I：流电机的七极与电刷相对静止，借換向器和电 刷实现外电路直流电^电枢绕组中交流电之间的相互 变换，再借静止气隙磁场实现电桎绕组中的交流电能 与转轴h的转矩相互转換，机械功率与电功率分别通 过转轴和电刷输入或输出，从而实现机电能量转换a

1直流电机的电枢电动势和电磁转矩

1*1 电枢电动势

电枢在磁场中旋转时，绕组各兀件边相对气隙磁 场运动，根据电磁感闷定律〃=及V,元件电动奶为其 两元件边电动势之和，电枢电动势为电枢绕组正负极

性电刷之间任一并联支路内各串联元件电动势的总

和D

元件交替通过不冋极性磁场所感应的电动势为交 变电动势，但由于电刷与换向器相对旋转+而与I:极相 对静止，每条支路内各元件所处的磁场位置维持不变, 因此，通过电刷与换向片的及时换接，支路电动势(■即 电枢电动势）为直流电动势。为使支路电动势最人，被 电刷短接的元件的轴线应对准主极中心即通常所 称“电刷应处在中性位置上'

，电机的i_:极对数为心电枢绕m元件数为s,每 个元件的匝数为Na,绕组并联支路对数为^和导体总 数2 = 2^入。则在电刷处于中性位置运行时，其电枢

电动势EB为

E, = 〇 (V) (仑 2-1)

式中C；——电动势常数，C =力2/

0—每极气隙磁通（Wbh «——电枢转速（r/miiih 电枢电动势的极性根据磁场极性与旋转方向按右 手定则决定^■两者改变其一，电动势极性改变；两者同 时改变，电动势极性不变，

1-2 电磁转矩

根据电磁力定律/=B/;，处在气隙磁场中的载流 电枢绕组的各元件边都将受到切向电磁力的作用。当 电刷处于中性位置，通过电刷的总电流为/.时，电磁 转矩：rEra可按下式计算：

Tcm = C\0IB (N • m) (4.2-2)

式中CT——转矩常数，CV = />Z/2m

有槽或无槽电枢结构的电磁力作用部位虽有冈别， 佴它们的电磁转矩均吋按式（4-2-2)计算。电磁转矩 同时怍用在电枢和主极上，其大小相等，方向相反。

电枢上电磁转矩的方向裉据磁场极性与电枢电流 方向按左手定则决定。两者改变其一，转矩方向改变i 两者同时改变，转矩方向不变。

2直流电机的电压、转矩和功率平衡

自:流电机的能量转换过程是可逆的，既可怍发电 机运行，也可作电动机运行3,

直流电机稳定运行时的电甩1转矩和功率平衡见

发电机

电动机

工作原理 ].发电机由原动机拖动_以转速n (角連度〇0旋

3直流电机的电枢反应

负载时，电枢绕组中的电流将产生电枢磁动势。电 枢磁动势轴线所在的空间位置随电刷的移位而移动， 其空间分布为三角形（实际上，电枢电流集中在槽内， 其空间分布为阶梯状三龟形气瞭磁场将甴励磁绕组 和电枢绕组的合成撖动势决定。电枢磁动势对气臌磁 场的影响称为电枢反应。

按其轴线所在空间位置和对气險磁场的不同影 响，电枢磁动势有交轴和直轴两种(直轴与主极中心线 重合,交轴与极间几何中心线重合，交轴与直轴间的夹 角为str电角度交轴和直轴电枢磁动势对主极气隙 磁场的澎响分别称为交轴和直轴电枢反应。

3*1 交轴电柜■反应

电刷处在几何中性位置时，电枢磁动势的轴线在

交轴上，电枢反应磁动势尺全部为交轴电枢磁动势 F„，电枢反应为交轴电枢反应，如图44-〗所示。电枢 电流为零，只有主极励磁时的磁场分布如图所 示；主极无励磁，只有电枢电流流通时，在交轴上产生 最大值为ZJ" (8邛）、按三角形分布的戚动势，此时 磁场分布如图所示；既有主极励硪又有负栽电 流时的合成磁场分布如图4*2-所示a

