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在工业企业发展当中，一般将机械能转换为直流电能的电动机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电动机称为直流电动机。直流电动机具有很强的调速范围、较强的过载能力和较大的启动转矩等特点，广泛应用于对启动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等拖动电动机。
下面介绍直流电动机的工作原理和基本结构；分析直流电动机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电动机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。
直流电动机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电动机具有可逆性，既可做直流发电机使用，也可做直流电动机使用。做直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；做直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。
直流电动机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙），直流电动机基本结构图如图3-1所示。
直流电动机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。
（1）机座：机座起到机械支撑和导磁磁路两个作用。它既用来作为安装电动机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。机座的材料通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。
图3-1 直流电动机结构图
1—直流电动机总成；2—后端盖；3—通风机；4—定子总成；5—转子（电枢）总成；6—电刷装置；7—前端盖
（2）主磁极：主磁极是一个电磁铁，如图3-2所示，由主极铁芯和主极线圈两部分组成。主极铁芯一般用1～1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。小型电动机的主极线圈用绝缘铜线（或铝线）绕制而成，大中型电动机主极线圈用扁铜线绕制，并进行绝缘处理，然后套在主极铁芯外面。整个主磁极用螺钉固定在机座内壁。
（3）换向极：换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电动机的换向。换向极由铁芯和线圈构成。换向极铁芯大多用整块钢加工而成。但在整流电源供电的大功率电动机中，为了更好地改善电动机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁上。
（4）电刷装置：电刷装置的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座、绝缘杆等部分组成。电刷一般用石墨粉压制而成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，成为一个整体部件。
转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。
（1）转轴：转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。
（2）电枢铁芯：电枢铁芯是电动机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁芯中将产生涡流和磁滞损耗，为了减小这些损耗的影响，电枢铁芯通常用0.5mm厚的电工钢片叠压而成。电枢铁芯固定在转子支架或转轴上。
（3）电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定规律嵌放在电枢槽内，上下层之间及电枢绕组与铁芯之间都要有很好的绝缘层。为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组接部分用无纬玻璃丝带绑紧。
图3-2 主磁极
1—机座；2—主极螺钉；3—主极铁芯；4—框架；5—主极绕组；6—绝缘垫衬
（4）换向器：换向器的作用是机械整流，即在直流电动机中，它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内的交流电势整流成电刷两端的直流电势。换向器的结构如图3-3所示。换向器由许多换向片组成，换向片间用云母片绝缘。换向片凸起的一端称升高片，用于与电枢绕组端头相连，换向片下部做成燕尾形，利用换向器套筒、V形压圈及螺旋压圈将换向片、云母片紧固成一个整体。在换向片与换向器套筒、压圈之间用V形云母环绝缘，最后将换向器压装在转轴上。
