1.3 直流电动机

直流电机是实现机械能与直流电能互相转换的设备，具有可逆性，作发电机运行时将机械能转换为直流电能；作电动机运行时将直流电能转换为机械能。

直流电动机的突出优点是调速性能好，起动转矩大，适用于需要宽范围平滑（无级）调速和要求较大起动转矩的生产机械的拖动，如电力机车、大型龙门刨床等。

由于电力电子技术的发展，利用半导体整流器件可以很容易地将交流电变换成直流电，直流发电机已逐渐被取代。因此本书主要介绍直流电动机的特性和使用。

1.3.1 直流电动机的结构

直流电动机由磁极、电枢和换向器等主要部件构成，如图1-34所示。

图1-34 直流电动机的结构

磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，安装在机座上。机座是电动机的支撑体，也是磁路的一部分。磁极分为主磁极和换向极。主磁极励磁线圈用直流电励磁，产生N、S极相间排列的磁场，换向极置于主磁极之间，用来减小换向时产生的火花。

电枢由电枢铁心与电枢绕组组成。电枢装在转轴上。转轴旋转时，电枢绕组切割磁场，在其中产生感应电动势。电枢铁心用硅钢片叠成，外表面开有均匀的槽，槽内嵌放电枢绕组，电枢绕组与换向器相连接。换向器又称为整流子，它是直流电机的关键部件。直流发电机电枢绕组发出的是交流电，通过换向器和电刷转换成直流电。直流电动机中，换向器的作用是将外电路的直流电转换成电枢绕组的交流电，以保证电磁转矩作用方向不变。

1.3.2 直流电机的工作原理

1.直流电机的分类

按励磁方式直流发电机分为他励和自励两大类。他励发电机的励磁是用独立的直流励磁电源供电的。自励发电机是用自身发的电励磁的，按励磁绕组与电枢绕组的连接方式，直流自励发电机又分为串励、并励和复励三种。

直流电动机和发电机一样也分为他励、并励、串励和复励四种，其接线图分别如图1-35a、b、c、d所示。

2.直流电动机的工作原理

图1-36为一他励直流电动机工作原理示意图。给励磁绕组通入直流电励磁时，主磁极在空间产生一静止的磁场。当电枢绕组接通直流电源后，绕组的ab边在N极作用下，绕组的cd边在S极作用下，电枢电流I_a经电刷A、换向片流入电枢绕组a端，从绕组d端经换向片、电刷B流出。根据安培定律可知，载流线圈在磁场的作用下受到电磁力F的作用，力的方向遵从左手定则，形成逆时针方向的电磁转矩T，驱使电枢旋转。

图1-35 直流电动机不同励磁方式下的接线图

图1-36 他励直流电动机工作原理示意图

当电枢旋转使绕组ab边进入S极的作用范围，cd边进入N极的作用范围时，电枢电流I_a由绕组d端流入，a端流出，使磁场与电流方向保持不变，因此电磁力的方向不变，仍然形成逆时针方向的电磁转矩，使电动机连续运转。所以直流电机的励磁绕组和电枢绕组同时接通直流电源时，作电动机运行，按左手定则规定的方向旋转。

不难理解，改变励磁直流电源极性，而保持电枢电流方向不变，电动机将反转；同理，只改变电枢电流方向而保持励磁电源极性不变，电动机也将反转。

直流电动机的电磁转矩为

T=K_TΦI_a （1-30）

式中，Φ为每极磁通；I_a为电枢电流；K_T为电机的结构常数。

电动机在旋转时，电枢绕组切割磁场，因此电枢绕组中产生感应电动势，其方向与电枢电压U_a相反，制约电枢电流，称为反电动势。根据法拉第电磁感应定律，反电动势的大小为

E_b=K_EΦn （1-31）

式中，Φ为每极磁通；n为电机转速；K_E为另一电机结构常数。

设电枢电路电阻为R_a（包括电枢绕组电阻、电刷与换向器接触电阻等），电枢的端电压为U_a，则电枢电路的等效电路模型如图1-37所示。电枢电路的电压方程为

U_a=E_b+I_aR_a （1-32）

图1-37 电枢电路的等效电路模型

1.3.3 直流电动机的机械特性

电动机带负载稳定运行时T=T_L。由式（1-30）、式（1-31）、式（1-32）可得直流电动机的机械特性表达式为

式中， 为电动机的理想空载转速； 为因带负载而降低的转数。

直流电动机的机械特性因励磁方式而异。他励和并励电动机的励磁电流I_f与负载无关，当励磁电压恒定时可保持为常数，磁通Φ也可视为常数（忽略电枢电流的影响）。所以他励和并励电动机空载转速为定值，电动机的转速随负载增大而降低。因为电枢电阻R_a很小，电动机的转速从空载到满载变化不大，故其机械特性为硬特性，如图1-38中曲线a所示。

