线将稍微向上弯曲。而电磁转矩,因此只要在的关系曲线上加上空载转矩T0，便可得到的关系曲线，如图8.25所示。

（3）效率特性

    效率特性是指在端电压，励磁电流，电枢回路不串附加电阻时，电动机的效率h 随输出功率P2而变化的关系，即曲线。

    在电动机系统中，由于机械损耗、铁心损耗及励磁损耗在空载时就已存在，总称为空载损耗，当负载变化时，它的数值基本不变，故也称其为不变损耗。而电枢的回路铜耗及电刷接触压降损耗是由负载电流变化所引起的，故称为负载损耗。当负载电流变化时，负载损耗的数值在变化，故又称为可变损耗。输出功率P2与输入功率P1之比就是电动机的效率h，即 。由功率平衡方程知，电动机的损耗主要是可变的铜损和固定的铁损。当负载P2较小时，铁损不小，效率低；随着负载P2的增加，铁损不变，铜损增加，但总损耗的增加小于负载的增加，效率上升；负载继续增大，铜损是按负载电流的平方增大，使得效率开始下降，如图8.25所示。

    可以分析得知，当不变损耗与可变损耗相等时效率最大。从图8.25可知，电动机在满载附近效率较高，而在低负载时效率显著下降。因此在选用电动机时，切忌用大电动机带小负载，不然电动机长期在低负载下运行，效率很低，很不经济。

2.串励电动机的工作特性

    因为串励绕组与电枢绕组串联，故励磁电流与电枢电流相等，串励电动机的气隙磁通将随负载的变化而变化。

（1）转速调整特性

    串励电动机当输出功率增加时，电枢电流随之增大，电枢回路的电阻压降也增大，气隙磁通也增大，这两个因素均使转速下降。所以转速随输出功率的增加而迅速下降.

（2）转矩特性

    由于串励电动机的转速随输出功率的增加而迅速下降，所以轴上的输出转矩将随输出功率的增加而迅速增加。

3.复励电动机的工作特性

    复励电动机的工作特性介于他励与串励电动机之间。如果并励绕组的磁动势起主要作用，工作特性就接近于他励（并励）电动机，但和他励电动机相比，复励电动机有如下优点：当负载转矩突然增大时，由于串励绕组中的电流突然加大，磁通增大，使电磁转矩很快增大，这就使电动机能迅速适应负载的变化。其次，由于串励绕组的存在，即使当电枢反映的去磁作用较强时，仍能使电动机具有下降的转速调整特性，从而保证电动机能稳定运行。

    如果是串励绕组的磁动势起主要作用，工作特性就接近于串励电动机，但这是因为有并励磁动势存在，电动机空载时不会有发生高速的危险。

二、生产机械的负载转矩特性

    生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩Tz之间的关系。 各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。

1.恒转矩负载

    所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL的大小不随转速n而改变的负载。按负载转矩TL与转速n之间的关系又分为反抗性负载和位能性负载两种。

（1）反抗性恒转矩负载

    反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩TL的大小不变，但方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，其特性在第一和第三象限，如图8.26所示。属于这类特性转矩如摩擦转矩等。              图8.26  反抗性恒转矩负载特性

（2）位能性恒转矩负载

    这种负载的特点是不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升或下放重物时，由于重力所产生的负载转矩的大小和方向均不改变。其负载转矩特性在第一和第四象限，如图8.27所示。

2.恒功率负载

    恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。即负载转矩TL与转速n成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大(TL大)，阻力大，转速低；精加工时，切削量小(TL小)，转速高。恒功率负载特性曲线如图8.27所示。

    图8.26  位能性恒转矩负载特性                图8.27  恒功率负载特性曲线

3.通风机类负载

    通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的平方成正比，即

式中  K——比例常数。

    常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图8.29所示。

    应当指出，以上3类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴的负载转矩应是上述两个转矩之和。

                                          图8.29    通风机负载特性曲线

三、直流电动机的机械特性

    利用电动机拖动生产机械时，必须使电动机的工作特性满足生产机械提出的要求。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩(电磁转矩)Tem之间的关系，即曲线。机械特性是电动机性能的主要表现，它与运动方程相联系，在很大程度上决定了拖动系统稳定运行和过渡过程的性质及特点。

    必须指出，机械特性中的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一个空载转矩T0。只是由于在一般情况下，空载转矩T0与电磁转矩或负载转矩Tz相比较小，在一般工程计算中可以略去T0，而粗略地认为电磁转矩Tem与轴上的输出转矩Tz相等。