图3-3 换向器的结构
1—螺旋压圈；2—换向器套筒；3—V形压圈；4—V形云母环；5—换向铜片；6—云母片
图3-4所示为一台直流电动机的工作原理示意图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通过方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。
在两个主磁极N、S之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷A和B，并压在换向器上与其滑动接触。
图3-4 直流发电机工作原理
当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速v逆时针方向旋转时，如图3-4（a）所示，线圈两个有效边ab和cd将切割磁力线，而感应产生电势e。其方向用右手定则确定，导体ab位于N极下，导体cd位于S极下，产生电势方向分别为b→a，d→c。若接通外电路，电流从换向片1→A→负载→B→换向片2。电流从电刷A流出，具有正极性，用“＋”表示；从电刷B流入，具有负极性，用“-”表示。
当电枢转到90°时，线圈有效边ab和cd转到N、S极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。
当电枢转到180°时，导体ab和cd及换向片1、2位置互换，如图3-4（b）所示。导体ab位于S极下，导体cd位于N极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a→b，c→d，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A→负载→B→换向片1。由此可见，电刷A（B）始终与转到N（S）极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变，A为“＋”，B为“-”。
由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。
根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势e为
式中 B x ——导体所在位置的磁通密度（T）；
L——导体切割磁力线的有效长度（m）；
v——导体切割磁力线的线速度（m/s）。
要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，已设电枢以恒速v旋转，L在电动机中不变，则e∝B x ，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将电枢从外圆某一点沿轴切开，把圆周拉成一直线作为横坐标，纵坐标表示磁密，绘出的分布曲线如图3-5所示，为一梯形波。由于e∝B x ，电势波形与磁密波形可用同一曲线表示，只需换一坐标即可得到线圈内部交变电势波形。
通过电刷和换向器的作用，及时地将线圈内的交变电势转换成电刷两端单方向的直流电势，如图3-6所示，但它是一个大小在零和最大值之间变化的脉振电势。
图3-5 线圈内电势波形
图3-6 电刷两端的电势波形
对于如图3-4所示的直流发电机简单模型图，由于电枢上只嵌放了一个线圈，所以感应电势数值小，波动大。为了减小电势的脉动，实际发电机中，电枢上放置许多线圈组成电枢绕组，这些线圈均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接起来。图3-7表示一台两极直流发电机，电枢上嵌有在空间互差90°的两个线圈产生的电势波形，由图3-7可见，其脉动程度大大减小了。实践证明，若每极下的线圈边数大于8，电势脉动的幅值将小于1%，基本是一直流电势，如图3-8所示。
当直流发电机电刷两端获得直流电势后，若接上负载，便有一电流流过线圈，电流i与电势e的方向相同。同时，载流导体在磁场中必然产生一电磁力f，其方向用左手定则确定。电磁力对转轴形成一电磁转矩T，T与电枢旋转的方向相反，起到了阻碍作用，故称为阻转矩。直流发电机要维持发电状态，原动机就必须向发电机输入机械能以克服电磁转矩T，正是这种不断的克服，实现了将机械能转换成为电能。
图3-7 两个线圈换向后的电势波形
图3-8 多个线圈电刷两端的电势波形
图3-9所示为两极直流电动机工作原理图。直流电动机结构与直流发电机相同，不同的是电刷A、B外接一直流电源。瞬时电流的流向为+→A→换向片1→a→b→c→d→换向片2→B→-。根据电磁力定律，载流导体ab、cd都将受到电磁力f的作用，其大小为
式中 i——导体中流过的电流（A）。
图3-9 直流电动机工作原理图
导体所受电磁力的方向可以用左手定则来确定，在此时，ab位于N极下，受力方向从右向左，cd位于S极下，受力方向从左向右，电磁力对转轴便形成一对电磁转矩T。在T的作用下，电枢逆时针旋转起来。
