第1章 直流电机(徐)

第二篇动力电机第一节直流电机的基本功能与用途第二节直流电机的基本作用原理第三节直流电机的基本结构第四节直流电机的基本分析方法第五节直流电机的基本特性第二篇动力电机第一节直流电机的基本功能与用途第二节直流电机的基本作用原理第三节直流电机的基本结构第四节直流电机的基本分析方法第五节直流电机的基本特性第一章直流电机第一章

直流电机2023/2/11山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.了解直流电机的主要结构，尤其注意换向器和电刷的作用，电枢绕组排列的规律以及它们在实现机电能量转换中的功用。本章基本要求2.熟练掌握感应电势和电磁转矩这两个机电能量变换要素的物理意义和计算公式。3.掌握直流电机的运行原理，会通过基本方程式来综合分析电机内部的电磁过程，并能运用这些基本方程式去分析各种励磁方式的直流发电机和电动机。4.掌握直流电动机起动和调速的方法。5.了解直流电机的电枢反应、换向过程、产生火花的电磁原因、改善直流电机换向的方法。2023/2/12山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第一节直流电机的基本功能与用途直流电机是指能发出直流电流的发电机或通入直流电流而转动的电动机。

直流电机是人粪最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展．应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍有一定的优势。2023/2/13山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。本章首先讨论直流电机的工作原理、基本结构等共性问题．然后再分别介绍直流电动机和直流发电机的运行分析、功率和转矩等问题，最后介绍直流电机的换向。2023/2/14山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS一、直流电机的工作原理NS－E＋－E＋第二节直流电机的基本作用原理电刷换向片外接负载，导条中有电流时会产生什么现象？（一）直流发电机的工作原理2023/2/15山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作输出直流电换向原动机感应电动势、电流Φ电磁转矩（阻转矩）做功1.电磁关系2.直流发电机的特点：电刷间的电势与导体电势的性质不同；电枢电势与电流同方向；电磁转矩的方向与电机的转向相反，为制动转矩。电刷间电势为直流电势，导体电势为交变电势；2023/2/16山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作根据法拉第电磁感应定律，导体切割磁通产生的电势为ei=Bxlv

式中，Bx为导体所处位置的气隙磁通密度；l为导体有效长度(即电枢铁心的长度)；v为导体切割磁场的线速度(即电枢圆周速度)。3.直流电势的波形前面的讨论，只是得出了电刷电势极性不变的结论，但其大小和波形是否随时间变化，还需进一步分析。2023/2/17山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作对已制成的电机，l为定值，若电枢转速n恒定，则v亦为常值，所以ei∝Bx。磁场分布在整个磁极下，气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布，而是按图所示规律分布的。导体处于不同位置，产生的电势大小不同，其随时间变化的规律与Bx相同。2023/2/18山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作为减小电势的脉动程度，实际电机中不是只有一个线圈(元件)，而是由很多元件组成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面，并按一定的规律连接。经换向器换向后，电刷间电势虽然方向不变，但却有很大的脉动，如图所示。这样的电势不是直流电势，称其为脉动电势。电刷电势2023/2/19山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若有两个元件，有四个元件边，元件边空间位置夹角90°，则元件电势时间相位差90°。四个元件边时电刷输出电势的波形比较可见，此时输出电势平均值变大，脉冲相对来说变小。电刷电势是支路中两个元件电势曲线之合成，即曲线3。2023/2/110山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作如果电枢表面槽数增多，元件数增多，则电刷间串联的元件数增多，输出电势的平均值将更大，脉动更小，就得到大小和方向都不变的直流电势。若电机每极下的导体数大于8，电势脉动幅度已小于1%，可以认为是恒定直流分量。直流发电机工作原理表明，直流电机电枢绕组所感应的电势为交变电势；由换向器配合电刷的作用把交流电势“换向”成为直流电势；上述这种电机称为换向器式直流电机。2023/2/111山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS－U＋（二）直流电动机的工作原理NS＋U－2023/2/112山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS直流电动机的工作原理NS＋U－＋U－电刷线圈边切割磁感线会产生什么？换向片2023/2/113山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功电磁关系2023/2/114山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作作为发动机运行：用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。直流电动机的特点：通过电刷间的电流与导体电流的性质不同；电枢电势与电流反方向，称为反电势。电磁转矩的方向与电机的转向相同，为驱动转矩。通过电刷电流为直流电流，导体电流为交变电流；直流电机的可逆性原理：作为电动机运行：在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；2023/2/115山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第三节直流电机的基本结构直流电机的基本结构示意图如图所示。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等组成。一般小型电机的轴是通过轴承支撑在端盖上的。定子由主磁极、换向极、机壳、端盖和电刷装置等组成。静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。直流电机总体结构可以分成两大部分：2023/2/116山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心2023/2/117山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/118山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电机装配图2023/2/119山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机模型2023/2/120山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作一、直流电机的定子部分2023/2/121山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.主磁极2.换向极(1)主磁极铁心(2)励磁绕组(3)机座(1)换向极铁心(2)换向极绕组3.机座：用来固定主磁极、换向极和端盖；又作为磁路的一部分。2023/2/122山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、直流电机的转子部分4.电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫1.电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心电刷放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，使之和换向器有良好的滑动接触。2023/2/123山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机的转子2023/2/124山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.电枢绕组—由许多按一定规律连接的线圈组成。1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘3.换向器—由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片2023/2/125山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作在直流发电机中，电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。在直流电动机中，电刷和换向器的作用是将直流电流变成电枢绕组中的交变电流。三、直流电机的铭牌数据5.额定励磁电压UfN(V)发电机：电动机：直流电机的额定值有：1.额定功率PN(W或kW)：输出功率2.额定电压UN(V)：电刷间电压3.额定电流IN(A)：流过电刷的电流4.额定转速nN(r/min)：电机轴的转速额定转矩：2023/2/126山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、直流电机的电枢绕组因此电枢绕组在能量转换过程中起着重要作用。（一）直流电机电枢绕组介绍电枢绕组是直流电机的核心部分；无论是发电机还是电动机它们的电枢绕组在电机的磁场中旋转，都会感应出电势来；当电枢绕组有电流时，就会产生电枢磁势，它与气隙磁势相互作用，又产生了电磁转矩；电势和电流的乘积就是电磁功率，电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积就是机械功率；在直流电机里，可以吸收或发出电功率或机械功率，这要根据电机的工作状态来确定。2023/2/127山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作元件与换向片的连接和节距（a）单叠绕组（b）单波绕组1.绕组的组成电枢绕组是由结构形状相同的元件构成。2.元件及元件边所谓元件是指两端分别与两个换向片连接的单匝或多匝线圈，如图所示，元件的个数用S表示。2023/2/128山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机的电枢绕组所以整个绕组的元件数S应等于换向片数K即S=K。两匝元件3.单匝与多匝元件单匝元件：每个元件的元件边是只有一个导体；多匝元件：一个元件边就有多个导体，用nC表元件匝数。不管一个元件有多少匝，引出线只有两根，而每一换向片连接一个元件的始端和另一元件的末端。2023/2/129山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）绕组节距p—极对数，Da—电枢外径。若极距用槽数表示，则2.第一节距y1

