电机与拖动高职PPT完整全套教学课件

绪论绪论.pptx第1章直流电机.pptx第2章直流电动机的电力拖动.pptx第3章变压器.pptx第4章三相异步电动机.pptx第5章三相异步电动机的电力拖动.pptx第6章其他用途的电动机.pptx第7章控制电机.pptx第8章电力拖动系统中电动机的选择.pptx全套可编辑PPT课件一、电机及电力拖动系统概述1.电机的概念

电机是发电机（机械能转换为电能）和电动机（电能转换为机械能）的统称，它是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。一般发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是将机械能转换为电能。目前常用的是利用热能、水能、风能等推动发电机转子旋转发电。电动机在电路中用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电机是电气化的核心，是机电一体化的重要基础。因此，电机工业是机械工业的重要组成部分。随着国民经济和科学技术的不断发展，电机工业的发展也不断深化、完善。2.电机的主要分类电机主要包括直流电机和交流电机，如图0-1所示。（1）直流电机。直流电机是电机的主要类型之一，一台直流电机既可作为发电机使用，也可作为电动机使用，能够实现直流电能和机械能之间的相互转换。直流电机具有以下特点。①直流电动机具有较宽的调速范围，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。②过载能力强，能承受频繁的冲击负载，能满足自动化生产系统中的各种特殊运行要求。③直流发电机能提供无脉动的大功率直流电源，电势波形较好，对电磁干扰的影响小，且输出电压容易精确地调节和控制。④制造工艺复杂，消耗有机金属较多，生产成本高。⑤由于直流电机运行时电刷和换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护保养困难。根据励磁方式的不同，直流电机可分为四种类型：他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。（2）交流电机。交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的驱动设备。交流电机结构简单，制造方便，结构比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。由图0-1可见，交流电机分为同步电机和异步电机两大类。同步电机可用来作为发电机和电动机使用。其中，同步电动机的转速与所接电网的频率之间存在着严格不变的关系。异步电机主要用于电动机使用，它通常分为笼型电动机和绕线型电动机。异步电动机的定子绕组由电源供给励磁电流，建立磁场，电磁感应的作用使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现电机能量转换。因其转子电流是由电磁感应作用产生的，所以，异步电动机也称为感应电动机。3.电动机拖动用电动机拖动生产机械的拖动方式，称为电机拖动或电力拖动。与其他原动机相比，电动机的控制方法更为简便，并且可以实现遥控和自动控制。电力拖动系统主要由电动机、传动机构和控制设备（包括反馈装置）三个基本环组成。反馈装置往往也是用控制电机实现反馈功能的。例如，可用测速发电机检测电动机的转速，用旋转变压器检测电动机的角位移，用感应同步器检测工作机械的位移等。电力拖动流程框图如图0-2所示。4.电动机的主要应用直流电动机应用广泛，其中应用最广的是直流电动工具，其已取代手工工具广泛应用于机械、建筑、机电等行业以及冶金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗卫生等各个方面，并且广为个体劳动者及家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景十分广阔。此外，在许多工业部门，大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备等要求线速度严格一致的地方，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其他用途，如测速电机、伺服电机等。直流电动机的技术发展经历了100多年的历史，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新活力。未来电动机将沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。同步电动机可以吸收领先性的无功功率，在要求改善功率因数的条件下，不调速的大功率电机选用同步电动机。同步电动机也用于负载变化时要求转速恒定不变的情况。异步电动机分为三相异步电动机和单相异步电动机两大类。三相异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠等优点，还具有较高的运行效率和较好的运行特性，从空载到满载接近恒速运行，在工业生产、农业机械化、民用电器等方面应用广泛，需求量居各种电机之首（占90%左右），在电网总负荷中占65%左右。单相异步电动机用于只有单相电源的家用电器和医疗设备中。

在实际应用中，启动转矩、调速性能要求不高的各种机床、水泵、通风机可选用普通笼型异步电动机；功率不大、有级调速的电梯等可选用多速电动机；而调速范围较大，调速要求平滑的龙门刨床、高精度机床、可逆轧钢机等选用可变频调速的同步电动机或异步电动机。二、本课程的性质、内容和学习方法本课程是电气自动化技术、机电一体化技术、生产过程自动化技术等专业的一门重要的技术基础课，是将“电机原理”和“电力拖动基础”两门课程的内容有机结合，主要分析研究直流电机、变压器、三相异步电动机的基本理论及其电力拖动的基本规律，简单介绍常用交流电动机、常用控制电机的原理及应用和电力拖动系统电动机容量的选择问题。本课程是运用电工基础的基本理论分析研究各类电机内部的电磁物理过程，从而得到各类电机的一般规律及其特性。但它与电工基础等基础课的性质不同，在电机与拖动课程中，不仅有理论的分析推导，磁场的抽象叙述，而且要用基本理论分析研究比较复杂的又往往带有机、电、磁综合性的工程实际问题。这是本课程的特点，也是学习的难点。因此，必须有良好的学习方法才能学好本课程。这里提供以下学习方法供参考。（1）学习之前，必须理解与掌握电和磁的基本概念，能够熟练运用电磁感应定律、安培定律、电路和磁路定律、力学、机械制图等已学过的知识。（2）学习过程中，对于电机结构，要弄清各主要部件的组成和作用；对于有关公式，要从物理概念上去理解和记忆，不要死记硬背。本课程涉及电机的类型较多，要注意各种电机结构的异同点、电磁关系和能量转换关系的异同点、拖动问题的异同点等，运用总结对比的方法融会贯通，加深理解。分析实际问题时，要运用工程的观点和方法，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，从而简化实际问题的分析和计算过程。（3）为了提高课堂学习效果，课前应预习，一是对相关的已学知识进行回顾和补遗，二是把将要学到的内容浏览一遍，对新的名词和术语及相关内容有所了解，便于有的放矢地听课；课后应及时复习和小结，并选做适当的思考与练习题，以巩固所学的理论知识，提高理解和应用能力。（4）必须进行必要的实验和实习，一是对基本理论进行验证，二是培养和提高实际操作技能和工作能力。电机与拖动为后续“自动控制原理”“交、直流调速系统”“工厂电气控制设备”等课程做基础技术准备，为日后工作中对电力拖动设备的技术管理和生产第一线的选配、安装调试、操作、维护与检修等工作打下良好的基础。三、电机理论中常用的物理概念和基本电磁定律电磁感应是电机最基本的工作原理。因此，要想了解电机的工作原理及性能，必须具备电、磁方面的基础知识。在电工基础课程中，已经学习了有关电路及磁路的知识。为了进一步掌握电机、变压器的工作原理及性能，需要准备必要的基础知识，下面对磁路方面的知识进行复习和补充。1.磁感应强度

