第三章直流电机(2-5)

思考电是怎么产生的？电动机是如何旋转的？一、电机中所用的主要材料：已经知道电机是进行机电能量转换或讯号转换的机械电磁装置，由此，电机中所用的材料无外乎：1）导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝。2）导磁材料：构成电机中的磁路系统，要求材料具有较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和铸钢。电机中通用的知识

3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。

4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。四、电机的发热：任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的现象，我们已经学过了电工，那么，很显然，这是损耗的出现所导致的结果。1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我们称之为温升。电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关：五、电机的冷却：电机的冷却快慢直接决定了电机的寿命和额定容量。1）冷却介质：空气，氢气，水和油2）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均采用内部冷却方式。

六、电机的防护：电机的防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式。1）开启式：即电机的定子两端和端盖上都有很大的通分口，散热好但只能在清洁、干净的环境中使用。2）防护式：机座下面有通风口，散热好，但不能防止潮气和灰尘，适于在干燥的环境中使用。3）封闭式：完全封闭，适用于任何环境中4）防爆式：在封闭的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度。适用与易燃易爆的场合。七、电机学中常用的几个基本电磁定理线圈不动，磁链随时间而改变1、电磁感应定律（磁生电的基本定律）磁链在时间上不变，但线圈在空间上发生位移——变压器电势——速度电势2、电磁力定律电路磁路物理量电流I（A）磁通F（Wb）电流密度J（A/m2)磁通密度B（Wb/m2)电动势E（V）磁动势F（A）电阻R（W）磁阻Rm（1/H）电导G（S）磁导Lm（H）定律基尔霍夫第一定律磁路节点定律基尔霍夫第二定律全电流定律电路欧姆定律磁路欧姆定律磁路的基尔霍夫第一定律流过磁路任一节的磁通的代数和等于零，表达式为

132磁路的基尔霍夫第二定律作用在磁路上的总磁动势等于各段磁路的磁压降之和，表达式为：八、常用的铁磁材料及其特性1、铁磁材料的磁化特性铁磁物质包括铁镍钴以及它们的合金。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。图1-6磁畴(A)未磁化

(B)磁化外加磁场HH图1-7铁磁材料的起始磁化曲线abcd

设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近铁磁材料的磁滞回线HBabcdef2、磁化曲线起始磁化曲线基本磁化曲线BH硬磁材料的磁化曲线软磁材料的磁化曲线3、磁滞损耗和涡流损耗在交流磁路中，磁场强度的大小和方向不断变化，铁磁材料磁化方向反复变化，使磁畴方向也不断来回排列，磁畴彼此之间摩擦引起的损耗称为磁滞损耗铁心是导电的，交变的磁通也能在铁心中感性电动势，并引起环流，这些环流在铁心内部围绕磁通做涡流状流动，称为涡流。涡流在铁心中引起的损耗称为涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗，总称铁心损耗硅钢片中的涡流 B

八、能量守恒定律：物理中的能量守恒定律在这里同样使用，稳态运行时，第三章直流电动机直流电机是电机的主要类型之一，一台直流电机即可以作为发电机使用又可以作为电动机使用。用作发电机使用可以获得直流电源，用作电动机，由于具有良好的调速性能，在许多对调速性能要求比较高的场合得到广泛的使用。由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。二、直流电机的用途(a）地铁列车

(b)城市电车(c）电动自行车

(d)造纸机直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直流电焊机电源等，如图1-4所示。(a）电解铝车间

(b)电镀车间图1-4直流发电机的用途优点直流电动机具有优良的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制。二、直流电机的优缺点1.直流电动机以其良好的起动性和调速性能著称。2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。