若用Z代表电枢绕组的全部导体数则有1.极距τ

沿电枢表面相邻两磁极间的距离每一元件的两元件边在电枢表面所跨的距离，用所跨的槽数来表示。2023/2/130山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作为了使感应电势最大，y1所跨的距离应接近于一个极距τ，每极距内的槽数为ε－小于1的正分数。，称为长距绕组；短距绕组端部引线较短，故用的较广。，称为短距绕组；若y1等于极距，且为整数时，称为整距元件。有时一个极距内的槽数并不一定为整数，而y1必须为整数，否则无法嵌线。因此2023/2/131山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作对于单迭绕组取“-”号，单波绕组取“+”号。3.第二节距y2

利用同一换向片串联起来的两个元件中，第一元件的下元件边与第二元件的上元件边之间在电枢表面上的距离称为第二节距，用槽数表示。合成节距与第一、第二节距之间的关系是：4.合成节距y相串联的两个元件的对应边在电枢表面上的距离称为合成节距y，用槽数来表示。2023/2/132山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作5.换向器节距yk

每一元件的两端所接的两片换向片之间在换向器表面上所跨的距离称为换向器节距yk，用换向片数表示。由于元件数等于换向片数，当元件边在电枢表面前进（或后退）多少个槽，其出线端在换向器上也必然前进（或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成节距即

2023/2/133山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）电枢绕组的基本形式直流电机的电枢绕组是均采用双层绕组，即线圈的两边处于不同极性下面，线圈的跨距约为一个极距，线圈电势为两元件边电势之和。1.单迭绕组单迭绕组的联接特点元件两出线端联接于相邻的两个换向片上，在绕制这种绕组时，任何两个串联元件都是后一个紧迭在前面一个的上面，故称为迭绕组。2023/2/134山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作对于单迭绕组，表示每联接一个元件，在电枢表面就要移过一个槽，表示向右移过一个槽；称为右行绕组；，则绕组左行。左行绕组每一元件接到换向片的两根端线互相交叉，用铜较多，很少采用，故迭绕组常采用右行绕组。单迭绕组每绕一个元件便在电枢表面移过一个槽。2023/2/135山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.单波绕组单波绕组示意图（a）左行绕组（b）右行绕组在每个元件两边所接的两个换向片相隔较远，两元件串后形成波浪形，故称为波绕组。单波绕组的特点2023/2/136山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作在单波绕组中y=yk仍成立。否则当绕完一周后，就会回到出发点而闭合，以致绕组无法绕下去；根据换向器节距的定义，元件将会跨过pyk个换向片，但不能回到起始的换向片上；若电机有p极，则连接了p个元件就沿电枢前进了一周；单波绕组每串联一个元件相当于前进了约一对极距的距离。但与迭绕组连接方式不同，计算公式也不同。2023/2/137山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作或若绕组从某一换向片出发，沿电枢圆周和换向器绕一周后，恰好回到原来出发的那个相邻的一片上，则可再绕第二、三周…,最后把全部元件串联完毕并与最初的出发点相接而形成一闭合绕组。右行绕组的端接线交叉，且比左行绕组的端线略长，故波绕组常用左行绕组。要求yk满足以下关系式中如取“-”号，绕一周后，比出发时的换向片后退一个槽，称为左行绕组。如取“+”号，则前进一片，称为右行绕组。2023/2/138山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作单迭绕组的连接（设共有8个元件，两组电刷）AB12345678A

