第1章直流电动机 1.1 概述 对于直流电动机，需要基本了解和掌握的内容如下。 1. 直流电动机的用途 直流电动机具有良好的起动性能，能在宽广的范围内平滑而经济地调节速度，适用于对电动机的调速性能和起动性能要求较高的生产机械。例如在电力机车、无轨电车、轧钢机和起重机等设备中，就广泛采用直流电动机来拖动。此外，起重电动机、挡风玻璃擦拭电动机、电动窗用电动机，以及吹风机电动机等，都是直流电动机在工业自动控制中最为经济的选择。 2. 直流电动机的基本工作原理 图1-1所示为直流电动机的工作原理示意图。直流电动机定子上的励磁绕组通以直流电流励磁，产生恒定磁场。图1-1 直流电动机的工作原理示意图 旋转的电枢绕组和旋转的换向器与静止的电刷相连，电机转轴与机械负载相连。 电刷两端接入直流电压，转子电枢绕组中就有电流流过。电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。 当线圈的ab边在N极下、cd边在S极下时，电枢绕组中的电流沿着a-b-c-d的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力f，其方向可用左手定则来判断。由此电磁力所形成的电磁转矩，使电机逆时针方向旋转。当电枢绕组的ab边转到S极下、cd边转到N极下时，通过换向器的作用，原来与电刷A相接触的线圈a端的铜片，现已变成与电刷B接触，因而电枢绕组中的电流变成沿d-c-b-a的方向流动。运用左手定则判断出，电磁力及电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。 在同一方向的电磁转矩作用下，电动机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转，向负载输出机械功率，电动机完成将电能转换成机械能输出的功能。这就是直流电动机的基本工作原理。 与此同时，由于电枢绕组旋转，线圈ab和cd边切割磁场产生了感应电动势。根据右手定则，其方向与电枢电流的方向相反，故称为反电动势。电源只有克服这一反电动势才能向电机输出电功率。 3. 直流电动机的基本结构 直流电动机主要由定子和转子两大基本结构部件组成。定子用来固定磁极和作为电机的机械支撑。转子中用来感应电动势从而实现能量转换的部件称为电枢，转子中的换向器可以实现外电路的直流电与绕组内的交流电之间的连接与转换。 1) 定子部分 直流电动机的静止部分称为定子，它的主要作用是产生磁场。直流电动机的定子由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成，各部分结构如图1-2、图1-3所示。图1-2所示为一台直流电动机的剖面结构示意图。图1-3则为一台4极直流电动机的横截面图。 图1-2 直流电动机剖面结构示意图 1-风扇； 2-机座； 3-电枢； 4-主磁极； 5-刷架； 6-换向器； 7-端盖； 8-换向极； 9-出线盒； 10-接线板 图1-3 4极(2p=4)直流电动机的横截面图 (1) 主磁极 主磁极简称主极，用来产生气隙磁场。主极都是成对出现的，主极数用2p表示。主极包括主极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组两部分。主极铁芯一般用1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，励磁绕组用导线制成集中绕组。 (2) 换向极 容量大于1kW的直流电动机，在相邻两主极之间装设换向极(也称为附加极)，其作用是用来改善换向。换向极铁芯一般用整块钢制成，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极的数量一般与主极数相等。 (3) 机座 机座的主体部分作为磁极间的磁路，该部分称为磁轭。机座同时又用来固定主极、换向极和端盖，并通过底脚将电机固定在基础上。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，以保证良好的导磁性能和机械性能。 (4) 电刷装置 直流电动机的电枢电流由旋转的换向器通过静止的电刷与外电路接通。