三、直流电机的工作原理

1、直流发电机工作原理

思考当线圈旋转180度后，线圈上ab边电流的方向怎么变化？通过上述分析，你能说出直流电机的关键部件是什么吗？-+-+分析ωt=0°时，E端为☉，与之相接触的电刷B为+，F端为⊕，与之相接触的电刷A为-；当电枢旋转了180°后，在上图b中ωt=180°时，E端旋转到N极下，E端为⊕，F端旋转到S极下，F端为☉。线圈红色边感应电势波形图直流发电机换向器和电刷作用从分析中可得出：S极下导体电势指向纸外，电刷B总为+；N极下导体电势指向纸内，电刷A总为-，不难看出，线圈中的电势是交流电势，而通过换向器的作用，使电刷间的电势为直流电势。换向器和电刷的共同作用：①将线圈中的交流电势整流成刷间的直流电势；②把转动的电路与外面不转的电路连接。从刷间电势波形看，电势脉动很大，为了减小电势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律连接，刷间串联元件数增多，脉动减小，就得到所需的直流电。电刷A与B间的电动势波形思考：如果没有换向器，电刷A、B间的电动势波形是什么样的？2、直流电动机的工作原理在电动机中换向器和电刷的作用换向器和电刷的共同作用是：1、保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机能连续的旋转。2、将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；3、把外面不转的电路与转动的电路连接。思考：若无换向器，会出现什么结果？换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。（线框平面跟磁场方向垂直位置）3、直流电机的可逆性：

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流发电机对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能，成为电动机。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。根据电磁定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，当其运行时，电枢绕组切割了磁场，就要产生感应电势，由于电枢绕组中又有电流通过（带负载），其与磁场的作用就会产生电磁转矩。四、直流电机电枢感应电动势和电磁转矩CE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=CEn根据：e=blv推导TnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。U–+U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷当直流电机运行于电动机状态时，电枢感应电动势E与电枢电流相反，电机吸收电网的电能，所以称反电势。U+–EETnSbNdFFacII换向片电刷当直流电机运行于发电状态时，感应电动势的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通过电刷输出电能。CT:与电机结构有关的常数

:

线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流2.

电磁转矩单位:(韦伯)，Ia(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通

相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为T=CT

Ia电磁转矩的方向：当直流电机运行于电动工作状态时，电磁转矩的方向与转速的方向相同，起驱动的作用，为拖动转矩，说明此时的电机输出了机械能。当直流电机工作于发电（制动）状态时，其电磁转矩的方向与转速的方向相反，是阻转矩，说明此时电机在吸收机械能。注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机的额定容量为：而直流电动机的额定功率为：课后思考 如何改变直流电动机的旋转方向？

3.2、直流电机的基本结构观看视频回答下列问题直流电动机的主要部件有哪些？换向极的作用是什么？转子铁心为何用硅钢片叠压而成？换向器的作用？三、直流电机的基本结构直流电机的结构示意图如图所示。它由定子和转子两个基本部分组成。a)为结构图b)为轴向截面图。

a)b)a)1—端盖2—风扇3—机座4—电枢5—主磁极6—刷架7—换向器8—接线板9—出线盒10—换向器b)1—机座2—主磁极3—转轴4—电枢铁心5—换向磁极6—电枢绕组7—换向器8—电刷打开直流电动机的端盖，由定子和转子两大部分组成，直流电动机的转子也叫电枢。不过在直流电动机的转子一端装有换向器1—轴承；2—轴；3—电枢绕组；4—换向极绕组；5—电枢铁心；6—后端盖；7—刷杆座；8—换向器；9—电刷；10—主磁极；11—机座；12—励磁绕组；13—风扇；14—前端盖三、直流电机的基本结构风叶磁极电刷电枢转子转轴换向器换向片压紧环电枢绕组绕组端部换向器直流电机的基本结构剖面图1-电枢绕组；2-电枢铁心；3-主磁极铁心；4-励磁绕组；5-换向极铁心；6-换向极绕组；7-主磁极磁靴；1.定子部分：

主磁极其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。铁心的上部叫极身，下部叫磁靴。磁靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。机座有两个作用，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。换向极换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机格不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。

换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花——电磁原因（还有机械、电化学等原因）。

换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。

换向火花克服：（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况说明）：1.换向极；2.移动电刷（与转向有关，发电机和电动机正好相反）。——见书P.67图5-2-4，注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。

克服火花应移动的方向（助记）：——“顺发、逆动”。换向及换向火花电刷装置其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流与内部交流的互换2.转子部分转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。电枢铁心有两个作用：一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁心通常采用0.35～0.5mm硅钢片冲压叠成。电枢绕组作用是产生感生电动势和电磁转矩，从而实现电能和机械能的相互转换。换向器换向片压紧环电枢绕组绕组端部换向器电枢转子转轴转轴、支架和风记扇对于小容量的直流电机，电枢铁心装在轴上。对于大容量的直流电机，为减少硅钢片的消耗和转子重量，轴上装有金属支架，电枢铁心装在金属支架上。为了加强电机的散热，轴上还装有风扇。1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；换向器是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中，能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。