B1

2

3

48

7

6

57

6

5

48

1

2

3AB结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。AB12345678（四）直流电枢绕组展开图的画法2023/2/139山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.单迭绕组展开图的画法下面通过一个实例说明单迭绕组的连接方式和特点。例：已知电机极数2p=4，槽数和换向片均为12，绕制一个单迭右行绕组。（1）节距计算2023/2/140山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NSNS123456789101112123456789101112A1B1A2B2（2）单叠绕组的展开图A1A2B1B236'

4

7'

58'11'8

10'7

9'6912'

10

1'

112'5'2

4'1

3'12※并联支路对数：a=2。n2023/2/141山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作单叠绕组的展开图※习惯称“电刷放在几何中心线位置”。磁极中心线几何中心线※

电刷的中心线对着磁极的中心线：①电刷之间的电动势最大。②被电刷短接的元件电动势为零。A1B1A2B2NSNS12345678910111212356891112n电刷应放在轴线与主极轴线重合的元件所接的换向片的分界线上。2023/2/142山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.单波绕组展开图的画法例：已知电机极数2p=4，槽数和换向片均为15，绕制一个单波左行绕组。（1）节距计算单波绕组：不是把元件依串联，而是把相隔大约两个极距，即在磁场中的位置差不多相对应的元件连接起来。下面通过一个实例说明单波绕组的连接及特点。2023/2/143山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（2）连接表2023/2/144山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/145山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机的电枢绕组除了单叠、单波两种基本形式以外，还有其他形式，如复叠绕组、复波绕组、混合绕组等。※电刷的中心线对着磁极的中心线。※并联支路对数：a=1。理论上只需放置两组电刷即可。2023/2/146山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作3.单迭与单波绕组的特点若增加电机的极对数，不改变每极导体数和磁场：单波绕组是把同一种极性下（N、S极）的元件都串联起来，各形成一条支路，再由这两部分串联成为闭合回路，因此整个绕组只有一对支路。对单波绕组可使电刷间电势增加，提高电枢电压。对单迭绕组可增加支路数，从而可使电枢通过较大的电流。单迭绕组是将处在同一主极底下的元件串联起来就形成一条支路，因此，一个主极对应着一条支路;单迭绕组的并联支路数恒等于电机的主极数。2023/2/147山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作第四节直流电机的分析方法分析直流电机主要从以下几个方面入手：先分析电机中的磁场；推导出感应电势和电磁转矩的表达式；写出直流电机的基本方程式。一、直流电机的磁场磁场是电机中感应电势和产生电磁转矩而实现能量转换不可缺少的基本因素之一；2023/2/148山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电机中的磁场是怎样产生的呢？其大小和分布情况又是如何？这些问题是学习电机运行原理所必备的基础知识。（一）直流电机的空载磁场电机空载时气隙磁场是由主极绕组通一直流励磁电流建立的。当励磁绕组通一励磁电流，各主极的极性交替分布N、S、N、S，电机磁场的分布是对称的，如下图所示。2023/2/149山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2023/2/150山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路2023/2/151山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。空载时励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数;空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图所示。为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通;2023/2/152山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如图所示。2023/2/153山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）直流电机负载时的磁场（c）是主磁场和电枢磁场的合成磁场。（b）是电枢电流产生的电枢磁场；（a）是定子励磁电流产生的主磁场，即空载磁场；负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成，如下图。电机负载时，电枢绕组中流过电流也要产生磁场，称为电枢磁场。电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。2023/2/154山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作NS几何中心线

N

S励磁磁场（空载磁场）物理中心线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中性线电枢反应：电枢磁通势对气隙磁场的影响。2023/2/155山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作明确：①电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反。②不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在线圈中的分布情况始终不变。③电枢电流所产生的磁场在空间的分布情况也不变，即电枢磁场在空间是固定不动的恒定磁场。④磁力线的分布可由右手螺旋定则作出，上图(b)。⑤电枢磁场和电枢反应取决于电刷的位置，电刷轴线就是电枢磁场的轴线。2023/2/156山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.电刷位于几何中性线上时的电枢反应电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中Fax

所示。（1）磁密的波形设直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，根据全电流定律交轴电枢磁势：电枢磁场的轴线位于交轴上，称为交轴电枢磁势。2023/2/157山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快；致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中Bax所示。气隙总磁密的波形如下：2023/2/158山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线气隙总磁密的波形交轴电枢反应：由交轴电枢磁势对气隙磁场的影响。2023/2/159山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（2）交轴电枢反应的特点