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成，如图1-4所示。电刷一般用石墨制成，放在刷握中，刷握再装于刷架上。电刷顶部有细铜丝编织成的引线(称为铜丝辫)，以便引出电流。电刷装于刷握中时，还须有弹簧压住，以保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。 2) 转子部分 直流电动机的转动部分称为转子，通常也称为电枢，其作用是产生电磁转矩和感应电动势。转子部分由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等组成。直流电动机的转子如图1-5所示。 图1-4 电刷装置 1-铜丝辫; 2-压紧弹簧; 3-电刷; 4-刷盒 图1-5 直流电动机的转子 1-风扇; 2-绕组; 3-电枢铁芯; 4-绑带; 5-换向器; 6-转轴 (1) 电枢铁芯 电枢铁芯是主磁路的主要部分，由于电枢铁芯与主磁场之间有相对运动，为了减少涡流损耗，一般用0.5mm(或0.35mm)厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。电枢表面有许多均匀分布的槽，用以嵌放绕组。为了利于电机的冷却，电枢铁芯上开有轴向通风孔，较大容量的电机有径向通风道，这时电枢铁芯沿轴向分数段，每段长约4～10cm，段间空出10mm作为通风道。电枢铁芯冲片结构如图1-6所示。 (2) 电枢绕组 电枢绕组由绝缘导线绕成一个个的线圈，嵌放在电枢铁芯槽中，各线圈按一定规律连接到相应的换向片上，全部线圈组成一个闭合的电枢绕组。电枢绕组的作用是通过电流和感应电动势，并产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。电枢绕组的具体连接规律将在后续内容中介绍。 (3) 换向器 换向器的作用是通过与电刷的配合，实现电枢绕组内部的交流电与电刷端的直流电之间的转换。转动的换向器与静止的电刷通过滑动接触，将旋转的电枢电路和静止的外电路相连接。换向器由许多互相绝缘的换向片组成，如图1-7所示。 图1-6 电枢铁芯冲片 图1-7 换向器 1-V形套管; 2-云母环; 3-换向片; 4-连接片 3) 气隙 气隙是电机定子主极和电枢之间的间隙，是主磁路的重要组成部分。气隙磁场是电机进行能量转换的媒介。气隙的大小和气隙磁场的分布及其变化对电机的运行影响极大。在小容量直流电动机中，气隙约1～3mm；在大容量直流电动机中，气隙可达10～12mm. 4. 直流电动机的额定值 每一台电动机上都有一块铭牌，上面标明了电动机的一些额定值。额定值是电动机运行的基本依据，一般希望电动机按额定值运行。若运行时的出力超过额定功率，称为超负载或过载；反之，若小于额定功率称为轻载；恰好运行于额定功率时称为满载。 直流电动机的主要额定值如下。 (1) 额定电压UN: 在额定工作条件下电动机输入电压的额定值，单位为V. (2) 额定电流IN: 在额定工作条件下电动机输入电流的额定值，单位为A. (3) 额定容量PN: 直流电动机在额定工作条件下运行时，电动机转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。它等于额定电压UN和额定电流IN的乘积，再乘以电动机的效率，即PN=UNINηN. (4) 额定转速nN: 额定转速是指电动机在额定工作条件下运行时的转子转速,单位为r/min. (5) 额定效率ηN: 在额定工作条件下，电动机输出功率与输入功率的百分比。 (6) 额定励磁电压UfN: 在额定工作条件下，电动机励磁绕组两端的电压。 (7) 额定励磁电流IfN: 在额定工作条件下，电动机励磁绕组上的电流。 5. 直流电动机的励磁方式 直流电动机工作时，由其励磁绕组中流过的直流励磁电流产生电动机的工作磁场。直流电动机的励磁方式是指励磁绕组和电枢绕组间的连接方式。不同的励磁方式使电动机具有不同的运行特性。 按励磁方式不同，直流电动机可分为他励和自励两大类，自励式又可分为并励、串励和复励三大类。图1-8分别给出了直流电动机不同励磁方式的接线图。 图1-8 直流电动机按励磁分类接线图 (a) 他励； (b)并励； (c)串励； (d)复励 (1) 他励(见图1-8 (a) ) 励磁绕组与电枢绕组不相连接，由一个独立的直流电源提供励磁电流。 (2) 并励(见图1-8 (b) ) 励磁绕组与电枢绕组并联，两个绕组上的电压相等。 (3) 串励(见图1-8 (c) ) 励磁绕组与电枢绕组串联，两个绕组中电流相同。 (4) 复励(见图1-8 (d) ) 励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。若两部分励磁绕组产生的磁动势方向相同，称为积复励；若两部分励磁绕组产生的磁动势方向相反，则称为差复励。实际应用中通常采用积复励。 1.2 直流电动机的运行原理1.2.1 直流电动机的电枢绕组和电枢反应1. 直流电动机的电枢绕组 直流电动机电枢绕组的线圈在磁场中转动，并产生感应电动势，同时通电线圈在磁场中受到力的作用，产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。电枢绕组是直流电动机的一个重要部件，设计和制造时应考虑以下要求: 在一定的导体数下要能够产生足够大的电动势，并能通过一定大小的电流，产生足够的电磁转矩；尽可能节省金属和绝缘材料，并要求结构简单和运行可靠。 1) 电枢绕组的构成 直流电动机的电枢绕组由若干个结构和形状相同的线圈构成。每个线圈两端分别与两片换向片连接，可以是单匝或多匝。如图1-9(a)所示。线圈处于铁芯槽中的部分，能切割磁通产生感应电动势，称为有效边；线圈在槽外的部分，不切割磁通，没有感应电动势，仅起连接的作用，称为端部。 图1-9 直流电动机电枢绕组 (a)单个线圈示意图； (b)双层绕圈示意图； (c)并列线圈边示意图 电枢绕组均为双层绕组，如图1-9(b)所示。每个线圈的两个有效边分别处于不同极面下的电枢铁芯槽中，一个有效边放在槽上层位置，另一个必定在槽下层位置。 一般的小型电动机，每一槽中仅有上、下两个线圈边，而大型电动机每一槽的上层和下层并列嵌放若干个线圈边。如图1-9(c)所示，每层有u=3个线圈边。将每一对上、下层边看成一个虚槽，这样，虚槽数Zi和电枢实际槽数Z的关系为Zi=uZ (1-1) 电枢绕组的特点常用槽数(虚槽数)、线圈数、换向片数及各种节距来表征。每个线圈有两个线圈有效边，每一换向片同时连接一个上层边和一个下层边，而每一虚槽也包含一个上层边和一个下层边。所以，线圈数S、换向片数K、虚槽数Zi满足以下关系S=K=Zi (1-2) 2) 电枢绕组的节距 (1) 第一节距y1 一个线圈的两个线圈边在电枢表面所跨的距离，称为绕组的第一节距，常用所跨的虚槽数来表示，如图1-10所示。 图1-10 电枢绕组的连接形式和节距 (a) 单叠绕组； (b) 单波绕组 为了使线圈中获得较大的感应电动势，y1应等于或尽量接近于一个极距ττ=Zi2p，即y1=τε=Zi2pε=整数 (1-3)式中，ε为小于1的分数，用来把y1凑成整数。 当y1=τ时为整距绕组；当y1<τ时为短距绕组；当y1>τ时为长距绕组。直流电动机一般采用整距或短距绕组。 (2) 第二节距y2 连接在同一个换向片上的两个线圈边在电枢表面跨过的距离，称为绕组的第二节距，也常用虚槽数表示。 (3) 合成节距y 两个相串联的相邻线圈的对应边在电枢表面跨过的距离，称为绕组的合成节距，用虚槽数表示。y与y1、y2的关系为y=y1+y2 (1-4) (4) 换向片节距yk 一个线圈的两端所连接的换向片之间在换向器表面上所跨过的距离，称为换向片节距，用换向片数表示，且有yk=y. 3) 单叠绕组 直流电动机电枢绕组构成复杂，形式较多，最常见的绕组连接形式为单叠绕组和单波绕组，分别如图1-10 (a) 、(b)所示。以下仅以单叠绕组为例介绍绕组的基本构成原则。 单叠绕组是指绕组的一个线圈相对于前一线圈仅移过一个槽，同时每个线圈的出线端连在相邻的换向片上，如图1-10(a)所示。对于单叠绕组有y=yk=1. 下面以一台主极数2p=4、电枢槽数Zi=Z=16的直流电动机为例说明单叠绕组的连接。 (1) 计算节距 极距τ为τ=Zi2p=164=4 第一节距y1为y1=Zi2pε=164=4 第二节距y2为y2=y-y1=1-4=-3 (2) 绕组展开图 根据以上数据，可画出该单叠绕组的绕组展开图，如图1-11所示。绕组展开图就是将放在电枢铁芯槽里的电枢绕组单独取出来，画在一平面图上，用来表示槽内各线圈导体在电路上的连接情况。 