直流电动机机械特性

一、启动特性
电动机的启动就是给电动机通电，使电动机转子转动
起来，达到要求转速的这一过程。
对直流电动机而言，在启动时n=0 , E=0, 而Ra一般很 小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电
流为：
I st
UN Ra
启动电流很大，一般情况下能达到其额定电流的
（10～20）倍。
（1） 对电动机本身的影响： • 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏换向器； • 过大的电枢电流产生过大的电磁力，可能引起绕组的
n
UN KeΦ
Ra K e K tΦ 2
T
T KtΦI a
（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严 重过载；
（2）当=0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，
通常称为“飞车”； 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在
运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为 此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
枢回路串电阻启动两种方式。
1. 电枢回路串电阻启动： 启动时，电枢回路串接电阻Rst ，此时Ist=UN/(Ra+Rst)
将受限制。随着转速的升高，再逐步切除外加电阻直到全 部切除，电动机达到所要求的转速。
2. 降压启动： 所谓降压启动即在启动时，降低供电电源电压，随着
转速的升高，电动势随之增大，再逐步提高供电电压，最 后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。
1. 电枢回路中串接电阻时的人为特性：（U=UN,Φ=ΦN)
n
UN KeΦN
Ra Rad Ke KtΦN2
T
n
串电阻 后,工作
点由
未串电 阻时的 工作点
n0 a→b→c

-
↓
电磁力与电枢铁心半径之积为电
磁转矩，电磁转矩是带动电枢旋
S
转的动力矩。
2.直流电动机的工作原理
图a
图b
图c
图d
直流电动机工作过程分解图
电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢 线圈中的电流，却是交变的。
在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向 始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。
机械损耗和铁心损耗在“电动机空载运行时就存在”，二者 之和又称为“空载损耗”。
☆ 空载损耗P0： P0= Pm＋PFe
空载损耗产生空载转矩T0，T0与旋转方向相反，是制动转矩。
2.功率平衡方程式
☆附加损耗Ps：
附加损耗又称杂散损耗，其值很难计算和测定，通常取：
Ps =（0.5%~1%）PN。
总损耗：
实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁 转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。
二、直流电动机的电磁转矩
电磁转矩T是带动直流电动机旋转的动力矩，它是个 既有大小、又有方向的向量。 电磁转矩的方向由左手定则判断。
电磁转矩的大小为：
其中p为磁极对数，N为电枢绕组总导体数，a为单波绕组并联支 路对数，CT为转矩常数。这些参数只与电机的结构有关。
1.电动势平衡方程式（电路系统）
2.转矩平衡方程式（机械系统）
他励直流电动机电路图
3.功率平衡方程式（能量转换过程）
1.电动势平衡方程式
他励直流电动机的励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。
励磁电路： Uf →If →Φ 电枢电路：Ua → Ia→T → n →Ea
利用基尔霍夫电压定律，可得 电动势平衡方程式为：

直流电动机的机械特性直流电动机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。

下面一常用的他励和并励电动机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电动机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。

直流电机的接线图图是他励和并励直流电动机的接线原理图。

他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电压U供电。

并励电动机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：U=E+RaIa 即：Ia=（Ra为电枢电压）If=I=Ia+If≈Ia当电源电压U和励磁电路的电阻Rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。

则电动机的转距也就和电枢电流成正比，T= KTΦIa= KIa这是并励电动机的特点。

当电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电动机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电动机的转速、电流及电磁转距等发生变化。

，称为：n===－Ｔ＝n0－式中并励电动机的起动与反转并励电动机在稳定运行时，其电枢电流位：Ia＝，因电枢电阻Ra很小，所以电动机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等。

在起动时，n=０，所以E＝kEΦn＝０。

这时电枢电流及起动电流为Iast=，由于Ra很小，因此起动电流I ast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。

同时并励电动机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。

限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。

这时起动电枢中的起动电流的初始值为：Iast=则起动电阻为：Rst=－Ra一般：Iast=（1.5～2.5）IN起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，再把它逐段切除。

