課題八 直流電機簡介
教學目的及要求：通過教學使學生了解直流電機的結構、工作原理和基本類型；掌握直流電動機的電磁轉矩、電樞電動勢的計算以及直流電動機的基本方程。了解電樞反應的概念和換向的基本知識。
教學方式：理論講解 實物演示
展示設備：直流電機 電機系統實驗裝置
重點難點：直流電機的工作原理，直流電機的電磁轉矩，電樞反應及換向
8.1直流電機的基本工作原理
圖8.1是一臺直流電機的最簡單模型。N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導體構成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。
圖8.1 直流電動機工作原理示意圖
一、直流電動機工作原理
將外部直流電源加于電刷A(正極)和B(負極)上，則線圈abcd中流過電流，在導體ab中，電流由a指向b，在導體cd中，電流由c指向d。導體ab和cd分別處于N、S極磁場中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉矩方向一致，這個轉矩稱為電磁轉矩，為逆時針方向。這樣，電樞就順著逆時針方向旋轉，如圖8.1(a)所示。當電樞旋轉180°，導體cd轉到N極下，ab轉到S極下，如圖8.1(b)所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變為由d流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉矩的方向仍是逆時針方同。
由此可見，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。
實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產生的總的電磁轉矩足夠大并且比較均勻，電動機的轉速也就比較均勻。
二、直流發電機工作原理
直流發電機的模型與直流電動機模型相同，不同的是用原動機(如汽輪機等)拖動電樞朝某一方向(例如逆時針方向)旋轉，如圖8.2(a)所示。這時導體ab和cd分別切割N極和S極下的磁力線，感應產生電動勢，電動勢的方向用右手定則確定。可知導體ab中電動勢的方向由b指向a，導體cd中電動勢的方向由d指向c，在一個串聯回路中相互疊加的，形成電刷A為電源正極，電刷B為電源負極。電樞轉過180°后，導體cd與導體ab交換位置，但電刷的正負極性不變，如圖8.2(b)所示。可見，同直流電動機一樣，直流發電機電樞線圈中的感應電動勢的方向也是交變的，而通過換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動勢是極性不變的直流電動勢。在電刷A、B之間接上負載，發電機就能向負載供給直流電能。這就是直流發電機的基本工作原理。
圖8.2 直流發電機工作原理示意圖
從以上分析可以看出：一臺直流電機原則上可以作為電動機運行，也可以作為發電機運行，取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機能將電能轉換為機械能，拖動生產機械旋轉，作電動機運行；如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，輸入機械能，電機能將機械能轉換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發電機運行。同一臺電機，既能作電動機運行，又能作發電機運行的原理，稱為電機的可逆原理。
8.2 直流電機的結構和額定值
一、直流電機的結構
由直流電動機和發電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。裝配后的電機如圖8.3所示。直流電機的縱向剖視圖如圖8.4所示。
1. 定子
（1）主磁極
主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，如圖8.5所示。
圖8.3 直流電機裝配結構圖
1—換向器 2—電刷裝置 3—機座 4—主磁極 5—換向極
6—端蓋 7—風扇 8—電樞繞組 9—電樞鐵心
圖8.4 直流電機縱向剖視圖
1—換向器 2—電刷裝置 3—機座 4—主磁極 5—換向極
6—端蓋 7—風扇 8—電樞繞組 9—電樞鐵心
換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成，如8.6所示。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。
（3）機座
電機定子的外殼稱為機座，見圖8.4中的3。機座的作用有兩個：一是用來固定主磁極、換 圖8.5 主磁極的結構
向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用； 1—主磁極 2—勵磁繞組 3—機座
二是機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。
（4）電刷裝置
電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的，如圖8.7所示。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定。
圖1.6 換向極 圖1.7 電刷裝置
1—換向極鐵心 1—刷握2—電刷
2—換向極繞組 3—壓緊彈簧 4—刷辮
2. 轉子(電樞)
（1）電樞鐵心
電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成(沖片的形狀如圖8.8(a)所示)，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。
圖8.8 轉子結構圖
（2）電樞繞組
電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈(以下稱元件)按一定規律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖8.9所示。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。
在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發電機中，換向器配以
電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向 圖8.9 電樞槽的結構
片的緊固通常如圖8.10所示，換向片的下部做成鴿 1—槽楔2—線圈絕緣 3—電樞導體
尾形，兩端用鋼制V形套筒和V形云母環固定，再用4—層間絕緣5—槽絕緣 6—槽底絕緣
螺母鎖緊。
（4）轉軸
轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。
1—換向片2—連接部分 1—首端 2—末端 3—元件邊 4—端接部分 5—換向片
二、直流電機的勵磁方式
勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電機可以分為以下4類。（1）他勵直流電機
（2）并勵直流電機
勵磁繞組與電樞繞組并聯。如圖8.13(b)所示。勵磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類電機的勵磁電流只有電機額定電流的1%～5%， 圖8.12 單波繞組元件
所以勵磁繞組的導線細而匝數多。 1—首端 2—末端 3—元件邊
（3）串勵直流電機 4—端接部分 5—換向片
勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖8.13(c)所示。勵磁電流等于電樞電流，所以勵磁繞組的導線粗而匝數較少。
（4）復勵直流電機