1.机械特性方程式

    直流电动机的机械特性方程式，可根据直流电动机的基本方程导出。即         

利用电流表示的机械特性方程为

利用电磁转矩表示的机械特性方程为

2.固有机械特性

    当直流他励电动机端电压，励磁电流，电枢回路不串附加电阻时的机械特性称为固有机械特性。

    固有机械特性的特性曲线如图8.30中曲线1所示，其特点是：

    (1) 对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条；                        图8.30  直流他励电动机的固有机械特

(2) 由于较小，特性曲线的斜率β较小，     性及电枢串接电阻时的人为机械特性

Δn较小，特性较平坦，属于硬特性。           1－固有机械特性  2、3－电枢串联电阻                                             的人为机械特性

3.人为机械特性

    在有些情况下，要根据需要将机械特性中、、三个参数中，保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，从而得到不同的机械特性，使机械特性满足不同的工作要求。这样获得的机械特性，称为人为机械特性。直流他励电动机的人为机械特性有以下3种。

（1）电枢串接电阻时的人为机械特性

    如电枢回路串接电阻。而保持电源电压和励磁磁通不变其机械特性如图8.30所示。

    与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点：

    a) 理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻 的变化而变化；

    b) 随着串接电阻的加大，特性的斜率β加大，转速降落Δn加大，特性变软，稳定性变差。

    c) 机械特性由与纵坐标轴交于一点(n=n₀)但具有不同斜率的射线族所组成。

    d) 串入的附加电阻 越大，电枢电流流过所产生的损耗就越大

(2) 改变电源电压时的人为机械特性

    此时电枢回路附加电阻=0 ，磁通保持不变。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。

    由机械特性方程，得出这时的人为机械特性如图8.31所示。

    与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为：

    a) 特性斜率β不变，转速降落Δn不变，但理想空载转速降低；

    b) 机械特性由一组平行线所组成；

    c) 由于=0 ，因此其特性较串联            图8.31  直流他励电动机改变电

电阻时硬。                                              源电压时的人为机械特性

    d) 当T＝常数时，降低电压，可使电动机转速n降低。

（3）改变电动机主磁通时的人为机械特性

    在励磁回路内串联电阻，并改变其大小，即能改变励磁电流，从而使磁通改变。一般电动机在额定磁通下工作，磁路已接近饱和，所以改变电动机主磁通只能是减弱磁通。      减弱磁通时，使附加电阻=0；电源电压。                 

    根据机械特性方程可得出此时的人为机械特性曲线如图8.32所示。其特点为

    a) 理想空载转速与磁通Φ成反比，即当Φ下降时，上升；

    b) 磁通Φ下降，特性斜率β上升，且β与Φ成反比，曲线变软；

    c) 一般Φ下降，n上升，但由于受机械强度的限制，磁通Φ不能下降太多。

    一般情况下，电动机额定负载转矩小得多，故减弱磁通时通常会使电动机转速升高。但也不是在所有的情况下减弱磁通都可以提高转速，当负载特别重或磁通Φ特别小时，如再减弱Φ，反而会发生转速下降的现象。

    这种现象可以利用机械特性方程式来解释。当减弱磁通时，一方面由于等式右边第一项的因素提高了转速，另一方面由于等式右面第二项的因素要降低转速，而且后者与磁通的平方成反比，因此，在负载转矩大到一定程度时，减弱磁通所能提高的转速，完全被因负载所引起的转速降落所抵消。如图8.32中的c点，当再加大负载转矩时，发生“反调速”现象，如图8.32的a、b处所示。即减弱磁通不但不能提高转速，反而降低了转速。在实际电动机运行中，由于负载有限，不会工作在这个区段。 

四、直流电动机的起动、制动和调速

1.直流电动机的起动

（1）对直流电动机起动的基本要求

    a)要有足够大的起动转矩。

    b)起动电流要在一定的范围内。

    c)起动设备要简单、可靠。

（2）直流他励电动机电枢电路串电阻起动

    在生产实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。

    电动机起动时，励磁电路的调节电阻=0，使励磁电流达到最大。电枢电路串接附加电阻，电动机加上额定电压，的数值应使不大于允许值。为了缩短起动时间，保证电动机在起动过程中的    图8.32电枢串电阻起动机械特性