注意：直流电动机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。

2
直流电动机的机械特性
③减弱励磁磁通时的人为特性
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。
的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，
当负载电பைடு நூலகம்增加时，转速有所下降。他励直流电 图3-23 他励电动机的工作特性
动机的工作特性如图3-23所示。
1
直流电动机的工作特性
（2）转矩特性 当U=UN，If=IfN时，Tem f (I a ) 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：
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。
2
直流电动机的机械特性
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
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 求出β 后，便可求得他励电动机的固有机械特性方程式n=n0- 。
(2). 人为特性的求取
在固有特性方程式 n=n0-
(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）

一.能耗制动 1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点 1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点
他励电动机能耗制动电路原理( 他励电动机能耗制动电路原理(图9-18)
能耗制动时的机械特性为：
Ra + R B Tem = 0 − β Tem 2 C eCT Φ N
n=−
n
制动瞬间 工作点
电动机状态工 作点
启动时电枢电流过渡过程( 启动时电枢电流过渡过程(图9-12)
(7)结论 请看下表： 可以看出： 理论上，只有当时间 n 趋于无穷 时，转速才能达到稳态值 ，但实 际上，由于当 t =（3 ~ 4）TtM 时 ，系统转速已达到稳定运行转速 nz 的 95% ~ 98% 所以，一般可认为经过 3 ~ 4 个 时间常数，转速便达到稳定值， 过渡过程结束
任意给出两点如 T = 0（空载点）和 T = TN通过这两点得连线即为固有机 械特性 (二)人为机械特性的绘制 二 人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，把相应的参数值代入对应的人为机械 特性方程式即可。
四.电力拖动系统稳定运行的条件
我们的任务是什么？ 分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题 1.稳态时电动机电流由负载大小决定 1.稳态时电动机电流由负载大小决定 (1)转矩平衡 当他励电动机机械特性 n = f(T)为 3，恒转矩负载特性 n = f(TZ)为 1 因转矩 T 与 TZ 方向相反、大小相等而相互平衡 时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态 (2)稳态运行 两个特性的交点 A ，转速都是 nA，电磁转矩 等于负载转矩（= TZ1） 交点A表明电力拖动系统的某一稳态运行点 (3)负载发生变化 如负载增大，负载转矩特性由 1 变为 2 。 转速开始时仍为 nA，电磁转矩 T 还是由 A 点决定,因为 T = TZ1< TZ2 所以 dn/dt < 0 ，系统进入动态减速过程 两种不同负载的n= 31，2—两种不同负载的n=f(TZ) 3- n=f(T) 两种不同负载的

分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
电动机的电压平衡方程式
I

Ia
UE M
Ra
Rf'
Tn
If Uf
T = Kt Ia E = Ke n，
U = E + IaRa
电路原理图
n = —E—
Ke
= —U–—I—aR–a
Ke
= —KUe—– – —K—ReKa—t·T—2
转速特性
机械特性
n
= —KUe—T– – —K—RTeK0a—t·T—2
TN -- 额定负载转矩
T （N.m） TN 近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线
利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。
已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）
步骤：
（1）估算
Ra（或测量）
Ra = （0.5
0.75）（1
-
——P—N —）—U—N
保持 If = IfN n = nN，当调整负载电阻 R U I
反映发电机电枢端电压 U 随负载电流 I 变化的特性。
U
U0
电压调整率：
UN
U —U—0 —– U—N– 100%
0
I
UN