磁场是由电流产生的。描述磁场强弱及方向的物理量是磁感应强度（磁通密度），用B表示。磁感应强度与产生它的电流之间的关系用毕奥-萨伐尔定律描述，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系，如图0-3所示。为了形象地描绘磁场，常采用磁感应线（磁力线）来表示。磁力线是无头无尾的闭合曲线。如图0-4所示，分别画出了直线电流、环形电流、螺线管电流产生的磁力线。2.磁通和磁场强度（1）磁通。磁感应强度B描述的只是空间某一点的磁场，若要描述一个给定面上的磁场，就要用另一个物理量，即磁通量，简称磁通。如果在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，面积为A，则磁通Φ为

Φ=BA

（0-1）磁感应强度B的单位是特斯拉（T），面积A的单位是平方米（m2），则磁通Φ的单位是韦伯（Wb）。如果B的单位为高斯（Gs），A的单位为平方厘米（cm2），则Φ的单位是麦克斯韦（Mx）。1Mx=10−8

Wb

（0-2）磁感应强度可以看成是单位面积内的磁通，所以磁感应强度又称磁通密度。（2）磁场强度。磁场强度是计算磁场时引用的物理量，用H表示，B=µH，单位为安培/米（A/m）。式中的μ为磁导率，真空中的磁导率µ0≈4π×10−7

H/m，µr=µ/µ0

为导磁介质的相对磁导率。非铁磁材料的相对磁导率近似为1。3.铁磁材料的磁化特性（1）铁磁材料的磁化。将铁、钴和镍等铁磁材料放进磁场后，磁场将明显增强，铁磁材料呈现很强的磁性，这种现象称为铁磁材料的磁化。（2）起始磁化曲线和磁滞回线。

①起始磁化曲线。将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，B=f（H）描述的曲线就称为起始磁化曲线，其形状如图0-5（a）所示。在ab段，随着H的增加，B增加较快。在bc段，随着H的增加，B增加非常缓慢，为磁化曲线的饱和段。②磁滞回线。如图0-5（b）所示，当铁磁材料被磁化一个循环时，就得到一个闭合曲线abcdefa。当H从零增加到Hm

时，B相应地从零增加到Bm

；然后逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。当H=0时，B值并不等于零，而是Br，这就是剩磁。当H在Hm和-Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B-H闭合曲线，称为磁滞回线。铁磁材料（如铁、镍、钴等）的磁导率μ是真空磁导率μ0的几千倍到几万倍。对于铁磁材料，磁导率μ除了比μ0大得多外，还与磁场强度及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的μ不是一个常数。在工程计算中，不按H=B/μ进行计算，而是事先用实验的方式测出铁磁材料在不同磁场强度H下对应的B-H曲线。该曲线不是单值的，而是具有磁滞回线的特点，即在同一个大小的磁场强度H下，对应着两个B值，这就是说，究竟是对应着哪一个B值还要看铁磁材料工作状态的历史情况。当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可以用它的平均磁化曲线（即基本磁化曲线）进行计算，这样B与H之间便呈现单值关系。同时还要指出，磁化特性的另一个特点是具有饱和性。图0-5（a）所示的铁磁材料的起始磁化特性，它与平均磁化特性差距甚小。当磁场强度从零增大时，B随H增加较慢，之后，B随H的增加而迅速增大（ab段），过了b点，B的增加缓慢了（bc段），最后为cd段，又呈直线。其中a点为跗点，b点为膝点，c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近于μ0。磁滞回线较窄的铁磁材料属于软磁材料，如硅钢片、铁镍合金、铸钢等。这些材料磁导率较高，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小，多用于制造电机、变压器的铁心。硬磁材料，如钨钢、钴钢等，其磁滞回线较宽，主要用作永久磁铁。4.安培力通过电工基础的学习，我们已经知道，在永磁体及通电导线周围存在磁场，但是，怎样表示磁场的强弱呢？磁场最基本的特性是对磁场中的通电导体有力的作用，研究磁场的强弱就是从分析通电导体在磁场中的受力情况入手。磁场对场中载流导体施加的力称为安培力。在匀强磁场中，若载流直导线与磁场感应强度B方向垂直，导体的有效长度为l，流过导体的电流为I，载流直导线所受的力为f，则f=BLI（0-3）用左手定则确定安培力f的方向，即把左手伸开，大拇指与其他四指成90°，如果磁力线指向手心，其他四指指向导线中电流的方向，则大拇指指向的就是导线受力的方向，如图0-6所示。谢谢欣赏THANKYOUFORWATCHING第一章直流电机随着经济社会的不断发展，电能的应用遍布各行各业，而电机担负着电能的生产、传输、分配及应用等重要任务，是在现代化工业生产过程中不可缺少的主要设备。要想掌握电机的工作原理和特性，就必须了解其基本结构。直流电机是直流电能和机械能相互转换的旋转电机。根据能量转换方向的不同，直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。直流发电机将机械能转换为电能，直流电动机将电能转换为机械能。

