他励直流电动机的机械特性曲线的分析
浅析：他励直流电动机的机械特性
在电源电压U 和励磁电路的电阻R f 为常数的条件下，表示电动机的转矩n 和转矩之间的关系n=f （T ）曲线，称为机械特性曲线。
利用机械特性和负载转矩特性可以确定拖动系统的稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律。
可见，电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能是十分重要的。
下图是他励直流电动机的电路原理图，他励直流电动机的机械特性方程式，可由他励直
流电动机的基本方程式导出。
由公式 ， 和 导出机械特性方程式 ( 1-1 )
他励直流电动机电路原理图
当电源电压U =常数，电枢回路总电阻R ＝常数，励磁磁通Φ＝常数时，电动机的机械特性如下图所示，是一条向下倾斜的直线，这说明加大电动机的负载，会使转速下降。
特性 曲线与纵轴的交点为n 0时的转速，称为理想空载转速。
他励直流电动机的机械特性
a a a R I E U +
=n E a Φe C =φa T em I C T =em T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=Φ
e 0C U n =
实际上，当电动机旋转时，不论有无负载，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩，
而电动机的实际空载转速 将低于n 0。
由此可见式（1-1）的右边第二项即表示电动机带负载后的转速降，用 表示，则 ( 1-2 ) 式中 β——机械特性曲线的斜率。
β越大， 越大，机械特性就越“软”，通常称β大的机械特性为软特性。
一般他励电动机在电枢没有外接电阻时，机械特性都比较“硬”。
机械特性的硬度也可用额定转速调整率△n N %来说明，转速调整率小，则机械特性硬度就高。
电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性 。
固有机械特性是当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为 固有机械特性如下图中的 曲线 所示，由于 较小，故他励直流电动机固有机械特性较“硬”。
他励直流电动机串电阻时的机械特性
人为机械特性是人为地改变电动机电路参数或电枢电压而得到的机械特性，即改变公
式（1-1）中的参数所获得的机械特性，一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个，他励电动机有下列三种人为机械特性。
（1） 枢串电阻时的人为机械特性 此时 ，人为机械特性的方程式 与固有特性相比，理想空载转速n 0不变，但是，转速降△n 增大 。
R pa
越大，△n 0
n 'n ∆em em T T R n βΦ==∆2T e C C n ∆em N
a N N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=a R R =a R pa a N N R R R U U +===,,ΦΦem N pa a N N T R R U n 2T e e C C C ΦΦ+-=
也越大，特性变“软”,这类人为机械特性是一组通过 n 0
,但具有不同斜率的直线。
如下图所示
（2） 改变电枢电压时的人为机械特性 此时 ， ，特性方程式 ，由于电动机
的额定电压是工作电压的上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化。
与固有特性相比较，特性曲线的斜率不变，理想空载转速 随电压减小成正比减小，故改变电压时的人为特性是一组低于固有机械特性而与之平行的直线，如下图所示
他励直流电动机改变电枢电压时的机械特性
（3） 减弱磁通时的人为机械特性
可以在励磁回路内串接电阻 或降低励磁电压 来减弱磁通，此时 ， 特性方程式 ，由于磁通Φ 的减少，使得理想空载转速
和斜率β 都增大，特性曲线如下图所示
0=pa R N ΦΦ=em N a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=0n pf R f U N U U =0=pa R em a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=0n
他励直流电动机弱磁时的机械特性。
他励直流电动机的机械特性曲线的分析
浅析：他励直流电动机的机械特性在电源电压U 和励磁电路的电阻R f 为常数的条件下，表示电动机的转矩n 和转矩之间的关系n=f （T ）曲线，称为机械特性曲线。
利用机械特性和负载转矩特性可以确定拖动系统的稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律。
可见，电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能是十分重要的。