每個主磁極上套有兩套勵磁磁繞組，一個與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組。一個與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組，如圖8.13(d)所示。兩個繞組產生的磁動勢方向相同時稱為積復勵，兩個磁勢方向相反時稱為差復勵，通常采用積復勵方式。
直流電機的勵磁方式不同，運行特性和適用場合也不同。
(a)他勵電動機 (b)并勵電動機 (c)串勵電動機 (d)復勵電動機
圖8.13 直流電機的勵磁方式
三、直流電機的額定值
電機制造廠按照國家標準，根據電機的設計和試驗數據而規定的每臺電機的主要性能指標稱為電機的額定值。額定值一般標在電機的銘牌上或產品說明書上。直流電機的額定值主要有下列幾項：
1.額定功率
額定功率是指電機按照規定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指轉軸上輸出的機械功率；對發電機來說，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。
2.額定電壓
額定電壓是電機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。
3.額定電流
額定電流是電機按照規定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A(安培)。
4.額定轉速
額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機的旋轉速度，單位為r/min(轉/分)。
額定值一般標在電機的銘牌上，又稱為銘牌數據。還有一些額定值，例如額定轉矩TN、額定效率hN等，不一定標在銘牌上，可查產品況明書或由銘牌上的數據計算得到。
額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關系：
直流電動機 PN=UNINhN×103 kW
直流發電機 PN=UNIN×103 kW
直流電機運行時，如果各個物理量均為額定值，就稱電機工作在額定運行狀態，亦稱為滿載運行。在額定運行狀態下，電機利用充分，運行可靠，并具有良好的性能。如果電機的電樞電流小于額定電流，稱為欠載運行；電機的電樞電流大于額定電流，稱為過載運行。欠載運行，電機利用不充分，效率低；過載運行，易引起電機過熱損壞。
8.3直流電機的磁場、電動勢、轉矩
一、直流電機的磁場
由直流電機基本工作原理可知，直流電機無論作發電機運行還是作電動機運行，都必須具有一定強度的磁場，所以磁場是直流電機進行能量轉換的媒介。因此，在分析直流電機的運行原理以前，必須先對直流電機中磁場的大小及分布規律等有所了解。
1. 直流電機的空載磁場
直流電機不帶負載(即不輸出功率)時的運行狀態稱為空載運行。空載運行時電樞電流為零或近似等于零，所以，空載磁場是指主磁極勵磁磁勢單獨產生的勵磁磁場，亦稱主磁場。一臺四極直流電機空載磁場的分布示意圖如圖8.14所示，為方便起見，只畫一半。
圖8.14 直流電機空載磁場分布圖
（1）主磁通和漏磁通
圖8.14表明，當勵磁繞組通以勵磁電流時，產生的磁通大部分由N極出來，經氣隙進入電樞齒，通過電樞鐵心的磁軛(電樞磁軛)，到S極下的電樞齒，又通過氣隙回到定子的S極，再經機座(定子磁軛)形成閉合回路。這部分與勵磁繞組和電樞繞組都交鏈的磁通稱為主磁通，用F0表示。主磁通經過的路徑稱為主磁路。顯然，主磁路由主磁極、氣隙、電樞齒、電樞磁軛和定子磁軛等五部分組成。另有一部分磁通不通過氣隙，直接經過相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分僅與勵磁繞組交鏈的磁通稱為漏磁通，以F0表示。漏磁通路徑主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數量只有主磁通的20%左右。
直流電機運行時，要求氣隙磁場每個極下有一定數量的主磁通，叫每極磁通F，當勵磁繞組的匝數Wf一定時，每極磁通F的大小主要決定于勵磁電流If。空載時每極磁通F0與空載勵磁電流If(或空載勵磁磁勢的關系或)稱為電機的 圖8.15 直流電機鐵心空載磁化曲線
空載磁化特性。由于構成主磁路的五部分當中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁材料磁化時的B-H曲線有飽和現象，磁阻是非線性的，所以空載磁化特性在較大時也出現飽和，如圖8.15所示。為充分利用鐵磁材料，又不致于使磁阻太大，電機的工作點一般選在磁化特性開始轉彎、亦即磁路開始飽和的部分(圖中A點附近)。
主磁極的勵磁磁勢主要消耗在氣隙上，當近似地忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁密的分布就取決于氣隙δ大小分布情況。一般情況下，磁極極靴寬度約為極距的75%左右，如圖8.16(a)所示。磁極中心及其附近，氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數，靠近兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小，超出極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零，因此，空載氣隙磁通密度分布為一個平頂波，如 圖8.16 空載氣隙磁密分布曲線
圖8.16(b)所示。
2. 直流電機的電樞反應及負載磁場
（1）直流電機的電樞反應
直流電機空載時勵磁磁勢單獨產生的氣隙磁密分布為一平頂波，如圖8.16(b)所示，負載時，電樞繞組流過電樞電流Ia，產生電樞磁勢Fa，與勵磁磁勢Ff共同建立負載時的氣隙合成磁密，必然會使原來的氣隙磁密的分布發生變化。通常把電樞磁勢對氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應。
下面先分析電樞磁勢單獨作用時在電機氣隙中產生的電樞磁場，再將電樞磁場與空載氣隙磁場合起來就可得到負載磁場，與空載氣隙磁場相比較，可以了解電樞反應的影響。
（2）直流電機的電樞磁場圖
圖8.17表示一臺兩極直流電機電樞磁勢單獨作用產生的電樞磁場分布情況，圈中沒有畫出換向器，所以把電刷直接畫在幾何中性線處，以表示電刷是通過換向器與處在幾何中性線上的元件邊相接觸的，由于電刷軸線上部所有元件構成一條支路，下部所有元件構成另一條支路，電樞元件邊中電流的方向以電刷軸線為分界。圖中設上部元件邊中電流為出來，下部元件邊電流是進去，由右手螺旋定則可知，電樞磁勢的方向由左向右，電樞磁場軸線與電刷軸線相重合，在幾何中性線上，亦即與磁極軸線相垂直。
下面進一步分析電樞磁勢和電樞磁場氣隙磁密的分布情況。如果假設圖8.17所示電機電樞
布情況如圖1.26所示。可以看出一個整距元件所產生的電樞磁勢在空間的分布為一個以兩個極距2τ為周期、幅值為的矩形波。
圖8.18繞組元件的磁勢
當電樞繞組有許多整距元件均勻分布于電樞表面時，每一個元件產生的磁勢仍是幅值為 的矩形波，把這許多個矩形波磁勢疊加起來，可得電樞磁勢在空間的分布為一個以兩個極距2τ為周期的多級階梯形波，為分析簡便起見或者元件數目足夠多時，可近似地認為電樞磁勢空間分布為一個三角形波，三角形波磁勢的最大值在幾何中性線位置，磁極中心線處為零，如圖8.19所示。
如果忽略鐵心中的磁阻，認為電樞磁勢全都消耗在氣隙上，則根據磁路的歐姆定律，可得電樞磁場磁密的表達式為：
式中 Fax——氣隙中x處的磁勢；
Bax——氣隙中x處的磁密。
由上式可知，在磁極極靴下，氣隙δ較小且變化不大，所以氣隙磁密Bax與電樞磁勢成正比，而在兩磁極間的幾何中性線附近，氣隙較大，超過Fax增加的程度，使Bax反而減小，所以，電樞磁場磁密分布波形為馬靴形，如圖8.19中曲線3所示。
圖1.26 直流電機電樞反應磁密分布
（3）負載時的氣隙合成磁場
