电机与电气控制技术 课件 项目1 直流电机的应用与维护

项目1

直流电机应用与维护任务1.1认识直流电机作用及结构任务分析近日，某电机修理厂与曲轴厂签约。曲轴厂有40余台大型直流电机的修理、保养工作。这是该电机修理厂近期承担的直流电机维修项目之一，作为维修工程师需对直流电机作用及结构有正确认识。因此，本次任务需要学习直流电机的工作原理、结构组成，能够完成直流电机的拆装、读懂直流电机的铭牌典型直流电机知识目标:1.了解直流电机的作用和应用场合。2.能够说出直流电机的基本结构和工作原理。3.能够复述直流电机的铭牌数据及其意义。4.能够熟练解读直流电机的磁场和电枢反应。5.能够说出直流电机的换向问题。技能目标:1.能够按照相关行业规范国家标准，对直流电机进行拆卸及安装。2.正确使用仪表仪器对直流电机绝缘参数进行测量。3.能够正确解读直流电机的铭牌含义。4.能够分析直流电机的电枢反应和换算问题。素养目标:1.在任务实施中养成规范操作和安全作业意识。2.在操作中树立严谨求实、追求卓越的工匠精神。3.在小组活动中培养团队协作精神。知识准备直流电机基本原理

直流电机（directcurrentmachine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电机运行时是直流电机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。但直流电机调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合，仍获得广泛应用。常见直流电机外形如图1-1所示。图1-1各种直流电机外形直流电机基本原理

完成任务首先要熟悉直流电机的组成机构和工作原理、记住相关的结构形状，熟悉其工作原理，才能认识直流电机作用及结构，完成铭牌识读，设备选型以及故障的诊断。直流电机基本原理

1.直流电机结构原理直流电机的结构应由定子和转子两大基本部分组成。如图1-2所示。图1-2直流电机结构示意图1-机座2-主磁极3-转轴4-电枢铁芯5-换向极6-电枢绕组7-换向器8-电刷装置（一）定子

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。（二）转子运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。2.直流电机工作原理（1）直流电机的工作原理图1-4直流电机模型图1-5换向器在直流电机中的作用2.直流电机工作原理（2）直流发电机的工作原理图1-6直流发电机工作原理2.直流电机工作原理直流电机既可作发电机运行，也可作电机运行，这就是直流电机的可逆原理。如果原动机拖动电枢旋转，通过电磁感应，便将机械能转换为电能，供给负载，这就是发电机:如果由外部电源供给电机，由于载流导体在磁场中的作用产生电磁力，建立电磁转矩，拖动负载转动，又成为了电机。3.直流电机的励磁方式图1-7直流电机结构示意图a)他励b)并励c)串励d)复励任务实施

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感恩准备元器件、工具，如表1-1所示。序号元器件和工具型号与规格数量单位备注1常用电工工具验电笔、螺钉旋具（一字和十字）电工刀、尖嘴钳、钢丝钳、压线钳等