下图是他励直流电动机的电路原理图，他励直流电动机的机械特性方程式，可由他励直流电动机的基本方程式导出。
由公式 ， 和 导出机械特性方程式 ( 1-1 )他励直流电动机电路原理图当电源电压U =常数，电枢回路总电阻R ＝常数，励磁磁通Φ＝常数时，电动机的机械特性如下图所示，是一条向下倾斜的直线，这说明加大电动机的负载，会使转速下降。
特性 曲线与纵轴的交点为n 0时的转速，称为理想空载转速。
他励直流电动机的机械特性a a a R I E U +=n E a Φe C =φa T em I C T =em T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=Φe 0C U n =实际上，当电动机旋转时，不论有无负载，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩，而电动机的实际空载转速 将低于n 0。
由此可见式（1-1）的右边第二项即表示电动机带负载后的转速降，用 表示，则 ( 1-2 ) 式中 β——机械特性曲线的斜率。
β越大， 越大，机械特性就越“软”，通常称β大的机械特性为软特性。
一般他励电动机在电枢没有外接电阻时，机械特性都比较“硬”。
机械特性的硬度也可用额定转速调整率△n N %来说明，转速调整率小，则机械特性硬度就高。
电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性 。
固有机械特性是当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为 固有机械特性如下图中的 曲线 所示，由于 较小，故他励直流电动机固有机械特性较“硬”。
他励直流电动机的机械特性(精)
反之，如果电网电压波动使机械特性偏低，由曲线1转为曲 线3，则瞬间工作点将转到 B 点，电磁转矩小于负载转矩， 转速将由 B点降低到 C 点，在 C 点取得新的平衡；而当 扰动消失后，工作点将又恢复到原工作点A。这种情况我们就 称为系统在A点能稳定运行，而图2.16（b）则是一种不稳定运 行的情况，读者可自己分析。 由以上分析，可得出如下结论：若两条特性曲线有交点 （必要条件），且在工作点上满足 dTem dTL （2-11） ＜
dn dn
（充分条件）则系统能稳定运行，式（211 ）即为稳定运行条件。对恒转矩负载 , 则 dT / dn 0即电磁转矩的变化与转速 的变化要异号,图示则为电动机的机械特性 曲线应是往下倾斜的。显然在图2.16（b） dTL / dn 0 dT / dn 0 中的A点， ，因此不 能稳定运行。
图2.14 他励直流电动机改 变电枢电压时的机械特性
3．减弱磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路内串接电 阻R pf或降低励磁电压U f 来减弱 R pa 0 特 磁通，此时 U U N ， 性方程式为； UN Ra （2-10） n T 2 em Ce CeCT
由于磁通 的减少，使 得理想空载转速 n 0 和斜率 都增大，其特性曲线如图2.15 所图示。
2.3.1
机械特性方程式
图 2.11 是他励直流电动机的 电路原理图，他励直流电动机的 机械特性方程式，可由他励直流 电动机的基本方程式导出。由式 U Ea I a Ra 、 E a C e n 和 式 Tem CT I a 可求得机械特性方 程式;
←
U R n T C C C
U n C
0 e
图2.12 他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机特性实验报告
实验报告他励直流电动机的机械特性一、实验原理1、当在他励直流电动机上加上一定电压U和一定的励磁电流时，电磁转矩与转速之间将呈现的关系。
而励磁电压，励磁转矩T=。
可得。
这便是直流他励电动机机械特性的一般表达式。
实验中可以先不串电阻R，测量出励磁电流和相应转速n的一系列对应值，作图得出的空载转矩，并得出和的值。
串入R后得出T的另外对应值，作图得出的他励直流电动机的机械特性曲线2、学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。
3、认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。
4、熟悉他励电动机的接线、起动、改变电机转向与调速的方法。
5、掌握用实验方法测取直流他励电动机的工作特性和机械特性。
二、实验注意事项1、实验时，人体不可接触带电线路。
2、接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。
3、学生独立完成接线或改接线路后必须经指导教师检查和允许，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。
