知识点：直流电动机的工作特性与机械特性 主讲教师：冯泽虎.

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1 知识点：直流电动机的工作特性与机械特性 主讲教师：冯泽虎

2 目 录 1 直流电动机的工作特性 2 直流电动机的机械特性 3 机械特性的求取 3 4

3 1 直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压 UN额定励磁电流IfN 时，转速与负载电流之间的关系、转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系。这三个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。 他励直流电动机的工作特性与并励直流电动机的工作特性相同。本节以他励直流电动机为例分析直流电动机的工作特性。

4 1 直流电动机的工作特性 （1）转速特性 他励直流电动机的转速特性可表示为 ，整理可得： （3-19）
他励直流电动机的转速特性可表示为 ，整理可得： （3-19） 此式即为转速特性的表达式。如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。他励直流电动机的工作特性如图3-23所示。 图3-23 他励电动机的工作特性

5 1 直流电动机的工作特性 （2）转矩特性 当U=UN，If=IfN时， 的关系称为转矩特性。根据直流电机电磁转矩公式可得电动机转矩特性表达如下： （3-20） 由此式可见，在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比，若考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上升的速度比电流的上升的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。

6 1 直流电动机的工作特性 （3）效率特性 当U=UN，If=IfN时， 的关系称为效率特性。 （3-21）
从前面叙述可知，空载损耗P0是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效率较低，输入的功率大部分消耗在空载损耗上；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流大到一定程度时铜损快速增大此时效率又开始变小。

7 2 直流电动机的机械特性 ( 1）机械特性的概念 直流电动机的机械特性是指在电动机的电枢电压、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，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：n=f(Tem)。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。以他励直流电动机为例分析直流电动机的机械特性。图3-24所示是他励直流电动机的电路原理图。 图3-24 他励直流电动机电路原理图

8 2 直流电动机的机械特性 图中U为外施电源电压，Ea是电枢电动势，Ia是电枢电流，Rs是电枢回路串联电阻，If是励磁电流， 是励磁磁通，Rf是励磁绕组电阻，Rsf是励磁回路串联电阻。按图中标明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程式 U=Ea+RIa （3-22） 式中，R=Ra +Rs ，为电枢回路总电阻，R a为电枢电阻。由电枢电动势Ea =CeΦ n和电磁转矩Tem =CTΦ Ia，可得他励直流电动机的机械特性方程式

9 2 直流电动机的机械特性 图3-25 他励直流电动机的机械特性
式中， C e、Ct分别为电动势常数和转矩常数（ CT =9.55 C e ）;n= n 为电磁转矩Tem=0时的转速,称为理想空载 转速； 为机械特性的斜率； 为转速降。 由公式T em=CTΦ Ia可知，电磁转矩Tem与电枢电流Ia成正比，所以只要励磁磁通Φ 保持不变，则机械特性方程式也可用转速特性方程式也可用转速特性代替，即 n= − (3-24) 由式（3-24）可知，当U、 Φ、R为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以 β为斜率向下倾斜的直线，如图3-25所示。 图3-25 他励直流电动机的机械特性

10 2 直流电动机的机械特性 必须指出，电动机的实际空载转速n ´0比理想空载转速略低。这是因为电动机有摩擦等原因存在一定的空载转矩T0，空载运行时，电磁转矩不可能为零，它必须克服空载转矩，即Tem = T0，故实际空载转速应为 转速降 是理想空载转速与实际转速之差，转矩一定时，他与机械特性的斜率 成正比。 越大，特性越陡， 越大； 越小，特性越平， 越小。通常称 大的机械特性为软特性，而 小的机械特性为硬特性。

11 2 直流电动机的机械特性 （2）固有机械特性和人为机械特性
事实上，电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通 Φ都是可以根据实际需要进行调节的，每调节一个参数可以对应得到一条机械特性，所以可以得到许多条机械特性。其中，电动机自身所固有的，反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性，称为电动机的固有（自然）机械特性；调节U、R、β等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。