1

套

2万用表MF47、DT9502或自定1块

3直流电机Z4-112/2-11台

4各类扳手套筒扳手、开口扳手等1套

5拉马

1套

6木棰

1把

7撬棍

1根

1.直流电机的铭牌数据每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件，图1-8为某台直流电机的铭牌。图1-8某品牌直流电机铭牌（1）电机型号：型号表明电机的系列及主要特点。知道了电机型号，便可以从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。型号Z4-180-41的含义如下（2）额定功率PN(W,kW)：指电机在额定运行时的输出功率，对发电机是指输出电功率；对电机是指轴上输出的机械功率。（3）额定电压UN(V,kV)：指额定运行状态下，直流发电机的输出电压或直流电机的输入电压。（4）额定电流IN(A,kA)：指额定电压和额定负载时允许电机长期输入（电机）或输出（发电机）的电流。（5）额定转速nN(r/min)：指电机在额定电压和额定负载时的旋转速。此外铭牌上通常还标有励磁方式、额定励磁电压UfN(V,kV)、额定励磁电流IfN(A,kA)和绝缘等级等参数。2.直流电机的拆装工艺在拆卸直流电机前应在端盖与机座的连接处、刷架等处做好明显的标记，以便装配。拆卸步骤如图1-9所示：图1-9直流电机的拆卸图拆卸步骤要求：（1）拆除电机接线盒内的连接线。（2）拆下换向器端盖(后端盖)上通风窗的螺栓，打开通风窗，从刷握中取出电刷拆下接到刷杆上的连接线。（3）拆下换向器端盖的螺栓、轴承盖螺栓，并取下轴承外盖。（4）拆卸换向器端盖。拆卸时在端盖下方垫上木板等软材料，以免端盖落下时碰裂用手锤通过铜棒沿端盖四周边缘均匀地敲击。拆卸步骤要求：（5）拆下轴前端盖的螺栓，把连同端盖的电枢从定子内小心地抽出，注意不要碰伤电枢绕组、换向器及磁极绕组，并用厚纸或布将换向器包好，用绳子扎紧。（6）拆下前端盖上的轴承盖螺栓，并取下轴承外盖。（7）将连同前端盖在内的电枢放在木架上或木板上，并用纸或布包好。直流电机维护或修复后的装配顺序与拆卸顺序相反，并要按所做标记校正电刷的位置。3.直流电机结构识读（1）根据实物结合图1-2写出直流电机各部分名称并填入表1-2。（2）拆开直流电机的外壳，观察其内部结构，并将各部分作用记录在表1-2中。（3）实训完成后，按照要求将直流电机安装复原，并整理好工具及工位，经指导老师检查无误后方可离开。任务考评

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感恩根据班级人数先分组，然后进行任务实施，实施过程中的考评细节参见表1-3。项目评价指标自评互评自评互评平均分总分工作任务（40分）了解直流电机的结构并正确说明原理（4分）

了解直流电机主磁极的组成及用途（4分）

了解直流电机转子的组成及各部分用途（4分）

了解电刷和换向器的原理、结构及用途（4分）

能按要求拆装直流电机，辨识其铭牌信息及各组成部分并正确说明其作用（24分）

职业素养（15分）工作服整洁、无饰品或硬质件（5分）

正确查阅维修资料和学习材料（5分）

8S素养（5分）

个人思考和总结(5分）按照完成任务的安全、质量、时间和8S要求，提出个人改进性建议（5分）

教师评价(40分）

教师评分

课后习题

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感恩1.直流电机有哪些励磁方式？分别是什么？2.在换向器上电刷正常应当置放在什么位置？为什么？3.直流电机的主要额定值有哪几个，直流电机、直流发电机的额定容量、额定电压的意义相同吗？4.直流电机按励磁方式怎样分类？任务1.2分析直流电机工作特性及机械特性知识目标：理解电磁转矩T、电枢电动势Ea的物理意义及数学表达式。掌握直流电机的转速特性、转矩特性及效率特性。技能目标：能通过实验测量并绘制直流电机的工作特性曲线。能推导他励直流电机的工作特性方程。素养目标：培养规范操作意识，遵守实验安全规程。强化数据分析能力，提升工程思维。任务分析直流电机的运行特性分为工作特性和机械特性。要分析这两种特性，首先得掌握直流电机的电磁转矩、电枢电动势和运行原理。熟悉他励直流电机的结构示意图和电路图，记住相关的运行方程式，才能正确推导出直流电机的工作特性，掌握机械特性相关变化规律。知识准备

2.直流电机的运行原理

图1-10为一台他励直流电机结构示意图和电路图，电枢电动势Ea为反电动势，与电枢电流Ia方向相反；电磁转矩T为拖动转矩，方向与电机转速n的方向一致；TL为负载转矩;T0为空载转矩，方向与n方向相反。