3．换向器换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体，装在转子转轴的一端。转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上。换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。当转子转轴每旋转180°时，接在相应换向片上的直流电改变一次极性，相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电，保证了形成固定方向的电磁转矩。换向器是直流电动机的标志性部件，它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。图1.9换向器结构1—V形套筒；2—云母片；3—换向片；4—联结片直流电机的铭牌数据

1．额定容量（功率）（kW）

2．额定电压（V）；

3．额定电流（A）;4．额定转速（r／min）；

5.额定励磁电压(V)5．励磁方式和额定励磁电流（A）五、直流电机的铭牌数据与系列1．直流电机铭牌数据电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行。凡表征电机额定运行情况的各种数据均称为额定值，标注在电机铝制铭牌上，它是正确合理使用电机的依据。直流电机的主要额定值如表1-1所示。表1-1直流电机铭牌

（1）额定容量(额定功率)PN(kW)额定容量指电机的输出功率。对发电机而言，是指输出的电功率；对电动机，则是指转轴上输出的机械功率。（2）额定电压UN(V)和额定电流IN(A)注意它们不同于电机的电枢电压Ua和电枢电流Ia，发电机的UN、IN是输出值，电动机的UN、IN是输入值。（3）额定转速nN（r/min)额定转速是指在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。电机在实际应用时，是否处于额定运行情况，要由负载的大小决定。一般不允许电机超过额定值运行，因为这样会缩短电机的使用寿命，甚至损坏电机。但也不能让电机长期轻载运行，这样不能充分利用设备，运行效率低，所以应该根据负载大小合理选择电机。2．直流电机系列我国目前生产的直流电机主要有以下系列。(1)Z2系列该系列为一般用途的小型直流电机系列。“Z”表示直流，“2”表示第二次改进设计。系列容量为0.4kW～200kW，电动机电压为1lOV、220V，发电机电压为1l5V、230V，属防护式。(2)ZF和ZD系列这两个系列为一般用途的中型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动机。系列容量为55kW～145OkW。(3)ZZJ系列该系列为起重、冶金用直流电机系列。。电压有220V、440V两种。工作方式有连续、短时和断续三种。ZZJ系列电机启动快速，过载能力大。此外，还有ZQ直流牵引电动机系列及用于易爆场合的ZA防爆安全型直流电机系列等。常见电机产品系列见表1-2。表1-2常见电机产品系列

2．直流电动机的铭牌数据

1）系列型号 电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音和阿拉伯数字表示。其中，拼音字母取自电机全名中有代表意义的汉字拼音的开头字母。例如Z2-61的含义为：Z2-61一般用途防护式小型直流电机机座号第二次改型设计铁芯长度符号