交轴电枢反应的不良影响有：

(1) 使主极气隙磁场发生畸变，磁路饱和时有效 磁通减少。在有效磁通随着电枢电流增加而减少时，如 果保持励磁电流一定，则随着负载电流的增加，会在发 电机中引起电压下降，在电动机中引起转速上升，乃至 得不到稳定的运行。

(2) 使局部换向片片间电压上升。气隙磁场畸变 使得主极下各元件边的感应电动势不等，导致局部换 向片片间电压升高，如渠电庄升高超过一定限值，会引发换向事故。

(3) 使电机的物理中性线从几何中性位置沿电叽 旋转方向偏移（发电机前移，电动机反之），如图4*2 -lc所示，如果电刷仍留在几何中性位置上，该处磁通 会在被电刷短路的换向元件内感生电动势，从而产生 换向火花D因此，在无换向极的电机中*电刷必须随着 负载的改变而改变自己的位置。

交轴电枢反应的不良后果可以采取主极极靴削 角、偏心气隙等措施（图4-2-4)加以抑制，或配备换 向极、补偿绕组给予补偿（参见本篇第4章2*2和2* 3节）

3*2直轴电枢反应

当电刷偏离几何中性位置〇角时，电枢磁动势R 可分解为Fw和两个分量，如图所示d

由几何中性位置两侧2«角度范围内的安匝所产 生的分量= A2W360X 其轴线在直轴上，称

为直轴电枢磁动势（其余部分为交轴电枢磁动势丨、）* 在空间按梯形分布。直轴电枢反应不会造成主极气隙 磁场的畸变，只会使气隙磁场去磁或增进，随电机的工 作方式和电刷移动的方向而定，见表心2-2。

表4+2-2移H与气除磁场的关系

对于单向旋转的电机，在不影响换向性能的前提 下，有时可少量移动电刷*利用其增磁或去磁效应来获 得所要求的特性。

图44-1 交私电枢反应

a)主极珀场磁逋与砝通密度分布 b)电枢角动势产生的緬通与刼遘密度分布

c)合成鉍场砝暹与咸暹宏度分享

4直流电机的磁路

直流电机的磁路一般指主极磁通的主磁路. 在有换向极的电机中T还有换向极磁通的换向极

磁路

4.1.1主磁路的组成

主磁路由主极气隙、电枢齿、电枢轭、主极铁心和 定子轭组成，如图-3所示。

主磁路内由®磁绕组产生的磁通，可分成与电枢 绕组相交链的有效磁通®，和不交链的漏磁通办。漏 磁通与有效磁通的和对有效磁通的比，称为漏磁系数

m 4*2-3 i流电机的主磁路

4*1*2磁化曲线和磁路计算

直流电机的磁化曲线也称空载特性曲线，用每极

励磁镞动势f与毎极有效磁通边的关系0=j_on表 关于直流电机的空载气隙磁场和磁路计算的详细

不；也可用空载电动势心,与励磁电流。的关系说明参见第〗篇第2章4*2和第3节，琺路各部分的 /GV)表承。 磁通密度和磁位降的丨十算见表4*2-3。

4*1_3电枢反应去磁磁动势

无补偿直流电机在额定运行情况下，每极气隙1电 柩齿的磁位降(图P2-6)与电枢反应每极撖动势 〜凡/2叠加，引起主极F的气隙磁场畸变，时使磁极下 T均气暸磁通密度降至戌n,假设曲线BGD为抛物 线，其值为

=+(XB + 4航十 JD) (4.2-3) 0

函4,2-6 文轴电枢反应去磁磁动势

为使直流电机在额定负载时能达到与空载时相同的平 均气瞭磁通密度和气隙磁通，应适当增加励磁磁动势

以补偿交轴电枢反应的士磁作用。交轴电枢反应的每 极去磁磁动.