如果磁路不飽和或者不考慮磁路飽和現象時，可以利用疊加原理，將空載磁場的氣隙磁密分布曲線1和電樞磁場的氣隙磁密分布曲線3相加，即得負載時氣隙合成磁場的磁密分布曲線，如圖8.19中的曲線4所示。對照曲線l和4可見：電樞反應的影響是使氣隙磁場發生畸變，使半個磁極下的磁場加強，磁通增加，另半個極下的磁場減弱，磁通減少。由于增加和減少的磁通量相等，每極總磁通Φ維持不變。由于磁場發生畸變，使電樞表面磁密等于零的物理中性線偏離了幾何中性線，如圖8.19所示。利用圖8.19可以分析得知，對發電機，物理中性線順著旋轉方向(nF的方向)偏離幾何中性線；而對電動機，則是逆著旋轉方向(nD的方向)偏離幾何中性線。
考慮磁路飽和影響時，半個極下磁場相加，由于飽和程度增加，磁阻增大，氣隙磁密的實際值低于不考慮飽和時的直接相加值；另半個極下磁場減弱，飽和程度降低，磁阻減小，氣隙磁密的實際值略大于不考慮飽和時的直接相加值，實際的氣隙合成磁場磁密分布曲線如圖8.19中的曲線5所示。由于鐵磁性材料的非線性，曲線5與曲線4相比較，減少的面積大于增加的面積，亦即半個極下減少的磁通大于另半個極下增加的磁通，使每極總磁通有所減小。
由以上分析可以知電刷放在幾何中性線上時電樞反應的影響為：
a)使氣隙磁場發生畸變。半個極下磁場削弱，半個極下磁場加強。對發電機，是前極端(電樞進入端)的磁場削弱，后極端(電樞離開端)的磁場加強；對電動機，則與此相反。氣隙磁場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對發電機，是順旋轉方向偏離；對電動機，是逆旋轉方向偏離。
b)磁路飽和時，有去磁作用。因為磁路飽和時，半個極下增加的磁通小于另半個極下減少的磁通，使每個極下總的磁通有所減小。
二、電樞繞組的感應電動勢
電樞繞組的感應電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應電動勢，也就是電樞繞組一條并聯支路的電動勢。電樞旋轉時，電樞繞組元件邊內的導體切割電動勢，由于氣隙合成磁密在一個極下的分布不均勻，如圖8.20所示，所以導體中感應電動勢的大小是變化的。為分析推導方便起見，可把磁密看成是均勻分布的，取每個極下氣隙磁密的平均值Bav，從而可得一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密產生的電動勢的平均值eav，其表達式為
式中 Bav——一個極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；
l——電樞導體的有效長度(槽內部分)；
v——電樞表面的線速度。
設電樞繞組總的導體數為N(N＝2SW)，則每一條并聯支路總的串聯導體數為N/2α，因而電樞繞組的感應電動勢
每極磁通Φ的單位用Wb(韋伯)，轉速單位用r/min時，電動勢Ea的單位為V。上式表明：對已制成的電機，電樞電動勢Ea與每極磁通Φ和轉速n成正比。假定電樞繞組是整距的(y1＝τ)，如果是短距繞組(y1<τ)，電樞電動勢將稍有減小，因為一般短距不大，影響很小，可以不予考慮。式中的Φ一般是 圖1.27 氣隙合成磁場磁密的分布
指負載時氣隙合成磁場的每極磁通。
三、電樞繞組的電磁轉矩
電樞繞組中流過電樞電流Ia時，元件的導體中流過支路電流ia，成為載流導體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖1.27所示。一根導體所受電磁力的大小為
如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導體所受電磁力的平均值為
一根導體所受電磁力形成的電磁轉矩，其大小為
式中 D——電樞外徑。
不同極性磁極下的電樞導體中電流的方向也不同，所以電樞所有導體產生的電磁轉矩方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉矩等于一根導體電磁轉矩的平均值Tem乘以電樞繞組總的導體數N，即
式中 ——對已制成的電機是一個常數，稱為直流電機的轉矩常數。
磁通的單位用Wb，電流的單位用A時，電磁轉矩Tem的單位為N·m(牛·米)。上式表明：對已制成的電機，電磁轉矩T與每極磁通Φ和電樞電流Ia成正比。
電樞電動勢和電磁轉矩是直流電機兩個重要的公式。對于同一臺直流電機，電動勢常數Ca和轉矩常數CT之間具有確定的關系：
或者
8.4直流電機的換向
換向是直流電機中一個非常重要問題，直流電機的換向不良，將會造成電刷與換向器之間產生電火花，嚴重的會使電機燒毀。所以，要討論影響換向的因素以及產生電火花的原因，進而采取有效的方法改善換向，保障電機的正常運行。
一、換向的過程
直流電機運行時，電樞繞組的元件旋轉，從一條支路經過固定不動的電刷短路，后進入另一條支路，元件中的電流方向將改變，這一過程稱為換向，如圖8.21所示。圖8.21是電機中一元件K的換向過程，設bS為電刷的寬度，一般等于一個換向片bK的寬度，電樞以恒速Va從左向右移動，TK為換向周期，S1、S2分別是電刷與換向片1、2的接觸面積。
(a)換向開始瞬時 (b) 換向過程中某一瞬時 (c) 換向結束瞬時
圖1.28 換向元件的換向過程
1.換向開始瞬時(圖8.21(a)所示)，t =0，電刷完全與換向片2接觸，S1=0，S2為最大，換向元件K位于電刷的左邊，屬于左側支路元件之一，元件K中流的電流i=+ia，由相鄰兩條支路而來的電流為2ia，經換向片2流入電刷。
2.在換向過程中(圖8.21(b)所示)，t =TK/2，電樞轉到電刷與換向片1、2各接觸一部分，換向元件K被電刷短路，按設計希望此時K中的電流i=0，由相鄰兩條支路而來的電流為2ia，經換向片1、2流入電刷。
3.換向結束瞬時，(圖8.21(c)所示)，t=TK，電樞轉到電刷完全與換向片1接觸，S1為最大，S2=0，換向元件K位于電刷右邊，屬于右側支路元件之一，K中流過的電流i=-ia，相鄰兩條支路電流2ia經換向片1流入電刷。
隨著電機的運行，每個元件輪流經歷換向過程，周而復始，連續進行。
二、影響換向的因素
影響換向的因素是多方面的，有機械因素、化學因素，但最主要的是電磁因素。機械方面可通過改善加工工藝解決，化學方面可通過改善環境進行解決。電磁方面主要是換向元件K中，附加電流iK的出現而造成的，下面分析產生iK的原因。
1. 理想換向(直線換向)
換向過程所經過的時間(即換向周期TK)極短，只有幾豪秒，如果換向過程中，換向元件K中沒有附加其它的電動勢，則換向元件K的電流i均勻地從+ia變化到-ia(+ia→0→-ia)，如圖8.22曲線1所示，這種換向稱為理想換向，也稱直線換向。
2. 延遲換向
電機換向希望是理想換向，但由于影響換向的主要因素——電磁因素的存在，使得換向 圖8.22 直線換向與延時換向 圖8.23 換向元件K中產生的電樞反映電動勢
不能達到理想，而出現了延遲換向，引起火花。電磁因素的影響有電抗電動勢以及電樞反應電動勢兩種情況。
(1) 電抗電動勢eX：電抗電動勢又可分為自感電動勢eL與互自感電動勢eM。由于換向過程中，元件K內的電流變化，按照棱次定律將在元件K內產生自感電動勢eL=-Ldia/dt；另外，其它元件的換向將在元件K內產生互感電動勢eM=-Mdia/dt，則
eX=eL+eM
eX總是阻礙換向元件內電流i變化的，即eX與換向前電流+ia方向相同，即阻礙換向電流減少的變化。
(2)電樞反應電動勢(旋轉電動勢)eV：電機負載時，電樞反應使氣隙磁場發生畸變，幾何中性線處磁場不再為零，這時處在幾何中性線上的換向元件K將切割該磁場，而產生電樞反應電動勢eV；電動機時物理中性線逆著旋轉方向偏離一角度，按右手定則，可確定eV的方向，如圖8.23所示，eV與換向前電流ia方向相同。
(3) 附加電流iK：元件換向過程中將被電刷短接，除了換向電流i外，由于eX與eV的存在，產生了附加電流iK。
iK=(eX+eV)/(R1+R2)
(4) 附加電流對換向的影響。由于iK的出現，破壞了直線換向時電刷下電流密度的均勻性，從而使后刷端電流密度增大，導致過熱，前刷端電流密度減小，如圖8.24所示。當換向結束，即換向元件K的換向片脫離電刷瞬間，iK不為零，換向元件K中儲存的一部分磁場能量 圖8.22 延遲換向時附加電流的影響