2）额定数据 根据国家标准，直流电动机的主要额定数据有： （1）额定容量（额定功率），用Pn表示，单位为瓦（W）或千瓦(kW）； （2）额定电压，用Un表示，单位为伏特（V）； （3）额定电流，用In表示，单位为安培（A）； （4）额定转速，用nn表示，单位为转/每分（r/min）； （5）额定励磁电压，用Ufn表示，单位为伏特（V）； （6）额定励磁电流，用Ifn表示，单位为安培（A）。其中，额定容量是指电机的额定输出功率。对电动机来说，它是转轴上输出的机械功率，等于额定电压、额定电流和额定效率的乘积，即Pn=Un·In·ηn复习提问直流电动机的主要部件有哪些？电枢中流过的是直流电吗？在直流电动机正常运行时换向器是静止的吗？换向器的作用？换向极的作用是什么？它装在什么位置？它的绕组如何励磁？如将已调整好的换向磁极绕组接反，运行时会出现什么现象？转子铁心为何用硅钢片叠压而成？为什么在硅钢片间涂绝缘漆？注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机的额定容量为：而直流电动机的额定功率为：课后思考 如何改变直流电动机的旋转方向？3.3他励直流电动机的工作特性一、直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。UUeIaM+_+_Ie他励他励式直流电机和励磁电流与电枢电流无关，不受电枢回路的影响，机械特性较硬，适用于精密加工直流电动机拖动系统。2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。IaUM+_If+_IE并励连接特点：励磁电源与电枢电源由同一电源供电，与他励方式相比，可节省一个直流电源。并励直流电机的特性基本与他励相同，机械特性较硬，一般用于恒压拖动系统，故中小型直流电机多采用并励方式。3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。串励电动机机械特性软，起动转矩随着起动负载的增加而增加，一般用于起动力矩大的场合，如拖动闸门，电车，电力机车等类的负荷4.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。复励U+_IMIa积复励直流电机具有较大的起动转矩，机械特性软，介于并励与串励之间。多用于起动转矩要求较大，转速变化不大的负载差复励起动转矩小，机械特性较硬（有时会出现还上翘，影响其稳定性），一般用于起动转矩要求较小的小型恒压拖动系统中。直流电动机的类型有哪些？各自有何特点？根据电磁定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，当其运行时，电枢绕组切割了磁场，就要产生感应电势，由于电枢绕组中又有电流通过（带负载），其与磁场的作用就会产生电磁转矩。二、直流电机电枢感应电动势和电磁转矩CE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=CEn根据：e=blv推导TnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。U–+U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷当直流电机运行于电动机状态时，电枢感应电动势E与电枢电流相反，电机吸收电网的电能，所以称反电势。U+–EETnSbNdFFacII换向片电刷当直流电机运行于发电状态时，感应电动势的方向与电枢电流的实际方向相同。电枢绕组通过电刷输出电能。CT:与电机结构有关的常数

:

线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流2.

电磁转矩单位:(韦伯)，Ia(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通

相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为T=CT

Ia思考：直流发电机和直流电动机的电磁转矩与转子转动方向之间是什么关系？电磁转矩的方向：当直流电机运行于电动工作状态时，电磁转矩的方向与转速的方向相同，起驱动的作用，为拖动转矩，说明此时的电机输出了机械能。当直流电机工作于发电（制动）状态时，其电磁转矩的方向与转速的方向相反，是阻转矩，说明此时电机在吸收机械能。式中：U—外加电压

Ra

—绕组电阻

DU—电刷与换向器的接触压降1.

电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UM三、直流电动机的基本方程式EETnSbNdFFacII换向片电刷2、转矩平衡关系如果直流电动机只受到电磁转矩T的驱动，它将加速旋转。但是，在稳定状态下直流电动机都保持一定的转速。这是因为电动机的转子除了受到电磁转矩T的作用外，还受到负载转矩TL、空气阻力和磨擦力等的阻力转矩T0的作用。根据刚体力学理论，当电动机稳定运转时，转子上的驱动转矩应该和阻力转矩相平衡，即

T=TL+T0

上式称为直流电动机的转矩平衡方程式，它说明直流电动机在稳定运行状态下，其电磁转矩总是和阻力转矩相平衡。如果负载转矩发生变化，其电磁转矩也将跟着改变。

3功率平衡关系直流电动机在带动负载旋转的过程中将对负载做功，输出一定的机械功率P2。电动机的输入功率为直流电源提供的电功率P1。输入电功率P1并不能完全转换为输出机械功率P2。因为在定子和转子的电路和磁路中存在损耗，另外，空气阻力和磨擦力等的阻力转矩也要损失一定的功率。P1=UIaP=P1-pa=EaIa电磁功率：输出的机械功率:例:

有一并励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,UN=110V,

nN=1000r/min,

=0.84,并已知Rf=27.5，Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If

;(2)功率损耗(3)额定转矩T;(4)反电动势E。解：(1)P2是输出功率，额定输入功率为额定电流额定励磁电流额定电枢电流（2）总损失功率（3）额定转矩（4）反电动势复习思考题如果运行中励磁回路断线，将会有什么后果？如果起动时励磁回路断线，将会有什么后果？如何改变直流电动机的转动方向？串励直流电动机和并励直流电动机各自的特点四、他励直流电动机的工作特性1、转速特性转速特性是指当U=UN，Ie=IeN，电枢回路无外加电阻时，n=ƒ(Ia)关系。将反电动势方程式Ea=CeΦ·n带入电压平衡方程式U=Ea+Ia·Ra可得：式中：n0——理想空载转速