接下来我们将通过三个基本方程式来了解直流电机的运行原理。a)结构示意图图1-10他励直流电机结构示意图和电路图b)电路图

a)结构示意图图1-10他励直流电机结构示意图和电路图b)电路图2.直流电机的运行原理

（2）功率平衡方程式直流电机输入的电功率是不可能全部转换成机械功率的，因为在转换的过程中存在着各种损耗。按其性质可分为机械损耗Pm，铁芯损耗PFe，铜损PCu和附加损耗PS四种。机械损耗Pm：轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。铁芯损耗PFe：当直流电机旋转时，电枢铁芯因其中磁场反复变化而产生的磁滞损耗和涡流损耗称为铁芯损耗。铜损PCu：主要由电流通过电机线圈时产生的热量损失引起，与电流大小和电机转速的变化有关。铜损是电机内部能量损失的主要来源之一，因此在设计和使用中应考虑线圈的导体数量、截断面积以及电流负载条件。‌附加损耗PS：包括励磁损耗、电路损耗等，这些损耗主要来自于电路中的电感、电容等元件阻碍电流流通，对电机性能带来额外的影响，减缓电机的工作效率。2.直流电机的运行原理

上述机械损耗Pm和铁芯损耗PFe，在直流电机转起来，尚未带负载时就存在，故上述两损耗之和称为空载损耗P0，即P0=Pm+PFe

(1-5)

由于机械损耗Pm与铁芯损耗PFe，都会产生与旋转方向相反的制动转矩，该转矩将抵消部分拖动转矩，因此这个制动转矩称为空载转矩T0。而这四种损耗可以构成直流电机的总损耗∑P。∑P=Pm+PFe+PCu+PS

(1-6)2.直流电机的运行原理当他励直流电机接上电源时，电枢绕组流过的电流为Ia，因此电源向电机输入的电功率P1为:P1=UIa(1-7)代入式（1-4）后整理可得：P1=EaIa+Ia²Ra=Pem+PCua(1-8)其中EaIa为电磁功率Pem，Ia²Ra为被电枢绕组消耗的铜损PCua。2.直流电机的运行原理以上分析可知，电机旋转后，还要克服各类摩擦引起的机械损耗Pm，电枢铁芯损耗PFe，以及附加损耗PS，而大部分功率从电机轴上输出，故电机输出的机械功率P2可表示为：P2=Pem-Pm-PFe-PS

(1-9)忽略附加损耗PS，将式（1-8）代入可得：Pem=P2+P0

(1-10)而根据能量守恒可知，电源的输入功率P1应为电机的机械输出功率P2加上总损耗∑P。即：P1=P2+∑P

(1-11)

图1-11他励直流电机功率流程图

图1-11他励直流电机的工作特性曲线此式即为转速特性的表达式。如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。

3.直流电机的工作特性

从前面叙述可知，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快速增大此时效率又开始变小。

图1-12他励直流电机的机械特性曲线

斜率随着串联电阻Rpa的增大而增大，所以特性变软。如图1-13所示。因此可以用电枢回路串联电阻的方式进行调速。图1-13串接电阻时的人为特性曲线

图1-14改变电源电压时的人为特性曲线

图1-15所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着Φ减弱，n0升高，曲线斜率变大。若用于调速，则Φ越小，转速越高。图1-15改变电源电压时的人为特性曲线任务实施

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感恩1.设备及器材校正直流测功机，直流电机，直流电压、毫安、电流表，可调电阻器，实验台。2.任务要求（1）实验过程中的注意事项1)实验前应该进行安全检查，并且要注意避免短路的情况。2)做机械特性实验，调节负载电阻RL时，注意观察直流电机电枢电流Ia大小，短时间运行不可超过1.2IN，长时间运行不可超过IN。（2）数据处理要求1)根据表1-3额定运行状态下的数据，求CeΦ,并根据表1-3和表1-4实验数据，计算对应各个转速下的电磁转矩。列出计算CeΦ的过程。2)在同一张图上绘制该直流电机的固有机械特性曲线和人为机械特性曲线。说明当电机电磁转矩变化时，转速的变化规律。（3）实训完成后，按照要求将设备复原，并整理好工具及工位，经指导老师检查无误后方可离开。