当电枢转到90°，电刷不与换向片接触，而与换向片间的绝缘片相接触，此时线圈中没有电流流过，i=0，故电磁转矩T=0。但由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角度，电刷A、B又将分别与换向片2、1接触。线圈中又有电流流过，此时，导体ab、cd中电流改变了方向，即为b→a，d→c，且导体ab转到S极下，ab所受的电磁力f方向从左向右，cd转到N极下，cd所受的电磁力方向从右向左。因此，线圈仍然受到逆时针方向电磁转矩的作用，电枢始终保持同一方向旋转。
在直流电动机中，电刷两端虽然加的是直流电源，但在电刷和换向器的作用下，线圈内部却变成了交流电，从而产生了单方向的电磁转矩，驱动电动机持续旋转。同时，旋转的线圈中也将感应产生电势e，其方向与线圈中电流方向相反，故称为反电势。直流电动机若要维持继续旋转，外加电压就必须高于反电势，才能不断地克服反电势而流入电流，正是这种不断克服，实现了将电能转换成为机械能。
由此可见，直流电动机具有可逆性，即一台直流电动机既可作发电机运行，也可作电动机运行。当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电动机作发电机运行；当输入直流电流产生电磁转矩，将电能转换成机械能时，电动机作电动机运行。例如，电力机车在牵引工况时，牵引电动机作电动机运行，产生牵引力；在制动工况时，牵引电动机作发电机运行，将机车和列车的动能转换成电能，产生制动力对机车进行电气制动。
每一台电动机都有一块铭牌，上面标注各种额定数据，简要介绍这台电动机的型号、规格、性能，是用户合理选择和正确使用电动机的依据。
根据国家标准要求设计和试验所得的一组反映电动机性能的数据，称为电动机的额定值。
型号表明电动机的系列及主要特点。知道了电动机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电动机的有关技术数据如下。
额定功率指电动机按规定的工作方式运行时，所能提供的输出功率。作为发电机额定功率是指接线端子处的输出功率；作为电动机额定功率是指电动机转轴的有效机械功率。单位为千瓦（kW）。额定功率、额定电压和额定电流的关系为
发电机
电动机
式中 η N ——额定效率。
额定电压指在额定输出时电动机接线端子间的电压。单位为伏（V）。
额定电流指电动机按照规定的工作方式运行时，电动机绕组允许流过的最大安全电流。单位为安（A）。
额定转速指电动机在额定电压、额定电流和额定输出功率时，电动机的旋转速度。单位为转/分（r/min）。
此外，还有工作方式、励磁方式、额定励磁电压、额定温升、额定效率等。
额定值是选用或使用电动机的主要依据，一般希望电动机按额定值运行。但实际上，电动机运行时的各种数据可能与额定值不同，它们由负载的大小来确定。若电动机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电动机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期过载运行将使电动机过热，降低电动机寿命甚至损坏；长期轻载运行使电动机的容量不能充分利用。两种情况都将降低电动机的效率，都是不经济的。故在选择电动机时，应根据负载的要求，尽可能使电动机运行在额定值附近。
直流电动机采用的励磁绕组的供电方式。
按励磁方式的不同分为以下几种类型。
（1）他励电动机：电枢绕组与励磁绕组单独分开，有两个直流电源提供电能，如图3-10（a）所示。
（2）并励电动机：电枢绕组与励磁绕组并联联接，只有一个直流电源提供电能，如图3-10（b）所示。
（3）串励直流电动机：电枢绕组与励磁绕组串联联接，公用一个直流电源提供电能，如图3-10（c）所示。
（4）复励直流电动机：电枢绕组与励磁绕组既有串联又有并联，只有一个直流电源提供电能，如图3-10（d）所示。
图3-10 直流电动机的励磁方式
从直流电动机可逆原理可知，无论是发电机还是电动机，在实现能量转换过程中，都伴有感应电势、电流、电磁转矩产生。电动机稳态运行时，即电动机的负载、励磁电流，以及转速达到稳定值时，各种电压、转矩和功率之间存在的平衡关系，称为电动机的平衡方程式。这些平衡关系应分别符合电学、力学及能量守恒定律。
无论是发电机还是电动机，当电枢旋转时，电枢绕组切割磁力线都产生感应电势，其大小为E a =C e Φn，方向可用右手定则判定。在发电机里，电枢绕组接负载后，感应电势驱动电流流动，所以电枢电流与感应电势同方向，如图3-11所示；在电动机里，电枢绕组经电刷接外电源，外加电压是驱动电流流动的原因，所以电枢电流与电源电压同方向，此时，感应电势与电枢电流方向相反，称为反电势，如图3-12所示。
设U为直流电动机的端电压，取U、E a 、I a 的实际方向作为正方向，可得电枢回路的电势平衡方程式为
发电机
电动机
式中 R a ——电枢回路总电阻，包括电枢回路中各串联绕组的电阻和电刷与换向器之间的接触电阻。
图3-11 直流发电机的电势、转矩平衡关系图
图3-12 直流电动机的电势、转矩平衡关系
式（3-5）和式（3-6）适用于各种励磁方式的直流发电机和电动机，在计算时，要注意各种励磁方式中R a 所包含的内容不完全相同。