12 2 直流电动机的机械特性 (1)固有机械特性 当 U=UN、Φ=ΦN、R=RS(RS=0) 时的机械特性称为固有机械特性，其方程式为
因为电枢电阻R 很小，特性斜率 很小，通常额定转速降 nN只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，如图3-26中的直线图形所示。 图3-26 直流电动机的固有机械特性

13 2 直流电动机的机械特性 n= 3-27 （2）人为机械特性 a.电枢串电阻时的人为特性
保持U=UN、Φ=ΦN 不变，只在电枢回路中串入电阻RS时的人为特性为 n= 3-27 与固有机械特性相比，电枢串电阻时的人为特性的理想空载转速n 不变，但斜率 随串联电阻R 的增大而增大，所以特性变软。改变R 大小，可以得到一簇通过理想空载点n 并具有不同斜率的人为特性，如图3-27所示。 图3-27 电枢串电阻时的人为特性

14 2 直流电动机的机械特性 b.降低电枢电压时的人为特性 n= （3-28）
保持 R=Ra(Rs=0) 、Φ=ΦN不变，只改变电枢电压U时的人为特性为 n= （3-28） 由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化，与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率 不变，但理想空载转速n 随电压的降低而正比减小。因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线，如图3-28所示. 图3-28 降低电枢电压的人为机械特性

15 2 直流电动机的机械特性 ③减弱励磁磁通时的人为特性 n= (3-29)
改变励磁回路调节电阻Rsf，就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时，磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。 保持R=R a（Rs =0）、U= UN不变，只减弱磁通时的人为机械特性为 n= (3-29) 对应的转速特性为 n= （3-30） 在电枢串电阻和降低电压的人为特性中，因为 不变，T ∝I ，所以他们的机械特性n=f(T )曲线也代表了转速特性n=f(I )曲线。

16 2 直流电动机的机械特性 (b) （a） 图3-29 减弱磁通时的人为特性
但是在讨论减弱磁通的人为特性时，因为磁通 是个变量，所以n=f(I )与n=f(T )两条曲线是不同的，如图3-29所示 （a） (b) 图3-29 减弱磁通时的人为特性

17 2 直流电动机的机械特性 当n=0时，堵转电流IK= 常数，而n0 随Φ 的减小而增大。因此n=f(Ia)的人为机械特性是一组通过横坐标I=Ik点的直线，如图3-29（a）所示。 改变磁通可以调节转速，从图3-29（b）看出，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降，然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可以认为磁通越小，稳定转速越高。 （3）机械特性的求取 在设计电力拖动系统时，首先应知道所选择电动机的机械特性，可是电动机的产品目录或铭牌中都未直接给出机械特性的数据，因此通常是根据铭牌数据： P N、UN 、IN 、nS计算或通过实验来求取机械特性。 （1）固有机械特性的求取 他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点（Tem=0，n=n0 ）和额定运行点（Tem=TN ，n=n N ）数据，具体步骤如下：

18 3 机械特性的求取 （3-31） a.估算Ra。 电枢电阻Ra可用实测方法求得，也可用下式进行估算：
是人为电动机额定运行时，电枢铜耗占总电阻的 。 b.计算CeΦN、CTΦN C.计算理想空载点数据 D.计算额定工作点数据 以上计算中，用到的额定功率 、额定电压 、额定电流 和额定转速n 均可从电动机的铭牌中查得。

19 3 机械特性的求取 根据计算所得 (0,n0)和（TN，Nn)两点就可以在 Tem-n平面内画出电动机的固有机械特性。通过式
(2). 人为特性的求取 在固有特性方程式 n=n (n0、β为已知 基础上，根据人为机械特性对应的参数 （U、Rs或Φ） 变化，重新计算n0和β值后，便可求得人为机械特性方程式。若要画出人为特性，还需算出某一负载点数据，如点 (U、Rs或Φ) 变化 ，重新计算n0和β 值后，便可求得人为特性方程式。若要画出人为特性，还需算出某一负载点数据，如点（TN,n ），然后连接（0， n0 ）和（ （TN,n ）两点，便得到人为特性曲线。

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