LKi2K/2就以火花的形式在后刷端放出，這種火花稱為電磁性火花。當火花強烈時，將灼傷換向器材和燒壞電刷，最終導致電機不能正常運行。
三、改善換向的方法
產生火花的電磁原因是換向元件中出現了附加電流iK，因此要改善換向，就得從減小、甚至消除附加電流iK著手。
1. 選擇合適的電刷
從iK=(eX+eV)/(R1+R2)可見，當eX+eV一定時，可以選擇接觸電阻(R1,R2)較大的電刷，從而減小附加電流來改善換向。但它又引起了損耗增加及電阻壓降增大，發熱加劇，電刷允許流過的電流密度減小，這就要求應同時增大電刷面積和換向器的尺寸。因此，選用電刷必須根據實際情況全面考慮，在維修更換電刷時，要注意選用原牌號。若無相同牌號的電刷，應選擇性能接近的電刷，并全部更換。
2. 移動電刷位置
如將直流電機的電刷從幾何中性線n-n移動到超過物理中性線m-m的適當位置，如圖8.23(a)中v-v所示，換向元件位于電樞磁場極行相反的主磁極下，則換向元件中產生的旋轉電動勢為一負值，使eX-eV)≈0，iK≈0，電機便處于理想換向。所以對直流電動機應逆著旋轉方向移動電刷，如圖8.23(a)所示。但是，電動機負載一旦發生變化，電樞反應強弱也就隨之發生變化，物理中性線偏離幾何中性線的位置也就隨之發生變化，這就要求電刷的位置應做相應的重新調整，實際中是很難做到。因此，這種方法只有在小容量電機中才采用。
(a)移動電刷位置改善換向 (b) 安裝換向極改善換向
圖8.23 改善換向的方法
3. 裝置換向極
直流電機容量在1kW以上一般均裝有換向極，這是改善換向最有效的方法，換向極安裝在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上，如圖8.23(b)所示。改善換向的作用是在換向區域(幾何中性線附近)建立一個與電樞磁動勢Fa相反的換向極磁動勢FK，它除了抵消換向區域的電樞磁動勢Fa(使eV=0)之外，還要建立一個換向極磁場，使換向元件切割換向極磁場產生一個與電抗電動勢eX大小相等、方向相反的電動勢e'V，使得e'V+eX=0，則iK=0，成為理想換向。
為了使換向極磁動勢產生的電動勢隨時抵消eX和eV，換向極繞組應與電樞繞組串聯，這時流過換向極繞組上的電流ia，產生的磁動勢與ia成正比。且與電樞磁動勢方向相反便可隨時抵消。
換向極極性應首先根據電樞電流方向，用右手螺旋定則確定電樞磁動勢軸線方向，然后應保證換向極產生的磁動勢與電樞磁動勢方向相反，而互相抵消，即電動機換向極極性應與順著電樞旋轉方向的下一個主磁極極性相反，如圖8.23(b)所示。
四、補償繞組
如圖8.24(b)，以致燒壞換向器。所以，直流電機中安裝補償繞組也是保證電機安全運行的措施，但由于結構復雜，成本較高，一般直流電機中不采用。
本章小結
(1) 直流電動機是根據電磁力定律而工作的，電刷兩端引入外加直流電源，與換向器共同作用，變換成交流電供給電樞元件，從而產生方向不變的電磁轉矩，拖動轉子旋轉。
(2) 直流發電機是根據電磁感應定律而工作的，電樞元件產生的電動勢交流的，通過換向器與電刷的共同作用，變換成直流電，由電刷兩端向外引出直流電壓。
(3) 直流電動機中，電流ia與電動勢的Ea方向相反，Ea稱為反電動勢；電磁轉矩T與轉速n方向相同，T稱為拖動轉矩。直流發電機中電流ia與電動勢的Ea方向相同，Ea為電源電動勢；電磁轉矩T與轉速n方向相反，T稱為制動轉矩。
(4) 直流電機的結構由定子與轉子兩部分組成，定子由主磁極、換向極、機座與電刷組成。主要作用使產生主磁場。轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器與轉軸組成，主要作用是產生感應電動勢Ea和電磁轉矩T，是直流電機機電能量轉換的主要部件—電樞。
(5) 直流電機的電樞繞組有單疊與單波兩種基本形式，單疊繞組是將同一個主磁極下所有上層邊的元件串聯成一條支路；所以支路對數a=P。它適用于低電壓、大電流電機。單波繞組是將同一極性下所有上層邊的元件串聯成一條支路；所以支路對數a=1，它適用于高電壓、小電流電機。
(6) 直流電機的勵磁方式一般有四種，即他勵、并勵、串勵、復勵。
(7) 磁場是機電能量轉換不可缺少的因數。當直流電機空載時，氣隙磁場僅由主磁場磁動勢Ff單獨建立，特點為：首先是對稱于主磁極軸線的平頂波，其次是物理中性線與幾何中性線重合。當直流電機負載時，氣隙磁場是由主磁場磁動勢Ff與電樞磁動勢Fa共同建立，Fa對主磁場的影響稱為電樞反應。電樞的結果為1它是氣隙磁場發生畸變；2物理中性線偏離幾何中性線(電動機時物理中性線逆著旋轉方向偏離一角度，發電機時順著旋轉方向偏離一角度)；3當磁路不飽和時，總磁通量不變；當磁路飽和時，總磁通量減少。
(8) 無論是直流電動機還是直流發電機，只要電樞繞組切割磁力線，都將在電樞繞組中產生感應電動勢=Fn；另外，只要電樞繞組中有電流，在磁場的作用下就會產生電磁轉矩T= CTFIa。
(9) 影響直流電機換向的主要因素是電磁因素，即換向元件內產生的電抗電動勢eX和電樞反應電動勢eV，進而產生附加電流iK。改善換向的目的是消除或降低iK的影響，常用的換向方法是正確選擇電刷、合理地移動電刷位置、安裝換向極。
(10) 為了防止電位差火花和環火，在大容量和工作繁重的直流電機中，可在主磁極上安裝補償繞組。
8.5直流電動機的電力拖動
一、直流電動機的工作特性
直流電動機的工作特性是指在端電壓，勵磁電流，電樞回路不串附加電阻時，電動機的轉速n、電磁轉矩Tem和效率h分別隨輸出功率P2而變化的關系，即 曲線。、、。
1.并勵電動機的工作特性
（1）轉速特性
轉速特性是指在端電壓，勵磁電流，電樞回路不串附加電阻時，電動機的轉速n隨輸出功率P2而變化的關系，即曲線。由 ， 得轉速公式 ，當輸出功率增加時，電樞電流增加，電樞壓降增加，使轉速下降，同時由于電樞反應的去磁作用使轉速上升。上述兩者相互作用的結果，使轉速的變化呈略微下降，如圖8.25所示。
電動機轉速隨負載變化的穩定程度用電動機的額定轉速調整率表示
式中 ——理想空載轉速；
——額定負載轉速。
并勵直流電動機的轉速調整率很小，通常為3%～8%。
轉矩特性是指在端電壓，勵磁電流，電樞回路不串附加電阻時，電動機的電磁轉矩Tem隨 輸出功率P2而變化的關系，即 曲線。
根據輸出功率 ，有 。由此可見：當轉速不變時，特性曲線為一通過原點的直線。實際上，當P2增加時轉速n略微有所下降，因此曲 圖8.25 并勵電動機的工作特性
線將稍微向上彎曲。而電磁轉矩,因此只要在的關系曲線上加上空載轉矩T0，便可得到的關系曲線，如圖8.25所示。
（3）效率特性
效率特性是指在端電壓，勵磁電流，電樞回路不串附加電阻時，電動機的效率h 隨輸出功率P2而變化的關系，即曲線。
在電動機系統中，由于機械損耗、鐵心損耗及勵磁損耗在空載時就已存在，總稱為空載損耗，當負載變化時，它的數值基本不變，故也稱其為不變損耗。而電樞的回路銅耗及電刷接觸壓降損耗是由負載電流變化所引起的，故稱為負載損耗。當負載電流變化時，負載損耗的數值在變化，故又稱為可變損耗。輸出功率P2與輸入功率P1之比就是電動機的效率h，即 。由功率平衡方程知，電動機的損耗主要是可變的銅損和固定的鐵損。當負載P2較小時，鐵損不小，效率低；隨著負載P2的增加，鐵損不變，銅損增加，但總損耗的增加小于負載的增加，效率上升；負載繼續增大，銅損是按負載電流的平方增大，使得效率開始下降，如圖8.25所示。
可以分析得知，當不變損耗與可變損耗相等時效率最大。從圖8.25可知，電動機在滿載附近效率較高，而在低負載時效率顯著下降。因此在選用電動機時，切忌用大電動機帶小負載，不然電動機長期在低負載下運行，效率很低，很不經濟。
2.串勵電動機的工作特性
因為串勵繞組與電樞繞組串聯，故勵磁電流與電樞電流相等，串勵電動機的氣隙磁通將隨負載的變化而變化。
（1）轉速調整特性
串勵電動機當輸出功率增加時，電樞電流隨之增大，電樞回路的電阻壓降也增大，氣隙磁通也增大，這兩個因素均使轉速下降。所以轉速隨輸出功率的增加而迅速下降.