(c)对主磁场起去磁作用(a)使气隙磁场发生畸变负载后由于电枢反应，使磁密的波形发生了畸变，一半被增强，一半被削弱，磁通密度的曲线与空载时不同。发电机前极尖被削弱，后极尖被加强；电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极下的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，使增加的磁通少些，即负载时每极磁通略为减少。(b)物理中性线偏离几何中性线一个角度，对发电机顺转向偏离α角，电动机逆转向偏离α角；2023/2/160山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.电刷不在几何中性线上时的电枢反应电刷从几何中性线偏移b角，电枢磁动势轴线也随之移动b角，如图（a）（b）所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势Faq和直轴电枢磁动势Fad。如图（a）（b）所示。2023/2/161山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁2023/2/162山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电刷A、B间的电动势，应该等于正、负电刷所连接的导体的电势之和，即一条支路的电势：直流电机无论作电动机运行，还是发电机运行，电枢内部都感应产生电动势和电磁转矩，所以这两个物理量在电机中是非常重要的。二、电枢电势的计算2023/2/163山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作对于已制成的电机，l为常数，当速度v一定时，导体的感应电势ex便正比于该导体所在处的磁通密度Bx，即ex∝Bx。电枢表面不同位置上的导体瞬时感应电势ex不同，取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bav，求出一个导体在一个磁极下的平均电势为eav：eav=Bavlv电刷间的电势Ea便等于一个磁极下导体的平均电势乘上一条支路所串联的导体数Z',即Ea=Z'eav=Z'Bavlv2023/2/164山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作D为电枢直径，单位为(m)；n为电枢转速，单位为(r/min)。电枢表面圆周速度Φ为每极总磁通，单位(Wb)；τ为极距，极距=电枢圆周长/极数，单位为(m)；l为电枢铁心长度，单位为(m)。在电机中，通常用转速n和每极总磁通Φ表示电枢表面圆周速度v和平均磁通密度Bav2023/2/165山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作所以而πD/τ=2p(p为电机的极对数)，所以上式变成电刷间的总电势Z'=Z/(2a)一对电刷所串联的导体数Z'应等于电刷间每条并联支路中的导体数，所以Z'值等于电枢绕组总导体数Z除以电刷间的并联支路数2a2023/2/166山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作所以电枢电势和电磁转矩是直流电机中非常重要的关系式，希望同学们牢记，并能熟练应用。或写成Ea=CeΦn单位：Φ的单位为Wb;n的单位为r/min，则Ea的单位为V

；Ce=pZ/(60a)，称为电势常数，由电机本身的结构参数决定。当每极磁通Φ一定时，Ea=Ken2023/2/167山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1.电磁转矩的产生F→T2.电磁转矩的定义Bl极距电枢电流i

磁场Φ三、电磁转矩的计算载流导体在磁场中将受到力的作用；此力作用在电枢外圆的切线方向，将产生电磁转矩；2023/2/168山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作一根导体的电磁力产生的转矩为设空气隙中平均磁通密度为Bav，电枢绕组总的导体数为Za，若电刷位于几何中性线上，各导体电流产生的沿切线方向的电磁力方向相同，则电机转子所受到的总转矩为式中，ia为导体的电流；D为电枢直径。2023/2/169山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作将Bav用每极总磁通Φ表示，Bav=Φ/(τl)，导体电流ia用电枢总电流Ia表示，ia=Ia/(2a)，a为并联支路对数。则或者写成其中称为转矩常数，由电机本身的结构参数决定。2023/2/170山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若每极磁通Φ的单位为Wb，电枢电流Ia的单位为A时，则电磁转矩T的单位为N·m。对发电机：T与n方向相反，为制动转矩。对电动机：T与n方向相同，为驱动转矩。当Φ不变时，电磁转矩可写成Te=KTIaKT=CTΦ,称为转矩系数。感应电势常数与转矩常数Ce与CT有如下关系：2023/2/171山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作G一、直流发电机的励磁方式自励GIa+Ua－他励串励复励并励Ia+U－IfIGGIfIa+U－I+U－IfIIaIf+Uf－第五节直流发电机的基本方程式与运行特性2023/2/172山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、直流发电机的基本方程式（一）电势平衡方程式发电机空载时，电枢电流Ia很小（对他励发电机Ia

=0），电枢电动势Ea等于端电压U。负载时，在Ea作用下，电枢有电流Ia流过，若以Ea、U、Ia的实际方向为正方向，则电动势平衡方程式:

Ea=U+Iara+2△Ub式中ra为电枢绕组的电阻；2△Ub为一对电刷的接触压降。2023/2/173山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作

Ea=U+IaRa对直流发电机来说，Ea＞U。（二）转矩平衡方程式机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0。在一般分析讨论中，也把电刷接触压降归并到电枢回路的压降中去，电动势平衡方程式可写成Ra为电枢回路的总电阻，包括电刷接触电阻。直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩T电磁转矩Te2023/2/174山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作发电机空载时，为了使发电机能维持恒速运转，则原动机的输出机械转矩T（即驱动转矩）必须克服由于机械摩擦等引起的制动转矩T0，T0也称为空载转矩。在发电机中，电磁转矩Tem是制动转矩，所以为了使电机恒速旋转，驱动的机械转矩T除了克服空载转矩T0外，还必须克服电磁转矩Te的制动作用。

T=Tem+T0

转矩平衡方程式:发电机中T＞Tem当发电机有负载时，电枢电流Ia与气隙磁场相互作用产生电磁转矩Tem。2023/2/175山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、功率平衡方程式