本章主要介绍直流电机的基本工作原理、结构和运行特性。直流电机的基本工作原理1直流电机的基本结构和铭牌2直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率3直流电动机的运行原理4目录CONTENTS直流电动机的换向5直流电机的基本工作原理1一、直流发电机的工作原理直流发电机通常由外部机械装置拖动其旋转，以此产生电能输出。直流发电机的工作原理如图1-1所示。图中N、S表示磁极，在电机工作时磁极固定不动，称为定子。abcd表示固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，在发电机工作时，线圈连同导磁圆柱体由原动机带动不断旋转，所以它们称为直流电机的转子（电枢）。线圈的首末端a、d分别连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。图中A、B表示电刷，电刷与外电路连接，在电机工作时固定不动。在定子和转子之间有一定的间隙存在，称为气隙。直流发电机基于电磁感应定律工作，即在磁感应强度为B的磁场中，若导体做切割磁力线运动，则在导体内部产生感应电动势。若B、l、v三者相互垂直，则感应电动势e为e=Blv（1-1）式中，B为磁感应强度，T；l为导体长度，m；v为导体切割磁力线的速度，m/s；e为导体的感应电动势，V，e的方向由右手定则确定。如图1-1（a）所示，当线圈按逆时针方向运动时，线圈ab边在N极范围内，产生的感应电动势方向从b到a；线圈cd边在S极范围内，产生的感应电动势方向从d到c。如图1-1（b）所示，当线圈旋转180°以后，ab边转到S极范围内，cd边就转到N极范围内。此时用右手定则判断可知，线圈cd边产生的感应电动势方向是从c到d，线圈ab边产生的感应电动势方向是从a到b。由于电刷固定不动，因此，与线圈d端连接的电刷A的电位仍为正，与线圈a端连接的电刷B的电位仍为负。由此可知，当线圈不停旋转时，电刷A始终是正电位，电刷B始终是负电位。因此，由两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，即直流电动势。实际的直流发电机的电枢是根据实际应用情况配有多匝线圈的，线圈分布于电枢铁心表面的不同位置，并按照一定规律连接起来，构成电机的电枢绕组。相应地，换向片的数量要根据线圈匝数的多少来确定。磁极也是根据实际需要将N、S极交替放置多对，相应地，电刷的个数要根据磁极的个数来确定。二、直流电动机的工作原理直流电动机基于电磁力定律工作，即通电导体在磁场中会受到电磁力的作用，当磁力线与导体中电流的方向相互垂直时，作用在通电导体上的电磁力F的大小为F=BLI（1-2）式中，B为磁感应强度，T；l为导体长度，m；I为载流导体中流过的电流，A；F为电磁力，N，F的方向由左手定则确定。如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上，此时线圈中将有电流通过。如图1-2（a）所示，电刷A是正电位，B是负电位。在N极范围内，线圈ab中的电流从a到b；在S极范围内，线圈cd中的电流从c到d。根据电磁力定律，线圈ab边受到向左的电磁力，cd边受到向右的电磁力。由于磁场是均匀的，导体中流过的电流也相同，因此，线圈ab边和cd边所受电磁力的大小相等，方向相反，于是线圈按逆时针方向转动。如图1-2（b）所示，当线圈转过180°后，线圈ab与cd的位置调换，但由于电刷和换向片的作用，线圈ab中的电流从b到a，线圈cd中的电流从d到c。根据电磁力定律，线圈ab边受到向右的电磁力，cd边受到向左的电磁力，线圈仍然按逆时针方向转动。可见，虽然导体中的电流是交变的，但线圈的旋转方向始终不变。与直流发电机一样，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。三、直流电机的可逆性原理由前面的分析可知，一台直流电机理论上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是前提条件不同。当直流电机的电刷A、B接在电压为U的直流电源上时，电机运行在电动机状态，线圈按一定方向不停旋转，通过齿轮或皮带等机构拖动负载工作，把电能转换为机械能；当用原动机拖动直流电机的电枢时，电机运行在发电机状态，两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，负载上得到的是具有恒定方向的电压和电流，从而把机械能转换为电能。在电机理论中，一台电机既能做电动机运行又能做发电机运行的原理称为可逆性原理。直流电机的基本结构和铭牌2一、直流电机的基本结构直流电机的基本结构都是相同的，主要由静止部分和旋转部分构成，在静止部分和旋转部分之间要有一定的气隙，其中静止部分称为定子，旋转部分称为转子。图1-3所示为直流电机的结构。1.定子部分

直流电机的定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置组成。（1）主磁极。主磁极一般由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）组成，其作用是在定子和转子之间的气隙中建立主磁场，使电枢绕组在此磁场的作用下产生感应电动势和电磁转矩。主磁极铁心柱体称为极身；靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴的主要作用是使气隙磁通密度分布均匀，并与极身一起支撑励磁绕组。为了尽可能地减小涡流损耗和磁滞损耗，主磁极铁心一般由1~1.5mm厚的低碳钢板叠压而成，整个磁极用螺钉固定在机座上。直流电机主磁极的结构如图1-4所示。（2）换向极。换向极主要由铁心和绕组组成，装在电机两主磁极之间的几何中心线上，又称附加极，其主要作用是改善电机的换向性能。一般电机容量超过1kW时应安装换向极。（3）机座。机座通常由铸钢和厚钢板焊接而成，其主要作用有两个：一是作为电机磁路的一部分；二是用来固定主磁极、换向极及端盖等部件，起机械支承的作用。（4）电刷装置。电刷装置是直流电机重要的组成部分，其作用是将旋转的电枢绕组与固定不动的外电路相连接，并与换向器相配合，把电枢中的交变电流变成电刷上的直流，或是将电刷上的直流变成电枢上的交流。2.转子部分直流电机的转子主要由电枢铁心、电枢绕组和换向器组成，如图1-5所示。（1）电枢铁心。电枢铁心是电机主磁路的一部分，主要用来嵌放电枢绕组。由于电机运行时电枢与气隙磁场间的相对运动将引起磁滞及涡流损耗，因此，为了减小损耗，电枢铁心通常用两面涂有厚度为0.5mm的绝缘漆的硅钢片叠压而成，并固定在转子支架或转轴上。（2）电枢绕组。电枢绕组是直流电机的主要电路部分，由许多按一定规律连接的绝缘线圈（导线）组成。其主要作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机械能与电能互相转换的重要部件。在电机中每一个线圈为一个元件。根据连接规律的不同，电枢绕组可分为单叠绕组、复叠绕组、单波绕组和复波绕组等，电机中常见的绕组连接方式是单叠绕组和单波绕组。①单叠绕组。单叠绕组的特点是元件的首尾两端分别接到相邻的两个换向片上，并且前一个元件的尾端与后一个元件的首端接在同一个换向片上，如图1-6所示。

②单波绕组。单波绕组的特点是把在磁场中位置差不多对应的元件连接起来，元件所连接的换向片相隔较远，如图1-7所示。（3）换向器。换向器由许多燕尾形状的铜质换向片与片间云母片组成圆筒形状套在钢套筒上，最后用螺母压紧构成。其主要作用是与电刷一起将直流电动机输入的直流电流转换为电枢绕组内的交变电流，或将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换为直流电动势，向外电路输出直流电。二、直流电机的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，称为额定运行情况。表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。除了电机的额定值以外，电机的铭牌上一般还标有电机的工作方式、绝缘等级、防护等级，以及电机的产品型号、出厂编号、出厂日期等。常见的电机的铭牌上标有以下数据：1.额定功率PN

额定功率指电机在额定状态下运行时电机的输出功率，单位为kW。对于发电机而言，额定功率指的是发电机电刷间输出的电功率，它等于额定电压UN

与额定电流IN

的乘积，即PN=UNIN

；对于电动机而言，额定功率指的是电机轴上所输出的机械功率，它等于额定电压与额定电流的乘积再乘以电机的机械效率ηN，即PN=UNINηN。2.额定电压UN

额定电压指电机在额定状态下运行时电枢出线端的平均电压，单位为V。对于发电机而言，额定电压指的是输出电压；对于电动机而言，额定电压指的是输入电压。3.额定电流IN

额定电流指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值，单位为A。

4.额定转速nN

额定转速指电机在额定功率下运行时对应额定转矩下的转速，单位为r/min。5.励磁方式

励磁方式是指直流电机的励磁绕组与其电枢绕组的连接方式。根据不同的连接方式，常见的直流电机的励磁方式有他励、并励、复励和串励等，如图1-8所示。6.额定励磁电流IfN

额定励磁电流表示对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流，单位为A。7.工作方式电机一般有三种工作方式，即S1（连续工作制）、S2（短时工作制）、S3（断续周期工作制）。8.绝缘等级

电机允许达到的最高温度是由电机使用绝缘材料的耐热程度决定的，绝缘材料的耐热程度称为绝缘等级。不同的绝缘材料，其最高允许温度不同。电机中常用的绝缘材料分五个等级：A、E、B、F、H，其中A级绝缘耐热程度最差，H级绝缘耐热程度最强。9.防护等级

