电机与拖动（第4版）直流电机

学习目标[知识目标]1．熟悉直流电机的结构。2．理解直流发电机和直流电动机的工作原理与可逆性。3．掌握直流电动机的工作特性与机械特性。4．掌握直流电机的感应电动势、电磁转矩与功率平衡方程式。5．掌握直流电动机的起动、调速、反转及制动的原理与方法。[能力目标]1．能熟练起动直流电动机。2．能熟练进行直流电动机的调速和制动。3．能完成直流电动机的一般维护。4．会通过试验测定并励直流电动机的工作特性与机械特性。[素质目标]1．严谨细致、精益求精、勇于创新的工匠精神。2．安全意识、环保意识和质量意识。3．分析问题、解决问题的能力及团队协作精神。内容导入

直流电动机由于其良好的调速性能和动力常应用于工业拖动控制系统中，如龙门刨床工作台的拖动、电力机车牵引和辅助压缩机驱动。牵引电机作为电力机车的重要部件之一，它安装在转向架上，通过齿轮与轮对相连；机车在牵引状态运行时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动机车运行，此时电机处于电动机状态；当机车在电气制动状态下运行时，牵引电机将机械能转化为电能，产生电制动力，此时电机处于发电机状态。

直流电动机在日常生活中也经常被使用，如玩具、电动剃须刀等。电动剃须刀是以剪切动作进行剃须的，对于旋转式电动剃须刀，当接通电源开关后，电动机高速旋转，带动刀架上的内刀片与网罩的刃口做无间隙的相对运动，将伸入网罩孔内的胡须切断，达到剃须的目的。电动剃须刀的电动机一般采用永磁式直流电动机，额定电压一般为1.5V或3V，转速为6000～8000r/min，对电动机的要求是运转平稳。在工业控制和日常生活中，不同的直流电机是如何工作的，什么样的工作特性与机械特性能保证直流电机稳定高效运行，其起动、调速、反转及制动的原理与方法为模块三重点学习的内容。学习导图1.直流发电机的工作原理把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）

直流发电机原理模型

在图所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈正极性,电刷B呈负极性。

当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。直流发电机原理模型

直流发电机原理模型由图可知，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。实现了机械能到电能的转换。这就是直流发电机的工作原理。

直流电动机的原理模型2.直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。直流电动机的原理模型结论：电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体

ab和cd

流入，使线圈边只要处于N

极下，其中通过电流的方向总是由电刷A

流入的方向，而在S

极下时，总是从电刷

B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。实现电能向机械能的转变。这就是直流电动机的工作原理。直流电机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。

小型直流电机的结构1.定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置、端盖等组成。2.转子部分直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

换向器的结构例如:1.铭牌铭牌钉在电机机座的外表面，其上标明电机主要额定数据及电机产品数据，供使用者使用时参考。铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定励磁电流、励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。2.直流电机的主要系列电机的产品型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的汉语拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。下面以Z2-92为例说明如下。