加速度不变，就要求在起动过程中电枢电流维持不变，因此随着电动机转速的升高，就应将起动电阻平滑地切除，最后调节电动机的转速达到运行值。其机械特性如图8.32所示。

（2）降压起动

    降压起动只能在电动机有专用电源时才能采用。起动时降低电源电压，起动电流将随电压的降低而成正比减小，电动机起动后，再逐步提高电源电压，使电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。降压起动需要专用电源，设备投资较大，但它起动电流小，升速平稳，并且起动过程中能量消耗也小，因而得到广泛应用。

2.直流他励电动机的电气制动

    电动机的制动分机械制动和电气制动两种，这里只讨论电气制动。所谓电气制动，就是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩起到阻碍运动的作用。

    电动机的制动有两方面的意义：一是使拖动系统迅速减速停车，这时的制动是指电动机从某一转速迅速减速到零的过程（包括只降低一段转速的过程），在制动过程中电动机的电磁转矩起着制动的作用，从而缩短停车时间，以提高生产率；二是限制位能性负载的下降速度。这时的制动是指电动机处于某一稳定的制动运行状态，此时电动机的电磁转矩起到与负载转矩相平衡的作用。

（1）能耗制动

    如图8.33所示，为能耗制动原理图。制动前接触器KM的常开触头闭合，常闭触头断开，电动机有励磁将处于正向电动稳定运行状态，即电动机电磁转矩与转速n的方向相同（均为顺时针方向），为拖动性转矩。在电动运行中保持励磁，断开常开触头KM使电枢电源断开，闭合常闭触头KM用电阻将电枢回路闭合，则进入能耗制动。

                            图8.33  能耗制动原理图

    能耗制动时，电动机励磁不变，电枢电源电压U=0 ,由于机械惯性，制动初始瞬间转速n不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势也保持原来的大小和方向，而电枢电流变为负，说明其方向与原来电动运行时相反，因此电磁转矩也变负，表明此时的方向与转速的方向相反，起制动作用，称为制动性转矩。在制动转矩的作用下，拖动系统减速。直到n=0。如果电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，系统就在-+ =0时停车。从能耗制动开始到拖动系统迅速减速及停车的过渡过程就叫做“能耗制动过程”。

    在能耗制动过程中，电动机靠惯性旋转，电枢通过切割磁场将机械能转变成电能，再消耗在电枢回路电阻上，因而称能耗制动。

    由机械特性方程可做出能耗制动的机械特性是一条通过坐标原点并与电枢回路串接电


阻的人为机械特性平行的直线，如图8.34所示。

                        图8.34  能耗制动机械特性

（2）反接制动

    反接制动分为电枢电压反向反接制动和倒拉反接制动。

a)电枢电压反向反接制动

    如图8.35所示，制动前，接触器的常开触头KM1闭合，另一个接触器的常开触头KM2断开，假设此时电动机处于正向电动运行状态，电磁转矩与转速n的方向相同，即电动机的、均为正值。在电动运行中，断开KM1，闭合KM2使电枢电压反向并串入电                图8.35  电枢反向反接制动原理图

阻，则进入制动。

    反接制动时，加到电枢两端的电源电压为反向电压-，同时接入反接制动电阻RF。反接制动初始瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，仍保持原来的方向和大小，电枢感应电动势也保持原来的大小和方向，而电枢电流变为-电枢电流变负，电磁转矩也随之变负，说明反接制动时与n的方向相反，为制动性转矩。

    由机械特性方程式可以作出，电枢电压反向反接制动机械特性是一条过（-n0）点并与电枢回路串入电阻R_F的人为机械特性相平行的直线，如图8.36所示

                            图8.36  电枢电压反向

    反接制动适合于要求频繁正、反转的电力拖动系统，先用反接制动达到迅速停车，然后接着反向启动并进入反向稳态运行，反之亦然。若只要求准确停车的系统，反接制动不如能耗制动方便。

b)倒拉反转反接制动

    如图8.37（a）所示，电动机提升重物时，将接触器KM常开触头断开，串入较大电阻R_F，使提升的电磁转矩小于下降的位能转矩，拖动系统将进入倒拉反转反接制动。进入倒拉反转反接制动时，转速n 反向为负值，使反电势e 也反向为负值，电枢电流是正值，所以电磁转矩也应为正值（保持原方向），与转速n方向相反，电动机运行在制动状态。此运行状态是由于位能负载转矩拖动电动机反转而形成的，所以称为倒拉反接制动。