（2）轉矩特性
由于串勵電動機的轉速隨輸出功率的增加而迅速下降，所以軸上的輸出轉矩將隨輸出功率的增加而迅速增加。
3.復勵電動機的工作特性
復勵電動機的工作特性介于他勵與串勵電動機之間。如果并勵繞組的磁動勢起主要作用，工作特性就接近于他勵（并勵）電動機，但和他勵電動機相比，復勵電動機有如下優點：當負載轉矩突然增大時，由于串勵繞組中的電流突然加大，磁通增大，使電磁轉矩很快增大，這就使電動機能迅速適應負載的變化。其次，由于串勵繞組的存在，即使當電樞反映的去磁作用較強時，仍能使電動機具有下降的轉速調整特性，從而保證電動機能穩定運行。
如果是串勵繞組的磁動勢起主要作用，工作特性就接近于串勵電動機，但這是因為有并勵磁動勢存在，電動機空載時不會有發生高速的危險。
二、生產機械的負載轉矩特性
生產機械運行時常用負載轉矩標志其負載的大小。不同的生產機械的轉矩隨轉速變化規律不同，用負載轉矩特性來表征，即生產機械的轉速n與負載轉矩Tz之間的關系。 各種生產機械特性大致可歸納為以下3種類型。
1.恒轉矩負載
所謂恒轉矩負載是指生產機械的負載轉矩TL的大小不隨轉速n而改變的負載。按負載轉矩TL與轉速n之間的關系又分為反抗性負載和位能性負載兩種。
（1）反抗性恒轉矩負載
（2）位能性恒轉矩負載
這種負載的特點是不論生產機械運動的方向變化與否，負載轉矩的大小和方向始終不變。例如起重設備提升或下放重物時，由于重力所產生的負載轉矩的大小和方向均不改變。其負載轉矩特性在第一和第四象限，如圖8.27所示。
2.恒功率負載
恒功率負載的特點是當轉速變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值。即負載轉矩TL與轉速n成反比。例如，一些機床切削加工，車床粗加工時，切削量大(TL大)，阻力大，轉速低；精加工時，切削量小(TL小)，轉速高。恒功率負載特性曲線如圖8.27所示。
圖8.26 位能性恒轉矩負載特性 圖8.27 恒功率負載特性曲線
3.通風機類負載
通風機型負載的特點是負載轉矩的大小與轉速n的平方成正比，即
式中 K——比例常數。
應當指出，以上3類是典型的負載特性，實際生產機械的負載特性常為幾種類型負載的相近或綜合。例如起重機提升重物時，電動機所受到的除位能性負載轉矩外，還要克服系統機械摩擦所造成的反抗性負載轉矩，所以電動機軸的負載轉矩應是上述兩個轉矩之和。
圖8.29 通風機負載特性曲線
三、直流電動機的機械特性
利用電動機拖動生產機械時，必須使電動機的工作特性滿足生產機械提出的要求。在電動機的各類工作特性中首要的是機械特性。電動機的機械特性是指電動機的轉速n與其轉矩(電磁轉矩)Tem之間的關系，即曲線。機械特性是電動機性能的主要表現，它與運動方程相聯系，在很大程度上決定了拖動系統穩定運行和過渡過程的性質及特點。
必須指出，機械特性中的轉矩是電磁轉矩，它與電動機軸上的輸出轉矩T2是不同的，其間差一個空載轉矩T0。只是由于在一般情況下，空載轉矩T0與電磁轉矩或負載轉矩Tz相比較小，在一般工程計算中可以略去T0，而粗略地認為電磁轉矩Tem與軸上的輸出轉矩Tz相等。
1.機械特性方程式
直流電動機的機械特性方程式，可根據直流電動機的基本方程導出。即
利用電流表示的機械特性方程為
利用電磁轉矩表示的機械特性方程為
當直流他勵電動機端電壓，勵磁電流，電樞回路不串附加電阻時的機械特性稱為固有機械特性。
固有機械特性的特性曲線如圖8.30中曲線1所示，其特點是：
(1) 對于任何一臺直流電動機，其固有機械特性只有一條； 圖8.30 直流他勵電動機的固有機械特
(2) 由于較小，特性曲線的斜率β較小， 性及電樞串接電阻時的人為機械特性
Δn較小，特性較平坦，屬于硬特性。 1－固有機械特性 2、3－電樞串聯電阻 的人為機械特性
3.人為機械特性
在有些情況下，要根據需要將機械特性中、、三個參數中，保持兩個參數不變，人為地改變另一個參數，從而得到不同的機械特性，使機械特性滿足不同的工作要求。這樣獲得的機械特性，稱為人為機械特性。直流他勵電動機的人為機械特性有以下3種。
（1）電樞串接電阻時的人為機械特性
如電樞回路串接電阻。而保持電源電壓和勵磁磁通不變其機械特性如圖8.30所示。
與固有機械特性相比，電樞串接電阻時的人為機械特性具有如下一些特點：
a) 理想空載轉速與固有特性時相同，且不隨串接電阻 的變化而變化；
b) 隨著串接電阻的加大，特性的斜率β加大，轉速降落Δn加大，特性變軟，穩定性變差。
c) 機械特性由與縱坐標軸交于一點(n=n0)但具有不同斜率的射線族所組成。
d) 串入的附加電阻 越大，電樞電流流過所產生的損耗就越大
(2) 改變電源電壓時的人為機械特性
由機械特性方程，得出這時的人為機械特性如圖8.31所示。
與固有機械特性相比，當電源電壓降低時，其機械特性的特點為：
a) 特性斜率β不變，轉速降落Δn不變，但理想空載轉速降低；
b) 機械特性由一組平行線所組成；
c) 由于=0 ，因此其特性較串聯 圖8.31 直流他勵電動機改變電
電阻時硬。 源電壓時的人為機械特性
d) 當T＝常數時，降低電壓，可使電動機轉速n降低。
（3）改變電動機主磁通時的人為機械特性
在勵磁回路內串聯電阻，并改變其大小，即能改變勵磁電流，從而使磁通改變。一般電動機在額定磁通下工作，磁路已接近飽和，所以改變電動機主磁通只能是減弱磁通。 減弱磁通時，使附加電阻=0；電源電壓。
根據機械特性方程可得出此時的人為機械特性曲線如圖8.32所示。其特點為
a) 理想空載轉速與磁通Φ成反比，即當Φ下降時，上升；
b) 磁通Φ下降，特性斜率β上升，且β與Φ成反比，曲線變軟；
c) 一般Φ下降，n上升，但由于受機械強度的限制，磁通Φ不能下降太多。
一般情況下，電動機額定負載轉矩小得多，故減弱磁通時通常會使電動機轉速升高。但也不是在所有的情況下減弱磁通都可以提高轉速，當負載特別重或磁通Φ特別小時，如再減弱Φ，反而會發生轉速下降的現象。