4.任务步骤（1）直流电机的固有机械特性图1－16他励直流电机机械特性接线图1）按图1-16接线。直流电机额定数据为：PN=80W，UN=220V，IN=0.5A,nN=1500r/min。直流测功机MG按他励发电机连接，在此作为直流电机M的负载。RL电阻值调到最大。2）按启动步骤启动电机M。调节电枢电源的电压（V1）为220V，Rc调至零。4.任务步骤（1）直流电机的固有机械特性图1－16他励直流电机机械特性接线图3）合上开关S，同时配合调节（减小）负载电阻RL和调节电机的励磁电阻Rf，使电机达到额定运行状态：U（V1）＝UN，I（A1）＝IN，n＝nN。此时M的励磁电流If即为电机额定励磁电流IfN。在以后的实验过程中，保持Rf不变，即保持励磁电流IfN不变(则CeΦ近似不变)。4.任务步骤（1）直流电机的固有机械特性图1－16他励直流电机机械特性接线图4）保持V1＝UN，Rf不变的条件下，逐次减小电机负载（增大电阻RL）。测取电机电枢输入电流Ia（A1），转速n0共取数据7-10组，记录于表1-3中。注意：最后一定测量一组S断开（即电机空载时）的数据。4.任务步骤（1）直流电机的固有机械特性表1-3:固有机械特性V1＝UN＝

VRc=0A2=IfN=

mA实验数据

12345678910Ia（A）

n（r/min）

计算数据Te（N·m）

4.任务步骤（2）直流电机的人为机械特性：1）在固有机械特性接线不动情况下，保持电枢电源电压（220V）不变，保持励磁回路串电阻Rf不变，把电枢回路电阻调到最大，重新启动电机（先合励磁后合电枢），电机启动后，调节电枢回路所串电阻Rc到1/2位置（目测），并保持在此位置，进行下面项目。2）调节负载电阻RL，使电机电枢电流Ia（A1）=IN。3）逐次增大负载电阻RL，减小电机负载，测取电机电枢输入电流Ia（A1），转速n，电枢电压Ua（V2）。共取数据9-10组，记录于表1-4中。注意：最后一定测量一组S断开（即电机空载时）的数据。4.任务步骤（2）直流电机的人为机械特性表1-4:人为机械特性V1＝UN＝

VA2=IfN=

mA实验数据

12345678910Ia（A）

n（r/min）

计算数据Te（N·m）

任务考评

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感恩根据班级人数先分组，然后进行任务实施，实施过程中的考评细节参见表1-5。项目评价指标自评互评自评互评平均分总分工作任务（40分）了解直流电机的固有机械特性测量方法并说明原理（5分）

了解直流电机的人为机械特性测量方法并说明原理（5分）

能按任务要求操作电机并正确测量数据（15分）

能根据测量的数据正确完成数据处理（15分）

职业素养（15分）工作服整洁、无饰品或硬质件（5分）

正确查阅维修资料和学习材料（5分）

8S素养（5分）

个人思考和总结(5分）按照完成任务的安全、质量、时间和8S要求，提出个人改进性建议（5分）

教师评价(40分）

教师评分

课后习题

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感恩1.试写出直流电机的基本方程式,它们的物理意义各是什么?2.什么叫直流电机的机械特性？写出直流电机的机械特性表达式。3.什么是直流电机的固有机械特性和人为机械特性？励磁电流不变时，电枢电流与电磁转矩间是什么关系？任务1.3直流电机运行控制知识目标:

1.掌握直流电机的启动方法。2.掌握直流电机的反转方法。3.了解直流电机的调速方法。技能目标:1.能正确操作直流电机的启动和反转；2.能基本操作直流电机的调速。素养目标:培养学生养成自觉遵循国家标准,操作规范化和认真负责的工作习惯，培养团队协作精神。任务分析直流电动机在需要宽范围调速的场合或要求有特殊运行性能的自动控制系统中，一直占有十分重要的地位。比如需要改变工作速度，如龙门刨床，由于工件的材料和精度的要求不同，工作速度也就不同；又如轧钢机，因轧制不同品种和厚度的钢材，要采取不同的最佳速度。因此我们需要在本次任务中掌握电机的启动控制和不同的调速方法。知识准备

1.他励直流电机的启动(1)直接启动因为电枢电阻很小，所以直接启动电流将达到很大的数值，可达到额定电流的10～20倍。过大的启动电流会引起电网电压的下降；使电机的换向严重恶化，甚至烧坏电机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除了个别容量很小的电机外，一般直流电机是不允许直接启动的。

1.他励直流电机的启动(2)电枢回路串电阻启动图1-17他励直流电机电枢回路串电阻启动控制主电路图图1-17为他励直流电机自动启动电路图。图中Rst1、Rst2、Rst3、Rst4为各级串入的启动电阻，KM为电枢线路接触器，KM1~KM4为启动接触器，用它们的常开主触头来短接各段电阻。1.他励直流电机的启动(2)电枢回路串电阻启动图1-18他励直流电机电枢回路串电阻启动控制机械特性曲线启动过程机械特性如图1-18所示。在电机励磁绕组通电后，再接通线路接触器KM线圈电路，其常开触头闭合，电机接上额定电压U，此时电枢回路串入全部启动电阻R4=Ra+Rst1+Rst2+Rst3+Rst4启动，启动电流Ist1=UN/R4，产生的启动转矩Tst1>TL(设TL=TN)。电机从a点开始启动，转速沿特性曲线上升至b点，随着转速上升，反电动势Ea=CeΦn上升，电枢电流减小，启动转矩减小，当减小至Tst2时，接触器KM1线圈通电吸合，其触头闭合，短接第1级启动电阻Rst4，电机由R4的机械特性切换到R3(R3=

Ra+Rst1+Rst2+Rst3)的机械特性。1.他励直流电机的启动(2)电枢回路串电阻启动图1-18他励直流电机电枢回路串电阻启动控制机械特性曲线切换瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电动势Ea保持不变，电枢电流将突然增大、转矩也成比例突然增大，恰当的选择电阻，使其增加至Tst1，电机运行点从b点过渡至c点。从c点沿cd曲线继续加速到d点，KM2触头闭合，切除第2级启动电阻Rst3，电机运行点从d点过渡到e点，电机沿ef曲线加速，如此周而复始，依次使接触器KM3、KM4触头闭合，电机由a点经b、c、d、e、f、g、h点到达i点。此时，所有启动电阻均被切除，电机进入固有机械特性曲线运行并继续加速至k点。在k点T=TL，电机稳定运行，启动过程结束。1.他励直流电机的启动(2)电枢回路串电阻启动图1-18他励直流电机电枢回路串电阻启动控制机械特性曲线由上分析可知，为使电机启动时获得均匀加速，减少机械冲击，应合理选择各级启动电阻，以使每一级切换转矩Tst1、Tst2数值相同。一般Tst1=(1.5~2.0)TN，Tst2=(1.1~1.3)TN。1.他励直流电机的启动(3)降压启动当直流电源电压连续可调或针对大功率的直流电机启动时，可以采用降压方法启动。其基本原理是：启动时，以较低的电源电压启动电机，启动电流便随电压的降低而正比减小。随着电机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使启动电流和启动转矩保持一定的数值，从而保证电机按所需加速度升速。降压启动多用于要求经常启动的电机和大、中型直流电机。虽然需要专门电源，设备投资大，但它启动平稳，启动过程中能量损耗小，因而得到了广泛的应用。1.他励直流电机的启动（4）直流电机的反转使用直流电机的许多设备，常常要求电机既能正转，又能反转，如龙门刨床工作台的往复运动、电车的前进和后退等。直流电机的电磁转矩是由主磁通和电枢电流相互作用而产生的，改变任意二者之一的方向，就可以改变电磁转矩的方向。使直流电机反转的方法有两种：①保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，使通过的励磁电流方向改变。②保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使通过它的电流反向。如果，两电流方向同时改变，则电机旋转方向不变。