    在倒拉反转反接制动运行状态下，、为正，电源输入功率＞0，而电磁功率＜0，表明从电源输入的电功率和机械转换的电功率都消耗在电枢回路电

                    图8.37  他励电动机倒拉反接制动时的机械特性

阻（R_f+Ra）上，其功率关系与电枢电压反向反接制动时相似。

    倒拉反转反接制动的机械特性就是电枢回路串电阻的人为机械特性，如图8.37（b）所示。

    电动机进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路要串入较大的电阻。在此状态中，位能负载转矩是拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使之限制在安全范围之内，                        图8.38回馈制动机械特性

这种制动方式不能用于停车，只可以用于下放重物。

（3）回馈制动

    电动机在电动运行状态下，由于某种条件的变化（如带位能性负载下降、降压调速等），使电枢转速n超过理想空载转速n0，则进入回馈制动。回馈制动时，转速方向并未改变，而n＞n0，使Ea＞U, 电枢电流＜0反向，电磁转矩＜0也反向，为制动转矩。制动时n 未改变方向，而已反向为负，电源输入功率为负；而电磁功率亦小于零，表明电机处于发电状态，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网，故称回馈制动。

    图2.25是带位能负载下降时的回馈制动机械特性，电动机电动运行带动位能性负载下降，在电磁转矩和负载转矩的共同驱动下，转速沿特性曲线1逐渐升高，进入回馈制动后将稳定运行在a点上。需要指出的是，此时电枢回路不允许串入电阻，否则将会稳定运行在很高转速的b点上。 

3.直流电动机的调速

    为了使产生机械以最合理的高速进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，大量的生产机械(如各种机床，轧钢机、造纸机、纺织机械等)要求在不同的情况下以不同的速度工作。这就需求采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。

    调速是速度调节的简称，是指在某一不变的负载条件下，人为地改变电路的参数，而得到不同的速度。调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。调速是主动的，它需要人为的改变电气参数，因而转换机械特性。负载变化时的转速变化则不是自动进行的，是被动的，且这时电气参数未变。

    调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法。在用机械方法调速的设备上，速度的调节是用改变传动机构的速度比来实现，但机械变速机构较复杂。用电气方法调速，电动机在一定负载情况下可获得多种转速，电动机可与工作机构同轴，或其间只用一套变速机构，机械上较简单，但电气上可能较复杂；在机械电气配合的调速设备上，用电动机获得几种转速，配合用几套(一般用3套左右)机械变速机构来调速。究竟用何种方案，以及机械电气如何配合，要全面考虑，有时要进行各种方案的技术经济比较，才能决定。

（1）调速指标

    在选择和评价某种调速系统时，应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等。

1） 技术指标

    a) 调速范围

    调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速与最小        转速之比，即

    近代机械设备制造的趋势是力图简化机械结构，减少齿轮变速机构，从而要求拖动系统能具有较大的调速范围。不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D=20～120，龙门刨床D=10～40，机床的进给机构D=5～200，轧钢机D=3～120，造纸机D=3～20等。

    电力拖动系统的调速范围，一般是机械调速和电气调速配合起来实现的。那么，系统的调速范围就应该是机械调速范围与电气调速范围的乘积。在这里，主要研究电气调速范围。在决定调速范围时，需要使用计算负载转矩下的最高和最低转速，但一般计算负载转矩大致等于额定转矩，所以可取额定转矩下的最高和最低速度的比值作为调速范围。   

    由上式可见，要扩大调速范围，必须设法尽可能地提高与降低。但电动机的         受其机械强度、换向等方面的限制，一般在额定转速以上，转速提高的范围是不大的。而降低受低速运行时的相对稳定性的限制。

    b) 调速的相对稳定性和静差度

    所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。斜率大的机械特性在发生负载波动时，转速变化较大，这要影响到加工质量及生产率。生产机械对机械特性的相对稳定性的程度是有要求的。如果低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化，电动机转速可能变得接近于零，甚至可能使生产机械停下来。因此，必须设法得到低速硬特性，以扩大调速范围。

    静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即，在一般情况下，取额定转矩下的速度落差，有

    静差度的概念和机械特性的硬度很相似，但又有不同之处。两条互相平行的机械特性，硬度相同，但静差率不同。例如高转速时机械特性的静差度与低转速时机械特性的静差度相比较，在硬度相等的条件下，前者较小。同样硬度的特性，转速愈低，静差率愈大，愈难满足生产机械对静差率的要求。