這種現象可以利用機械特性方程式來解釋。當減弱磁通時，一方面由于等式右邊第一項的因素提高了轉速，另一方面由于等式右面第二項的因素要降低轉速，而且后者與磁通的平方成反比，因此，在負載轉矩大到一定程度時，減弱磁通所能提高的轉速，完全被因負載所引起的轉速降落所抵消。如圖8.32中的c點，當再加大負載轉矩時，發生“反調速”現象，如圖8.32的a、b處所示。即減弱磁通不但不能提高轉速，反而降低了轉速。在實際電動機運行中，由于負載有限，不會工作在這個區段。
四、直流電動機的起動、制動和調速
1.直流電動機的起動
（1）對直流電動機起動的基本要求
a)要有足夠大的起動轉矩。
b)起動電流要在一定的范圍內。
c)起動設備要簡單、可靠。
（2）直流他勵電動機電樞電路串電阻起動
電動機起動時，勵磁電路的調節電阻=0，使勵磁電流達到最大。電樞電路串接附加電阻，電動機加上額定電壓，的數值應使不大于允許值。為了縮短起動時間，保證電動機在起動過程中的 圖8.32電樞串電阻起動機械特性
加速度不變，就要求在起動過程中電樞電流維持不變，因此隨著電動機轉速的升高，就應將起動電阻平滑地切除，最后調節電動機的轉速達到運行值。其機械特性如圖8.32所示。
（2）降壓起動
降壓起動只能在電動機有專用電源時才能采用。起動時降低電源電壓，起動電流將隨電壓的降低而成正比減小，電動機起動后，再逐步提高電源電壓，使電磁轉矩維持在一定數值，保證電動機按需要的加速度升速。降壓起動需要專用電源，設備投資較大，但它起動電流小，升速平穩，并且起動過程中能量消耗也小，因而得到廣泛應用。
2.直流他勵電動機的電氣制動
電動機的制動分機械制動和電氣制動兩種，這里只討論電氣制動。所謂電氣制動，就是指使電動機產生一個與轉速方向相反的電磁轉矩起到阻礙運動的作用。
電動機的制動有兩方面的意義：一是使拖動系統迅速減速停車，這時的制動是指電動機從某一轉速迅速減速到零的過程（包括只降低一段轉速的過程），在制動過程中電動機的電磁轉矩起著制動的作用，從而縮短停車時間，以提高生產率；二是限制位能性負載的下降速度。這時的制動是指電動機處于某一穩定的制動運行狀態，此時電動機的電磁轉矩起到與負載轉矩相平衡的作用。
（1）能耗制動
如圖8.33所示，為能耗制動原理圖。制動前接觸器KM的常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，電動機有勵磁將處于正向電動穩定運行狀態，即電動機電磁轉矩與轉速n的方向相同（均為順時針方向），為拖動性轉矩。在電動運行中保持勵磁，斷開常開觸頭KM使電樞電源斷開，閉合常閉觸頭KM用電阻將電樞回路閉合，則進入能耗制動。
圖8.33 能耗制動原理圖
能耗制動時，電動機勵磁不變，電樞電源電壓U=0 ,由于機械慣性，制動初始瞬間轉速n不能突變，仍保持原來的方向和大小，電樞感應電動勢也保持原來的大小和方向，而電樞電流變為負，說明其方向與原來電動運行時相反，因此電磁轉矩也變負，表明此時的方向與轉速的方向相反，起制動作用，稱為制動性轉矩。在制動轉矩的作用下，拖動系統減速。直到n=0。如果電動機拖動的是反抗性恒轉矩負載，系統就在-+ =0時停車。從能耗制動開始到拖動系統迅速減速及停車的過渡過程就叫做“能耗制動過程”。
在能耗制動過程中，電動機靠慣性旋轉，電樞通過切割磁場將機械能轉變成電能，再消耗在電樞回路電阻上，因而稱能耗制動。
由機械特性方程可做出能耗制動的機械特性是一條通過坐標原點并與電樞回路串接電
阻的人為機械特性平行的直線，如圖8.34所示。
圖8.34 能耗制動機械特性
（2）反接制動
反接制動分為電樞電壓反向反接制動和倒拉反接制動。
a)電樞電壓反向反接制動
阻，則進入制動。
反接制動時，加到電樞兩端的電源電壓為反向電壓-，同時接入反接制動電阻RF。反接制動初始瞬間，由于機械慣性，轉速不能突變，仍保持原來的方向和大小，電樞感應電動勢也保持原來的大小和方向，而電樞電流變為-電樞電流變負，電磁轉矩也隨之變負，說明反接制動時與n的方向相反，為制動性轉矩。
由機械特性方程式可以作出，電樞電壓反向反接制動機械特性是一條過（-n0）點并與電樞回路串入電阻RF的人為機械特性相平行的直線，如圖8.36所示
圖8.36 電樞電壓反向
反接制動適合于要求頻繁正、反轉的電力拖動系統，先用反接制動達到迅速停車，然后接著反向啟動并進入反向穩態運行，反之亦然。若只要求準確停車的系統，反接制動不如能耗制動方便。
b)倒拉反轉反接制動
如圖8.37（a）所示，電動機提升重物時，將接觸器KM常開觸頭斷開，串入較大電阻RF，使提升的電磁轉矩小于下降的位能轉矩，拖動系統將進入倒拉反轉反接制動。進入倒拉反轉反接制動時，轉速n 反向為負值，使反電勢e 也反向為負值，電樞電流是正值，所以電磁轉矩也應為正值（保持原方向），與轉速n方向相反，電動機運行在制動狀態。此運行狀態是由于位能負載轉矩拖動電動機反轉而形成的，所以稱為倒拉反接制動。
在倒拉反轉反接制動運行狀態下，、為正，電源輸入功率＞0，而電磁功率＜0，表明從電源輸入的電功率和機械轉換的電功率都消耗在電樞回路電
圖8.37 他勵電動機倒拉反接制動時的機械特性
倒拉反轉反接制動的機械特性就是電樞回路串電阻的人為機械特性，如圖8.37（b）所示。
電動機進入倒拉反接制動狀態必須有位能負載反拖電動機，同時電樞回路要串入較大的電阻。在此狀態中，位能負載轉矩是拖動轉矩，而電動機的電磁轉矩是制動轉矩，它抑制重物下放的速度，使之限制在安全范圍之內， 圖8.38回饋制動機械特性
這種制動方式不能用于停車，只可以用于下放重物。
（3）回饋制動
電動機在電動運行狀態下，由于某種條件的變化（如帶位能性負載下降、降壓調速等），使電樞轉速n超過理想空載轉速n0，則進入回饋制動。回饋制動時，轉速方向并未改變，而n＞n0，使Ea＞U, 電樞電流＜0反向，電磁轉矩＜0也反向，為制動轉矩。制動時n 未改變方向，而已反向為負，電源輸入功率為負；而電磁功率亦小于零，表明電機處于發電狀態，將電樞轉動的機械能變為電能并回饋到電網，故稱回饋制動。