P1=Pe+p0

下对电磁功率Pem和空载功率p0作进一步分析。1.电磁功率Pem负载时电枢有电动势Ea，在Ea作用下产生电流Ia，显然发电机中的电磁功率Pem=EaIa

发电机工作时，原动机向发电机输入机械功率P1。P1中因机械摩擦等消耗的一部分称为空载功率p0，其余部分便转化为电功率Pem；Pem称为电磁功率，功率平衡方程式:2023/2/176山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电磁功率就是机械功率转换为电功率的部分，它是从机械量计算电磁量的一个桥梁。式中Ω—电枢旋转的机械角速度电磁功率Pem除去电枢回路电阻上的损耗pcua和电刷接触损耗pcub外，其余的便是对负载输出的功率P2和励磁回路的损耗pcuf（他励，pcuf

不包括在电磁功率中）。电磁功率的物理意义:TemΩ是原动机为克服电磁转矩所需输入的机械功率;EaIa则为电枢发出的电磁功率，两者相等；2023/2/177山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作EaIa=UIa+I2aRa+2△UbIa=U（I+If）+Ia2Ra+2Ia△Ub

2.空载功率p0

p0主要包括机械损耗功率pmec、铁耗功率pFe和附加损耗pad

，空载功率也称作空载损耗。机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定子与转子和空气的摩擦损耗（也称为通风损耗）等部分。铁耗pFe是由于电枢转动时，主磁通在电枢铁心内交变而引起的。将电势方程式两边乘以电枢电流Ia，得Pem=P2+pcuf+pcua+pcub2023/2/178山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作综合上述分析，可写出功率平衡方程式，即P1=Pe+p0=P2+pcua+pcub+pcuf+pmec+pFe+pad

若是他励电机，则励磁回路功率由外电源供给，而不包括在输入的机械功率之中。并励直流发电机的功率图如下图所示。空载功率也可表示p0=T0Ω，T0为空载转矩。机械损耗和铁耗与负载大小无关，电机空载时即存在，而且在运行过程中数值几乎不变，所以空载损耗也称作不变损耗。2023/2/179山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并励直流发电机的功率图2023/2/180山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、他励发电机的特性直流发电机运行时，可以测得的物理量有发电机的端电压U、负载电流I、励磁电流If和转速n。调节特性：U为常数的条件下，If=f(I)。一般只讨论U=UN的一条特性曲线。一般发电机都应在额定转速nN下运行，则其它三个物理量之间的关系就用来表征发电机的特性。负载特性：I为常数的条件下，U=f(If)。其中I=0时称为空载特性，这一条很重要的特性。外特性：If为常数的条件下，U=f(I)。一般只讨论If=IfN时的一条特性曲线，此时当U=UN时，I=IN。2023/2/181山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作下面对他励发电机的各种特性进行分析。

效率特性，即η=f(P2)定义：当n=nN、I=0时，U=f(If)的关系曲线特性曲线可用试验方法求得（一）空载特性试验方法及接线图如下发电机由原动机拖动，保持转速n=nN，开关S1打开，励磁回路外加电压Uf，合上开关S2并调节励磁回路中的磁场调节电阻Rpf；2023/2/182山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作逐步减小If，则U0也随之减小，当If=0时，U0不等于零，称为剩磁电压，其值约为UN的（2-5）%；再将If减小到零。这样就可以测得一系列If值和对应的U0值，绘出U0=f(If)的曲线。曲线成一磁滞回线。改变励磁电流的方向，并逐渐增大，则空载电压由剩磁电压减小到零后，又逐渐升高，但极性其反，直到负的U0为额定电压的（1.1-1.3）倍为止。励磁电流If从零开始逐渐增大，直到U0=（1.1-1.3）UN为止；2023/2/183山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作平均空载特性曲线直流发电机的空载特性上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载特性曲线的形状与电机的磁化曲线形状相似。根据电动势公式，对于已制成的电机，CE为一常数，当转速一定时，Ea∝φ。而励磁磁动势Ff∝If，所以改变磁化曲线的坐标，就可以得到空载特性。2023/2/184山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电机的磁化曲线是表示电机磁路的一条特性曲线，每一台电机只有一条磁化曲线;（二）外特性1.定义：当n=nN、If=IfN时U=f(I)的关系曲线。特性曲线可用试验方法求得试验方法及接线图如图所示。而空载特性曲线是对应于某一转速的升降而成正比的上升或下移。2023/2/185山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作按右图接线，并将开关S1合上，保持n=nN，调节负载电阻R和磁场调节电阻Rpf，使U=UN时I=IN，此时的励磁电流即为额定励磁电流IfN。逐步增大负载电阻R，负载电流I就逐步减小，电枢电压则逐步增加，直到I=0，测得一系列I和对应的U值，即得到发电机的外特性曲线。在实验过程中，保持If=IfN值不变；2023/2/186山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作2.外特性曲线他励发电机的外特性是条略微下垂的曲线，即随着负载的增加，电机的端电压将有所下降。1）电枢回路的电阻压降IaRa；OIUn=nNIf