第一部分字符的含义如下:Z系列：一般用途直流电动机（如Z2，Z3，Z4等系列）。ZJ系列：精密机床用直流电动机。ZT系列：广调速直流电动机。ZQ系列：直流牵引电动机。ZH系列：船用直流电动机。ZA系列：防爆安全性直流电动机。ZKJ系列：挖掘机用直流电动机。ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机。额定数据：电机额定功率PN：额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机是指电动机轴上输出的额定机械功率；对于发电机是指电刷间输出的额定电功率。单位为kW。额定电压UN：额定条件下，电机出线端的平均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。单位为V。额定电流IN：电机在额定电压情况下，运行于额定功率时对应的电流值。单位为A。额定转速nN：对应于额定电压、额定电流，电机运行于额定功率时对应的转速。单位为r/min。额定励磁电流IfN：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。励磁方式：是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。直流电机励磁有并励、串励、复励等方式。额定状态：在电机运行时，若所有的物理量均与其额定值相同，则称电机运行于额定状态。欠载运行：若电机的运行电流小于额定电流，则称电机为欠载运行；过载运行：若电机的运行电流大于额定电流，则称电机为过载运行。直流电机在发电状态下运行，除需要原动机拖动外，还需要供给励磁绕组励磁电流。供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式，直流电机的励磁方式分为他励和自励两大类。以下是直流电动机的励磁方式。直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性.定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场，此时的磁场称为空载磁场。直流电机空载时的磁场分布示意图1.直流电机的磁路2.空载时气隙磁磁通密度的分布图形如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。直流电机空载磁场的磁密分布为一平顶波负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。1.电枢磁场假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。定义:电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布2．电枢反应从空载磁场和电枢磁场可知，空载磁场和电枢磁场轴线刚好正交，但在主磁极的前极尖处（电枢进入主磁极的极边）两磁场方向相同，而在后极尖处（电枢离开主磁极的极边）两磁场方向相反。因此，在前极尖处磁场被加强，而在后极尖处磁场被削弱，使气隙的磁场畸变，这就是电枢磁场对励磁磁场的影响，称为电枢反应。结论：（1）由于电枢反应，气隙磁场不再仅由励磁磁场建立，而是与电枢磁场共同作用而建立合成磁场，并发生畸变，主磁极的前极尖磁感应强度加强，后极尖的磁感应强度减弱。（2）合成磁场的物理中性线逆着旋转方向移动一个角度，但此时电刷轴线仍在几何中心线上，电流的分界线仍未变，但磁场的分界线（即物理中性线）移动之后，产生电动势的分界线也移动，不再像空载那样与几何中心线重合。（3）在几何中心线划分的极区范围内，当磁路为线性时，极轴两边的助磁效应恰与去磁效应相补偿，故合成磁场的磁通—有效磁通，仍与励磁磁通—主磁通Φ0相等，也就是说，电枢反应只引起磁场分布曲线畸变，而不改变有效磁通的大小。因此，当电机带负载而磁路不饱和时，电枢绕组产生的感应电动势仍与空载时相等。如果磁路是非线性的，则前极尖可能达到饱和，磁感应强度加强不多，出现去磁现象，合成磁通将比Φ0小，那么电枢绕组的感应电动势便有所下降。（4）由于合成磁感应强度波形是非线性的，所以电枢绕组中每个元件的感应电动势不等，造成换向片间电位差不等，增加换向困难。为了保证电机的正常换向，就必须使直轴电枢反应不能起增磁作用，从而要求在电机运行时，最好是将电刷由几何中心线移到物理中心线上，即作电动机运行时，可逆转动方向移一个合适的角度，作发电机运行时，则要顺时针移动一个合适角度。根据电磁定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，当其运行时，电枢绕组切割了磁场，就要产生感应电势，由于电枢绕组中又有电流通过（带负载），其与磁场的作用就会产生电磁转矩。1.直流电机的感应电动势直流电机无论作电动机运行还是作发电机运行，电枢绕组内都感应产生电动势,这个感应电动势是指一条支路的电动势。要计算支路电动势，可先求出每个元件电动势的平均值，然后乘上每条支路串联元件数，就可得出支路电动势。