2.他励直流电机的调速(1)电枢回路串电阻调速对已经出厂的电机，它的电枢电阻是一定的，但是可以在电枢回路中串联一个可变电阻来调速，其接线原理图与图1-17串联电阻器启动原理图相同。调速变阻器可以作为启动变阻器用，相反，启动变阻器却不能作为调速变阻器用。原因是启动变阻器按短时间接通工作设计的，不能够长时间通电使用。这种调速方法的特点是：①电机只能得到比自然机械特性更陡的机械特性，转速只能调低，且为恒转矩调速。②低速时，调速电阻上通过较大的电流，使电机效率降低。③如果负载稍有变动，电机的转速就会有较大的变化，对于要求恒转速的负载不利。2.他励直流电机的调速(2)改变励磁磁通调速图1-19变磁通调速接线原理图变磁通调速一般是增大励磁回路电阻，使磁通减小，转速上升，其接线原理图如图1-19所示。在励磁回路中串联一只调速电阻RP1，当电枢回路附加电阻

RP2=0时，调节励磁回路电阻RP1调节转速，从而改变电机转速。这种调速方法的特点是：①可得到无级平滑调速。②励磁电流小能量消耗少，调速范围大，高速等于3～4倍低速。③调速后的机械特性较硬，转速较稳定，属恒功率调速。2.他励直流电机的调速(2)改变励磁磁通调速图1-19变磁通调速接线原理图缺点是：只能使转速升高.不能获得低于自然机械特性以下的转速。如果改变电枢电压和改变励磁回路电阻两种方法配合使用，可以得到很广的调速范围。在调速性能要求较高的机械设备上多采用这种方法。2.他励直流电机的调速(3)降低电源电压调速从电机的机械特性可知，降低电枢的端电压，也可相应地提高或降低直流电机的转速。采用这种方式调速时，应注意保持励磁电流不变，只改变电枢电压。因此需要可变电压的直流电源。近几年来，晶闸管整流设备作为可调电压的电流电源已经普遍使用，采用这种方法调速比较方便。这种调速方法的特点是：①可以平滑调速，且调速范围宽，但构成系统的设备较复杂。②机械特性较硬，转速稳定。③转速只能调低，不能调高，也是恒转矩调速。任务实施

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感恩1.设备及器材校正直流测功机，直流电机，直流电压、毫安、电流表，可调电阻器，实验台。2.任务要求（1）实验过程中的注意事项

1）他励直流电机启动时，须将励磁回路串联的电阻Rf调至最小(特殊要求除外)，先接通励磁电源,使励磁电流最大，同时必须将电枢串联启动电阻Rc调至最大，然后方可接通电枢电源。使电机正常启动。启动后，将启动电阻Rc调至零，使电机正常工作。2）他励直流电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时必须将电枢串联的启动电阻Rc调回到最大值，励磁回路串联的电阻Rf调回到最小值(特殊要求除外)。给下次启动作好准备。3）测量前注意仪表的量程、极性及其接法，是否符合要求。4）做机械特性实验，调节负载电阻RL时，注意观察直流电机电枢电流Ia大小，短时间运行不可超过1.2IN，长时间运行不可超过IN。2.任务要求（2）数据处理要求1）结合本次实验说明，负载一定时，当他励直流电机电枢电压U、电枢回路串电阻Rc和励磁回路串电阻R