图1-11 单叠绕组展开图 (3) 并联支路图 按照图1-11的连接次序，可画出由相应线圈组成的并联支路图，如图1-12所示。由此可见，单叠绕组是一个闭合绕组，通过电刷与外部电路相连，并形成了几个并联支路。各并联支路的感应电动势大小相等，不会在闭合回路形成循环电流。单叠绕组的每一条并联支 图1-12 单叠绕组的并联支路图 路都是由同一个主极下的全部线圈串联而成，因此并联支路数、电刷数和主极数均相等，即2a=2p(a为并联支路对数). 当电枢旋转时，电刷位置不动，整个电枢绕组在移动，每个线圈不断顺次地移到它前面一个线圈的位置上，但总的支路情况不变。 2. 直流电动机的电枢反应 磁场是电动机感应电动势和产生电磁转矩从而实现能量转换所不可缺少的因素之一。电动机的运行性能很大程度上取决于电动机的磁场特性。 1) 空载磁场 直流电动机空载时，电枢电流为零，直流电动机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁磁动势Ff建立。由于励磁电流为直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。图1-13所示为一台4极直流电动机在空载时气隙磁场的分布情况。 图1-13 主磁通和漏磁通的分布 电动机主磁极产生的磁通分成两部分: 主磁通0通过气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电动机中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通；另外，还有一小部分磁通经过磁极的侧面，直接通向相邻的磁极或磁轭形成回路，它只与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，这部分磁通称为漏磁通σ. 直流电动机的主磁路由以下几个部分组成: 气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。除气隙外，其他部分均由铁磁材料组成。主磁路和漏磁路如图1-13所示。图1-14 空载磁场一个极面下的 磁通密度 空载磁场在一个极面下的气隙磁通密度空间分布如图1-14所示。磁极面下气隙δ小且较均匀，故磁通密度较高，幅值为Bδ；从磁极边缘至两磁极间的轴线(几何中心线)处，气隙增加，磁通密度沿曲线快速下降。 2) 电枢反应 当电动机带上负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。此时，电动机气隙磁场便由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响，称为电枢反应。 为便于分析，以两极电动机为例，且认为电枢表面光滑(无齿槽)，磁场分析略去换向器只画主磁极、电枢绕组和电刷。如图1-15所示，图1-15(a)、(b)、(c)分别为电动机空载磁场、电枢磁场和两者的合成磁场分布图。 图1-15 电枢反应对磁场分布的影响 (a) 空载时的磁场分布； (b) 电枢磁场分布； (c) 合成磁场分布 直流电动机空载时，主磁极产生的气隙磁场如图1-15(a)所示，其气隙磁通密度分布如图1-16(a)表示，B0(x)曲线的横坐标为沿圆周的距离，纵坐标为磁通密度。每极磁通Φ为一个极距内B0(x)曲线及横坐标间所包含的面积。B=0处的轴线称为物理中性线，两主磁极之间的轴线称为几何中性线。当电动机仅存在主极磁场时，物理中性线与几何中性线重合。图1-16 空气隙中磁通密度分布曲线 (a)空载磁通密度；(b)电枢磁动势；(c)电枢磁通密度； (d)合成磁通密度 图1-15(b)所示为仅由电枢电流产生的电枢磁场分布情况。以主磁极轴线处为横坐标原点，取一经过距原点+x及-x两点的闭合回路，如图1-16。则此回路所包围的电枢导体总电流为2xπDaNia，其中N为电枢导体总数，Da为电枢外径。假设磁动势全部消耗在两个气隙上，则每个气隙所消耗的电枢磁动势为Fa(x)=122xπDaNia=NiaπDax=Ax (1-5)式中，A=NiaπDa，称为线负荷。 根据式(1-5)可画出电枢磁动势沿电枢圆周表面分布，如图1-16(b)所示。正磁动势表示磁通方向由电枢到主极，负磁动势则相反。