    由上式可以看出，在n0相同时，斜率愈大，静差度愈大，调速的相对稳定性愈差；在斜率相同的条件下，n0愈低，静差度愈大，调速的相对稳定性愈差。显然，电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，相对稳定性就愈高。

    c) 调速的平滑性

    调速的平滑性是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数表示，即 

式中 和 ——相邻两级，即i级与i－1级的速度。

    这个比值愈接近于1，调速的平滑性愈好。在一定的调速范围内，可能得到的调节转速的级数愈多，则调速的平滑性愈好，最理想的是连续平滑调节的“无级”调速，其调速级数趋于无穷大。

    d) 调速时的容许输出

    调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴能够输出的功率和转矩。对于不同类型的电动机采用不同的调速方法时，容许输出的功率与转矩随转速变化的规律是不同的。另外，电动机稳定运行时的实际输出的功率与转矩是由负载的需要来决定的。在不同转速下，不同的负载需要的功率P2与转矩T2也是不同的，应该使调速方法适应负载的要求。

2）经济指标

    在设计选择调速系统时，不仅要考虑技术指标，而且要考虑经济指标。调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率η来说明，即 ，各种调速方法的经济指标极为不同，例如，直流他励电动机电枢串电阻的调速方法经济指标较低，因电枢电流较大，串接电阻的体积大，所需投资多，运行时产生大量损耗，效率低。而弱磁调速方法则经济得多，因励磁电流较小，励磁电路的功率仅为电枢电路功率的1%～5%。总之，在满足一定的技术指标下，确定调速方案时，应力求设备投资少，电能损耗小，而且维修方便。

（2）直流他励电动机的调速方法及其调速性能

  1）电枢回路串接电阻调速

    电枢回路串接电阻，不能改变理想空载转速n0，只能改变机械特性的硬度。所串的附加电阻愈大，特性愈软，在一定负载转矩下，转速也就愈低。

    这种调速方法，其调节区间只能是电动机的额定转速向下调节。其机械特性的硬度随外串电阻的增加而减小；当负载较小时，低速时的机械特性很软，负载的微小变化将引起转速的较大波动。在额定负载时，其调速范围一般是2∶1左右。然而当为轻负载时，调速范围很小，在极端情况下，即理想空载时，则失去调速性能。这种调速方法是属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长时间输出额定转矩不变。

    电枢回路串接电阻调速的优点是方法较简单。但由于调速是有级的，调速的平滑性很差。虽然理论上可以细分很多为级数，甚至做到“无级”，但由于电枢电路电流较大，实际上能够引出的抽头要受到接触器和继电器数量限制，不能过多。如果过多时，装置复杂，不仅初投资过大，维护也不方便。

    一般只用少数的调速级数。再加上电能损耗较大，所以这种调速方法近来在较大容量的电动机上很少使采用，只是在调速平滑性要求不高，低速工作时间不长，电动机容量不大，采用其他调速方法又不值得的地方采用这种调速方法。

2）改变电源电压调速

    由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出，升高电源电压U可以提高电动机的转速，降低电源电压U便可以减少电动机的转速。由于电动机正常工作时已是工作在额定状态下，所以改变电源电压通常都是向下调，即降低加在电动机电枢两端的电源电压，进行降压调速。由人为机械特性可知，当降低电枢电压时，理想空载转速降低，但其机械特性斜率不变。它的调速方向是从基速(额定转速)向下调的。这种调速方法是属于恒转矩调速，适于恒转矩            图3.2  晶闸管整流装置

负载的生产机械。                                    供电的直流调速系统

    不过公用电源电压通常总是固定不变的，为了能改变电压来调速，必须使用独立可调的直流电源，目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流装置，如图8.39所示。图中，调节触发器的控制电压，以改变触发器所发出的触发脉冲的相位，即改变了整流器的整流电压，从而改变了电动机的电枢电压，进而达到调速的目的。

    采用降低电枢电压调速方法的特点是调节的平滑性较高，因为改变整流器的整流电压是依靠改变触发器脉冲的相移，故能连续变化，也就是端电压可以连续平滑调节，因此可以得到任何所需要的转速。另一特点是它的理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。由于转速降落不随速度变化而改变，故特性的硬度大，调速的范围也相对大得多。

    这种调速方法还有一个特点，就是可以靠调节电枢两端电压来起动电动机而不用另外

添加起动设备，这就是前节所说的靠改变电枢电压的起动方法。例如电枢静止，反电动势为零；当开始起动时，加给电动机的电压应以不产生超过电动机最大允许电流为限。待电动机转动以后，随着转速升高，其反电动势也升高，再让外加电压也随之升高。这样如果能够控制得好，可以保持起动过程电枢电流为最大允许值，并几乎不变和变化极小，从而获得恒加速起动过程。