实验中如发生事故，应立即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。
4、电机如直接起动则应先检查功率表及电流表的电流量程是否符合要求，有否短路回路存在，以免损坏仪表或电源。
5、总电源或实验台控制屏上的电源接通应由实验指导人员来控制，其他人只能由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸。
6、在做直流电动机实验时，要注意开/关机顺序先开“直流电机励磁电源”，后开“可调直流稳压电源”先关“可调直流稳压电源”，后关“直流电机励磁电源”三、实验安全要求1、实验时，人体不可接触带电线路。
2、接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。
3、学生独立完成接线或改接线路后必须经指导教师检查和允许，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。
实验中如发生事故，应立即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。
4、电机如直接起动则应先检查功率表及电流表的电流量程是否符合要求，有否短路回路存在，以免损坏仪表或电源。
5、总电源或实验台控制屏上的电源接通应由实验指导人员来控制，其他人只能由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸。
他励直流电动机工作特性的测定
实验一他励直流电动机工作特性的测定一、实验目的1、进一步熟悉他励直流电动机的起动和调速方法。
2、测定他励直流电动机的工作特性和机械特性。
二、预习要点1、做固有特性实验时，为什么首先要找电动机的额定运行点？如何找IfN2、调节同轴的直流发电机的电枢电流与励磁电流，为什么能起到调节电动机电磁转矩的作用？三、实验仪器设备校正过的直流电动机DJ23 一台直流电动机DJ15 一台电机导轨及转速表0～1800 r/min 一套直流毫安表200mA 二块直流安培表5A 二块三相电阻器D41、D42 二台白炽灯组二组注：DJ23的名牌参数：PN =355W、UN=220V、IN=2.2A、nN=1500r/min、UFN=220V、IFN<0.16A DJ15的名牌参数：W185P N =、V220UN=、A06.1IN=、V220UFN=、FNI<A16.0、m in/r1600nN=。
四、实验内容1、观察直流电机的起动和调速1）他励直流电动机的起动方法：按图1-1接线，起动前应将电动机起动电阻1R置最大位置，电动机励磁回路中的可变电阻1fR短接或调到最小位置，以使起动后的转速不至过高，同时由于磁场可变电阻短接或调到最小位置，使较大的励磁电流1fI产生较大的磁通，因而能获得较大的起动转矩，电动机可迅速起动。
2）操作步骤：确保所有接线准确无误，合上电源开关后，先接通“励磁电源”开关，观察有无异常，若正常再接通“电枢电源”开关。
电动机开始起动，这时将起动电阻R1逐步减小直到为0为止。
操作不宜过快，须与电动机加速过程相适应，并注意电枢回路的电流变化情况。
3）将电动机电枢绕组或励磁绕组的出线端对调，重新起动，观察电动机旋转方向的改变。
4）改变他励直流电动机的电枢电压（减小）及调节电枢回路或励磁回路中的可变电阻1R 或1f R ，观察电动机转速的变化情况，以熟悉他励直流电动机的调速方法。
图1-12、他励直流电动机的工作特性和固有机械特性的测定。
实验2 直流他励电动机机械特性测定
实验二直流他励电动机机械特性测定一、实验目的掌握直流电动机机械特性的测定方法。
二、实验项目1、固有机械特性测定2、电枢回路串电阻人为机械特性测定3、降低电枢电源电压人为机械特性测定三、实验设备该实验是在DDSZ-1型电机及电气技术实验装置上完成的。
本次实验使用设备包括：1、DD01电源控制屏2、两个D31挂件3、D44挂件4、D51挂件5、D42挂件6、D55－1挂件7、DD03测试台、直流发电机和直流电动机本次实验使用DD01电源控制屏下方的直流励磁电源和直流电枢电源。
D31挂件由直流数字电压表、直流数字毫安表、直流数字安培表组成，本次实验使用两块毫安表和两块安培表。
D44挂件由可调电阻器R1、R2，电容器C1、C2和开关S1、S2组成，本次实验使用R1作为直流电动机电枢绕组串联电阻，R2作为直流电动机励磁绕组串联电阻。
D51挂件，由波形测试部分和开关S1、S2、S3组成，本次实验只使用开关S1 。
D42挂件，由三只相同的可调电阻器R1、R2、R3组成。
R1、R2串并联后，作为发电机的负载电阻R L，R3作为发电机励磁绕组串联电阻。
D55－1挂件，由数字转矩表、数字转速表和数字输出功率表组成。
并有转速输入端口和电枢电流输入端口以及5个功能按键。
5个功能按键分别是：复位键、功能鍵、确定键、数位键和数据键。
DD03测试台包括导轨、测速发电机和指针式转速表直流发电机和直流电动机之间是用联轴器直接联接好的，直流电动机，电枢绕组有两个接线端，励磁绕组有两个接线端。