b1——转速特性斜率，主磁通不变时为常数显然，转速特性是一条斜率为b的直线。由上式可以看出，直线下垂有两个因素：当负载增加时，电枢电流Ia也增大则电阻压降IaRa增大而使转速下降但电枢反应的去磁作用使有效磁通F减小，而使转速趋向上升。2、转矩特性转矩特性是指当U=UN，Ie=IeN，电枢回路无外加电阻时，T=ƒ(Ia)关系。根据转矩公式T=CTΦIa，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。3、效率特性效率特性是指当U=UN，Ie=IeN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，h=ƒ(Ia)关系。根据效率的定义可得：式中总损耗：空载损耗：不变损耗铜耗：可变损耗，随着负荷的变化而变化根据当直流电动机的效率最高当Ia=0时（空载），P2=0，h=0当负载增加（Ia增加）→P2增加→h增加思考1：随着电枢电流的增加效率会一直随着增加吗?思考2：如果不会一直增加？什么时候达到最大值呢？效率特性告诉我们，当在电动机空载轻载和过载运行时效率很低，额定负载时效率最高，所以使用和选择电动机时应尽量使电动机工作在效率高的区域。试比较他励直流电动机与串励直流电动机的工作特性，说明他们为何不同？图3-14复励电动机的转矩-转速特性复励串励并励3.4直流电动机的机械特性定义：电动机的机械特性就是指在东东机的点数电压，励磁电流，电枢总电阻为恒值的条件下，电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线，即n=f（T）。一、机械特性（他励直流电动机）方程式UUeIaM+_+_Ie他励他励直流电动机的机械特性方程为：n0nNTNn0T

n式中：——理想空载转速电动机的理想空载转速与电动机带负载后的转速n之差称为转速降：bT——机械特性的斜率n0nNTNn0T

n转速降Dn与电枢回路电阻成正比。附加电阻越大，bT越大，Dn越大，机械特性就越软，通常称bT大的机械特性为软特性。一般他励电动机在电枢上没有外界电阻时，机械特性都比较硬。当他励电动机电枢电压U及磁通F均为额定值，电枢回路没有外界电阻时的机械特性称为固有机械特性。人为机械特性是人为改变电动机参数或电枢电压的值而得到的机械特性。他励电动机的人为机械特性有：电枢回路串电阻时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性减弱电机磁通时的人为机械特性1、电枢回路串电阻时的人为机械特性Rann0TRa

+

R电阻增大电枢中串入电阻,使Dn

、

n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。2、改变电枢电压时的人为机械特性n0"n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0由上式：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。保持电枢电压F=FN，电枢不接电阻，改变电枢电压后的人为机械特性

。TLT3、减弱电机磁通时的人为机械特性n（

减小）Rf增加O0n¢保持电枢电压U=UN，电枢不接电阻，改变励磁电流If(调R´f)以改变磁通

。由上式可知，当F减小时，理想空载转速n0增加，特性斜率bT增大。而电枢电流不变，电磁转矩将随磁通的减弱而减小请画出直流电动机的（1）固有机械特性曲线，（2）电枢回路串电阻的人为机械特性曲线（3）改变电枢电压的人为机械特性曲线（4）减弱电机磁通的人为机械特性曲线并请说明，哪种人为机械特性曲线相对于固有机械特性曲线变软了？1.他励式直流电动机在下列条件下，转速、转子电流和感应电动势是否改变？（1）励磁电流和负载转矩不变，转子电压降低；（2）转子电压和负载转矩不变，励磁电流减小；（3）转子电压、励磁电流和负载转矩不变，与转子串联一个适当阻值的电阻思考题2.有一台并励式直流电动机启动后发现转向不对，问有哪些方法可以改变这台电动机的转向，若将电源极性对调能否改变其转向？3.一台直流电动机的额定转速为3000r/min，如果转子电压和励磁电流均为额定值，试问该电机是否允许在转速为2500r/min下长期运行？为什么？3.5直流电动机的起动直流电动机的转速从零加速到稳定的运行速度的过程，称为直流电动机的起动。一、直流电动机起动的要求要求：1.电枢起动电流应限制到允许值之内.2.具有足够量的起动转矩.起动时,n=0二、起动存在问题：(1)起动电流大–RaIaE+–+UM(2)起动转矩大直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。一般Is限制在(1.5~2.5)IN。后果：产生较大的起动转矩造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；引起电网电压波动；三、起动方法(1)电枢串电阻起动法在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。UUeIaM+_+_Ie电枢回路串电阻(2)降压起动法：最大起动电压Ust为降压启动只能在电动机有专用电源时才能采用。启动时，通过降低电枢电压来达到限制启动电流的目的。为保证足够大的启动转矩，应保持磁通不变，待电动机启动后，随着转速的上升、反电动势的增加，再逐步提高其电枢电压，直至将电压恢复到额定值，电动机在全压下稳定运行。降压启动虽然需要专用电源，设备投资大，但它启动电流小，升速平滑，并且启动过程中能量消耗也较少，因而得到广泛应用。(1)