由图可见，当x=τ2时，即在几何中性线处，电枢磁动势为最大值Fa=12Aτ. 由于直流电动机的空气隙不均匀，磁极的极面下磁阻小且均匀，Ba(x)与Fa(x)成正比；而在极尖以外，磁阻增大很多，尽管Fa(x)在此处较大，但是Ba(x)仍将下降，比极尖处低很多，故使Ba(x)曲线呈马鞍形。图1-16(c)所示为电枢磁通密度Ba(x)的分布曲线。 电动机负载时空气隙中的合成磁场如图1-15(c)所示，其磁通密度的分布如图1-16(d)所示，该分布曲线即为B0(x)与Ba(x)之和。由图可见，电枢磁动势使一半极面下的磁通增加，而使另一半极面下的磁通减少。若不考虑磁路的饱和现象，上述一半磁极增加的磁通正好等于另一半磁极减少的磁通，故每一极面下的总磁通仍将保持不变，合成磁场的分布如图1-16(d)中实线所示。但是，实际上磁路通常有饱和现象存在，由于增磁部分的磁通密度很大，磁路饱和程度增加，使B(x)分布如图1-16(d)中虚线所示。因此，一半极面下所增加的磁通小于另一半极面下所减少的磁通，使每一极面的总磁通略有减少。 根据图1-15和图1-16，可以看出电枢反应的影响如下。 (1) 气隙磁场发生畸变，使磁场的物理中性线偏离几何中性线一个角度。这使被电刷短路的换向线圈中的电动势不为零，增加了换向的困难。 (2) 电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小，并将影响电枢绕组中的电动势和电磁转矩随之减小。 (3) 电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。 1.2.2 直流电动机的感应电动势和电磁转矩 直流电动机运行时，电枢绕组中有电流通过，电枢受到电磁力的作用从而产生电磁转矩。与此同时，电枢绕组在磁场中切割磁力线产生感应电动势。 1. 电枢绕组的感应电动势 直流电动机的感应电动势为电枢绕组一条支路中各串联导体电动势的总和。电机总的有效导体数N=S×2×每线圈匝数，绕组由2a条并联支路组成，则每条支路串联的有效导体数为N/ (2a) 。因此，电枢电动势便等于N/ (2a）根串联导体的感应电动势之和。 当电动机空载运行时，电动机气隙磁密分布曲线如图1-16(a)所示。当有一定长度的导体以一定速度切割磁场时，根据电磁感应定律，导体中的感应电动势为ex=Bxlv式中，Bx为导体所在处的磁密，可见导体的电动势与磁密成正比。 每条支路中各串联线圈的有效边(即导体)，总是分布在磁极下不同的位置上，导体的感应电动势ex=Bxlv也不同，于是电枢绕组感应电动势可由下式决定Ea=∑N2ax=1ex=lv∑N2ax=1Bx (1-6) 当电枢导体数N很大时，式(1-6)中的∑N2ax=1Bx可用平均磁通密度Bav乘以N/ (2a)来代替。此时Bav为Bav=1τ∫τ0Bxdx=Φτl  从电枢表面周长2pτ(极距τ的单位为m)和转速n(单位为r/min)，可求得电枢表面的导体运动线速度v=2pτn/60(v的单位为m/s)。将以上关系式代入式(1-6)可得Ea=lvN2aBav=l×2pτn60×N2a×Φτl=pN60aΦn即Ea=CeΦn (1-7)式中 Ce=pN60a (1-8)式中，Ce为由电动机结构决定的常数，称为电动势常数。每极磁通Φ的单位为Wb, n的单位为r/min, Ea的单位为V. 由式(1-7)可知，若每极磁通Φ保持不变，则电枢电动势和转速成正比；若转速保持不变，则电枢电动势与每极磁通成正比。 电动势的方向由磁场的方向和转子的旋转方向决定。两者之中只要有一个方向改变，电动势的方向便随之改变。 以上分析计算的感应电动势为空载时的电枢电动势，采用如图1-16(a)所示的空载气隙磁通密度曲线。若计算负载时的电枢电动势，则应利用负载时的气隙磁通密度曲线，如图1-16(d)所示。 2. 直流电动机的电磁转矩 当直流电动机接通直流电源运行时，通过电枢绕组的电流与气隙中的合成磁场相互作用而产生电磁转矩。 根据电磁力定律，作用在电枢绕组每一根导体上的电磁力为fx=Bxli由该电磁力产生的转矩为Tx=fxDa2=BxliaDa2  电动机的电磁转矩应为全部导体所产生的转矩之和。