圖2.25是帶位能負載下降時的回饋制動機械特性，電動機電動運行帶動位能性負載下降，在電磁轉矩和負載轉矩的共同驅動下，轉速沿特性曲線1逐漸升高，進入回饋制動后將穩定運行在a點上。需要指出的是，此時電樞回路不允許串入電阻，否則將會穩定運行在很高轉速的b點上。
3.直流電動機的調速
為了使產生機械以最合理的高速進行工作，從而提高生產率和保證產品具有較高的質量，大量的生產機械(如各種機床，軋鋼機、造紙機、紡織機械等)要求在不同的情況下以不同的速度工作。這就需求采用一定的方法來改變生產機械的工作速度，以滿足生產的需要，這種方法通常稱為調速。
調速是速度調節的簡稱，是指在某一不變的負載條件下，人為地改變電路的參數，而得到不同的速度。調速與因負載變化而引起的轉速變化是不同的。調速是主動的，它需要人為的改變電氣參數，因而轉換機械特性。負載變化時的轉速變化則不是自動進行的，是被動的，且這時電氣參數未變。
調速可用機械方法、電氣方法或機械電氣配合的方法。在用機械方法調速的設備上，速度的調節是用改變傳動機構的速度比來實現，但機械變速機構較復雜。用電氣方法調速，電動機在一定負載情況下可獲得多種轉速，電動機可與工作機構同軸，或其間只用一套變速機構，機械上較簡單，但電氣上可能較復雜；在機械電氣配合的調速設備上，用電動機獲得幾種轉速，配合用幾套(一般用3套左右)機械變速機構來調速。究竟用何種方案，以及機械電氣如何配合，要全面考慮，有時要進行各種方案的技術經濟比較，才能決定。
（1）調速指標
在選擇和評價某種調速系統時，應考慮下列指標：調速范圍、調速的穩定性及靜差度、調速的平滑性、調速的負載能力、經濟性等。
1） 技術指標
a) 調速范圍
調速范圍是指在一定的負載轉矩下，電動機可能運行的最大轉速與最小 轉速之比，即
近代機械設備制造的趨勢是力圖簡化機械結構，減少齒輪變速機構，從而要求拖動系統能具有較大的調速范圍。不同生產機械要求的調速范圍是不同的，例如車床D=20～120，龍門刨床D=10～40，機床的進給機構D=5～200，軋鋼機D=3～120，造紙機D=3～20等。
電力拖動系統的調速范圍，一般是機械調速和電氣調速配合起來實現的。那么，系統的調速范圍就應該是機械調速范圍與電氣調速范圍的乘積。在這里，主要研究電氣調速范圍。在決定調速范圍時，需要使用計算負載轉矩下的最高和最低轉速，但一般計算負載轉矩大致等于額定轉矩，所以可取額定轉矩下的最高和最低速度的比值作為調速范圍。
由上式可見，要擴大調速范圍，必須設法盡可能地提高與降低。但電動機的 受其機械強度、換向等方面的限制，一般在額定轉速以上，轉速提高的范圍是不大的。而降低受低速運行時的相對穩定性的限制。
b) 調速的相對穩定性和靜差度
所謂相對穩定性，是指負載轉矩在給定的范圍內變化時所引起的速度的變化，它決定于機械特性的斜率。斜率大的機械特性在發生負載波動時，轉速變化較大，這要影響到加工質量及生產率。生產機械對機械特性的相對穩定性的程度是有要求的。如果低速時機械特性較軟，相對穩定性較差，低速就不穩定，負載變化，電動機轉速可能變得接近于零，甚至可能使生產機械停下來。因此，必須設法得到低速硬特性，以擴大調速范圍。
靜差度(又稱靜差率)是指當電動機在一條機械特性上運行時，由理想空載到滿載時的轉速降落與理想空載轉速n0的比值，用百分數表示，即，在一般情況下，取額定轉矩下的速度落差，有
靜差度的概念和機械特性的硬度很相似，但又有不同之處。兩條互相平行的機械特性，硬度相同，但靜差率不同。例如高轉速時機械特性的靜差度與低轉速時機械特性的靜差度相比較，在硬度相等的條件下，前者較小。同樣硬度的特性，轉速愈低，靜差率愈大，愈難滿足生產機械對靜差率的要求。
由上式可以看出，在n0相同時，斜率愈大，靜差度愈大，調速的相對穩定性愈差；在斜率相同的條件下，n0愈低，靜差度愈大，調速的相對穩定性愈差。顯然，電動機的機械特性愈硬，則靜差度愈小，相對穩定性就愈高。
c) 調速的平滑性
調速的平滑性是指在一定的調速范圍內，相鄰兩級速度變化的程度，用平滑系數表示，即
式中 和 ——相鄰兩級，即i級與i－1級的速度。
這個比值愈接近于1，調速的平滑性愈好。在一定的調速范圍內，可能得到的調節轉速的級數愈多，則調速的平滑性愈好，最理想的是連續平滑調節的“無級”調速，其調速級數趨于無窮大。
d) 調速時的容許輸出
調速時的容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下，在調速過程中軸能夠輸出的功率和轉矩。對于不同類型的電動機采用不同的調速方法時，容許輸出的功率與轉矩隨轉速變化的規律是不同的。另外，電動機穩定運行時的實際輸出的功率與轉矩是由負載的需要來決定的。在不同轉速下，不同的負載需要的功率P2與轉矩T2也是不同的，應該使調速方法適應負載的要求。
2）經濟指標
在設計選擇調速系統時，不僅要考慮技術指標，而且要考慮經濟指標。調速的經濟指標決定于調速系統的設備投資及運行費用，而運行費用又決定于調速過程的損耗，它可用設備的效率η來說明，即 ，各種調速方法的經濟指標極為不同，例如，直流他勵電動機電樞串電阻的調速方法經濟指標較低，因電樞電流較大，串接電阻的體積大，所需投資多，運行時產生大量損耗，效率低。而弱磁調速方法則經濟得多，因勵磁電流較小，勵磁電路的功率僅為電樞電路功率的1%～5%。總之，在滿足一定的技術指標下，確定調速方案時，應力求設備投資少，電能損耗小，而且維修方便。
（2）直流他勵電動機的調速方法及其調速性能
1）電樞回路串接電阻調速
電樞回路串接電阻，不能改變理想空載轉速n0，只能改變機械特性的硬度。所串的附加電阻愈大，特性愈軟，在一定負載轉矩下，轉速也就愈低。