防护等级是以字母IP和其后面的两位数表示的。IP为国际防护的英文缩写。IP后面第一位数字代表第一种防护形式（防尘）的等级，共分七个等级。第二位数字代表第二种防护形式（防水）的等级，共分九个等级。数字越大，表示防护的能力越强。直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率3一、直流电机的电枢电动势电机旋转时，电枢绕组切割主磁场产生的感应电动势称为电枢电动势。它是指直流电机电枢绕组上正、负电刷间产生的感应电动势。当元件数目较多时，任何瞬时构成的支路情况是相同的，且每个导体都分布在具有相同极性的磁极下，故可先求出每个导体感应电动势的平均值，再乘以电枢导体总数即为电枢电动势。由电磁感应定律知，每个导体中的感应电动势为

ep=Bp

lv

（1-4）式中，Bp

为平均气隙磁通密度，T。

二、直流电机的电磁转矩通电的电枢在气隙磁场中产生电磁力，而电磁转矩是由电磁力产生的。由于电枢绕组中各元件产生的电磁转矩同向，因此，可以先求出每个导体的平均电磁力及电磁转矩，再乘以电枢导体总数即为总电磁转矩。每个导体在磁场中所受电磁力的大小为式中，Ia为电枢电流，A。每个导体的电磁转矩（单位N·m）为式中，D为电枢铁心直径，mm。式（1-10）左右两端同时乘以电枢导体总数N可得总电磁转矩，即

（1-11）将式（1-5）和式（1-9）代入式（1-11）可得电机电磁转矩的表达式为

（1-12）式中，CT

为转矩常数，。通常，总电磁转矩Tem

与磁通Φ、电枢电流Ia

成正比。转矩常数CT与电动势常数Ce之间的关系为三、直流电机的电磁功率由动力学可知，机械功率为转矩与角速度的乘积。同样，对于直流电机而言，电磁功率为电磁转矩Tem与转子角速度Ω的乘积，它反映了直流电机机电能量转换的功率。根据式（1-8）和式（1-12）可求得电磁功率为式（1-14）给出了电磁功率在电气和机械两个方面的不同表达形式，它符合能量守恒定律。其物理意义是：对于直流发电机而言，从原动机所吸收的机械功率TemΩ全部转换为电功率EaIa

输出；对于直流电动机而言，从电源所吸收的电功率EaIa

全部转换为机械功率TemΩ输出。直流电动机的运行原理4直流电动机在进行机电能量转换时，必须要有能反映其内部电磁转换过程和内外的机电能量转换过程的方程式，即基本平衡方程式。基本平衡方程式主要有电动势平衡方程式、功率平衡方程式、转矩平衡方程式。在写基本平衡方程式前应定好各参量的方向，通常可以任意规定。一旦定好后所有的方程式都应按参考方向进行计算，一般按图1-9所示的参考方向规定，各参量的方向与规定的参考方向一致时为正，反之为负。一、电动势平衡方程式由基尔霍夫定律可知电枢回路的电动势平衡方程为

U=Ea+IaRa

（1-15）式中，U为电枢两端的电压，V；Ra

为电枢电阻，Ω。二、功率平衡方程式将式（1-15）两边同时乘以电枢电流Ia，得电源输入功率为P1=Pem+Pcu

（1-16）式中，P1

为电源输入功率，W；Pem

为电磁功率，W；PCu

为电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的损耗，称为铜损耗，W。通常，电磁功率Pem可表示为Pem=P2+P0