    这种调速方法的主要缺点是由于需要独立可调的直流电源，因而使用设备较只有直流电动机的调速方法来说要复杂，初投资也相对大些。但由于这种调速方法的调速平滑，特性硬度大、调速范围宽等特点，就使这种调速方法具备良好的应用基础，在冶金、机床、矿井提升以及造纸机等方面得到广泛应用。

3）改变电动机主磁通的调速方法

    改变主磁通Φ的调速方法，一般是指向额定磁通以下改变。因为电动机正常工作时，磁路已经接近饱和，即使励磁电流增加很大，但主磁通Φ也不能显著地再增加很多。所以一般所说的改变主磁通Φ的调速方法，都是指往额定磁通以下的改变。而通常改变磁通的方法都是增加励磁电路电路，减小励磁电流，从而减小电动机的主磁通Φ。

    由人为机械特性的讨论可知，在电枢电压为额定电压及电枢回路不串接附加电阻的条件下，当减弱磁通时，其理想空载转速升高，而且斜率加大，在一般的情况下，即负载转矩不是过大的时候，减弱磁通使转速升高。它的调速方向是由基速(额定转速)向上调。

    普通的非调磁直流他励电动机，所能允许的减弱磁通提高转速的范围是有限的。专门作为调磁使用的电动机，调速范围可达3～4倍。限制电动机弱磁升速范围的原因有机械方面的，也有点方面的。例如，机械强度的限制、整流条件的恶化、电枢反应等。普通非调磁电动机额定转速较高(1500r/min左右)，在弱磁升速就要受到机械强度的限制。同时在减弱磁通后，电枢反应增加，影响电动机的工作稳定性。

    可调磁电动机的设计是在允许最高转速的情况下，降低额定转速以增加调速范围。所以在同一功率和相同最高转速的条件下，调速范围愈大，额定转速愈低，因此额定转矩也大，相应的电动机尺寸就愈大，因此价格也就愈高。

    采用弱磁调速方法，当减弱励磁磁通Φ时，虽然电动机的理想空载转速升高、特性的硬度相对差些，但其调速的平滑性好。因为励磁电路功率小，调节方便，容易实现多级平滑调节。其调速范围，普通直流电动机大约为1∶1.5。如果要求调速范围增大时，则应用特殊结构的调Φ电动机，它的机械强度和换向条件都有改进，适于高转速工作，一般调速范围可达1∶2、1∶3或1∶4。

    因为电动机发热所允许的电枢电流不变，所以电动机的转矩随磁通Φ的减小而减小，故这种调速方法是恒功率调节，适于恒功率性质的负载。这种调速方法是改变励磁电流，所以损耗功率极小，经济效果较高。又由于控制比较容易，可以平滑调速，因而在生产中可到广泛应用。

本章小结

    (1) 直流电动机是电力拖动系统的主要拖动装置，它具有良好的起动和调速性能。它在起动、调速和制动过程中的各种状态的原理及实现方法是直流电动机拖动的重要内容。

    (2) 衡量直流电动机的起动性能的主要指标是起动电流和起动转矩。在直流电动机的起动过程中，对电动机本身所要求的较大的起动转矩和较小的起动电流是一对矛盾。通常是在保证足够大的起动转矩的前提下，尽量减小起动电流。常用的起动方法有：电枢回路串电阻起动和降压起动，直接起动只有在小容量电动机中才有使用。

    (3) 为了更好地发挥电动机的性能和满足生产的需要，调速是电动机使用过程中的重要内容。在充分考虑调速指标的前提下，常用的对直流电动机的调速方法有3种：电枢回路串电阻调速、降压调速和改变磁通调速，3种方法各有自身的特点和优缺点。直流电动机的串电阻调速和降压调速是属于恒功率调速，改变磁通调速是属于恒转矩调速。在调速过程中，还必须注意与负载性质的配合问题。

    (4) 直流电动机的制动是在电动机的使用过程中经常会遇到的问题。制动过程与电动过程有着本质的区别，对制动过程的分析经常采用象限图的方法。

    常用的制动方法有3种：能耗制动、电源电压反接制动和回馈制动，3种制动形式的实现方法和能量特点如表3-1所示。 

 摘自：http://jpkc.lzpcc.edu.cn/07/gj/ja/8.htm