直流发电机，电枢绕组有两个接线端，励磁绕组有两个接线端。
四、实验接线接线之前：开启电源总开关，按下绿色“启动”按钮，将电源控制屏下方的直流电压指示开关切换到电枢电压一侧，接通电枢电源开关，调节“电压调节”旋钮，将电枢电压调到220V后，关断电枢电源开关，按下红色“停止”按钮直流他励电动机机械特性测定实验接线图。
图3-1 直流他励电动机机械特性测定实验接线图直流电动机按他励电动机接线。
他励直流电动机机械特性的测定与绘制
黑龙江科技学院综合性实践报告实践项目名称他励直流电动机各种运行状态下机械特性的测定与绘制所属课程名称电机与拖动实验日期2011.4.18——2011.4.22班级学号姓名成绩电气与信息工程学院实践基地【实践名称】他励直流电动机各种运行状态下机械特性的测定与绘制【实践目的】了解和分析他励直流电动机在各种运行状态下的能量转换情况。
分别测定和绘制他励直流电动机在电动、回馈制动、能耗制动及电动势反接制动状态下的机械特性曲线。
【实践项目】1、他励直流电动机在电动状态下的固有机械特性与回馈制动状态下的机械特性测定2、他励直流电动机在能耗制动状态下的机械特性测定3、他励直流电动机在倒拉反接制动状态下的机械特性的测定【实践原理】机械特性：n = f (T)是指在一定的条件下，电磁转矩和转速两个机械量之间的函数关系。
1．固有机械特性：三个量U 、φ、Ra 可以改变机械特性， U = Un（额定电压），φ =φn （额定磁通），Ra= 0 时的机械特性称为固有机械特性。
其方程为：由于 R a很小，转矩T 增大时， n 下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。
2．人为（人工）机械特性：改变三个量U 、φ、Ra 之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。
根据公式可得到以下三种人为的机械特性：（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性：对应于不同的 Ra 可以得到一簇斜率不同射线。
（2）改变电枢电压的人为机械特性：斜率不变，理想空载转速 n0 不同的一簇平行线。
(U = UN)，（3）减少电动机气隙磁通的人为机械特性：φ减少时， n0 增大同时φ增大。
【实践环境】 DJ15直流并砺电动机DJ23校正直流测功机 直流电机电源 智能直流电压表 三向可调电阻 涡流测功机控制箱【实践方案设计】实践电路图如下：【实践过程】1. 固有特性及回馈制动状态下机械特性测试步骤：（1） 在静止状态下按图示连接好电路，R a15，R a23置最大，测功机加载钮置零。
8 直流他励电动机机械特性分析
电枢磁通密度
N
S
电枢磁动势
1560
转速n(r/min)
1540 1520 1500 1480 30 系列1 1540 171 1530 342 1520 513 1510 684 1505 855 1505 1026 1508 1094 1512
电枢电流Ia(A)
交轴电枢反应使主极磁场发生畸变，磁路饱 和时有效磁通减少，如图 3。在有效磁通随着电 枢电流增加而减少时，如果励磁电流保持一定， 则随着负载电流的增加，会引起电动机转速上 升，乃至得不到稳定运行。
图 2: 负载时电枢磁动势磁通密度分布
ZIa/8ap
n U ( I a Ra Ub ) / Ce
可见，当U为常数，电枢电流变化时，影响 转速特性的因素是电枢回路电阻压降与气隙磁 通 的变化。他励电机 I f =定值，气隙磁通 只 受电枢反应的影响。电枢电流 I a 增大，电枢电路 电阻压降使转速下降，电枢反应去磁效应使转速 上升，因而转速变小，为硬转速特性。通常电阻 压降影响较大，转速略为下倾。过载时，电枢反 应影响增大，转速曲线上翘。如下图(直流电动机 为 Z4-280-22 280KW 440V 1500RPM 他 励 180V)：
力拖动系统）在交点处稳定运行，由于出现某种 干扰作用，使原来两种特性的平衡变成不平衡， 电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后， 拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处 的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合 条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。 （1）下倾时机械特性曲线稳定性分析
n TL A A TL
参考文献
[1] 电机工程手册. 北京：机械工业出版社. [2] 上海电气科学研究所.中小型电机设计手册. 北京：机 械工业出版社. [3] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社. [4] 汤蕴缪、史乃. 电机学. 北京：机械工业出版社