（1-17）式中，P2

为直流电动机输出机械功率，W；P0

为空载损耗，W。空载损耗P0

可表示为P0=

Pmec

+PFe

+Padd

（1-18）式中，Pmec

为机械摩擦损耗，W；PFe为铁损耗，W；Padd

为附加损耗，W。由式（1-16）、式（1-17）和式（1-18）可得

（1-19）式中，ΣP为总损耗，

，W。由此可得直流电动机的效率为

（1-20）三、转矩平衡方程式将式（1-17）两边同时除以角速度Ω，得转矩平衡方程式为

Tem=T2+

T0

（1-21）式中，Tem

为电磁转矩，N·m；T2

为电动机的输出机械转矩，N·m；T0

为空载转矩，N·m。直流电动机的换向5直流电机在使用过程中最常出现的问题是换向不良，因此，解决换向不良就成为直流电机保养和维修最主要的任务。良好换向的前提是电刷与换向器之间稳定的滑动接触，主要是保持换向器氧化膜动态平衡，为此必须满足必要的机械、电气条件和适当的物理、化学因素。当必要的机械、电气条件不能满足，或物理、化学因素要改变时，由于氧化膜动态平衡的改变，滑动接触变得不稳定，就会产生换向火花。一、换向火花产生的原因产生换向火花的原因可以归结为下面几个方面。1.电磁原因如果换向元件内的合成电势不等于零，根据电磁理论，换向元件中产生的附加换向电流就会造成电刷前后刷边电流密度分布不均匀，电刷与换向片接触或脱离时，元件内换向附加电流并未为零，元件内的电磁能会以火花形式释放出来。延迟换向火花产生在后刷边；超越换向火花产生在前刷边。电枢绕组开焊或片间（匝间）短路都会造成电路上的不对称，亦将造成严重火花。当电枢绕组为不对称多重绕组时，由于支路间的电势不对称，在换向元件中产生一个脉动电势，将产生空载火花，负载时将加大。电刷不在几何中心线上时，如换向元件进入主极区，换向元件因切割主磁通，将产生空载火花。2.机械原因换向器表面工作状态不良，如换向器突片或变形、片间云母片突出、换向器表面粗糙、电枢动平衡不好和电机振动等都将造成电刷与换向器之间无法保持稳定接触，从而产生火花。电刷和刷握的工作状态不良，如电刷与刷握的间隙不合适，电刷压力不均匀、过大或过小，电刷材质不合适和刷握结构形式不合适等，都将影响滑动接触，也将产生火花。3.电机负载与周围环境当电机严重过载时，由于电抗电势增加，换向极磁路饱和，电刷电流密度过大，换向火花将加大。冲击性负载、电流变化率过高将导致换向极磁通滞后，造成换向困难而产生火花。湿度太高或太低、温度过高或过低、周围存在油雾或有害性气体和含尘量过高等都会导致氧化膜平衡的破坏，无法形成正常氧化膜而影响正常滑动接触，进而产生火花。总之，产生换向火花的因素很多，而很多因素又是相互影响的。在分析和检查换向火花产生原因时，必须根据实际运行条件来加以区分，以针对性地解决。这里主要给出了与换向器和电刷有关的问题的分析及解决方法。二、换向器的保养与维修方法换向火花产生的原因是多种多样的，必须在复杂众多的因素中，找到主要原因，针对性地排除故障，恢复正常的换向。寻找换向恶化的原因，通常称换向条件正常化检查，是直流电机换向事故处理的最常用方法。其原理是：一台直流电机在刚投入运行或过去一直运行，换向一直是正常的，而在以后运行过程中，换向逐渐变坏或突然恶化，说明电机在换向恶化前，其运行状态、滑动接触、电机结构和各部件工作情况是正常的。在电机运行过程中，某些部件的工作状态发生了改变，从而破坏了滑动接触，改变了正常的换向状态，从而导致换向的恶化。如果通过各种检查项目，对影响电机换向的机械电气条件和物理化学因素进行全面检查和调整，使其能恢复原来的正常状态，则换向也能恢复正常。换向正常化检查是采用不同的检查方法，寻找换向事故原因并排除故障，通常包括下面几个项目。1.换向器片间电阻测量当电枢绕组发生断线、开焊、匝间短路，或换向器发生升高片断裂、片间短路时，造成电磁上的不对称，将产生换向火花。测量片间电阻就能发现电机是否存在上述故障。片间电阻测量通常采用压降法，也可以采用专用片间电阻测量仪。用压降法测量片间电阻时，把相等的测量电流依次通入两个相邻换向片，并用毫伏表测量通电两换向片间的电压。如果电枢绕组和换向器的焊接是良好的，没有短路开焊或断线，则全部换向器片间电压应该相等（非全均压出现很小变化）。片间电阻测量的最大值或最小值与平均值之比，误差应不大于5%。测量结果如不符合上述标准，说明电枢绕组和换向器存在开焊或短路，则故障点所在的换向器片间电阻与平均值之间出现较大差别，可以确定故障所在部位和性质。如果电枢绕组是混合绕组（蛙绕组），由于在换向片之间构成了复杂的等值电路，当绕组并头套或换向器有一处焊接不良或开焊时，片间电阻即出现以极对数为周期的正弦变化，其中最高峰值即为故障所在位置。相反，当绕组和片间有短路点时，片间电阻变化的最低点即为故障所在位置。2.换向器摆度检查换向器在长期运行后，云母材料中有机物的挥发产生收缩、紧固件的松动等使整体结构松弛而片间压力降低，产生变形和突片。当换向器变形或偏心时，在运行时将使电刷跳动，滑动接触稳定性受到干扰，产生机械性火花，严重时火花加大，换向器表面出现烧伤和氧化膜破坏，导致换向恶化。高速电机和多重路绕组电机的换向，对于换向器变形更为敏感。当电机换向火花较大，而且发现电刷跳动现象时，必须检查换向器摆度。（1）换向器摆度测量。换向器摆度测量通常有以下两种方法。①在低速运行或盘车时，可用千分表直接测量。在千分表的端头上套一个绝缘套，千分表座最好是磁吸式的，吸牢在铁板制成的机座上。根据电机盘车时千分表指针的摆动范围和换向器对应部位，即可测得换向器摆度和确定突片位置。②对于无法盘车和非低速运行的电机，换向器的摆度可用测振仪来测量。先将测振仪进行校准，在测振探头——拾振器的探杆上套一个绝缘套，可手持或用套圈固定拾振器，使之接触电刷压板或刷握的压指，即可从测振仪读得换向器摆度。如果将测振仪的输出接至示波器或记录器，即可读得变形数值并观察振动波形。用测振仪测得的换向器摆度有时会有一定误差，这是由于电机在高速转动时，电刷的起伏幅度中，不仅有换向器的摆度，还包括了电刷的惯性跳动。（2）允许摆度。在测量摆度时，应区分是换向器原因，还是凸片（或凹片）原因。当换向器由于变形和偏心造成摆度时，在电机旋转时，摆度是逐渐过渡的，换向片之间径向的变化梯度较小，电刷的随从性较好。由凸片（或凹片）造成的换向器摆度，其换向片局部位置在半径方向的变化梯度较大，电刷随从性不好，易引起电刷跳动，对滑动接触的影响较大。当换向器摆度超过额定值时，换向器必须进行车削。3.换向器表面工作状态的检查换向器表面工作状态是保持良好滑动接触的重要因素之一。换向火花较大时，必须检查换向器表面状态，换向器云母片质量不好、云母片突出、换向片倒棱不直均会引起换向火花；换向器表面出现条纹、斑纹也会使换向火花加大；云母沟中积存碳粉和换向片挤铜产生铜毛刺会产生换向火花和闪络。如果发现上述现象，必须立即清理换向器表面，使其工作状态恢复正常。有害的换向火花会造成换向器表面烧伤，除一般烧伤外，有时会出现有规律的烧伤。通常烧伤的规律有重路数型、极距型、槽距型等，这时必须分析换向火花产生的电磁原因，找出问题并加以解决。三、电刷的保养与维修方法1.电刷中性面的检查直流电机电刷中性面位置，一般应严格在主磁极几何中心线上，对于大型电机、可逆运行电机和高速电机尤其如此。因为当电刷偏离主极中性面时，换向将发生超前或延迟。纵轴电枢会使电机的外特性发生变化，对可逆运行电机来说，两个转向下转速不同，外特性不同，两个转向的换向强弱也不同。在电刷偏离中性面位置较大时，由于换向元件进入主极磁通区，电机将产生空载火花。电刷中性面检查方法如下：将全部电刷筛起，在励磁绕组出线端上连接一组蓄电池和一个刀闸开关，再用毫伏表依次测量相隔一个极距的换向片，当切断和闭合开关时，毫伏表上指针将要摆动，毫伏表读数最小位置所对应换向片位置，即为电刷中性面的位置。在中性面确定后，将刷架或刷焊座圈固定螺钉松开，移动刷回使刷握中心线与中性面对正，此时再紧固固定螺钉，并用漆在机座与刷上做好标志。应该注意的是中性面检查应在刷距、极距调整后进行，以减少误差。2.刷距、极距和气隙的检查与调整直流电机各排电刷之间的距离、主极之间和换向极之间的距离应力求相等。