式（3-5）和式（3-6）表明，直流发电机和电动机在运行时都存在电枢电势E a 和端电压U，在发电机中，E a >U，电枢电流I a 的方向与E a 的方向一致；在电动机中，U>E a ，电枢电流I a 的方向与U的方向一致，E a 表现为反电势。
无论是发电机还是电动机，当电枢绕组有电流流过时，电枢电流和磁场相互作用产生电磁转矩，其大小为T=C T ΦI a ，方向可用左手定则判定。在发电机里（见图3-11），外加转矩T；为驱动转矩使电枢旋转，电磁转矩T与T 1 转向相反为阻力转矩，同时还存在电动机的空载阻力转矩T 0 。在电动机里（见图3-12），电磁转矩T使电枢转动为驱动转矩，与电动机转向相同，此时轴上的负载转矩T 2 和T 0 均为阻力转矩。
电动机的转速恒定时，加在电动机轴上的驱动转矩应与阻力转矩相等，所得转矩平衡方程式为
发电机
电动机
式（3-7）和式（3-8）表明，在电动机稳定运行时，电磁转矩和外转矩都同时存在并达到平衡。在发电机里，T 1 >T，作为驱动转矩的是外转矩T 1 ，电动机的转向取决于T 1 的方向，电磁转矩是阻力转矩，起平衡外转矩的作用；在电动机里，T>T 2 ，作为驱动转矩的是电磁转矩T，电动机的转向取决于T的方向，电磁转矩带动负载转动而达到平衡。
电动机是实现能量转换的装置，因而功率是电动机运行中最基本的参数。电动机运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗，它们之间应满足能量守恒定律。
（1）铜耗P Cu ：铜损耗是由于电动机的各种绕组中流过电流而产生的电阻损耗，铜耗随负载而变化，又称可变损耗。
（2）铁耗P Fe ：由于铁芯中的磁滞、涡流而产生的损耗。
（3）机械损耗P Ω ：由于各种机械摩擦、通风而产生的损耗。铁耗和机械损耗在电动机空载时就存在，其大小与电动机负载无关，合称为空载损耗（又称不变损耗），用P 0 表示，即
（4）附加损耗P s ：产生附加损耗的原因很多，诸如电枢反应使气隙磁场畸变而引起铁耗的增加；电枢表面电流分布不均而引起铜耗的增加；均压电流造成的损耗等。P s 中一部分空载时已存在，另一部分随负载而变化。附加损耗一般不易计算，而估计为电动机输出功率的0.5%～1%。
综上所述，电动机的总损耗∑P为
在电动机中，把通过电磁作用传递的功率称为电磁功率，用P M 表示。对发电机而言，输入机械功率P 1 =Tω，克服空载损耗后，其余部分转变为电磁功率，即
转换而来的电功率不能全部输出，必须克服电动机的铜耗P Cu 后才能供给负载，输出给负载的电功率P 2 =UI，即
对电动机而言，输入的电功率为P 1 =UI，此功率不能全部转换为机械功率，必须克服电动机本身的铜耗P Cu 后才能进行电磁转换，即
转换而来的机械功率不能全部输出，必须克服电动机的空载损耗P 0 后才能输出，其轴上的输出机械功率P 2 =T 2 Ω，即
电磁功率既可看成机械功率，又可看成电功率。从机械功率的角度看，P M 是电磁转矩T和旋转角速度ω的乘积，即
从电功率的角度看，P M 是电枢电势E a 和电枢电流I a 的乘积，即
根据能量守恒定律，两者相等，即
因此，无论是发电机还是电动机，电磁功率均指电动机能够利用电磁感应原理进行能量转换的这部分功率，可以表示为机械功率的形式，也可以表示为电功率的形式。由于电磁功率具有这样的物理意义，所以，在实际计算中，经常把它作为从机械量计算电量或从电量计算机械量的桥梁。
电动机的输入功率为P 1 ，输出功率为P 2 ，总损耗为ΣP时，根据能量守恒定律，可得功率平衡方程式为
电动机输出功率P 2 输入功率P 1 之比的百分数，称为电动机的效率η，即
直流电动机的基本方程式，把电动机中电、磁、机械等物理量联系起来，是分析直流电动机运行特性的基础。
直流电动机的机械特性是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f（T）。机械特性可以分为固有机械特性和人为机械特性。在电力拖动系统中，他励直流电动机应用比较广泛，本节就研究它的机械特性。
机械特性方程式为
还可以写成为
式中 n 0 ——理想空载转速（r/min）。
式中 β——机械特性斜率。
式中 Δn——转速降（r/min）。
当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻R时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为
他励直流电动机的固有机械特性曲线如图3-13所示。
图3-13 他励直流电动机的机械特性
如图3-13所示，由于电枢绕组的电阻R a 阻值很小，而Φ N 值大，因此，Δn很小，固有机械特性为硬特性。其特点如下：
（1）随着电磁转矩T的增大，转速n降低，其特性是略下斜的直线。
（2）机械特性的斜率
，其值很小，特性较平。
（3）Δn N =n 0 -n N ，为额定转速差。