=IfNINUNU0外特性3.电压下降的因素这两个因素都随负载的增加而增大，由电势方程U=Ea-IaRa可知，端电压随负载的增大而减小。2）电机有负载后，电枢反应的去磁作用，使电枢电动势Ea比空载时小。2023/2/187山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作当负载电阻R=0，即发电机短路时，短路电流Ik很大，其值可达额定电流的数十倍，这样大的电流将使电机损坏。短路电流Ik他励发电机的额定电压变化率是指在n=nN，If=IfN时发电机从额定负载过渡到空载时，端电压升高的数值与额定电压的百分比。即一般他励发电机的△U约为（5-10）%，变化较小。△U

=U0－UNUN×100%4.电压变化率△U2023/2/188山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）调节特性定义：调节特性是在n=nN、U=UN时If=f(I)的关系曲线。从外特性可知，当负载增大时，端电压下降，若要维持U=UN不变，则随着负载的增大，必须增大励磁电流，所以他励发电机的调节特性是一条上升的曲线。OI

If

IfNIN调整特性（四）效率特性定义：在n=nN、U=UN时发电机的效率与负载的关系曲线（实际上电压U将随负载变化而变化，因变化不大，可近似认为U=UN）。2023/2/189山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作式中∑p为全部损耗，其中有一部分是不随负载变化的，称为不变损耗，如pFe、pmec；效率是指输出功率与输入功率之比:根据他励发电机的功率关系，可得pad中有一部分是不变损耗；一部分是可变损耗。有一部分是随负载变化而变化的，称为可变损耗，如pcua、pcub，一般与负载电流的二次方成正比；2023/2/190山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作要求最大效率，只需将功率表达式对I求导，即可在设计电机时，需要将各种损耗作适当的分配，使最大效率出现在(0.75-1)PN范围内，这样电机在实际使用时，能够处在较高的效率下运行，比较经济。效率曲线如图所示。可求出当不变损耗等于可变损耗时，效率达到最大值。2023/2/191山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、并励发电机并励发电机是一种自励电机，它的励磁电流不需要由外电源供给，而是取自发电机本身，所以称“自励”。并励发电机的励磁绕组是与电枢并联的，要产生励磁电流If，电枢两端必须要有电压；E＋Ua－GIfIaI分析并励发电机的运行特性前，先讨论一下它的电压建立过程，也称为“自励过程”。在电压建立起来之前，If=0，没有励磁电流，电枢两端又不可能建立起电压，那么电压如何建立？2023/2/192山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作设发电机已由原动机拖动至额定转速，由于电机磁路中有一定的剩磁，在发电机的电刷间将会有一个不大的剩磁电压。（一）自励过程在这一较高电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复作用，发电机的端电压便“自励”起来。若励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。这时把并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产生一个励磁磁动势。2023/2/193山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并励发电机的励磁电流以If很小，仅为额定电流IN的(1-5)%，因此发电机空载时的电压U0可近似看作等于Ea，所以空载特性与他励发电机的相同。式中Rf—励磁回路总电阻发电机的电压能否稳定在某一数值，可通过空载特性和磁场电阻线作进一步的分析。当Rf一定时，If与U0成线性关系，该直线的斜率为Rf，故称为磁场电阻线，简称场阻线。从励磁回路来看，If与U0的关系又必须满足欧姆定律，即2023/2/194山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作从物理过程来看，在自励过程中励磁电流是变化的，这时励磁回路的电势方程式：式中Lf为励磁绕组的电感。可见，If与U0的关系既要满足空载特性，又要满足场阻线，最后稳定点必然是场阻线与空载特性的交点A，A点所对应的电压即是空载时建立的稳定电压。OIfEErAIfrIf1If2If建立电压的过程1.自励过程2023/2/195山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作直流发电机如果逐步增大电阻Rf（即增大磁场调节电阻Rpf），场阻线斜率增大，空载电压稳定点就沿空载特性向原点移动，空载电压减小。综上所述：并励发电机的空载稳定电压U0的大小决定于空载特性与场阻线的交点。OIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk调节励磁回路中的电阻，也就是改变场阻线的斜率，即可调节空载电压的稳定点。当场阻线与空载特性的直线部分相切时，两线无固定的交点或交点很低，空载电压为不稳定，这时对应的励磁回路的总电阻Rk称为临界电阻。Rf

