电机与电气控制技术 课件 5-2直流电动机的机械特性

任务二直流电动机的机械特性任务描述

直流电动机的电动势、转矩和功率对于直流电动机的运行起着重要的作用。本任务主要学习直流电动机的电动势、转矩、功率及机械特性，在学习的过程中需要重点掌握直流电动机的电动势、转矩、功率的意义和直流电动机的电动势平衡方程、机械特性。目录常见生产机械的负载转矩特性直流电动机的机械特性常见生产机械的负载转矩特性不同生产机械的负载转矩随着转速变化的规律不同，对此，使用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速与负载转矩之间的关系。各种生产机械的负载转矩特性大致可分为以下三类。

常见生产机械的负载转矩特性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载1.恒转矩负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒转矩负载特性是指负载转矩的大小为一个恒定值，也就是常数，与转速大小无关，分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。反抗性恒转矩负载的特性如图所示，负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反。例如，电车在平地行驶中所受的负载转矩。1.恒转矩负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒位能性恒转矩负载的特性如图所示，是指不论生产机械运动的方向是否发生变化，负载转矩的大小和方向始终不变。例如，起重机、提升机等提升设备在工作中重物所产生的负载转矩。2.恒功率负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒功率负载特性是指当转速发生变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，其负载特性曲线如图所示。在不同的转速下，负载转矩基本上与转速成反比，而机械功率为常数。例如，车床在切削金属过程中，粗加工时，切削量大，用低速；精加工时，切削量小，用高速。3.通风机型负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性通风机型负载特性是指负载转矩的大小与转速n的平方成正比的生产机械，例如鼓风机、水泵和油泵等的叶片所受的阻转矩，其负载特性曲线如图所示。以上三类是典型的负载特性，但实际生产机械的负载特性常为集中类型负载的综合。例如，起重设备提升重物时，电动机除受到位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两种负载转矩之和。1.电枢电动势

直流电动机的机械特性--参数式中，

—电动势常数，仅与电动机的结构有关；

—气隙每极磁通(Wb)；

—直流电动机的转速(r/min)；

—电动机的电枢感应电动势(V)。直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产生的电枢磁场合成的气隙磁场。当转子旋转时，转子导体切割气隙合成磁场，产生转子电动势Ea，在直流电机中，此电动势的方向与转子电流

的方向相反，称为反电动势。此感应电动势为：1.电枢电动势

直流电动机的机械特性--参数可见，对于已经制造好的直流电动机，其感应电动势大小正比于每极磁通和转速n。感应电动势的方向可由直流电动机转向和主磁场方向决定。在直流电动机中转子绕组产生的感应电动势相当于反电动势，与外电源电流方向相反。根据所设各量的正方向，对他励、井励直流电动机来说，电压平衡方程为：

式中，

—电枢回路的总电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻。2.直流电动机的功率

直流电动机的机械特性--参数是指输出功率占输入功率的百分比，即对于他励、并励直流电动机：

式中，

为电源给电动机提供的总功率，即输入功率

，

为电源给电动机提供的输入电流；

为励磁回路内部消耗的功率，即励磁回路的铜损耗，

为电枢回路的铜损耗。3.直流电动机的效率4.电磁转矩

直流电动机的机械特性--参数式中，

—转矩常数，仅与电动机的结构有关；

—气隙每极磁通(Wb)；

—电枢电流(A)；

—电磁转矩(N·m)。根据直流电动机的工作原理，由于电枢绕组中有电流流过，电枢电流与气隙磁场相互作用将产生电磁力，从而对转轴产生电磁转矩。4.电磁转矩

直流电动机的机械特性--参数电磁转矩与转子电动势同时存在于同一台直流电机中，转子电动势常数和转矩常数存在以下的关系：可见，对于已经制造好的直流电动机，其电磁转矩大小正比于每极磁通

和电枢电流

。电磁转矩的方向由主磁极磁场方向和转子电流方向决定，根据左手定则可以确定电磁转矩的方向。在直流电动机中电磁转矩的方向与直流电动机的转向相同，起驱动作用。直流电动机的机械特性表示电动机运行状态的两个主要物理量是转速和电磁转矩，电动机的机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩

之间的关系，即

。机械特性曲线可分为固有机械特性和人为机械特性。

1.他励直流电动机的机械特性方程若他励直流电动机的转子回路的电阻为Ra，转子电压为U，磁通为

，则他励直流电动机的机械特性方程为：

式中，

—理想空载转速（r/min），

=

；Δn—转速降，

；—机械特性的斜率。1.固有机械特性

他励直流电动机的机械特性当转子两端加额定电压、气隙磁通为额定值、转子回路不串电阻时的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性表达式为：固有机械特性曲线如图所示。1.固有机械特性

他励直流电动机的机械特性他励直流电动机固有机械特性具有如下特点：1)随着电磁转矩

的增大，转速

降低，其特性是略微下斜的直线。2)当

时，

为理想空载转速，因为

是不可能为0的，电动机要旋转起来，必须要克服一定的摩擦力，所以

是理想化的状态。3)机械特性斜率的值很小，特性较平，习惯称之为硬特性，若其值较大，则称为软特性。4)当

时，转速

，此点为电动机的额定工作点。此时，转速差

，称为额定转速差。一般

。5)当

，即电动机起动时，

，此时，电枢电流称为起动电流，此时的电磁转矩称为起动转矩，由于电枢电阻很小，起动电流和起动转矩都比额定值大很多（可达额定值的几十倍），这会给电机和传动机构带来危害。他励直流电动机的机械特性一台直流电动机只有一条固有机械特性，对于某一负载转矩，只有一个固定的转速，这显然无法达到实际拖动对转速变化的要求。为了满足生产机械加工工艺，例如起动、调速和制动等各种工作状态的要求，还需要人为地改变直流电动机的参数，如转子电压、转子回路串电阻和气隙磁通，相应地得到三种人为机械特性。他励直流电动机的机械特性1.转子回路串电阻的人为机械特性转子加额定电压，每极磁通为额定值，转子回路串入电阻

后的人为机械特性表达式为

转子串入不同电阻时的人为机械特性曲线如图所示。这种人为机械特性的特点：理想空载转速不变；特性斜率与转子回路串入的电阻有关，电阻越大，斜率越大。故转子回路串电阻的人为机械特性曲线是一组通过理想空载转速点的放射性直线。他励直流电动机的机械特性2.改变转子电压的人为机械特性保持每极磁通额定值不变，转子回路不串电阻，只改变转子电压大小和方向，其人为机械特性表达式为

改变转子电压的人为机械特性曲线如图所示。改变转子电压的人为机械特性的特点：理想空载转速与转子电压成正比，且为负值时，也为负值；特性斜率不变，与固有机械特性相同。因此改变转子电压的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。他励直流电动机的机械特性3.减弱磁通时的人为机械特性减弱磁通的人为机械特性是指转子电压为额定值不变，回路不串电阻，仅减弱磁通的人为机械特性。减弱磁通是通过减小励磁电流（如