动过程
起动条件：1、起动转矩要足够大，
2、起动电流不要太大，
注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0
I st
UN Ra
二. 起动方法
1、降压启动 电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种启动 方法需要专用电源，投资较大大但启动电流小，启动转矩容易 控制，启动平稳启动能耗小，是一种较好的启动方法。 2、串电阻分级启动 无须可调电源，实现方便。但电阻耗能严重，调节平滑性差。
n
n0
Ra Rz CeCT 2
Tz
n0
Ra Rz Ce
Iz
二、反接制动－电枢反接的反接制动
1．原理与方法
+U–
运行
R
If
M
Uf
制动
电枢反接制动是将正在正向 运行的他励直流电动机电枢回路 的电压突然反接，电枢电流也将 反向，主磁通不变，则电磁转矩 反向，产生制动转矩。
2. 机械特性
机械特性分析： U U N , ，N 电动机的机械特性方程式为
n
UN
Ce N
Ra R
C
e
CT
2 N
T
n0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T
n0
n
说明
式中
Ra R
C
e
CT
2 N
称为人为特性的斜率，当改变外串电阻RΩ的大小，可得到 一簇人为特性曲线，如图所示。
特性的特点是： ①理想空载点n0与固有机械特性的相同； ②斜率β随外串电阻RΩ的增大而增大，使特性变软。电枢 回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。
n0
UN
Ce N
式中
Ce N
EaN nN

《机电传动控制》实验1-直流电动机机械特性《机电传动控制》实验指导书实验⼀直流电动机的机械特性⼀、实验⽬的掌握⽤实验⽅法测取直流并励电动机的机械特性。

⼆、实验内容1、实验设备1)、电源控制屏、D31直流数字电压电流表（2件）、D42三相可调电阻器、D44可调电阻器，挂箱排列顺序见图1-1。

2）、DD03导轨、测速发电机及转速表DJ23校正直流测功机参数：I N=2.2A，P N=355W，n N=1500r/min，U fN=220A，R f=26Ω，R=2090ΩDJ15直流并励电动机参数：I N=1.2A，P N=185W，n N=1600r/min，U fN=220A，R f=57Ω，R=1387Ω转速表DJ23 DJ15 DJ15直流并励电动机电阻串联接法：旋钮在最⼤值时R=1800Ω电阻并联接法：旋钮在最⼤值时R=450Ω图1-1实验挂件及顺序D 42 D 31 （1） D 31 （2）D 44电源控制屏量程选择1000v量程选择200m A励磁电源电枢电源接线图2、实验步骤1）按上图接线。

图中直流电动机M⽤DJ15，其额定电压U N=220V，额定励磁电流I fN<0.16A。

校正直流测功机MG⽤DJ23，MG按他励发电机连接，在此作为直流电动机M的负载，⽤于测量电动机的转矩和输出功率。

R f1选⽤D44的1800Ω阻值，R f2选⽤D42的900Ω串联900Ω共1800Ω阻值，R1⽤D44的180Ω阻值，R2⽤D42的900Ω串联900Ω再加900Ω并联900Ω共2250Ω阻值。

接好线后，检查M、MG之间是否⽤联轴器直接联接好。

2）将直流并励电动机M的磁场调节电阻R f1调⾄最⼩值，电枢串联起动电阻R1调⾄最⼤值，接通控制屏下边右⽅的电枢电源开关使其启动，其旋转⽅向应符合转速表正向旋转的要求。

3）M启动正常后，将其电枢串联电阻R1调⾄零，调节电枢电源的电压为220V，调节校正直流测功机的励磁电流I f2为校正值（100mA），再调节其负载电阻R2和电动机的磁场调节电阻R f1，使电动机达到额定值：U=U N，I=I N，n=n N，此时M的励磁电流I f即为额定励磁电流I fN。

题解
解 : （ 1） E ＝ k e Φ N n N ，
UN I N Ra k eN nN
ktΦN＝9.55 keΦN
，代入下式
UN Ra n T 2 K eN K eK t N
即得固有机械特性方程式。
题 解（续）
（2）将Rad＝3，5，分别代入下式：
UN R a R ad n T 2 K eN K eK t N
三、 固有机械特性
固有机械特性：当他励电动机电压U＝UN，磁 通Φ＝ΦN，电枢没有串联电阻Rad＝0时，这一 机械特性称为固有机械特性:
UN Ra n M 2 Ce N CeCm N
人为机械特性：可用改变电动机参数的方法 获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个 以上值非额定时得到的机械特性即为人为机械 特性。