這種調速方法，其調節區間只能是電動機的額定轉速向下調節。其機械特性的硬度隨外串電阻的增加而減小；當負載較小時，低速時的機械特性很軟，負載的微小變化將引起轉速的較大波動。在額定負載時，其調速范圍一般是2∶1左右。然而當為輕負載時，調速范圍很小，在極端情況下，即理想空載時，則失去調速性能。這種調速方法是屬于恒轉矩調速性質，因為在調速范圍內，其長時間輸出額定轉矩不變。
電樞回路串接電阻調速的優點是方法較簡單。但由于調速是有級的，調速的平滑性很差。雖然理論上可以細分很多為級數，甚至做到“無級”，但由于電樞電路電流較大，實際上能夠引出的抽頭要受到接觸器和繼電器數量限制，不能過多。如果過多時，裝置復雜，不僅初投資過大，維護也不方便。
一般只用少數的調速級數。再加上電能損耗較大，所以這種調速方法近來在較大容量的電動機上很少使采用，只是在調速平滑性要求不高，低速工作時間不長，電動機容量不大，采用其他調速方法又不值得的地方采用這種調速方法。
2）改變電源電壓調速
負載的生產機械。 供電的直流調速系統
不過公用電源電壓通常總是固定不變的，為了能改變電壓來調速，必須使用獨立可調的直流電源，目前用得最多的可調直流電源是晶閘管整流裝置，如圖8.39所示。圖中，調節觸發器的控制電壓，以改變觸發器所發出的觸發脈沖的相位，即改變了整流器的整流電壓，從而改變了電動機的電樞電壓，進而達到調速的目的。
采用降低電樞電壓調速方法的特點是調節的平滑性較高，因為改變整流器的整流電壓是依靠改變觸發器脈沖的相移，故能連續變化，也就是端電壓可以連續平滑調節，因此可以得到任何所需要的轉速。另一特點是它的理想空載轉速隨外加電壓的平滑調節而改變。由于轉速降落不隨速度變化而改變，故特性的硬度大，調速的范圍也相對大得多。
這種調速方法還有一個特點，就是可以靠調節電樞兩端電壓來起動電動機而不用另外
添加起動設備，這就是前節所說的靠改變電樞電壓的起動方法。例如電樞靜止，反電動勢為零；當開始起動時，加給電動機的電壓應以不產生超過電動機最大允許電流為限。待電動機轉動以后，隨著轉速升高，其反電動勢也升高，再讓外加電壓也隨之升高。這樣如果能夠控制得好，可以保持起動過程電樞電流為最大允許值，并幾乎不變和變化極小，從而獲得恒加速起動過程。
這種調速方法的主要缺點是由于需要獨立可調的直流電源，因而使用設備較只有直流電動機的調速方法來說要復雜，初投資也相對大些。但由于這種調速方法的調速平滑，特性硬度大、調速范圍寬等特點，就使這種調速方法具備良好的應用基礎，在冶金、機床、礦井提升以及造紙機等方面得到廣泛應用。
3）改變電動機主磁通的調速方法
改變主磁通Φ的調速方法，一般是指向額定磁通以下改變。因為電動機正常工作時，磁路已經接近飽和，即使勵磁電流增加很大，但主磁通Φ也不能顯著地再增加很多。所以一般所說的改變主磁通Φ的調速方法，都是指往額定磁通以下的改變。而通常改變磁通的方法都是增加勵磁電路電路，減小勵磁電流，從而減小電動機的主磁通Φ。
由人為機械特性的討論可知，在電樞電壓為額定電壓及電樞回路不串接附加電阻的條件下，當減弱磁通時，其理想空載轉速升高，而且斜率加大，在一般的情況下，即負載轉矩不是過大的時候，減弱磁通使轉速升高。它的調速方向是由基速(額定轉速)向上調。
普通的非調磁直流他勵電動機，所能允許的減弱磁通提高轉速的范圍是有限的。專門作為調磁使用的電動機，調速范圍可達3～4倍。限制電動機弱磁升速范圍的原因有機械方面的，也有點方面的。例如，機械強度的限制、整流條件的惡化、電樞反應等。普通非調磁電動機額定轉速較高(1500r/min左右)，在弱磁升速就要受到機械強度的限制。同時在減弱磁通后，電樞反應增加，影響電動機的工作穩定性。
可調磁電動機的設計是在允許最高轉速的情況下，降低額定轉速以增加調速范圍。所以在同一功率和相同最高轉速的條件下，調速范圍愈大，額定轉速愈低，因此額定轉矩也大，相應的電動機尺寸就愈大，因此價格也就愈高。
采用弱磁調速方法，當減弱勵磁磁通Φ時，雖然電動機的理想空載轉速升高、特性的硬度相對差些，但其調速的平滑性好。因為勵磁電路功率小，調節方便，容易實現多級平滑調節。其調速范圍，普通直流電動機大約為1∶1.5。如果要求調速范圍增大時，則應用特殊結構的調Φ電動機，它的機械強度和換向條件都有改進，適于高轉速工作，一般調速范圍可達1∶2、1∶3或1∶4。
因為電動機發熱所允許的電樞電流不變，所以電動機的轉矩隨磁通Φ的減小而減小，故這種調速方法是恒功率調節，適于恒功率性質的負載。這種調速方法是改變勵磁電流，所以損耗功率極小，經濟效果較高。又由于控制比較容易，可以平滑調速，因而在生產中可到廣泛應用。
本章小結
(1) 直流電動機是電力拖動系統的主要拖動裝置，它具有良好的起動和調速性能。它在起動、調速和制動過程中的各種狀態的原理及實現方法是直流電動機拖動的重要內容。
(2) 衡量直流電動機的起動性能的主要指標是起動電流和起動轉矩。在直流電動機的起動過程中，對電動機本身所要求的較大的起動轉矩和較小的起動電流是一對矛盾。通常是在保證足夠大的起動轉矩的前提下，盡量減小起動電流。常用的起動方法有：電樞回路串電阻起動和降壓起動，直接起動只有在小容量電動機中才有使用。
(3) 為了更好地發揮電動機的性能和滿足生產的需要，調速是電動機使用過程中的重要內容。在充分考慮調速指標的前提下，常用的對直流電動機的調速方法有3種：電樞回路串電阻調速、降壓調速和改變磁通調速，3種方法各有自身的特點和優缺點。直流電動機的串電阻調速和降壓調速是屬于恒功率調速，改變磁通調速是屬于恒轉矩調速。在調速過程中，還必須注意與負載性質的配合問題。
(4) 直流電動機的制動是在電動機的使用過程中經常會遇到的問題。制動過程與電動過程有著本質的區別，對制動過程的分析經常采用象限圖的方法。
常用的制動方法有3種：能耗制動、電源電壓反接制動和回饋制動，3種制動形式的實現方法和能量特點如表3-1所示。
摘自：http://jpkc.lzpcc.edu.cn/07/gj/ja/8.htm
