直流电动机电枢串电阻起动设计.
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直流电动机电枢串电阻起动设计 1 1 直流电机的基本结构 直流电动机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和对电机的支撑，主要由主磁极，换向极，机座，端盖，电刷装置等部件组成。转子的作用是产生感应电枢感应电动势或者电磁转矩，主要由电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等部件组成，如图1-1。
图1—1 直流电动机结构图 直流电机的额定值一般都标注在铭牌上，铭牌固定在机座的外表面上。额定值是用户选择和用好电机的重要依据，根据国家标准，直流电机的额定数据有:(1)额定功率
nPKw ；（2）额定电压nUV；（3）额定电流nIA；（4）额定转速/minNnr；
（5）励磁方式和额定励磁电流fNIA。还有的额定值比如额定效率，额定转矩NT和额定温度等不一定都在铭牌上标注出来。 直流电动机电枢串电阻起动设计
2 2 直流电机的工作原理 直流电动机的工作原理用一句话来概括：带电导体在磁场中受力，产生电磁转矩，继而带动负载转动。具体分析如下，如图1-2。
图2—1 直流电机的工作原理图 电流从电源正极流入电刷A经过导体ab到cd从电刷B流出回到电源负极。由电磁力
定律可知导体ab，cd受力的大小为fBli，式中i为导体中流过的电流。由左手定则可判断瞬间导体ab，cd受力方向相反，力f乘以转子的半径就是电磁转矩，若电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩，电枢便逆时针旋转起来了。当电枢转过180°时，cd转到N极下，ab转到S极下，电流仍然从电刷A流入，经过导体dcba，由电刷B流出，两导体上受力仍然相反，产生的电磁转矩方向不变仍然为逆时针方向。 直流电动机电枢串电阻起动设计
3 3 直流电动机的基本理论 3.1 直流电动机的参数 （1）电枢感应电动势aEECn； （2）EC为电势常数，为每极磁通，n为转速，对于成品直流电机，电枢感应电势与
每极磁通和转速的乘积成正比。 （3）电磁转矩eTaTCI。
TC为转矩常数，为每极磁通，aI为电枢电流，对成品电机，电磁转矩的大小与每极磁通与电枢电流的乘积成正比。 若每极磁通的单位为Wb，电流aI的单位为A，侧电磁转矩emT单位为Nm电磁转矩
的大小与每级磁通和转速n的乘积成正比。 比较电势常数60EpNCa和电磁转矩常数2TpNCa可得二者关系为260ETCC， 9.55TECC。
3.2 他励直流电动机的基本方程式 电枢回路电势平衡方程式为：aaaUEIR式中，aR为电枢回路总电阻，它包括电枢绕组电阻、换向极绕组电阻、补偿绕组电阻、电刷与换向器表面的接触电阻等。 励磁回路中，对他励或并励电动机有fafUIR式中，fU在他励时为给定值，在并励时
为fUU；fR为励磁回路总电阻。 直流电动机以转速n稳定运行时，作用在电枢上的砖具有三个：一个是电磁转矩emT，是拖动性质的；一个是转轴上的输出转矩2T，是制动性质的；还有一个是电机的机械摩擦、铁芯损耗等引起的转矩0T,因为转矩0T空载时也存在（只是大小略有变化），因此把它称为空载转矩，是制动性质的。由能量守恒原理得转矩平衡方程式为：
20emTTTT 由以上分析可得直流电动机稳定运行的基本方程式如下 直流电动机电枢串电阻起动设计 4 20,aaaaEemTaemfaf
fa
UEIRECnTCITTTUIRfII
直流电动机电枢串电阻起动设计
5 4 直流电动机的机械特性 在他励直流电动机中，当aU，aR，和fI保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励直流电动机的机械特性。 他励直流电动机的转速与转矩之间有，如下关系：
002
aa
EET
URnTnnnTCCC
式中，0n式电动机的理想空载转速，其值为： 0aE
UnC
n时转速差，其值为0nnn 是机械特性的斜率，其值为dndT=2aETRCC
机械特性的硬度为1dTdn 斜率越小，硬度越大，机械特性越硬。当aU和fI保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。 4.1 固有特性 由他励直流电动机转速与转矩的关系式得到他励直流电动机的固有特性如图所示。由于电枢电路电阻aR很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。 直流电动机电枢串电阻起动设计
6 图3—1 直流电机的固有特性 固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这使电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。 固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的
最大电枢电流max1.5~2.0aaNII。对应的转矩mT是电动机所允许的最大转矩。临界状态
说明了电动机的短时过载能力。直流电动机的短时过载能力可用mc表示。 4.2 人为特性 4.2.1 增加电枢电路电阻时的人为特性 若在电枢电路中串入一外接电阻，相当于将式中的电枢电路电阻aR增加。这时理想空载转速0N不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图所示。传入的电阻越大，人为特性的斜率越大，硬度减小。 直流电动机电枢串电阻起动设计
7 图4—1 增加电枢电路电阻时的人为特性 4.2.2 降低电枢电压时的人为特性
图4—2 降低电枢电压时的人为特性 aU降低时，0n减小，不变，不变，人为特性如图所示，机械特性向下平移。
4.2.3 减小励磁电流时的人为特性 直流电动机电枢串电阻起动设计
8 图4—3 减小励磁电流时的人为特性 减小励磁电流fI，侧磁通减小，n增加，增加，减小，人为特性如4—3图所示。 直流电动机电枢串电阻起动设计
9 5 他励直流电机的启动 直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。
他励电动机在起动瞬间，转速n=0，电动势E=0，由式aaaaUEIR，aE=0时asaUIR可
知，起动电流在额定电压下直接起动时，由于aR很小，sI很大，一般可达电枢电流额定值的10~20倍。这样大的电流是换向所不允许的。同时有式TaTCI可知，起动转矩也能达到额定转矩的10~20倍。起动转矩过大会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以至损坏传动机构（如齿轮）和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下
的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻aR大、转动惯量又比较小、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许直接启动的。 为此，必须将起动电流限制在允许范围之内。由式asaUIR可以看出，方法有两个：降
低aU和增加aR。 5.1 降低电枢电压起动 此方法需要有一个可以改变电压的直流电源专供电枢电路之用。例如利用直流发电机、晶闸管可控整流电源或直流斩波电源等。起动时，加上励磁电压fU，保持励磁电流fI
为额定值不变，电枢电压aU从零逐渐升高到额定值。 这种起动方法的优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化，缺点是初期投资大。
5.2 增加电枢电阻起动
5.2.1 无级起动 额定功率较小的电动机可采用在电枢内串联起动变阻器的无级起动方法起动。起动前先把起动电阻调到最大值，再加上励磁电压fU，保持励磁电流为额定值不变。在接通点数电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动班组气的电阻，直到全部切除。起动变阻器的最大阻值为，设要求的起动电流值为Is，该值不得超过maxaI，由于这时
as
aST
UIRR
直流电动机电枢串电阻起动设计 10 因此求得 aSTasURRI aR可以通过实测或者通过铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略0T的情况下，2eaPPEI，因此，在额定转态下运行时，由NaN
PEI
NaN
aaNsa
aaN
PUUIIRRI
欲与上市是在忽略0T的情况下得到的，因此用上式估算出的aR值要比实际值略大一些。 5.2.2 有级起动 额定功率较大的电动机一般采用有级（分级）起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。现以两级起动为例来说明起动步骤和起动过程。原理电路和机械特性如图所示
图5—1