Ra K eK t N
2
T
n0∝ U ，Δn不变。
特点和机械特性图
特点 人为机械特性是几 根平行线，它们低 于固有机械特性 1， 但与固有机械特性相 平行 机械特性图 改变电压时的人为 机械特性图如右图。
3. 减弱磁通时的人为机械特性
改变磁通实际上是减弱励磁。 此时电枢电压 U = UN，电枢不串联电阻(Rad=0), 电动机磁通Φ<ΦN 。 减弱磁通时人为机械特性方程式：
他励直流电动机正反转 时的固有机械特性
习题
已知某他励直流电动机的铭牌数据如下： PN＝7.5kW，UN=220V，nN=1500r/min， ηN＝88.5%。 试求该电机的额定电流和额定转矩。
题解
解： ∵ PN＝UNINηN , ∴ IN＝PN/(UNηN)＝¨¨¨＝38.5A； TN＝9.55PN/nN＝¨¨¨＝47.74N· m

nF n
I
F
16
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
U
Tem Cm Ia （2-1）
_
式中
pN
Cm 2 a
当磁场 一定时
电机转矩常数；
Tem Km Ia
式中 Km Cm —转矩系数；
第17页/共60页
IB
nF n
I
F
17
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
+
U
应用：机电系统驱动控制
_
2）发电机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统制动控制
+
U
电机：电 能 机械能，称可逆原理
_
第13页/共60页
IB
nF n
I
F
IB
n
I
T
n
13
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
U
_
载流导体在磁场中，受电磁力作用；
p p0 pCua pFe pm ps pCua
24
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2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
他励电机稳态运行时的功率流程图
P1 P2 p
p pCua pFe pm ps
25
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2.3 直流电动机的机械特性
2.3.1 他励电动机的机械特性
I
E
7
第7页/共60页
2.1 直流电机的基本结构及类型