（4）当T=0时，n=n 0 =U N /C e Φ N ，为理想空载转速，因为T是不可能为0的，电动机要旋转起来，T必须要克服一定的摩擦力，所以n 0 是理想化的状态。
人为地改变电动机气隙磁通Φ、电源电压U和电枢回路串联电阻 R等参数，获得的机械特性即为人为机械特性。
电枢加额定电压U N ，励磁磁通Φ=Φ N ，电枢回路串入电阻R pa 后的人为机械特性方程为
人为机械特性的特点如下：
（1）理想空载转速n 0 保持不变。
（2）机械特性的斜率β随R pa 的增大而增大，特性曲线变软。
图3-14所示为不同R pa 时的一组人为机械特性曲线。
从图3-14中可以看出改变电阻R大小，可以使电动机的转速发生变化，因此，电枢回路串电阻可用于调速。
保持励磁磁通Φ=Φ N ，电枢回路不串入电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特性方程为
图3-14 他励直流电动机电枢回路串电阻的人为机械特性
人为机械特性的特点如下：
（1）理想空载转速n 0 正比于电压U，U下降时，n 0 成正比例减小。
（2）特性曲线斜率β不变。
图3-15中调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线，因此，降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。
人为机械特性方程式为
人为机械特性的特点如下：
（1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通Φ，n 0 升高。
（2）斜率β与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。
图 3-16 所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着Φ减弱，n 0 升高，曲线斜率变大。若用于调速，则Φ越小，转速越高。
图3-15 他励直流电动机降压的人为机械特性
图3-16 他励直流电动机减弱磁通的人为机械特性曲线
在电力拖动系统中，电动机是原动机，起主导作用。电动机的启动、调速和制动特性是衡量电动机运行性能的重要性能指标。下面就具体讲解直流电动机的电气控制。
直流电动机的启动方法主要有全压启动和降压启动两种。
全压启动：是在电动机磁场磁通为Φ N 情况下，在电动机电枢上直接加以额定电压的启动方式。
启动电流I st 为
启动转矩T st 为
他励直流电动机不允许直接启动，因为他励直流电动机电枢电阻R a 阻值很小，额定电压下直接启动的启动电流很大，通常可达额定电流的10～20倍，启动转矩也很大。过大的启动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。而过大的启动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。所以全压启动只限于容量很小的直流电动机。
减压启动：是启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流I st 的启动方式。
启动电流通常限制在（0.5～2）I N 内，则启动电压应为
电枢回路串电阻启动：是电动机电源电压为额定值且恒定不变时，在电枢回路中串接一个启动电阻R st 的启动方式，此时I st 为
图3-l7所示为他励直流电动机自动启动电路图。启动过程机械特性如图3-18所示。
图3-17 他励直流电动机自动启动电路图
图3-18 他励直流电动机启动过程机械特性
直流电动机反转的方法有以下两种。
（1）改变励磁电流方向：保持电枢两端电压极性不变，将电动机励磁绕组反接，使励磁电流反向，从而使磁通中方向改变。
（2）改变电枢电流极性：保持励磁绕组电压极性不变，将电动机电枢绕组反接，电枢电流I即改变方向。
他励直流电动机的电气制动，是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。
常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动和发电回馈制动。
（1）制动原理：能耗制动是把正处于电动机运行状态的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻R bk 上构成闭合回路。其控制电路如图3-19所示。
图3-19 能耗制动控制电路图
能耗制动开始瞬间电动机电枢电流为
在制动过程中，电动机把拖动系统的动能转变为电能并消耗在电枢回路的电阻上，故称为能耗制动。制动过程机械特性如图3-20所示。
图3-20 制动过程机械特性
（2）机械特性：能耗制动的机械特性方程为
反接制动有电枢反接制动和倒拉反接制动两种方式。
（1）电枢反接制动。
① 制动原理：电枢反接制动是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻R bk 。控制电路如图3-21（a）所示。
图3-21 电枢反接制动