因为刷距和极距不等会造成各排电刷下被短路的元件在磁场中的位置不一样，换向极磁场和换向元件电抗电势波形不重合，造成电磁上的不对称，各个刷架下火花不等会使电机换向不正常。（1）刷距的检查与调整。刷距误差通常为±0.5mm，一般用铺纸等方法来检查和调整，方法如下：首先将电机上一排刷架电刷位置调整好，使这排电刷边缘正好与一个换向片边缘相重合，然后在换向器表面铺一张纸，在接缝处做好搭接标记后取下，将纸以极数进行等分。画好等分线后，再铺在换向器上，使调整好刷焊和刷握垫片，使每个刷架刷握中电刷的边缘正好压在一条等分线上，再将全部电刷落下，电刷边缘与等分的距离就是刷距等分的误差。如将全部电刷按等分线调整，则可纠正刷距误差。应该注意，在调整刷杆和刷握垫片时，应使刷握离换向器表面距离符合要求。（2）极距的检查和调整。由于磁极固定螺钉在运行后松动，极距分布将出现误差，极距允许误差为±0.75mm。极距较准确的测量一般采用磁极极靴上画中心线，再用游标卡尺和卡钳等进行测量。当电机装配完后，电枢不能抽出的情况下，可以用卡钳测量极靴边缘之间的距离，也可以测量出极距等分误差。（3）气隙的检查与调整。直流电机各主极和各换向极与电枢间隙（δ）必须均等，如气隙不均，则各极下磁阻不等，在相同的励磁磁势下磁通量不相等，在部分刷架下火花就会较大。同时，由于主极下磁通量不等，还将出现电枢绕组内环流和单边磁拉力，当电机运行后，由于机座变形、轴承磨损等原因，均会出现气隙不均问题。为使定子和电枢间的气隙沿圆周各点保持均匀，设计规定允许误差如下：当δ≤3mm时，允许误差为±10%；当δ>3mm时，允许误差为±5%。气隙的测量可采用塞尺进行。在对气隙进行测量时，极靴和电枢表面的漆膜必须刮去，测量处必须直接接触电枢和极靴叠片。此外，对于大中型直流电机，要防止铁心圆度不准确和转轴弯曲造成气隙值偏差。为得到准确的气隙平均值，应将转子位置每次盘车90°，共测量4次。3.电刷与刷握工作性能的检查（1）电刷弹簧压力的调整。合适的电刷压力是保持滑动接触的重要条件：电刷压力过小，造成电刷跳动和接触压降不稳定；压力过大则可能造成电刷机械磨损增加，换向器温升增高，电刷压力不均匀，会造成各电刷之间电流分布不均和个别电刷的火花。电刷弹簧压力一般应保持在16~24kPa，而且电刷间的压力差不超过±10%。电刷的压力与电刷材质和换向器表面圆周速度有关，应合理选定。电刷弹簧压力测定方法如下：用弹簧秤在电刷提起方向钩起电刷压指，在电刷下垫一纸片，当纸片能被轻轻拉出时，弹簧秤的读数就是电刷弹簧压力。（2）刷握间隙的检查。电刷与刷握的配合应保持合适间隙并应符合一定公差。间隙过大，电刷在刷握内晃动，影响接触的稳定，有时还产生“啃边”现象；间隙过小，影响电刷在刷握内的自由滑动，甚至被“卡死”。（3）刷握离换向器表面距离的检查。由于刷架和刷握固定螺钉的变形，刷握离换向器表面距离将会发生变化。刷握离换向器表面距离应保持在（2.5±0.5）mm范围内。刷握离换向器表面距离与电刷应保持一定，这与防止振动有很大关系。双斜刷握与换向器表面距离还会影响电刷宽度，当距离过大时，电刷将产生“顶角”，影响工作。刷握距离可用厚度为2~3mm的绝缘板进行检查，当距离超过允许值时，可用2.5mm厚绝缘板垫在刷握下，作为调整基准进行调整。（4）电刷材质和镜面检查。电刷型号是否符合要求，镜面是否出现异常，在换向火花较大时必须检查。电刷是构成滑动接触的主要部件，电刷材质和工作状态对换向影响很大，若电刷牌号不合适或工作状态不正常，将影响滑动接触，或造成换向恶化。不同型号的电刷最好不要混用。电刷镜面在换向正常时是平滑光亮的。换向火花较大时，就会出现雾状和灼痕。当电刷中含有碳化硅和金刚砂等杂质时，镜面中会出现白色斑点或在旋转方向留下细沟。湿度过大或有酸性气体，电刷表面将出现镀铜现象。技能训练 直流电机的参数测定1.实训目的（1）掌握直流电机参数的测定方法，用伏安法测量直流电机的冷态电枢回路电阻和励磁回路电阻。（2）进一步加深对直流电机两个回路的理解。2.实训工具和仪表（1）直流电机：220V，12.4A，1500r/min。（2）滑动变阻器：300Ω，3A。（3）电压表：300V/75V。（4）直流电流表：30A。（5）功率表：5A，300V。（6）转速计：测量转速。（7）导线若干，开关，电叉。3.实训方法和步骤（1）伏安法测直流电机电枢绕组冷态电阻。图1-10为实验接线图，具体步骤如下。①按实验接线图将各元器件可靠连接。测量电枢绕组时，不接入励磁绕组。②测量室温和电机铁心温度并记录，两者比较确认电机处于冷态。③将滑动变阻器R调至最大值，然后接通电源，调节R使实验电流为变阻器额定电流（3A），测量此时绕组的电压值和电流值，并记录于表1-1中。④将绕组旋转120°机械角，重复测量一次并记录，之后再将绕组旋转120°测量一次并记录。（2）伏安法测直流电机励磁绕组冷态电阻。图1-11为实验接线图，具体步骤如下。①按实验接线图将各元器件可靠连接。测量励磁绕组时，不接入电枢绕组。②将滑动变阻器R调至最大值，然后接通电源，调节滑动变阻器R使实验电流接近励磁电流额定值，测量此时绕组电压值和电流值，并记录于表1-2中。5.注意事项（1）在测量直流电机冷态电枢电阻时，为防止因实验电流过大而引起绕组的温度上升，应调节滑动变阻器使实验电流不超过电机额定电流的10%。（2）测试过程中应高度重视人身安全，一定要在确认无人触碰裸露导线、接线端子的情况下方能合闸供电。当要改接导线或进行其他涉电操作时，首先应断开电源。（3）注意保护设备、仪器不受损害，接线完毕后应仔细检查，防止错接漏接，严格按照设备、仪器操作规程进行操作，严禁擅自改变测量方案，严禁进行不熟悉的操作。思考与练习1.直流电机的基本结构主要包括哪两大部分？它们的作用主要是什么？2.一台直流电动机额定功率PN=180kW，额定电压UN=230V，效率ηN=89.5%，求额定输入功率和额定电流。3.为什么一台直流电机既可以作为电动机运行又可以作为发电机运行？4.已知某直流电动机的额定功率PN=240kW，额定电压UN=460V，额定转速nN=600r/min，试求该电动机的额定电流。思考与练习5.已知某直流发电机的额定功率PN=10kW，额定电压UN=230V，额定转速nN=2850r/min，效率ηN=85%，求它的额定电流及额定负载时的输入功率。6.如何判断直流电机是运行于发电机状态还是电动机状态？能量转换关系如何？7.为什么直流电机的电枢中的电流是交变电流？直流电机的换向器是如何将交变电流转换成电刷上的直流电的？谢谢欣赏THANKYOUFORWATCHING第二章直流电动机的电力拖动电动机作为原动机，生产机械作为负载，电动机带动生产机械运转的方式称为电力拖动。电力拖动系统是由电动机拖动，并且通过传动机构带动生产机械运动的一种动力学系统。电力拖动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生产机械和电源五部分组成。电动机把电能转换成机械能，通过传动机构（或直接）驱动生产机械工作。传动机构是把电动机的旋转运动经过中间变速或变换运动方式后，再传给生产机械（有些情况下，电动机直接拖动生产机械，而不需要传动机构）。生产机械是执行某一生产任务的机械设备，是电力拖动的对象。控制设备由各种控制元器件组成，用以控制电动机，从而实现对生产机械的控制。为了向电动机及电气控制设备供电，电源是不可缺少的。本章主要介绍电力拖动系统的运动方程式、机械特性、启动、制动和调速等内容。电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性1他励直流电动机的工作特性和机械特性2他励直流电动机的启动3他励直流电动机的制动4目录CONTENTS他励直流电动机的调速5电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性1一、电力拖动系统的运动方程式多数情况下，电力拖动系统在运行时，电动机作为原动机输出转矩，而生产机械作为电动机的负载，如机床、起重机械、风机、泵等，负载的转矩一般为制动转矩。传动机构是指连接电动机和负载的装置。如果忽略电动机的空载转矩T0，根据牛顿第二定律可知，电力拖动系统的运动方程式可以表示为式中，Tem为电动机的输出电磁转矩，N·m；TL