由于各个极距内的磁通密度变化规律是一样的，故可先求出一个极距内的N/ (2p）个导体的转矩，再乘以极数2p，从而求得直流电动机的电磁转矩为T=2p∑N2px=1Tx=2pliaDa2∑N2px=1Bx (1-9)如前所述，∑N2px=1Bx可用一个极距内的平均磁密Bav乘以N/ (2p）来代替，即∑N2px=1Bx=N2p×Bav 如果负载时正、负电刷间的每极磁通Φ已知，则根据Φ=Bavτl，可求得平均磁通密度Bav=Φτl；再利用ia=Ia2a和τ=πDa2p，代入式(1-9)可得T=2pl×Ia2a×Da2×N2p×Φl×2pπDa=pN2πaΦIa即T=CTΦIa (1-10)式中 CT=pN2πa (1-11)式中，CT为由电动机结构决定的常数，称为转矩常数。Φ的单位为Wb, Ia的单位为A, T的单位为N·m. 由式(1-10)可见，电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。直流电动机中电磁转矩的方向与转子的旋转方向相同，为驱动转矩。正是在此电磁转矩的作用下，使直流电动机的电枢能够带动负载转动，将直流电源输入的电能转换为机械能输出。 例1-1 一台4极直流电动机，Z=36槽，每槽导体数为6，气隙每极磁通Φ=0.022Wb, 单叠绕组，当转速n分别为1460r/min和600r/min时，求电动机的电枢感应电动势。若电枢电流为800A，磁通不变，能产生多大的电磁转矩？ 解: 单叠绕组的并联支路对数a=p=2 电动势常数Ce=pN60a=2×36×660×2=3.6 转矩常数CT=pN2πa=2×36×62π×2=34.39 当转速n=1460r/min时，电枢感应电动势Ea=CeΦn=3.6×0.022×1460=115.6(V) 当转速n=600r/min时，电枢感应电动势Ea=CeΦn=3.6×0.022×600=47.52(V) 当电枢电流Ia=800A时，电磁转矩T=CTΦIa=34.39×0.022×800=605.26(N·m)1.2.3 直流电动机运行的基本方程式 图1-17 直流电动机物理量的正方向直流电动机能将直流电能转换为机械能，可以用来拖动一定的机械负载工作。当直流电动机处于稳定工作情况下时，其电压、功率和转矩分别遵循一定的平衡关系。 直流电动机各物理量的参考正方向，如图1-17所示。图中，以他励直流电动机为例，U为直流电动机电枢端电压，Ia为电枢电流，TL为机械负载转矩，T、T0为电动机的电磁转矩和空载转矩，n为电动机转速，Uf为励磁电压，If为励磁电流。 1. 电动势平衡方程式 如图1-17所示，设直流电动机的电枢绕组电阻为R′a，正、负电刷的接触压降为2ΔUb。由基尔霍夫电压定律，可列出电枢回路电动势平衡方程式如下：U=Ea+IaR′a+2ΔUb=Ea+IaRa (1-12)式中，Ra为包括电枢绕组电阻和电刷压降的等效电阻，Ra=R′a+2ΔUbIa. 可见，直流电动机的感应电动势E与电枢电流Ia方向相反，且EU, Ia反向，即变为与Ea的方向相同，如图1-19(b)所示。此时其乘积EaIa>0, 这便说明此时电机向电网输出正的电功率，电枢绕组所获得的电磁功率由原动机的机械功率转换而来；另一方面，此时电枢电流Ia和磁场作用产生的电磁转矩T的方向，与转子旋转方向相反，起制动作用。因此，原动机必须用足够大的机械转矩T1来克服此电磁转矩T和空载制动转矩T0，才能向电机输入机械功率。此时，该直流电机作发电运行，将原动机提供的机械能转换为电能输出。 综上所述，不论是作为电动机还是作为发电机运行，在电机内部都始终存在着电枢电动势Ea和电磁转矩T这两个对立统一的电磁量。对于直流电机来说，可根据下列关系来判断电机的运行状态: 当EaU, T与转速n反方向时为发电机运行状态。 1.3 直流电动机的工作特性 直流电动机的运行特性是选用直流电动机的重要依据。工作特性和机械特性是其稳态运行特性，以下就工作特性加以讨论。关于电动机的机械特性及“起动”和“调速”两种动态运行特性将在“直流电动机的电力拖动”章节中研究。 所谓直流电动机的工作特性，是指在电压U=UN=常值、电枢回路不串入外加电阻、励磁电流保持不变的条件下，电动机的转速n、电磁转矩T和效率η三者，与输出功率P2之间的关系曲线，即n、T、η=f(P2)。由于在实际运行中，测量电枢电流Ia比测量功率容易，且Ia随P2的增加而增加，两者增加的趋势基本一致，所以又常将电动机的工作特性表示为n、T、η=f(Ia). 