直流电动机的机械特性直流电动机是一种常用的机电一体化设备，其被广泛应用于各个领域中。

本文将会介绍直流电动机的机械特性以及其对电机性能的影响。

机械特性在直流电动机中，机械特性包括以下几方面：转矩-转速特性转矩-转速特性是描述直流电动机机械性能的一项基本参数。

在电动机工作过程中，其所能输出的最大转矩随着转速的升高而逐渐降低。

这是因为当电动机转速越来越快时，铁芯和电涡流产生的反磁场会减弱，从而导致电动机所能输出的最大功率下降。

负载特性负载特性是指在不同负载下电机的输出特性。

电动机工作时，其常常需要承受较大的负载。

在负载下，电机输出的功率与输出的转矩有直接的关系，因此负载特性也是衡量电机性能的重要指标。

稳态和瞬态特性电动机的稳态和瞬态特性是描述电机工作状态的两个重要参数。

稳态特性是指电机在稳定状态下的运作特性，而瞬态特性则是指电机在启动、停止和加速等瞬态过程中的运作特性。

机械特性对电机性能的影响电动机的机械特性对其性能的影响十分显著。

其中，转矩-转速特性对电机的负荷能力、效率和稳定性都有影响。

转矩-转速特性可以用动态转矩方程来描述，在实际应用中可以根据负载情况来调整电机的运行状态，以保证其在不同负载下的运行稳定性。

另外，稳态和瞬态特性对电机的启动、停止和加速等过程有直接的影响。

在启动过程中，电机可能会受到较大的起动电流，从而导致电机元件的过载。

在停止过程中，电机可能会产生反电动势，导致能量无法全部释放，影响到电机的效率。

因此，在电机的设计过程中需要充分考虑机械特性对电机性能的影响，以使其性能更加优越。

直流电动机的机械特性是描述其工作性能的一个重要因素。

转矩-转速特性、负载特性以及稳态和瞬态特性等机械特性对电机的性能和效率都有显著的影响。

在电机设计和应用中，我们需要充分考虑这些特性的影响，以保证电机的稳定性、负荷能力和实用性。

他励直流电动机机械特性的测定实验报告实验报告：直流电动机机械特性的测定引言：直流电动机是一种常见的电动机类型，广泛应用于工业生产中。

机械特性是指电动机在不同负载条件下的转速、转矩和功率之间的关系。

通过测定直流电动机的机械特性，可以了解电动机在不同负载下的性能指标，为电动机的选择和应用提供参考。

实验目的：1.测定直流电动机的转速-负载特性曲线；2.测定直流电动机的转速-电机电枢电流特性曲线；3.测定直流电动机的效率。

实验原理：1.转速-负载特性曲线实验原理：通过改变电动机的负载，测量不同负载下的转速和转矩，并计算功率，得到转速-负载特性曲线。

2.转速-电机电枢电流特性曲线实验原理：通过改变电动机的电枢电流，测量不同电流下的转速和转矩，并计算功率，得到转速-电机电枢电流特性曲线。

3.效率测定原理：根据直流电动机的输入功率（电源电压×电机电枢电流）和输出功率（机械功率），计算出直流电动机的效率。

实验步骤：1.测定转速-负载特性曲线：（1）将电动机空载转动，通过转速计测量电动机的空载转速；（2）依次添加不同的负载，分别测量旋钮开度、载荷质量、电机输出转矩；（3）根据测得的数据，计算负载对应的转速和功率；（4）绘制转速-负载特性曲线。

2.测定转速-电机电枢电流特性曲线：（1）设置电动机的负载为一定值，将旋钮开度调至合适位置；（2）改变电动机电枢电流的大小，使用电流表测量电枢电流；（3）测量电动机的转速和转矩；（4）根据测得的数据，计算电枢电流对应的转速和功率；（5）绘制转速-电机电枢电流特性曲线。

3.测定效率：（1）选择一个转速和负载，测量相应的电机电枢电流、输入功率和输出功率；（2）根据测得的数据，计算出效率。

实验结果和数据处理：1.转速-负载特性曲线：[插入转速-负载特性曲线图]2.转速-电机电枢电流特性曲线：[插入转速-电机电枢电流特性曲线图]3.效率测定：根据测得的数据计算得到效率为XX%。

直流电动机机械特性直流电动机是一种广泛应用于工业领域的电动机，其机械特性对于在实际工程中使用起着至关重要的作用。

本文将介绍直流电动机的机械特性，包括其基本结构、工作原理、性能参数以及特性曲线等内容。

基本结构直流电动机主要由定子、转子、换向器、电刷、轴承等部件组成。

定子是固定的部件，包括定子铁心、定子绕组等；转子是旋转的部件，包括转子铁心、励磁绕组等；换向器用于改变电流方向，使电机正常运转；电刷与换向器配合使用，传递电流到转子绕组上；轴承则支撑转子的转动。

直流电动机的工作原理是利用电磁感应的原理，当电流通过转子绕组时，会在空间产生磁场，与定子的磁场相互作用产生转矩，推动转子旋转，从而实现电动机的工作。

性能参数直流电动机的性能参数主要包括额定电压、额定功率、额定转速、额定电流、效率等。

其中，额定功率是指电动机在额定电压、额定电流条件下所能输出的功率；额定转速是指电动机在额定电压下转动的转数；效率则是指电动机输出功率与输入功率之比。

特性曲线直流电动机的特性曲线包括转矩-转速曲线和效率-输出功率曲线。

转矩-转速曲线表示在不同负载下电动机的转子转速和输出转矩的关系，通常转矩与转速呈线性关系；效率-输出功率曲线则表示在不同输出功率下电动机的效率变化情况，一般在额定功率附近效率最高。

直流电动机广泛应用于各种机电设备中，包括传送机械、起动机、升降机、风机等，其机械特性对于实现各种功能起着关键作用。

结论直流电动机的机械特性是其性能的重要指标，了解并掌握电机的特性对于工程设计、运行维护等都有着重要的意义。

通过本文的介绍，相信读者对直流电动机的机械特性有了更深入的了解。