式中：

p—极对数；

n—电枢转速；

N—电枢导体总数；

Φ

—每极磁通；

Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。

当电机制造好以后，与电机结构有关的常数Ce不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。

根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径之积为电磁转矩。

式中CT

为转矩常数，仅与电机结构有关。从Ce与CT

的表达式可以看出CT=9.55Ce。

由Tem=CTΦIa可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。

3.3.2直流电机的电磁转矩一根导体在磁场中所受的电磁力为：fav=Bavlia每根导体的电磁转矩为：总的电磁转矩为额定功率P。指在额定条件下电机所供给的功率。对直流发电机而言，是指发电机带额定负载时，电刷端输出的功率，即：对直流电动机的额定功率为输出机械功率，其值为输入电功率乘以效率。3.3.3直流电机的功率电机是进行能量转换的装置，因而功率关系是电机运行中最基本的关系。电机在运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗，它们之间应满足能量守恒定律。在进行能量转换的过程中，电机内部产生各种损耗，其能量转换为热能使电机发热。3.3.3直流电机的功率1．电机的损耗（1）铜损耗PCu。铜损耗包括电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜损耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜损耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关。铜损耗将引起绕组及换向器发热。铜损耗与电流二次方成正比，随着电机的负载变化，称为可变损耗。（2）机械损耗Pmec。机械损耗是指电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗，主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关。机械损耗将引起轴承和换向器发热。1．电机的损耗（3）铁损耗PFe。交变磁通在铁芯中产生的磁滞和涡流损耗称为铁损耗。电枢铁芯在静止的磁场中旋转，通过铁芯中的磁通为交变磁通，产生铁损耗；电枢旋转时，电枢槽口引起主磁极表面磁通脉动，在极靴表面产生铁损耗。铁损耗大小与电机的转速、磁感应强度及铁芯冲片的厚度、材料有关。铁损耗将引起铁芯发热。PFe和Pmec在电机空载时就存在，称为空载损耗P0，表示为

P0=PFe+Pmec

空载损耗P0与电机的负载无关，也称为不变损耗。（4）附加损耗Pad。除了上述各种损耗之外，电机还存在附加损耗。附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输出功率的0.5%～1%，即Pad=(0.5%～1%)P2。3.3.3直流电机的功率3.3.3直流电机的功率电机的总损耗ΣP

:3.3.3直流电机的功率2．电磁功率通过电磁作用传递的功率称为电磁功率，用Pem表示。电磁功率既可以看成是机械功率，又可以看成是电功率。从机械功率的角度看Pem，它是电磁转矩Tem和旋转角速度Ω

的乘积，即Pem=TemΩ。从电功率角度看Pem，它是电枢电势Ea和电枢电流Ia的乘积，即Pem=EaIa。根据能量守恒定律，两者相等，即Pem=Tem

=EaIa。3.3.3直流电机的功率3．功率平衡方程式功率平衡方程式：P1=P2+ΣP直流发电机功率流程从直流发电机功率流程看，原动机输入机械功率

，一部分供给空载损耗P0，包括铁芯中的涡流、磁滞损耗、机械摩擦损耗等不变损耗（PFe+Pmec），其他转变为电磁功率Pem，电磁功率中的一部分供给电枢绕组的发热损耗，即电枢铜损耗PCua=

，为并励时，还要供给励磁绕组的发热损耗，即励磁铜耗PCuf=

，最后输出电功率P2=IaU直流电动机功率流程3．功率平衡方程式功率平衡方程式：P1=P2+ΣP从直流电动机功率流程看，从电源输入电功率

，一部分供给电枢铜损耗PCua=

，为并励时，还要供给励磁铜损耗PCuf=

，其余转变为电磁功率Pem，其中的一部分供给空载损耗

以后，在轴上输出机械功率

。3.3.3直流电机的功率根据规定的参考方向，电动机的基本方程如下:U

=Ea+RaIa

Tem=T2+T0

直流电动机的效率:功率平衡方程式:1．直流电动机的基本方程2．直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指供给电动机额定电压UN、额定励磁电流IfN时，转速、转矩及效率与负载电流之间的关系。这3个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。（1）他励（并励）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可表示为n=f（Ia）2．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）2．直流电动机的工作特性（1）他励（并励）直流电动机的工作特性。3）效率特性。当U

=UN，If

=If

N时，η

=f（Ia）空载损耗P0是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效率较低，输入的功率大部分消耗在空载损耗上；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流大到一定程度时，铜损耗快速增大的同时效率又开始变小2．直流电动机的工作特性（1）他励（并励）直流电动机的工作特性。2．直流电动机的工作特性（2）串励直流电动机的工作特性。串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。串励直流电动机的工作特性与并励直流电动机有很大的区别。当负载电流较小时，磁路不饱和，主磁通与励磁电流（负载电流）按线性关系变化，而当负载电流较大时，磁路趋于饱和，主磁通基本不随电枢电流变化。因此，串励直流电动机的转速特性、转矩特性和效率特性必须分段讨论。2．直流电动机的工作特性（2）串励直流电动机的工作特性。当负载电流较小时，电动机的磁路没有饱和。R——串励直流电动机电枢回路总电阻，R=Ra+Rf串励直流电动机的机械特性：当负载电流较小时，转速较大；负载电流增加，转速快速下降；当负载电流趋于零时，电动机转速趋于无穷大。因此，串励直流电动机不可以空载或在轻载下运行，电磁转矩与负载电流的二次方成正比2．直流电动机的工作特性（2）串励直流电动机的工作特性。2．直流电动机的工作特性（2）串励直流电动机的工作特性。当负载电流较大时，磁路已经饱和，磁通Φ基本不随负载电流变化，串励直流电动机的工作特性与并励直流电动机相同。3.4.2直流电动机的机械特性1．机械特性的表达式机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系，表示为n