＜RkRf>Rk时，交点电压接近剩磁电压，无法建立电压。2023/2/196山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并励发电机的自励过程可以看出，要使发电机能够自励，必须满足下述三个条件，称为自励条件。2.自励条件1）发电机的主磁极必须要有一定的剩磁。2）励磁绕组与电枢的联接要正确，使励磁电流产生的磁场与剩磁同方向。若在某一转向下，励磁绕组与电枢的联接能使电机自励，则改变转向后，电机便不能自励。所谓励磁绕组与电枢的连接正确是对某一旋转方向而言的。发电机应按制造厂规定的旋转方向运行。因为发电机的转向改变后，剩磁电压的方向也随之改变，由此产生的励磁电流对剩磁起去磁作用。2023/2/197山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作3）励磁回路的总电阻要小于某一转速下的临界电阻。由于对应于不同的转速，电机的空载特性位置也不同，因此对应于不同的转速便有不同的临界电阻。（二）并励发电机的外特性并励发电机的空载特性和调节特性与他励发电机无多大差别。只分析并励发电机的外特性。定义：在n=nN、Rf=RfN=常数（注意：不是If=常数）时，U=f（I）的关系曲线。如果保持励磁回路的总电阻不变，发电机在高速时能自励，而在低转速时也许就不能自励。一般发电机应保持在额定转速nN下运行。为什么？2023/2/198山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作外特性也可以通过实验求出:调节励磁电流和负载电流，使电机达到额定运行状态，即U=UN、I=IN，此时励磁回路的总电阻即为RfN。U0他励并励保持RfN不变，求取不同负载时的端电压，就可得到图中曲线所示的外特性曲线，图中还表示了接成他励时的外特性。比较两条曲线，可以看出并励发电机的外特性有以下特点：先将电机拖到额定转速n=nN，使电机自励建立电压；OIU2023/2/199山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作1）并励发电机的电压调整率较他励时大。2）外特性有拐弯现象。是由发电机的自励和磁路饱和现象引起的。可说明如下：根据电路定律，若忽略If时并励发电机的电压调整率一般在20%左右。并励发电机的外特性比他励时要下降得快一些。并励发电机的励磁电流却随电枢端电压的降低而减小，这就使电枢电动势进一步下降。因为他励发电机的励磁电流If=IfN=常数，它不受端电压变化的影响；2023/2/1100山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作OI

UU0他励并励INUNRL

（瞬间Ea不变）→

I(Ia)→U

低饱和磁路RL

→U→IfIf

下降较多时→Φ→E

较大→U的下降比RL的减少得更快I=U/RLRL

→U→I→RL=0，U=0，If

=0→

Φ=Φr，

E=Er

，→

Ik

较小。If

刚下降时磁路饱和，Φ

较慢→E

较小→

I

。2023/2/1101山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并励发电机的稳态短路电流虽然不大，若发生突然短路，短路电流的最大值仍可达到额定电流的8-12倍，还是有损坏电机的危险。强调当负载电阻短路时（R=0），电枢端电压U=0，励磁电流If为零。这时电枢绕组中的电流由剩磁电势所产生。由于剩磁电动势不大，所以稳态短路电流也不大。3）稳态短路电流小因为励磁绕组有很大的电感，励磁电流及其所建立的磁通不能立即消失。为什么？2023/2/1102山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作例一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω。如果磁通Φ保持不变，求1000r/min时的电枢电势

和900r/min时的满载电压U

。

9001000E'

=E

EaN=Ua＋RaIaN=(230＋0.4×43.5)V=247V10×103230=A=43.5APNUaIaN=9001000=×247V=222VU=E'－RaIaN=(222－

0.4×43.5)V=205V解：额定电枢电流在Φ保持不变时，E∝n2023/2/1103山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作例

一并励直流发电机，输出电压U

=230V，输出电流I

=100A，Ra=0.2Ω，Rf=115Ω，n

=1500r/min，T0=17.32N·m。求发电机的输出功率P2

、电磁功率Pe、输入功率P1

和效率。

230115=A=2AURfIf=解：P2=UI=230×100W=23000WIa

=I＋If=(100＋2)A=102ApCu=RaIa2

＋RfIf2=(0.2×1022＋115×22)W=2540.8W2023/2/1104山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作p0

=T0n260=

×17.32×1500W260P1=Pe＋p0

=(25540.8＋2719.24)W=28260W

=×100%P2P1=

×100%=81.39%2300028260Pem

=P2＋PCu=25540.8W=2719.24W2023/2/1105山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作M一、直流电动机的励磁方式If+Ua－Ia+Uf－他励并励串励复励M+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I第六节直流电动机的基本方程与运行特性2023/2/1106山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作二、直流电动机的基本方程式（一）电动势平衡方程式直流电动机稳定运行时，设电枢两端外加电压为U，电枢电流为Ia，电枢电动势为Ea，则从电动机的工作原理可以知道，这时Ea与Ia是反向的，即Ea是个反电动势。

U=Ea+Iara+2△Ub=Ea+IaRa

若以U、Ea、Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机的电动势平衡方程式：在电动机中U>Ea。2023/2/1107山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）转矩平衡方程式当电动机以恒定的转速稳定运行时，电磁转矩Te与负载转矩TL及空载转矩T0相平衡，即

Tem=TL+T0可见，电动机轴上的输出转矩T2只是电磁转矩的一部分，它与负载转矩相平衡，即：

T2=Tem-T0=TL

电机转速发生变化时，因为电机转子和被它拖动的生产机械都具有转动惯量，就会产生一个惯性转矩Tj。电动机的电磁转矩是个驱动转矩。2023/2/1108山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作根据力学知识，在一个机械系统中，任何瞬间都必须保持转矩平衡，于是电动机的转矩方程式：在电力拖动中称运动方程式。在电动机中，电磁转矩>机械转矩。（三）功率平衡方程式直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1，除去电枢回路的铜损耗pcua，电刷接触损耗pcub及励磁回路铜耗pcuf，其余部分便是转变为机械功率的电磁功率Pem；从机械的观点：直流电动机的电磁功率Pem也就是电枢所发出的全部机械功率Tem。2023/2/1109山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作从电的观点来看，由于电动机的电枢电动势是个反电动势，它与Ia反向，所以EaIa表示电枢所吸收的电功率。因此和发电机一样，电动机的电磁功率：