直流电动机的工作特性因励磁方式不同，差别很大。下面分别介绍并励、串励及复励直流电动机的工作特性。 1.3.1 并励电动机的工作特性 对并励电动机来说，工作特性是指当电压U=UN=常值，If=IfN=常值时， n、T、η=f(P2)或n、T、η=f(Ia)的关系曲线。并励电动机的接线图和其工作特性分别如图1-20(a)和(b)所示。 图1-20 并励电动机的接线图和工作特性 1. 转速特性 并励直流电动机的转速特性，即U=UN=常值，If=IfN=常值时， n=f(Ia)的关系曲线。 由电动势公式Ea=CeΦn和电压方程U=Ea+IaRa，可得n=EaCeΦ=Ua-IaRaCeΦ (1-28) 若忽略电枢反应，当负载增加而Ia增加时，转速n趋于下降。若考虑电枢反应的去磁作用，磁通下降将引起转速的上升，与Ia增大引起的转速降相抵消，使电动机的转速变化很小。实际运行中为保证电动机稳定运行，一般使电动机的转速随电流Ia的增加而下降，如图1-20(b)中曲线所示。 转速变化的大小用转速变化率(或称转速调整率)Δn来表示Δn=n0-nNnN×100% (1-29)式中，n0为电动机的空载转速；nN为电动机在额定状况下运行的转速。 并励电动机的Δn仅为3%～8%，这种随负载变化而转速变化不大的转速特性为硬特性。 并励电动机运行时，应该注意不可使励磁回路断路。当励磁回路断路时，气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁，电枢回路中的感应电动势也将随之减小，电枢电流将急剧增加。由于T=CTΦIa，如负载为轻载时，电动机转速将迅速上升，直至加速到危险的高值，造成“飞车”；若负载为重载，电磁转矩克服不了负载转矩，电机可能停转，此时电流很大，超过额定电流好几倍，达到起动电流，这些都是不允许的。 2. 转矩特性 并励直流电动机的转矩特性，即U=UN=常值，If=IfN=常值时，T=f(Ia)的关系曲线。 由转矩特性公式T=CTΦIa可知，若磁通保持不变，T与Ia成正比，转矩特性为一直线。若考虑电枢反应的去磁作用，转矩T随电枢电流Ia的变化如图1-20(b)中所示，为一略微向下弯的曲线。 3. 效率特性 并励直流电动机的效率特性，即U=UN=常值，If=IfN=常值时，η=f(Ia)的关系曲线。 由功率平衡方程式可知，直流电动机的效率η为η=P2P1=P1-∑pP1=1-∑pP1 电动机的损耗∑p中仅电枢回路的铜耗与电流Ia平方成正比，其他部分与Ia无关。当Ia较小时，∑p随电流Ia增加较小，效率η上升较快；当Ia较大时，∑p随电流Ia增加较大，效率η增加较慢。当Ia大到一定值时，效率η达到最大值，之后随电流Ia的增大，效率η又逐渐减小，如图1-20(b)中曲线所示。 1.3.2 串励电动机的工作特性 对串励电动机来说，工作特性是指当电压U=UN=常值，n、T、η=f(P2)或n、T、η=f(Ia)的关系曲线。串励电动机的接线图和工作特性分别如图1-21(a)和(b)所示。 图1-21 串励电动机的接线图和工作特性 1. 转速特性 由于串励电动机的输入电流、电枢电流和励磁电流满足关系式I=Ia=If。当负载较小时，励磁电流If亦较小，铁芯处于未饱和状态，其每极磁通与电枢电流成正比，即Φ=KIf=KIa，代入转速公式，得n=U-IaRaCeΦ=UCeKIa-RaCeK (1-30) 转速n与电枢电流Ia成反比，转速特性为一双曲线，转速下降得很快。这是因为当负载增加而输出功率增加时，输入功率亦增加，在U=UN=常值条件下，Ia必须增加。Ia的增加一方面使磁通增加，另一方面使电枢电路总电阻压降变大。从转速公式可见，这两种作用都使转速降低。 当负载较大时，Ia亦较大，磁路已饱和。此时Ia变大，Φ变化不大，可见Ia增大，n下降幅度减小了，如图1-21(b)所示。 串励电动机不允许空载或带很轻负载运转，这是因为此时励磁电流和电枢电流很小，气隙磁通很小，使电机转速急剧上升，过速将导致电机损坏。 鉴于上述原因，串励电动机的负载转矩一般不小于额定转矩的1/4，其转速变化率定义为Δn=n14-nNnN×100% (1-31)式中，n14为电动机输出1/4额定功率时的转速；nN为电动机输出额定功率时的转速。 2. 转矩特性 如前所述，串励电动机的主磁场随负载在较大范围内变化。