反接制动开始瞬间电动机电枢电流I a 为
② 机械特性：其机械特性曲线如3-21（b）所示。
（2）倒拉反接制动。
① 制动原理：电动机运行在固有机械特性的a点下放重物时，电枢电路串入较大电阻R bk ，电动机转速因惯性不能突变，工作点过渡到对应的人为机械特性的b点上，此时电磁转矩T<T L 电动机减速沿特性曲线下降至c点。在负载转矩的作用下转速n反向，E a 为负值，电枢电流为正值，电磁转矩为正值与转速方向相反，电动机处于制动状态，称为倒拉反接制动。控制电路如图3-22（a）所示。
② 机械特性：倒拉反接制动的机械特性方程式为
机械特性曲线如图3-22（b）所示。
由特性曲线可知，倒拉反接制动下放重物的速度随串入电阻Rb k 大小而异，制动电阻越大，特性越软，下放速度越快。
图3-22 倒拉反接制动
综上所述，电动机进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路必须串入较大的电阻。此时位能负载转矩为拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使其安全下放。
当电动机转速高于理想空载转速，即n>n 0 时，电枢电动势E a 大于电枢电压U，电枢电流，I a =U-E a /R a <0，电磁转矩T为制动性质转矩，电动机向电源回馈电能，此时电动机运行状态称为发电回馈制动。
一般应用在位能负载高速下放和降低电枢电压调速等场合。
电动运行状态的电动机电枢电压突然降低时，人为机械特性向下平移，理想空载转速由n 0 降到n 01 ，但因惯性电动机转速不能突变，使E a >U，致使电动机电枢电流I a 和电磁转矩T变为负值，电动机转速迅速下降。从特性 b 点至n 01 点之间电动机处于发电回馈制动状态，如图3-23所示。
图3-23 降压调速时的发电回馈制动机械特性
直流电动机的制动形式的比较和应用如表3-l所示。
表3-1 直流电动机的制动形式的比较和应用
根据直流电动机的转速公式为
可知，当电枢电流I a 不变时，只要电枢电压U，电枢回路中串入附加电阻R和励磁磁通Φ三个量中，只要任意一个量发生改变时，都会引起转速发生改变。因此，直流他励电动机的调速方法有电枢回路串电阻调速、降压调速、减弱磁通调速三种。
保持电源电压和励磁磁通为额定值不变时，在电枢回路中串入不同的电阻时，电动机以不同的转速运行，电枢回路串接电阻R a 时的人为机械特性曲线如图3-24所示。电枢回路没有串入电阻时，工作点为自然机械特性曲线与负载特性的交点a，转速为n a 。在电枢回路中串入电阻R pa1 的瞬间，因转速和电动势不能突变，电枢电流相应的减小，工作点由a点过渡到b点，此时T b >T L ，工作点由b点沿串入电阻R pa1 的新机械特性下移，转速也随着下降，反电动势减小，I a 和T逐渐增加，直至c点，当T c =T L 时，恢复转矩平衡，系统以新的较低的转速n c 稳定运行。同理，若在电枢回路中串入更大的电阻R pa2 ，则系统的转速进一步下降。
电枢串电阻的特点如下：
（1）基速以下调速，并且串入电阻越大特性越软。
（2）有级调速，调速的平滑性差。
（3）调速电阻消耗的能量大，不经济。
（4）电枢串电阻调速方法简单，设备投资少。因此，适用于小容量电动机调速，但调速电阻不能用启动变阻器代替。
图3-24 他励直流电动机电枢串电阻调速的机械特性
保持励磁磁通Φ为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢电压U时，电动机将以较低的转速运行，降低电枢电压后的人为机械特性曲线如图3-25所示。电压逐渐下降时，工作点的变化情况是如图3-25的箭头方向所示，由a→b→c……
图3-25 他励直流电动机降压启动的机械特性
降低电枢电压调速，需要有单独的可调压的直流电源，加在电枢上的电压不能超过额定电压，所以调速也只能低于额定转速的范围内调节，降低电枢电压时，电动机的机械特性硬度不变，因此，运行在低速范围内的稳定性较好。当电压连续可调时，可实现无极调速，调速平滑性较好。
降压调速的特点如下：
（1）调速性能稳定，调速范围广。
（2）调速平滑性好，可实现无级调速。
（3）损耗减小，调速经济性好。
（4）调压电源设备较复杂。
这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。
保持电枢电压不变，电枢回路中不串入电阻，减小电动机的励磁电流使励磁磁通降低，可是电动机的转速升高。减弱磁通调速的人为机械特性曲线如图3-26所示。如果忽略磁通变化的电磁过渡过程，则励磁电流逐级减小时，工作点变化由图3-26中a→b→c→d……
图3-26 他励直流电动机减弱磁通调速的人为机械特性曲线
减弱磁通调速的特点如下：
（1）调速范围不大。
（2）调速平滑，可实现无极调速。
（3）能量损耗小。
（4）控制方便，控制设备投资少。
这种调速方法的缺点就是机械特性软，当磁通减弱相当多时，运行不稳定。
他励直流电动机调速性能和应用场合如表3-2所示。
表3-2 直流他励电动机的调速性能和应用场合
