直第三节流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性

和工作特性4.1直流电动机的机械特性转矩特性转速特性转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异。4.2电动机稳定运行在恒负载转矩条件下，下降的机械特性电动机能稳定运行，上升的机械特性电动机不能稳定运行。在交点处，转速之上则T<Tz,转速之下则T>TzKT: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3.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=KT

Ia1:他励（并励）电动机的磁通恒定不变，电磁转矩只与电枢电流成正比；（1）2：串励电动机的磁通几乎与电枢电流成正比，故电磁转矩近于电枢电流的平方正比，转矩特性曲线近似于抛物线；图（2）。3：复励电动机介于前二者之间。结论：在相同的电流下串励电动机产生的转矩最大，起动和过载能力最强；但在额定电流范围内，并励电动机的电磁转矩相对最大。4.转矩平衡关系

电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即

当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程T2:机械负载转矩T0:空载转矩例：设外加电枢电压U一定，T=T2

(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia

、P入)

。T2nIa

T

E8.3

直流电动机的运行特性直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。一、并励电动机1.转矩特性IaUM+_If+_IE由图可求得由上分析可知：

当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则T=KT

Ia=KT

Ia

即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。

n0TIa2.转速特性8.3

直流电动机的运行特性由以下公式求得n0TIa式中：n08.3

直流电动机的机械特性求得IaUM+_If+_IE3.机械特性总结：他励电动机的机械特性

（1）T=0，n=U/（CeΦ）称为理想空载转速，空载转速n0与U成正比，与Φ成反比，当U与Φ不变时，n0是一个定值。（2）并励电动机的机械特性是一条过n0点、并稍向下倾斜的直线。（3）他励电动机的机械特性具有硬的机械特性，即电动机负载转矩增大时，转速的下降并不大。电动机的转速调整率为（4）如果在并励直流电动机中，改变串入电枢回路的附加电阻，或者改变励磁电流的大小，就可改变它的机械特性曲线，这种改变后的机械特性曲线称为人工机械特性。并励直流电动机具有与他励直流电动机相似的“硬的”机械特性，由于并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联。共用一个电源，电枢电压的变化会影响励磁电流的变化，使机械特性比他励稍软。串励电动机的机械特性为双曲线（1）串励电动机的转速随转矩变化而剧烈变化，这种机械特性称为软特性。（2）串励电动机的转矩与电枢电流的平方成正比，因此，它的起动转矩大，过载能力强。（3）电动机空载时，理想空载转速n0为无限大，实际中n0可达nN的5~7倍，这是电动机的机械强度所不允许的。因此，串励电动机不允许空载或轻载运行。（4）串励电动机可通过电枢串电阻、改变电源电压、改变磁通达到人为机械特性适应负载和工艺的要求。复励电动机特性：

介于并励和串励之间，如串励比较强，则即具有串励的软特性又有安全的理想空载转速。式中：n=f(T)

特性曲线n0nNTN

并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。动画n0TnnN很小，大约为3%~8%8.3

直流电动机的运行特性二、串励电动机1.转矩特性当Ia较小时，铁心不饱和串励UIa+_IfM特点：当Ia较大时，铁心饱和与并励类似2.转速特性当Ia较小时，可得根据当Ia较大时，铁心饱和与并励类似从上式可见，当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%n0TIa8.3

直流电动机的机械特性求得3.机械特性

串励电动机在负载变化时，转速n的变化大—软机械特性（自然特性）。适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。

当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。8.3

直流电动机的运行特性三、复励电动机复励U+_IMIa

他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。8.4

并励电动机的人为机械特性1.电枢回路串联电阻R根据nn0T电阻增大2.降低电枢电压Un0nT0U3.减弱磁通Tn（

减小）Rf增加O8.5

并励电动机的起动与反转起动直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；起动时,n=01.起动问题：(1)起动电流大(2)起动转矩大

起动时，起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.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。nn0T电阻增大TLT2T1此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。3.注意事项(2)降压起动法：

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。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。TLT2n0nT0T1(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KTIa),

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。

(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，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。2.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：8.6

并励(他励)电动机的调速并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。

1.调速均匀平滑，可以无级调速

2.调速范围大，调速比可达D=8~10以上

3.调速静差率小。主要优点：由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。8.6.1

弱磁调速

保持电枢电压U不变，减小励磁电流If(调Rf)以减小磁通。由式TLTnO动画调速过程:直至T=TC达到新的平衡。Rf

EIａnIa

ET

在高于n的转速下运行

弱磁调速时，减小，但Ia保持不变，所以转矩随调速的升高而下降，而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速，且转速n只能上调。(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D可达３~４,一般D=2

减小调速的特点：8.6.2

降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。(4)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(5)调速范围较大。一般D=8~10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

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。(3)属于恒转矩调速。8.6.3

电枢回路串电阻调速nn0T

电枢回路串电阻调速时，和Ia保持不变，所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。且转速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。(4)能量损耗大，只用于小型直流机。TL(3)调速范围较小，一般D=2~2.58.7

他励直流电动机的制动7.7.1

能耗制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动

能耗制动时，电动机励磁电流不变，电枢电压U=0U=0UfIaM+_+_If

因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。8.7

他励直流电动机的制动7.7.1

能耗制动

此时机械特性方程为可见T=0时，n=0;T>0时，n<0;T<0时，n>0;所以，机械特性应在二、四象限，并通过原点。nn0TTLAB-T制动过程:

能耗制动特点：U=0Ia

反向T

反向为制动转矩n=0n

T

（1）设备简单，运行可靠，且不需从电网输入电能。

（2）能准确停车。

（3）低速时制动效果较差。8.7.2

反接制动1.电枢电压反接制动此时电枢电流由变为

同样因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。

此时机械特性方程为-n0n0TTLAB-TC制动过程:

反接制动特点：-UIa

反向T

反向为制动转矩C点时，n=0n

T

（1）设备简单，制动转矩大，常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。

（2）能量损耗大8.7.2

反接制动2.倒拉反转反接制动：只能适用于电动机拖动位能性负载，实现匀速下放重物。

此时机械特性方程为n=0n0TTLACBD-nUUfIaM+_+_IfK

当K闭合时，电动机为正向电动运行（提升重物）为使重物下放，断开K，n=0n0TTLACBD-n此时n反向为负值，E也为负值所以电枢电流方向不变，所以电磁转