第三章 直流电机的稳态分析
第三章
直流电机的稳态分析
直流电机是电机的主要类型之一。直流电动机以其良好的启动性和调速性能著称，直流
发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。与交流电机相比直流电机的结构较复杂，成本较
高，可靠性较差，使它的应用受到限制。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能
的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和
实用价值。
本章先介绍直流电机的工作原理和基本结构，接着说明电机的磁动势和磁场，导出电机
的电动势和电磁转矩公式，并分析直流电动机的稳态运行性能。
3.1 直流电机的工作原理和基本结构
一、直流电机的工作原理
1、直流电机的构成
如图3－1 表示一台直流电机。
固定部分（定子）：主磁极N 和S ；
旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷1B 、2B ；
电枢绕组AX(一个线圈)；
换向器。
定子与转子之间为气隙。
图3－1 最简单的两极直流电机
2、直流发电机的工作原理
图3－2 线圈电动势和电刷间电动势的波形
a) 线圈电动势 b) 电刷间的电动势
发电机：虽然线圈AX 电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷1B 、2
B 间的输出电动势却是直流电动势。
3、直流电动机的工作原理
电动机：在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷1B 、2B 和换向
器再加到线圈上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从
而使电磁转矩的方向始终保持不变。
4、脉动的减小
实现方法：电枢绕组由多个线圈串联而构成的，如图3－3所示。电刷上的电动势如图
3－4所示。
图3－3 电枢上装有6个线圈 图3－4 每极下有3个串联线圈时
的两极直流电机 电刷上的电动势波形
二、直流电机的基本结构
旋转电机：定子，转子，气隙。
图3－6 国产直流电机的结构
1、主磁极
作用：建立主磁场。
构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。
2、机座
作用：1、主磁路的一部分；
2、电机的结构框架。
构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。
3、电枢铁心
作用：1、主磁路的一部分；
2、电枢绕组的支撑部件。
构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。
4、电枢绕组
作用：直流电机的电路部分。
构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，
上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用
槽楔压紧。
图3－电枢槽内的导体和绝缘
5、换向器
作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。
构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒、片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。
6、电刷装置
作用：电枢电路的引出（或引入）装置。
构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。
7、换向极
作用：改善换向。
构成：亦由铁心和绕组组成。
三、励磁方式
励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式，直流电机分为他励和自励两类：
1、他励式(如图a）
其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。
图3－直流电机按励磁方式分类
a)他励式b)并励式c)串励式d)复励式
2、自励式
发电机：利用自身发出的电流励磁；
电动机：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。
自励式 ·并励式(图b) ：励磁绕组与电枢绕组并联；
·串励式(图c) ：励磁绕组与电枢绕组串联；
·复励式(图d)：装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，二为与电
枢串联的串励绕组。
四 、直流电机的额定值
直流电机的额定值有：
（1）额定功率N P ：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以kW 表
示。
※ 对电动机，额定功率是指输出的机械功率；
对发电机，额定功率是指输出的电功率。
（2）额定电压N U ：指额定状态下电枢出线端的电压，以V 表示。
（3）额定电流N I ：指电机运行在
N N P P U U ==2时，电机的线电流，以A 表示。
（4）额定转速N n ：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min 表示。
（5）额定励磁电压 fN U （仅对他励电机）。
3.3 空载和负载时直流电机的磁场
一 、空载时直流电机的磁场
空载时的主磁极的磁通：
a) 主磁通：通过气隙，并形成气隙磁场。
b) 主极漏磁通
极距τ：p D 2πτ=
图3－ 空载时直流电机的气隙磁场
二 、负载时的电枢磁动势和电枢反应（介绍）
电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。
1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应
影响：1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何
中性线，
2）、不计饱和时，交轴电枢反应既无增磁、亦无去磁作用;
计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。
2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应
发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；
电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。
电动机：与发电机的情况相反。
3.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布如图3－所示，则每根导体的感应电动势为