电动机静止时，励磁回路断开或者较小，由于转矩太小(T=CTIa),电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。

四、注意事项直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。–RaIaE+–+UM(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。(3)如果电机在空载运行，断开励磁回路可能造成飞车，使电机遭严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。（E

IaT>>

T0

n飞车）知识点一直流电动机单向旋转起动电路①设计思路：起动时串入电阻；起动完毕切除电阻②控制原则：时间控制①设计思路：起动时串入电阻；起动完毕切除电阻②控制原则：时间控制③电路设置的保护：过载、欠电流、短路①设计思想：起动时串入电阻；起动完毕切除电阻②控制原则：时间控制③电路设置的保护：五、反转电磁转矩：T=KTIa

(1)改变励磁电流的方向。

(2)改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。

1.调速均匀平滑，可以无级调速。

2.调速范围大，调速比可达200以上(调速比等于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。主要优点：由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。3.6他励（并励）直流电动机的调速可见：在U一定的情况下，改变可改变转速n。一、改变磁通调速保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调R´f)以改变磁通

。由式Rf

Ifn一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即改变磁通调速的方法：减小磁通，n只能上调。改变时的机械特性如图。TLTn（

减小）Rf增加O调速过程:直至T=TC达到新的平衡。电压U保持一定,减小磁通。

Rf

EIａnIa

E瞬间T

>T２T

(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达3~4,

例如530~2120r/min及310~1240r/min。

减小调速的特点：(1)若调速后Ia

保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。使用调磁调速时应注意：二、改变电压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0"n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0改变电压调速的特点:(1)工作时电压不允许超过UN

，而nU,所以调速只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(4)调速幅度较大。改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。调速过程:保持If

为额定,减小电枢电压。

UIa

T

T

=TC稳定n

E

Ia

T

例:

有一他励电动机，已知U=220V,Ia=53.8A,n=1500r/minRa=0.7。今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转矩降低多少？解:由T=CT

Ia可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n对原来的转速n之比为三、电枢回路串电阻调速电枢中串入电阻,使

n、

n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。Rann0T

电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。特点：(1)设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。(3)能量损耗大，只用于小型直流机。Ra

+

R电阻增大①设计思想：起动时串入电阻；起动完毕切除电阻。调速时分别串入电阻R1，R2，电动机达到三个转速。②控制原则：起动时时间控制，调速手动控制③电路设置的保护：过载、欠电流、短路3.6直流电动机的制动控制制动分为两种机械制动：电磁抱闸电气制动：电动机的电磁转矩与转速反向的状态能耗制动回馈制动反接制动一、能耗制动能耗制动是把正在运转的直流电动机的电枢从电源上断开，迅速外接制动电阻组成回路，产生制动的方法。注意：励磁回路保持额定电流不变能耗制动的过程：在电机运行于电动状态切除电枢电源，输入功率为零，但由于惯性的作用（电机贮存的动能作用），转子继续旋转，切割磁场，产生感应电动势由电枢电势向闭合的电枢回路提供电流，电流方向与电枢电势方向相同，所以称其为发电状态，而磁场方向不变，而电流的方向变了，所以电磁转矩的方向变了，与转速方向相反，故称其为制动工作状态，

应用能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。（1）能量传递关系系统将本身贮存的动能发电，转换成电能，消耗在电枢回路的电阻上。（2）电枢电流反向，其产生的转矩也反向，成制动转矩，所以此时的电枢电流称制动电流。特点①设计思想：起动时串入电阻；起动完毕切除电阻。制动时切除电源并串入制动电