Pem=Tem=EaIa

电磁功率并不能全部用来输出，它必须补偿机械损耗pmec、铁耗pFe和附加损耗pad，最后剩下的部分才是对外输出的机械功率P2

Pe=P2+pmec+pFe+pad=P2+

p0直流电动机的功率平衡方程式：

P1=pcua+pcub+pcuf+Pe=pcua+pcub+pcuf+pmec+pFe+pad+P2=Σp+P2

2023/2/1110山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作并励直流电动机的功率图如下:2023/2/1111山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作他励直流电动机的转向

Tem

的方向取决于Φ和Ia的方向。M+Ua－IaIf+Uf－M+Ua－IaIf－Uf+M－Ua+IaIf+Uf－磁场反向电枢反向取决于电磁转矩Tem

的方向。2023/2/1112山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作三、他励（并励）直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性包括转速特性、转矩特性效率特性，三者与输出功率P2（Ia）的关系，即n、T、η=f（P2）或n、T、η=f（Ia），还包括转速-转矩特性。试验方法求取运行特性曲线接线图下如图所示。图中Rst为起动电阻，Rpf为磁场调节电阻。在U=UN时，调节电动机的负载和励磁电流，使输出功率为额定功率PN，转速为额定转速nN，此时的励磁电流即为IfN。2023/2/1113山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作保持U=UN、If=IfN不变，改变电动机的负载，测得相应的转速n、负载转矩TL和输出功率P2，就可画运行特性。（一）转速调整特性以Ea=CeΦn代入电动势平衡方程式U=Ea+IaRa，即可得到转速公式2023/2/1114山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作对于一定的电动机，Ce为一常数，则当U=UN时，影响转速的因素有两个：1）电枢回路的电阻压降IaRa；因为If=IfN=常数，因此磁通仅受电枢反应的影响。对各种励磁方式的电动机都适用。2）磁通Φ。而电枢反应的去磁作用却使转速上升。当负载增加时，电枢电流Ia增大，电枢压降IaRa也随之增大，使转速下降；2023/2/1115山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作若IaRa的影响大，则转速随负载增大而下降；因此在设计电动机时，同时考虑了上述两个因素的影响，而使电动机具有略为下降的转速调整特性。为了使电力系统稳定运行，通常希望转速随负载增加而降低。若电枢反应的去磁作用影响大，则转速将随负载的增大而上升。这两个因素的相反作用，结果使电动机的转速变化很小。2023/2/1116山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（二）转矩特性输出功率P2=TL，所以实际上，当P2增加时转速n有所下降，因此TL=f（P2）的关系曲线将稍向上弯曲。由此可见，当转速不变TL=f（P2）为一通过原点的直线。注意该曲线与课本中的不同。为什么？电磁转矩Te=TL+T0，因此只要在TL=f（P2）的曲线上加上空载转矩T0，便可得到TL=f（P2）的关系曲线，当P2=0时，TL=0，这时Te=T0。2023/2/1117山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（三）效率特性根据直流电动机的功率平衡方程式和流程图，可得：效率特性的分析与发电机相同。他（并）励直流电动机的工作特性曲线如下图所示。2023/2/1118山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作他励直流电动机的工作特性曲线2023/2/1119山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作（四）机械特性直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、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，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电动机的电势平衡方程式、电枢电势和电磁转矩的公式，得机械特性的表达式：2023/2/1120山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作n'0称为理想空载转速。实际空载转速n=UaCeΦ

－RCeCTΦ2Te

=n'0－α

Te=n'0－△nα=

dndTRCeCTΦ2=特性曲线的斜率转速降△n

RCeCTΦ2=△nTeTeTNT0nnNn'0n0n0=UaCeΦ

－RCeCTΦ2T0

他励（并励）直流电动机的机械特性是一条略向下倾斜的直线。2023/2/1121山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作电动机从空载到满载转速变化的程度，用理想空载转速n'0与额定转速nN之差与额定转速的百分比表示。称为电动机的额定转速调整率△n%。他（并）励电动机的转速调整率很小，只有（2-8）%左右，基本上可以认为是一种恒速电动机。若直流电动机转速随负载转矩变化不大，即特性曲线斜率很小，称机械特性为硬特性，反之称为软特性。2023/2/1122山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作weipeiyu制作四、串励电动机的运行特性他励或并励电动机，若不计电枢反应，可认为Ф与负载无关。串励电动机当输出功率P2增加时，电枢电流Ia随之增大，电枢回路的电阻压降也增大；（一）转速调整特性串励电动机的特点：串励电动机励磁绕组与电枢串联，故励磁电流If=Ia=I与负载有关；串励电动机的气隙磁通Ф将随负载的变化而变化；因为Ia=If，所以气隙磁通也必然增大。2023/2/1123山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作