lv b e δ=
式中，δb －导体所在处的气隙磁密； l －导体的有效长度；
v －导体相对气隙磁场的速度。
图3－ 气隙磁场分布和导体感应电动势、电磁力的计算
电枢绕组的电动势a E 应为一条支路各串联导体的电动势的代数和，则 ∑∑====a Z i a Z a a x b lv lv b E 2121)(δδ
令av B 为平均气隙磁密，则上式改写为
av a a B a Z lv E ==2
将602n p v τ=代入上式得出直流电机得
n C n a pZ l B a Z pn E e a av a a Φ=Φ====60)(2602τ
※ 电动势公式 ：
n C E e a Φ= 式中，τl B av =Φ－每极的总磁通量；==a pZ C a e 60－电动势常数。
二 、直流电机的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距c T 为
2D li b T a δ= 式中，δb －该点处的气隙磁密。
一个极下的载流导体上的电磁转矩p T 应为
22)(221D li B p Z x b D li T a av a p Z i a p a ==∑δ 式中，)(2121i p
z a av x b p Z B a ∑≈δ－气隙平均磁密。
整个电枢上的电磁转矩则e T 为
22D li B Z pT T a av a p e ==
再考虑到τπp D 2=，τl B av =Φ，==a I i a a 2，可得直流电机的转距公式为
a T a a a av a e I C I a Z p p a I l
B Z T Φ=Φ====ππτ22
※ n C T T e Φ= 式中，==
a Z p C a T π2－直流电机的转矩常数。
3.5 直流电机的基本方程
基本方程 一、电压方程 ； 二、转矩方程。
一、电压方程
1、 他励直流电机
他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故 I I a =。
图3－ 直流电机的稳态电路图
a)发电机 b)电动机
发电机：U E a > 则有a a s a a
R I U U R I U E +=?++=2； 电动机：U E a < 则有
a a a s a a R I E U R I E U +=?++=2。
2、并励直流电机
其电枢回路的电压方程与他励时相同，但有激磁电压为电枢端电压，即
U
U f = 发电机：
f a I I I += 电动机：a
f I I I += 3、串励直流电机
其电枢回路的电压方程与他励时亦相同，但因励磁绕组与电枢绕组相串联，有
I I I s a ==
另外，电压方程应加入串励绕组的电阻压降。
二、转矩方程
e T 为电磁转矩
发电机情况下，电磁转矩为制动转矩，有
e T T T +=01
1T —原动机的驱动转矩，0T —电机本身的机械阻力转矩，
电动机情况下，电磁转矩为驱动转矩，有
20T T T e +=
式中，2T 为电动机轴上的负载转矩。
三、电磁功率
电磁功率用e P 表示，则
a a e I E P = 将602n π=Ω代入上式，得
Ω=ΩΦ==e a a a a T I a pZ I E π2
※ 发电机： 机械能Ωe T 转化为电能
a a I E ； 电动机： 电能a a I E 转化为机械能Ωe T 。
四、直流电机的可逆性
电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦作为电动机运行。
※ a E U > 发电机运行；
U E a < 电动机运行。
图3－ 并励直流电机的接线图（下标（G ）
表示发电机，（M ）表示电动机）
3.7 直流电动机的运行特性
直流电动机的运行特性主要有两条，一条是工作特性，另一条是转矩特性（或称为机械特性）。
。
一、并励电动机的运行特性
1、工作特性
指fN f N I I U U ==, 时，)(,,2P f T n e =η。
（1）、转速特性 )(2P f n =
据转速公式 a e a e e a I C R C U C E n Φ-Φ=Φ=
得出转速特性曲线如图
转速调整率n ?：
1000?-=?N N n n n n % ※ 并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。
（2）、转矩特性 )(2P f T e =
据转矩方程 Ω+=+=2
020P T T T T e 得出转矩特性曲线如图
（3）、效率特性 )(2P f =η
并励电动机的效率特性和其他电机相类似。
图3－ 并励电动机的工作特性 图3－ 并励电动机的转矩－转速特性
2、转矩—转速特性
指N U U =，励磁回路电阻f R =常值时，)(e T f n =。
转速与转矩的关系表达式为 e e T a e T C C R C U n 2Φ-Φ=
得特性曲线如图 ※ 结论：硬特性
二 、串励电动机的运行特性
特点：I I I s a ==
1、工作特性
是指N U U =时，)(,,2P f T n e =η 或 )(,,a e I f T n =η。
（1）、转速特性
转速公式 s e s a a s e s s e s a a e s a a K C R R I K C U I K C R R I U C R R I U n +-=+-=Φ+-=
1)()( 式中s R 为串励绕组的电阻。上式表明)(a I f n =曲线大致为一双曲线，如图所示。
轻载时，s s I K =Φ、=s K 常值 22a T s s T e I C I K C T '==?2a e I T ∝?
负载增加，磁路饱和，≈Φ常值
a T e I C T "≈?a e I T ∝? ※ 串励电动机不允许空载运行。其转速调整率定义为：
10041?-=
?N N n n n n %（与并励电动机的转速调整率定义相对比）。
2、转矩—转速特性
是指N U U =时，)(e T f n =。
由电压方程可知
I R R n K C R R I n C R R I E U s a s e s a e s a a a )()()(++=++Φ=++= 式中s s I K =Φ。于是电磁转矩为
22)
(s a s e s T s T a T R R n K C U K C I K C I C T ++==Φ=
可得 ????????+-=
)(1s a e s T s e R R U T K C K C n （图3-45）
※ 结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。
图3－ 串励电动机的工作特性 图3－ 串励电动机的转矩－转速特性
三、复励电动机的特点
复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和串励电动机之间。
图3－ 复励电动机的接线图 图3－ 复励电动机的转矩－转速特性