=

f

(Tem)。由于转速和转矩都是机械量，所以把n

=

f

(Tem)称为机械特性3.4.2直流电动机的机械特性Ea=CΦenTem=

CT

Ia3.4.2直流电动机的机械特性Tem=CTΦ

IaU、Φ、R为常数时3.4.2直流电动机的机械特性电动机的实际空载转速比理想空载转速n0略低。这是因为电动机由于摩擦等原因存在一定的空载转矩T0，空载运行时，电磁转矩不可能为零，它必须克服空载转矩，即Tem=T0，故实际空载转速应为3.4.2直流电动机的机械特性2．固有机械特性和人为机械特性（1）固有机械特性U=UN，

Φ=ΦN，R=Ra（RS=0）时的机械特性称为固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是硬特性3.4.2直流电动机的机械特性2．固有机械特性和人为机械特性（2）人为机械特性。①电枢串电阻时的人为特性。保持U=UN，Φ=Φ

N不变，只在电枢回路中串入电阻RS2．固有机械特性和人为机械特性（2）人为机械特性。②降低电枢电压时的人为特性。保持

Φ=ΦN，R=Ra（RS=0）不变，只改变电枢电压U2．固有机械特性和人为机械特性（2）人为机械特性。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，从而改变励磁磁通。U=UN，R=R

S不变转速特性机械特性电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在起动瞬间（n=0）的电磁转矩称为起动转矩，起动瞬间的电枢电流称为起动电流，分别用Tst和Ist表示。

起动转矩：

Tst=CT

ΦIst他励直流电动机在额定电压下直接起动，由于起动瞬间转速n

=

0，电枢电动势Ea=

0，起动电流：电枢电阻Ra很小，所以直接起动电流将达到很大的数值，通常可达到额定电流的10～20倍过大的起动电流：会引起电网电压下降；影响电网上其他用户的正常用电；使电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。对直流电动机的起动要求：①要有足够大的起动转矩。②起动电流要限制在一定的范围内。③起动设备要简单、可靠。起动时都应保证电动机的磁通达到最大值。这是因为在同样的电流下，Φ