5直流电机的电路

除串励电机外，直流电机的电路可分为电枢电路 和励磁电路两部分。电路需用绝缘材料与铁磁部分绝 缘。直流电机的绝缘等级多数为B级或F级，少数为 H级。根据电机的绝缘等级、工作制和通风方式等选定 的电路热负载,不应使损耗引起的温升超过规定值，而 使绝缘材料的性能和机械强度变坏，导致缩短电机的正常寿命。

5*1 电枢电路

电枢电路中包括电枢绕组、换向极绕组、补偿绕组 和串励绕组(根据电机的大小和励磁方式，电枢电路不一定都有换向极、补偿、串励这三种绕组）、换向器和 电刷等。

5*1*1电枢绕组

电枢绕组是电机感生电动势、产生电碓转矩、实现 能#转换的关键部件之一，有波绕组、叠绕組和蛙绕组 等型式。在选择绕组型式时，主要应综合考虑下述因素 (参见本篇第5章）：

(1) 绕组各支路内的电流。

(2) 平均换向片间电压。

(3) 換向元件中的电抗电动势D U)绕组的热负载。

换向极绕组

换向极绕组中通过电枢电流对换向极勐磁产生换向极进场，从而在电枢换向元件中感生抵消电抗电动势A的换向电动势^ (参见本篇第4章1，1和24节h其部分硃动势还用来抵消交轴电枢反应磁动势(有补偿绕组时，主极下电枢反应磁动势由补偿绕组抵消）。换向极绕组（有补偿绕组时加上补偿绕组）的磁动势一般应为交轴电枢反应磁动势的1. 05〜1. 25倍。

5-1*3补偿绕组

为更加有效地柢消电枢反应，大中型电机把(换向极绕组中）抵消主极下电枢反应所需的匝数分散布置 在主极极靴上，组成补偿绕组。补偿绕组内电枢电流的 方向应与主极极靴下电枢绕组元件内的电流方向相反补偿權ISC补偿槽一般均匀地分布在主极极 靴上，榷数的选择应使其槽节距与电枢槽的榷节距至 少相差10%,也不能是电枢相节距的整数倍，以避免 产生额外的捩动与噪声。

1补偿绕组的偏位分布补偿绕组通常在主极

极靴上对主极铁心中心线对称分布。为达到某种性能 要求，有时也采用对中心线不对称分布的布置方式，称 为补偿绕组的偏位分布。

由于直流电机的换向一般调整为趄越换向，此时 电动机电枢绕组换向元件中的电流所产生的磁动势有 去磁作用（参见本篇第4章1*卜3节假设换向电流 按抛物线变化，其每极去磁磁动势约为

对于要求相密调节转速的单方向旋转的直流电动机（例如轧钢厂连轧机用电动机），为使电动机特性+ 受换句电流影响，可采用补偿绕组偏位分布的措施，即 将补罃绕组的分布中心线逆电动机的旋转方向对主极 屮心线偏移距离I为了留有调节裕量，偏位所增加的 磁动势只抵消O.SF^，即

a= 0. 067At (m) (4*2-19)

其余的〇. 2/^由设置在主极铁心上的调节绕组进行调

5.换向器和电刷

常规直流电机的特点是通H换向器和电刷进行換 向。因此，换向器和电刷是保旺直流电机换向性能和运 行可靠性的关键部件。除了要求对它们进行精心设计、 精心制造外，还应在运行过程中加以精心维护。

換向器温升直接影响电机换向性能和运行可靠 性，一般控制在90K以下，超过时应特别注意电刷牌 号的选择。

电刷性能直接影响电刷一换向器滑动接触性能, 电刷牌号的选择是门专门技术，应给予充分重视(参 见本篇第1章2-4节）

5.2电流密度

绕组的电流密度直接与绕组的温升有关，应根掊 绝缘等级、通风和运行方式、线圈结构等进行选择，大 致的选用范围见表心2-^

绕组与连接片或换向器升高片在软钎焊时的接触 电流密度为〇■ 38〜0, SAynun2。

电流密度的选用范围