串励电动机的励磁绕组与电枢串联，磁极的磁通随电枢电流或负载变化而变化。设磁路不饱和，磁通Φ与电枢电流I_a成正比，即Φ=KΦI_a，KΦ为比例常数。串励电动机稳定运行的电磁转矩为

T=T_L=K_TΦI_a=K_TΦ²/KΦ=KΦ²

式中，K=K_T/KΦ。

因此串励电动机的机械特性方程为

图1-38 直流电动机的机械特性

在空载时，T_L仅等于电动机轴承、电刷摩擦阻力和空气阻力等形成的阻力转矩，其值很小，所以空载转速非常高，超过电动机机械强度所允许的限度。为了安全，规定串励电动机不允许在低于30%的额定负载下运行，也不允许串励电动机与生产机械之间用传动带传动，以免传动带脱落或断裂时造成电动机空载运行，发生转速过高的危险。

串励电动机的转速随负载增大显著下降，其机械特性属软特性，如图1-38中曲线c所示。

复励电动机的励磁由串励和并励两部分组成，并励为主，串励为辅。并励与串励的励磁方向一致时称为积复励；相反时称为差复励。复励电动机的机械特性介于并励和串励之间，如图1-38中曲线b所示。

1.3.4 直流电动机的起动和调速

1.直流电动机的起动

直流电动机在额定负载下运行时的电枢电流为

式中，n_N为额定负载时的转速；U_N为电动机的额定电压。

起动时因转速为零，反电动势也为零。倘若给电枢直接加额定电压起动，则起动瞬间电枢电流将为

此巨大的起动电流可达额定电流I_N的十几倍至几十倍，足以将电枢绕组和换向器烧毁。所以在起动时必须降低电枢电压或在电枢电路中串入起动电阻R_st，将起动电流限制在额定电流I_N的2倍左右。起动之后再逐渐升高电压或将起动电阻短接，使电枢电压恢复到额定值。

并励直流电动机的起动转矩为

T_st=K_TΦI_st≈K_TΦ2I_N=2T_N （1-37）

串励电动机的起动转矩为

T_st=K_TΦI_st=K_T（K_ΦI_st）I_st （1-38）

取I_st=2I_N，则

T_st≈K_TK_Φ4I²_N=4T_N （1-39）

可见，串励电动机的起动转矩较大，适合带负载起动的拖动工作，如起重设备等。

2.直流电动机的调速

直流电动机具有良好的调速性能，可以宽范围地无级（平滑）调速。由转速公式

可知，调速的方法有以下三种：

（1）用降低电枢电压U_a的方法将转速调低 这种方法适用于他励电动机调速。保持磁通不变，将电枢电压由额定值U_N逐渐调低，可以平滑地将转速调低，而不影响其机械特性的斜率。电枢电压调速的机械特性是一族平行的直线，如图1-39a所示。因保持磁通为额定磁通不变，在额定电枢电流下调速时，电动机产生的电磁转矩为额定转矩，恒定不变，故这种调速方法称为恒转矩调速。调压调速方法广泛应用于大型起重设备、高炉等拖动系统。

图1-39 直流电动机不同调速方法下的调速特性曲线

（2）用削弱磁通的方法将转速调高 并励电动机可以采用削弱磁通的方法调速。保持电枢电压不变，在励磁电路中串入调节电阻R_f将磁通削弱，电动机的转速相应增高。不同数值的R_f得到的是一族斜率不同的直线，如图1-39b所示。R_f越大，磁通越弱，特性越软。当负载不变、磁通削弱时，电枢电流I_a成比例地增高。为了保证电动机安全运行，调速后的电流I_a不能超过额定值，这意味着电动机转速调高时负载转矩必须减小，保持输出功率基本不变。因此，这种调速方法属恒功率调速，适用于转矩与转速成反比的场合，例如大型金属切削机床等。

（3）用电枢电路中串接电阻的方法将转速调低 并励电动机应用电枢电路中串联电阻R_S调速时，保持磁通不变，因此电动机的空载转速保持不变，在一定负载下转速随R_S的阻值增大而降低，其机械特性随R_S的增大而显著变软，如图1-39c所示。由于在恒定负载下调速时，电枢电流I_a不变，因此调速时随电阻R_S的增大使功率损耗增大，故这种调速方法不适用于大功率电动机调速系统。

值得注意的是，直流电动机在运行中倘若励磁电路断开，磁极仅有剩磁，反电动势E_b变得很小，电枢电流I_a猛增，电枢绕组和换向器有被烧毁的危险；轻载时转速会升高到电动机结构的机械强度所不允许的程度，从而造成“飞车”事故。必须加以防范。