第第 1 章章 直流电机直流电机1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.2 直流电机的结构和额定值直流电机的结构和额定值1.3 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组1.4 直流电机的电磁场直流电机的电磁场1.5 直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的感应电动势和电磁转矩1.6 直流电动机直流电动机1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性1.8 直流发电机直流发电机电枢绕组的感应电动势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路的电动势 我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的产生的平均电动势，再求一条支路的 一个磁极极距范围内，平均磁密用一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，表示，极距为极距为 电枢的轴向有效长度为电枢的轴向有效长度为L ，每极磁通为，每极磁通为，则，则电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势 一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：又因为：又因为：所以：所以：电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势 因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为为电枢总导体数），于是，电枢电动势为：电枢总导体数），于是，电枢电动势为：为电机的结构常数其中（电动势常数） 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。
通及转速有关电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩 如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：样的：1）先求一根导体的平均电磁力：）先求一根导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：均转矩：电枢绕组的感应电动势与电磁转矩电枢绕组的感应电动势与电磁转矩 3）电机总的电磁转矩则为：）电机总的电磁转矩则为：式中：式中： 是一个常数，称为转矩常数，是一个常数，称为转矩常数， 是电枢总电流，从表达式可以看出，电是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流电枢绕组电磁转矩电枢绕组电磁转矩 ， 对于一个具体的电机而言，是一个常数，对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系，并且通过换算，两者之间有一固定的关系， 或或直流电动机直流电动机 直流电动机平衡方程式直流电动机平衡方程式 一般情况下，若额定励磁电压与电枢电压相等，他励和一般情况下，若额定励磁电压与电枢电压相等，他励和并励直流电动机就无实质性区别。
本章以分析并励直流电动并励直流电动机就无实质性区别本章以分析并励直流电动机为重点机为重点1.6.1 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式 如图，并励直流电动机的示意图接通直流电源时，励磁如图，并励直流电动机的示意图接通直流电源时，励磁绕组中流过励磁电流绕组中流过励磁电流If，建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流，建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流Ia，电枢旋转时，电枢导体又切割气隙磁场，产生电枢电动势，电枢旋转时，电枢导体又切割气隙磁场，产生电枢电动势Ea，其方向与，其方向与Ia相反，称反电动势相反，称反电动势 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式图图1.25 1.25 并励直流电动机并励直流电动机 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式 当电动机稳态运行时，有几个平衡关系，分别用方程当电动机稳态运行时，有几个平衡关系，分别用方程式表示1）电压平衡方程式）电压平衡方程式 式中，式中，Ra为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻 显然，直流电动机在电动机运行状态下的电枢电动势显然，直流电动机在电动机运行状态下的电枢电动势Ea总小于端电总小于端电压压U。
2）转矩平衡方程式）转矩平衡方程式式中，式中，T为电磁转矩，为电磁转矩，T2为轴上所带生产机械的转矩，为轴上所带生产机械的转矩，T0为电动机空载为电动机空载损耗转矩损耗转矩U=Ea+ IaRaI=Ia+If 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式（3）功率平衡方程式）功率平衡方程式 将电压平衡方程两边同乘以电枢电流将电压平衡方程两边同乘以电枢电流Ia，得到：，得到：可以写成：可以写成：式中，式中， 电动机从电源输入的功率；电动机从电源输入的功率； 电磁功率；电磁功率； 电枢回路的铜损耗电枢回路的铜损耗又，又，式中，式中， 电动机的机械角速度，单位为弧度电动机的机械角速度，单位为弧度/秒UIa=EaIa+ Ia2Ra 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式 将转矩平衡方程两边乘以机械角速度将转矩平衡方程两边乘以机械角速度，得，得可写成可写成式中，式中， 电磁功率；电磁功率； 轴上输出的机械功率；轴上输出的机械功率； 空载损耗，包括机械损耗空载损耗，包括机械损耗 和铁损和铁损耗耗 由前述功率方程可以作出并励直流电动机的功率流由前述功率方程可以作出并励直流电动机的功率流程图：程图： 直流电动机稳态运行的基本关系式直流电动机稳态运行的基本关系式他励直流电动机的功率流程图他励直流电动机的功率流程图并励直流电动机的功率平衡方程式并励直流电动机的功率平衡方程式式中，式中， 并励直流电动机的并励直流电动机的总损耗。
总损耗 并励并励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性直流电动机直流电动机 并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压是指当电动机的端电压U=UN、励磁电流、励磁电流If=IfN、电枢回路不串外加电阻时，转速、电枢回路不串外加电阻时，转速n、电磁转矩、电磁转矩T、效率、效率分别与电枢电流分别与电枢电流I a之间的关系之间的关系1、转速特性、转速特性定义：当定义：当 、 时，时，由方程式可得由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化如图所示关系变化如图所示 并励并励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性2、转矩特性、转矩特性定义：当定义：当 、 时时，转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢如图所示度比电流上升的慢如图所示 并励并励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性3、效率特性、效率特性定义：当定义：当 、 时时，由方程式可得由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。
定程度时铜损快速增大此时效率又变小如图所示如图所示 1.6.3 串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈励磁电流呈线性关系线性关系即：即：转速特性转速特性当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行以串励电动机不宜轻载或空载运行转矩特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同曲线如图所示与他励电动机相同曲线如图所示 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性1 机械特性方程式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电压平衡方程式可得机械特性的表达式：由电压平衡方程式可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。
称为理想空载转速实际空载转速实际空载转速 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 一、固有机械特性一、固有机械特性 当当 时的机械特性称为时的机械特性称为固有机械特性固有机械特性：额定负载转矩（额定负载转矩（ ）时的转速）时的转速为为额定转速额定转速额定负载时的转速降为额定负载时的转速降为额定转速降额定转速降 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性硬特性 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 额定负载时的转速降额定负载时的转速降 对额定转速对额定转速 的比值用百的比值用百分数表示时称为分数表示时称为额定转速变化率额定转速变化率：中小型他励直流电动机的中小型他励直流电动机的 为为5%10%2.2.人为机械特性人为机械特性 使用直流电动机时，其固有机械特性往往不能满足要求使用直流电动机时，其固有机械特性往往不能满足要求，这时可改变电源电压，这时可改变电源电压U、每极磁通、每极磁通和电枢回路串接的和电枢回路串接的附加电阻附加电阻Rsa三个量中的某个量，从而改变电动机的机械三个量中的某个量，从而改变电动机的机械特性，如此得到的机械特性称为人为机械特性。
特性，如此得到的机械特性称为人为机械特性注意：注意：只讨论改变其中一个量，其他值在额定条件下的人只讨论改变其中一个量，其他值在额定条件下的人为机械特性为机械特性 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性1 1、电枢回路串接电阻时的人为机械特性、电枢回路串接电阻时的人为机械特性 特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软越大，特性越软保持保持 不变不变,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为特的人为特性性 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性2 2、降低电压时的人为机械特性、降低电压时的人为机械特性 保持保持 不变，只改变电枢电压不变，只改变电枢电压 时的人为特性：时的人为特性：特点特点：1) 随 变化, 不变； 2) 不同,曲线是一组平行线 1.7 1.7 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性3 3、减弱励磁磁通时的人为机械特性、减弱励磁磁通时的人为机械特性 特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大保持保持 不变，减小每极磁通不变，减小每极磁通的人为机械特性：的人为机械特性： 1.8 1.8 直流发电机直流发电机直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。
转矩平衡方程为：转矩平衡方程为： 1.8 1.8 直流发电机直流发电机三三. .功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电。