当负载电流很小时，它的励磁电流也很小，铁芯处于未饱和状态，其每极磁通与电枢电流成正比，将Φ=KIa代入转矩公式，可得T=CTΦIa=CTKI2a=CTKΦ2 (1-32) 电磁转矩和电枢电流的平方成正比，转矩特性为一抛物线。 当负载电流较大时，铁芯已饱和，励磁电流增大，但是每极磁通变化不大，因此电磁转矩大致与负载电流成正比。T=f(P2)曲线如图1-21(b)所示。 3. 效率特性 串励直流电动机的效率特性与并励直流电动机相似，在此不再复述。 1.3.3 复励电动机的工作特性 复励电动机的接线如图1-22所示。复励电动机通常接成积复励形式，此时串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势方向相同。如果并励磁动势起主要作用，其工作特性接近并励电动机；反之，如果串励磁动势起主要作用，其工作特性就接近串励电动机。故复励电动机在设计时，适当地选择并励和串励的磁动势的强弱，便可使复励电动机具有很好的负载适应性，其两组励磁绕组具有很好的互补性。由于有串励磁动势的存在，当负载增加时，电枢电流和串励磁动势也随之增大，从而使主磁通增大，减小了电枢反应去磁作用的影响，因此它比并励电动机的性能更优越；而由于有并励磁动势的存在，使复励电动机可在轻载和空载时运行，克服了串励电动机的这一缺点。 复励电动机的特性介于并励和串励电动机的特性之间，如图1-23所示。 图1-22 复励电动机的接线图 图1-23 直流电动机的速率特性 1-并励电动机; 2-并励为主的复励电动机; 3-串励为主的 复励电动机; 4-串励电动机; 5-差复励电动机 习题 1-1 试述直流电动机的基本工作原理。 1-2 直流电动机由哪几个主要部件构成？这些部件的功能是什么？ 1-3 直流电动机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？ 1-4 一台4极直流电动机，采用单叠绕组，问: (1) 若取下一只或相邻两只电刷，电动机是否可以工作？ (2) 若只用相对的两只电刷，是否可以工作？ (3) 若有一磁极失去励磁将产生什么后果？ 1-5 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？公式Ea=CeΦn和T=CTΦIa中的Φ是什么磁通？ 1-6 直流电动机电刷之间的感应电动势与某一导体的感应电动势有何不同？ 1-7 直流电动机的感应电动势与哪些因素有关？若一台直流电动机在额定工作条件下运行时的感应电动势为220V，试问在下列情况下电动势变为多少？ (1) 磁通减少10%; (2) 励磁电流减少10%; (3) 转速增加20%; (4) 磁通减少10%，同时转速增加20%. 1-8 如何改变并励电动机旋转方向？ 1-9 并励电动机在运行中励磁回路断路，将会发生什么现象？为什么？ 1-10 串励电动机为什么不能空载运行？复励电动机能否空载运行？ 1-11 何谓直流电机的可逆原理？如何判断一台接在直流电网上正在运行的直流电机是工作在发电状态还是电动状态？ 1-12 一台直流电动机，额定功率PN=75kW，额定电压UN=220V，额定效率ηN=88.5%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机的额定电流和额定负载时的输入功率。 1-13 一直流电动机数据为: 2p=6，总导体数N=780，并联支路数2a=6，运行角速度ω=40πrad/s，每极磁通Φ=0.0392Wb。试计算: (1) 电动机感应电动势； (2) 速度为900r/min，磁通不变时电动机的感应电动势； (3) 磁通Φ=0.0435Wb, n=900r/min时电动机的感应电动势； (4) 若每一线圈电流的允许值为50A，在第(3)问情况下运行时，电动机的电磁功率。 1-14 已知一台4极、1000r/min的直流电动机，电枢有42槽，每槽中有3个并列线圈边，每线圈有3匝，每极磁通为Φ=0.0175Wb，电枢绕组为单叠绕组。试问: (1) 电枢绕组的感应电动势； (2) 若电枢电流Ia=15A，电枢的电磁转矩。 1-15 一台并励直流电动机的额定数据为: PN=17kW, UN=220V, IN=92A, Ra=0.08Ω,