大则Tst大；而在同样的转矩下，

Φ大则Ist可以小一些1．电枢回路串电阻起动电动机起动前，使励磁回路调节电阻Rst=

0，励磁电流I

f

最大，使磁通

最大。电枢回路串接起动电阻Rst，在额定电压下的起动电流为Rst值应使Ist不大于允许值。对于普通直流电动机，一般要求Ist≤（1.5～2）IN为了缩短起动时间，保持电动机在起动过程中的加速度不变，就要求在起动过程中电枢电流维持不变，因此随着电动机转速的升高，应将起动电阻平滑地切除，最后使电动机转速达到运行值。他励直流电动机串3级电阻起动实际上，平滑地切除电阻是不可能的1．电枢回路串电阻起动起动点，Ist和Tst都为最大值转速逐步上升串入全部电阻逐级切除电阻稳定运行点Ra+R1+R2+R3Ra+R1+R2Ra+R1Ra（1）电枢接入电网时，KM1、KM2和KM3均断开，电枢回路串接外加电阻Rad3=R1+R2+R31．电枢回路串电阻起动（2）当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即切除电阻R3，此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R21．电枢回路串电阻起动（3）当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同时闭合，即切除电阻R1、R3，此时电枢回路串外加电阻Rad1=R11．电枢回路串电阻起动（4）当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同时闭合，即切除电阻R1、R2、R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由6切换到7，速度又沿着曲线d继续上升直到稳定工作点91．电枢回路串电阻起动2．降压起动当电源电压可调时，电动机可以采用降压方法起动。降低U起动n↑，Ea↑Ia↓逐渐提高电源电压，保证起动电流和转矩保持在一定的数值上。特点：需要专用电源，设备投资较大起动平稳，起动过程中能量损耗小由他励直流电动机的转速公式:调速：机械调速:电气调速:改变传动机构速比改变电动机参数,人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。得调速方法：改变电压U减弱磁通Φ电枢回路串电阻3.5.2直流电动机的调速3.5.2直流电动机的调速1．电枢回路串电阻调速（1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差。（2）低速时，调速电阻上有较大电流，损耗大，电动机效率低。（3）轻载时调速范围小，且只能从额定转速向下调，调速范围一般小于或等于2。（4）串入电阻值越大，机械特性越软，稳定性越差。电枢串电阻调速优点:设备简单，操作方便；缺点:（1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差。（2）低速是特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差。（3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≤2。（4）如果负载转矩保持不变，则调速后输出功率（P2∝TLn）随转速的下降而减小，此时效率较低。而且转速越低，所串电阻越大，损耗越大，效率越低，所以这种调速方法是不太经济的。1．电枢回路串电阻调速3.5.2直流电动机的调速3.5.2直流电动机的调速2．降低电源电压调速电压从UN下降至U1再降至U2,转速从nN降至n1再降至n2。优点：（1）电源电压能够平滑调节，可以实现无级调速。（2）调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好。（3）无论是轻载还是重载，调速范围都相同，一般可达D

=

2.5～12。（4）电能损耗较小。降压调速的缺点是：需要一套电压可连续调节的直流电源，系统设备多、投资大。3.5.2直流电动机的调速减弱磁通调速Φ2<Φ1<ΦN3.减弱磁通调速改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速。机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不可能很大，一般D≤2。缺点：在电流较小的励磁回路中调节，控制方便，能量损耗少，设备简单，且调速平滑性好；虽然减弱磁通升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此减弱磁通调速的经济性是比较好的。优点：3.5.2直流电动机的调速【例3-1】一台他励直流电动机的额定数据为UN

=

220V，IN

=

41.1A，nN

=

1500r/min，Ra

=

0.4，保持额定负载转矩不变，求：（1）电枢回路串入1.65电阻后的稳态转速；（2）电源电压降为110V时的稳态转速；（3）磁通减弱为90%N时的稳态转速。解：（1）因为负载转矩不变，且磁通不变，所以Ia不变。此时转速为3.5.2直流电动机的调速（2）与（1）相同，Ia=IN不变。此时转速为（3）因为

常数4．调速方式与负载类型的配合

在一定的转速下，对应额定电流时的输出转矩和功率便是电动机的容许输出转矩和功率。

电动机的充分利用，是指在一定的转速下，电动机的实际输出转矩和功率达到了它的容许输出值，即电枢电流达到了额定值。

在大于额定电流下工作的电动机，其实际输出转矩和功率将超过其容许值，这时电动机将会因过热而烧坏；而在小于额定电流下工作的电动机，其实际输出转矩和功率将小于其容许值，这时电动机便得不到充分利用而造成浪费。

正确使用电动机，应当使电动机既满足负载的要求，又能得到充分利用，即保证电动机总是处于额定电流下工作。3.5.2直流电动机的调速3.5.2直流电动机的调速调速方法与负载类型的适当配合是：电枢回路串电阻调速和降低电压调速属于恒转矩调速方式，适用于恒转矩负载；减弱磁通调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载。4．调速方式与负载类型的配合3.5.3直流电动机的反转改变直流电动机的转向，通常采用改变电枢电流方向的方法，即改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接，而很少采用改变励磁电流方向的方法。因为励磁绕组匝数较多，电感较大，切换励磁绕组时会产生较大的自感电压而危及励磁绕组的绝缘。反转方法：改变Φ的方向改变Ia的方向3.5.4直流电动机的制动电动状态：Tem与n方向相同制动状态：Tem与n方向相反电动机的两种运行状态：