为负载转矩，N·m；J为运动系统的转动惯量，kg·m2；Ω为系统旋转的角速度，rad/s。

在实际工程计算中，一般用转速n代替角速度Ω来表示系统的转动速度，用飞轮惯量或称飞轮矩GD2

来代替转动惯量J来表示系统的机械惯性，Ω与n、J与GD2

的关系为式中，n为转速，r/min；m与G为旋转体的质量和重量，kg与N；r与D为惯性半径与直径，m；g为重力加速度，m/s2。把式（2-2）、式（2-3）代入式（2-1）中，可得运动方程式的实用形式：式中，GD2

为旋转体的飞轮矩，N·m2。应注意，式（2-4）中的375具有加速度量纲；而飞轮矩GD2

是反映物体旋转惯性的一个整体物理量，电动机和生产机械的飞轮矩GD2

可以从产品样本和有关设计资料中查到。由式（2-4）可知，系统的旋转运动可分为以下三种状态。二、电力拖动系统负载的转矩特性电力拖动系统的运动方程式表明电力拖动系统的运行状态（加速、减速和匀速）由电动机的电磁转矩Tem

和生产机械的负载转矩TL

的共同作用来决定。要对运动方程式进行求解，除了要知道电动机的机械特性n=f(Tem)外，还需要知道负载的机械特性n=f(TL)。负载的机械特性也称负载的转矩特性，简称负载特性。下面首先介绍生产机械的负载特性。不同类型的生产机械的负载转矩特性基本上可分为以下三大类。1.恒转矩负载恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL

的大小与转速n无关，即无论转速如何变化，负载的转矩大小都保持不变。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又可分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。（1）反抗性恒转矩负载。反抗性恒转矩负载的特点是：负载的大小恒定不变，而负载的方向总是与转速的方向相反，即负载的性质总是起反抗运动作用的阻转矩性质。显然，反抗性恒转矩负载特性曲线在第一和第三象限内，如图2-1（a）所示。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生负载转矩的机械都属于反抗性恒转矩负载。（2）位能性恒转矩负载。位能性恒转矩负载的特点是：无论转速如何改变，负载的大小和方向都恒定不变。如起重机，无论是提升重物还是下放重物，由物体重力产生的负载转矩的大小和方向都是始终不变的。因此，位能性恒转矩负载的特性曲线位于第一和第四象限，如图2-1（b）所示。2.恒功率负载恒功率负载的特点是：负载的转矩和转速的乘积为一常数，即

常数，即负载转矩TL和转速n成反比。恒功率负载的转矩特性曲线是一条双曲线，如图2-2所示。

某些生产工艺过程要求具有恒功率负载的转矩特性。例如，车床的切削，粗加工时需要较大的吃刀量和较低的转速，精加工时需要较小的吃刀量和较高的转速；又如，轧钢机轧制钢板时，小工件需要高速度低转矩，大工件需要低速度高转矩。这些工艺要求都是恒功率负载特性。3.风机、泵类负载风机、水泵、油泵、螺旋桨等机械的负载转矩基本与转速的平方成正比，即TL∝kn2，其中k是比例常数。这类负载的负载特性曲线是一条抛物线，如图2-3中曲线1所示。以上介绍的几种负载特性是由各种实际负载中概括出来的典型负载特性。实际的生产机械的负载特性可能是以上几种典型特性的结合。例如，实际的通风机不仅具有风机负载的特性，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩，因而实际通风机的负载特性如图2-3中曲线2所示。他励直流电动机的工作特性和机械特性2一、他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性是指电压U=UN（常数）、电枢回路不串入附加电阻、励磁电流If=IfN（常数）时，电动机的转速n、电磁转矩Tem

和效率η三者与输出功率P2

之间的关系，用曲线n=f(P2)、Tem=f(P2)、η=f(P2)表示。实际运行中，由于电枢电流Ia比较容易测量，且Ia

与P2

成正比改变，因此，一般用曲线n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)表示他励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是指电动机运行在额定电压UN

和额定励磁电流IfN

状态时，转速与电枢电流之间的关系，用曲线n=f(Ia)表示，如图2-4中曲线1所示。由得转速公式为（2-5）当负载增大时，电动机输出的机械功率P2

增大，输入功率P1

也随之增大。因为端电压不变，电枢电流Ia

增大，转速n减小，所以转速特性曲线是一条略微向下倾斜的直线。2.转矩特性

他励直流电动机的转矩特性是指电动机运行在额定电压UN

和额定励磁电流IfN状态时，电磁转矩与电枢电流之间的关系，用曲线Tem=f(Ia)表示，如图2-4中曲线3所示。由式（1-12）可知，当磁通Φ恒定时，电磁转矩与电枢电流成正比。由于电磁转矩上升的速率比电流要慢一些，因此，随着电磁转矩的增大，转矩特性曲线为一条斜率逐渐下降的曲线。3.效率特性他励直流电动机的效率特性是指电动机运行在额定电压UN

和额定励磁电流IfN状态时，效率与电枢电流的关系，用曲线η=f(Ia)表示，如图2-4中曲线2所示。由基本平衡方程式分析知当直流电动机的电枢电流Ia

增大时，效率很快上升，但是当电枢电流Ia

增大到一定值时，电枢绕组的铜损耗随着电枢电流Ia

的增大快速增加，从而导致效率下降。故他励直流电动机的效率特性曲线是一条先上升后下降的曲线。二、他励直流电动机的机械特性1.他励直流电动机的机械特性方程式

他励直流电动机的机械特性是指电动机在稳定运行情况下，转速n与电磁转矩Tem

之间的关系，用曲线n=f(Tem)表示，如图2-5所示。它是电动机机械性能的主要表现，是分析电动机的启动、调速和制动等问题的重要工具。将直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的表达式代入直流电机电动势平衡方程式中，可以得到他励直流电动机的机械特性方程式为式中，R为电枢回路总电阻，R=Ra+RS，RS