他励直流电机的机械特性
他励直流电机的固有机械特性
转速特性：他励直流电动机的转速特性整理后得到 2N
T e S a N e N C C R R C U n Φ+-Φ=
（3-1）
图3-2 直流电机的工作原理图
忽略电枢反应的去磁效应，转速与负载电流按照线性关系变化，负载电流增加时，转速会下降。
转矩特性：当N U U =,fN I I =时，)(a em I f T =的关系叫转矩特性。
根据直流电机电磁转矩的公式
a N T em I C T Φ=
（3-2）
由此公式得出，忽略电枢反应情况下电磁转矩与电枢电流成正比，考虑电枢反应主磁通的下降，电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率也会有下降。
效率特性 ：当N U U =,N I I f =时，)(a I f =η的关系较效率特性。
a
N a a I U I R P P P P P P 2021211+-=∑+∑-==η (3-3)
空载损耗
P是不随负载变化的，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；负载电流增大效率也会增大，输入的功率大部分消耗在机械的负载上，但当负载电流增大到一定的时候铜损快速增大，此时的效率开始变小。
他励直流电动机的机械特性
四、 人为机械特性
R R p a N 固有机械特性：n U M 2 C e N
人为机械特性可用改变电动机参数的方 法获得，即机械特性三个变量中任有一个 或一个以上值非额定时得到的机械特性即 为人为机械特性。 （U，Φ，Rad）
C C e t N
1. 串联电阻时的人为机械特性
此时增加了Rad：U＝UN，Φ ＝Φ N，R＝Ra＋ Rad 电枢串联电阻Rad时，人为机械特性的方程式 U R R N a ad 为：n T n n
2 K K eN K e t N 0
当U和Φ 都是额定值时，理想空载转速不变， 转速降增加，特性变软。 Rad越大，特性越软 。
特点和机械特性图
特点
人为机械特性由交纵 坐标轴于一点，但具 有不同斜率的射线族 组成。
机械特性图
电枢串联电阻时的人 为机械特性
2. 改变电压时的人为机械特性
特性曲线图
因为，当n＝0时， I＝Ist＝U/Ra＝常数， 所以，Tst＝KtΦ Ist 随Φ 的降低而减小，而 n0随Φ 的降低而增大。 改变磁通Φ 的人为特性 曲线图如右图。
注意
根据固有机械特性估算数据
根据固有机械特性可估算以下数据： 电枢电阻Ra：通常电机在额定负载下的铜耗 I2aRa占总损耗ΣΔPN的50％～75％。因 ΣΔPN＝输入功率－输出功率 ＝UNIN－PN ＝UNIN－ηN UNIN ＝（1－ηN ）UNIN 即 Δ P铜＝ I2aRa＝(0.5～0.75)(1-ηN )UNIN 式中， ηN ＝ PN/(UNIN) 是额定运行条件下电 动机的效率，且此时Ia＝IN
T N
TN是电动机轴上的输出转矩， 电磁转矩
9 .55 n N
他励直流电动机的人为机械特性设计
他励直流电动机的人为机械特性（串电阻）一.直流电机基本工作原理与结构直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装置中。
直流发电机主要作直流电源。
此外，小容量直流电机大多在这种控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。
1.直流电动机的工作原理图1.直流电动机工作原理若把上述电机模型作为直流电动机模型，如图2所示，由外电源由电刷A引入直流电源，使电流从正极电刷A流入，由负极电刷B流出。
此时，线圈中电流的路径：电源正极——电刷A——a——b——c——d——电刷Ｂ——电源负极。
根据左手定则确定的电磁方向可知，此时的电磁转矩是逆时针的。
设电枢在电磁转矩的作用下按逆时针方向旋转，当线圈边ａｂ由Ｎ极下面转到Ｓ极下面，线圈边ｃｄ由Ｓ极下面到Ｎ极下面时，由于换向器的作用，使线圈中的电流改变方向，此时电流的路径：电源正极——电刷——ｄ——ｃ——ｂ——ａ——电刷Ｂ——电源负极。
因为各磁极下线圈中的电流方向并不改变，所以就保证了电磁转矩的方向不变，从而使电枢能够连续旋转。
2.直流电机的基本结构（1）直流电机的静止部分1、主磁极2、机座3、换向极4、电刷装置（2）直流电机的转动部分1、电枢铁心2、电枢绕组.3、换向器.图2.电枢铁芯直流电机的额定值直流电机的额定数据有：1、额定功率 P N（瓦/千瓦，W/KW）2、额定电压 U N（伏V）3、额定电流 I N（安A）4、额定转速 n N (转/分 r/min)5、额定励磁电压 U Fn（伏V）6、额定励磁电流 I fN（安A）二、他励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指：在U1=UN，If=IfN的条件下，电枢回路无外接电阻时，转速n和转矩Tem以及效率与输出功率之间的关系。