回馈制动制动：能耗制动反接制动3.5.4直流电动机的制动运行时与电源连接；制动时连接电阻RB制动转矩和转速n方向相反制动运行时，电机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在绕组及电阻上，直到电机停止转动为止。1．能耗制动能耗制动时的机械特性理想空载转速为零斜率原运行于A点制动时，对于反抗性负载将经B点到达O点停下来。对位能性负载将达到C点。3.5.4直流电动机的制动1．能耗制动3.5.4直流电动机的制动1．能耗制动通常限制最大制动电流不超过2～2.5倍的额定电流。制动电阻的选取：能耗制动操作简单，但转速低时，制动弱。可在转速较小时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。3.5.4直流电动机的制动【例

3-2】一台他励直流电动机的铭牌数据为PN

=

10kW，UN

=

220V，IN

=

53A，nN

=1000r/min，Ra=0.3，电枢电流最大允许值为2IN。（1）电动机在额定状态下进行能耗制动，求电枢回路应串接的制动电阻值。（2）用此电动机拖动起重机，在能耗制动状态下以300r/min的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路应串入多大的制动电阻。解：（1）制动前电枢电动势为Ea=UN−RaIN=220

−

0.353

=

204.1(V)应串入的制动电阻值为RB=3.5.4直流电动机的制动【例

3-2】一台他励直流电动机的铭牌数据为PN

=

10kW，UN

=

220V，IN

=

53A，nN

=1000r/min，Ra=0.3，电枢电流最大允许值为2IN。（1）电动机在额定状态下进行能耗制动，求电枢回路应串接的制动电阻值。（2）用此电动机拖动起重机，在能耗制动状态下以300r/min的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路应串入多大的制动电阻。（2）因为励磁保持不变，则3.5.4直流电动机的制动2．反接制动（1）电枢反接制动IaB产生很大的反向电磁转矩TemB，从而产生很强的制动作用。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB

Imax=(2～2.5)IN

故电枢回路内，U与Ea顺向串联，共同产生很大的反向电流：电压反接制动时的机械特性U=−UN，Φ＝ΦN，R=Ra+RB条件下的一条人为特性当制动的目的就是为了停车时，那么在电机转速接近于零时，必须立即断开电源。反接制动过程2．反接制动（1）电枢反接制动3.5.4直流电动机的制动反接制动电阻值要比能耗制动电阻值约大一倍。反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起全部消失在电枢回路的电阻（Ra+RB）上，其能量损耗很大。3.5.4直流电动机的制动（2）倒拉反接制动只适用于位能性恒转矩负载在电枢回路串入较大电阻下放速度决定于所串电阻2．反接制动3.5.4直流电动机的制动2．反接制动电枢回路串入较大的电阻后，电动机能出现反转制动运行，主要是位能性负载的倒拉作用，又因为此时的Ea与U也顺向串联，共同产生电枢电流，这一点与电枢反接制动相似，因此把这种制动称为倒拉反接制动（2）倒拉反接制动3．回馈制动电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动机拖动的机车下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变：由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，电机处于发电状态。机车恒速下坡重物匀速下放3.5.4直流电动机的制动3.5.4直流电动机的制动降压调速时产生回馈制动增磁调速时产生回馈制动由于转速不能突变，在降压时形成的回馈制动回馈制动3．回馈制动当电动机稳定运行时，电源电压U大于感应电动势Ea，则电枢电流Ia与U方向相同。反馈制动时，转速方向并未改变，而n＞n0，使Ea>U，电枢电流Ia=

反向，电动机在发电状态，同时向电网输出电能，电磁转矩T也反向为制动转矩。回馈制动具有如下特点。（1）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空载转速。（2）电动机输出转矩的作用方向与n的方向相反。3．回馈制动3.5.4直流电动机的制动直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路，在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，此即直流电机的换向。研究意义：换向不良，将会在电