为电枢回路串联电阻，Ra

为电枢电阻；n0

为电磁转矩Tem=0时的转速，称为理想空载转速，在实际情况下，由于电动机的理想空载转矩与电磁转矩都不等于零，因此，实际空载转速略小于理想空载转速，；β为机械特性曲线斜率，；Δn为转速降，∆n=βTem

。由∆n=βTem

可知，转速降Δn与机械特性曲线的斜率β成正比。当电动机的电磁转矩由零逐渐增大时，转速从n0

开始逐渐下降，其下降的数值即为转速降Δn。通常在β较大时称电动机的机械特性较软，β较小时称电动机的机械特性较硬。2.他励直流电动机的固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指当电动机电源电压和励磁磁通为额定值，且电枢回路不串联电阻时的机械特性，其表达式为3.他励直流电动机的人为机械特性与他励直流电动机的固有机械特性相对应的是人为机械特性。人为机械特性是指当人为地改变电源电压、励磁磁通或者电枢回路串电阻时得到的机械特性。本章的第五节中会对他励直流电动机的人为机械特性进行详细分析。他励直流电动机的启动3启动是指当电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在启动时，必须先给励磁回路通入额定励磁电流，然后给电枢回路通入电压。由直流电机的电动势平衡方程式可知，当电动机在额定电压UN下运行时，电枢电流Ia

为式中，Ea为电枢电动势，V。

当电动机刚启动时，转速n=0，感应电动势Ea=CeΦn=0，此时电枢电流Ia即为启动电流。由于电枢电阻Ra较小，在额定电压下启动电流远远超过电动机的最大允许电流，这样会烧毁电动机。因此，直流电动机一般不能直接启动，常常需要给电枢回路串入电阻再通电启动或者采用降低启动电压的方式启动。一、他励直流电动机的直接启动电动机在额定励磁电流和额定电枢电压下直接启动时，在启动瞬间，转速n=0，电枢电动势Ea=0，则电枢电流Ia

为启动电流Ist，电磁转矩为启动转矩Tst。此时，由直流电机电动势平衡方程式可得电机直接启动时的电流和电磁转矩为因为电枢绕组的电阻很小，故由式（2-10）可知，此时的启动电流较大，通常Ist=⋅(10~20)

IN

。过大的启动电流一方面会使电动机在换向时产生较强的火花，甚至形成环火；另一方面会使电枢绕组因过热而烧毁。同时，大电流产生的大转矩会损坏传动机构。因此，除了小容量的电动机允许直接启动外，普通容量和大容量的直流电动机均不允许直接启动。通常采取增加启动设备或限制电流的措施来控制电动机的启动过程。一般直流电动机的启动有如下要求。（1）要有足够大的启动转矩，一般Tst≥⋅(1.1~1.2)

TN

。（2）启动电流要限制在一定范围之内。（3）启动设备简单、可靠。由式（2-10）可知，启动时限制电流的方法有两种：一是增加电枢回路电阻；二是降低电枢电压。二、他励直流电动机电枢回路串联电阻启动电枢回路串联电阻启动是指电动机在额定电压下启动时，在其电枢回路中串入分级电阻，在启动过程中将分级电阻逐个断开，启动结束时分级电阻全部断开。图2-6所示为电枢回路串联电阻启动的原理图。启动时，触头KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路。在启动过程中，依次闭合触头KM3、KM2、KM1。启动结束时，触头KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。电枢回路串联电阻启动的机械特性如图2-7所示。现结合机械特性曲线分析其启动过程。启动时，断开触头KM1、KM2、KM3，分级电阻全部串联入电枢回路，启动电流Ist

为式中，R为串联分级电阻后电枢回路的总电阻,

启动瞬间的机械特性为图2-7中曲线1上的a点。由于启动转矩Tst

大于负载转矩TL，因此，电动机开始加速，电枢电动势Ea

逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿曲线1箭头方向上升。当转速增大到n1

时，电动机的工作点对应曲线1上的b点（此时电流降为I′st，转矩降为T′st）。闭合触头KM3，切除电阻Rst3

的瞬间，由于机械惯性，转速不会突变，所以工作点由曲线1上的b点沿水平方向平移到曲线2上的c点，此时电动机又处于启动转矩（Tst1）大于负载转矩（TL）的状态，工作点沿曲线2箭头方向再次上升。同理，当工作点到达d点和f点时，依次闭合触头KM2、KM1，切除电阻Rst2、Rst1，当启动过程结束时，电动机稳定运行于曲线4上的h点。一般情况下，在电枢绕组串联电阻启动的过程中，电阻的切除过程全部由自动控制设备完成。电枢回路串联电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较多，效率较低。三、他励直流电动机的降压启动降压启动是指启动前降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流Ist的启动方法，当直流电源电压可调时可以采用此方法。降压启动的机械特性如图2-8所示。启动时，通过降低电源电压，使启动电流限制在电动机允许范围内。随着电动机转速的上升，电枢电动势Ea逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿图2-8中曲线1箭头方向开始上升。当工作点到达a点时，升高电源电压，使电枢电流和电磁转矩增大到一定数值。由于在升高电压的瞬间转速不能突变，因此，工作点由曲线1上的a点平移到曲线2的b点。此时，由于启动转矩Tst1

大于负载转矩TL，因此，电动机继续加速，工作点沿曲线2箭头方向继续上升。同理，当电源电压升到额定值时，启动过程结束，电动机稳定运行于图2-8中的e点。降压启动的优点是启动过程快、平稳，而且能量损耗小；缺点是需要专用电源设备，投资大。他励直流电动机的制动4电动机的制动主要分为机械制动和电气制动两大类，这里主要考虑电气制动过程。电动机的电气制动是指当电动机的电磁转矩Tem

与转子旋转方向相反时，电动机由运行状态进入停止状态的过程。此时电磁转矩Tem

为制动转矩，电动机将机械能转换为电能。常见的电气制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动。一、他励直流电动机能耗制动能耗制动是指电动机把拖动系统的动能转换为电能并消耗在电枢回路的电阻上，直到电动机停止转动的过程。图2-9为他励直流电动机能耗制动电路原理图。当电动机处于电动状态时，触头KM闭合、KM1断开。能耗制动时，触头KM断开、KM1闭合，能耗电阻Rb接入电枢回路，实现能耗制动。此时电动机为制动状态，电动机靠生产机械惯性力的拖动而发电（当作发电机运行），动能转换为电能并消耗在电阻Ra+Rb

上，直到电动机停止转动为止。将UN=0，Φ=ΦN，R=Ra+Rb

代入电动机的机械特性方程式，可知能耗制动时的机械特性为由式（