起动用直流电动机的特性
3.2 起动机特性及参数选择
串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等 于励磁绕组电流，并与总电流相等。串励式直流电动机具有起动转 矩大，轻载转速高，重载转速低，短时间内能输出最大功率等特点， 具有较“软”的机械特性，因此特别适合应用于直接驱动式起动机。
南昌大学·机电工程学院·汽车工程系 曹铭
汽车电器与电子控制技术
汽车电器与电子控制技术
起动机基本参数的确定 • 起动机功率 • 传动比 • 蓄电池容量
1）起动机功率的选择
起动机的功率P（kW）应根据发动机起动所需功率选 取，它取决于发动机的起动阻力矩 M Q（N·m）和最低起动
转速 nQ（r／min），并可由下式计算：
P M QnQ 9550
南昌大学·机电工程学院·汽车工程系 曹铭
复励式电动机的磁极上有 两组励磁绕组，一组同电 枢串联，另一组则同电枢 并联。复励式电动机在空 载运行的情况下与并励电 动机相似，加了负载后， 串励绕组的磁场将随负载 的增加而加强，运行情况 接近串励电动机。因此它 的机械特性比并励式软， 较串励式硬。复励式直流 电动机被一些大功率起动 机所采用。
图4-17 直流电动机机械特性比较
南昌大学·机电工程学院·汽车工程系 曹铭
汽车电器与电子控制技术
3.2 起动机的基本参数选择
1）起动机的功率
P M QnQ 9550
图4-18 起动机特性曲线
起动机在全制动（nS ＝0）和
空载（ M S＝0）时，其功率
均为0，而在接近全制动电流 一半时其输出功率最大。起动 机工作时间短暂（仅几秒钟）， 允许在最大的功率状态下工作。 因此，起动机的额定功率一般 也就是电动机的最大功率或接 近于最大功率。
南昌大学·机电工程学院·汽车工程系 曹铭
直流电动机的工作特性
Tem
n
T2
转矩表达式 Tem CTΦN Ia
ห้องสมุดไป่ตู้
T0
考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度 0
Ia
比电流上升的慢。
3、效率特性
定义：当 U 、U N I f时，I fN
η f(I a )
由方程式可得 η P1
P
1
P0
Ra
I
2 a
P1
UN Ia η
空载损耗为不变损耗，不随负载电流
η
变化，当负载电流较小时效率较低，输入
η
n UN RaIa UN Ra Rf
CEΦ CEΦ kf CEIa
kf CE
Tem
当负载电流为零时，电机转速趋于无穷
n
大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。
转矩特性
Tem
CTΦIa
k
f
CT
I
2 a
0
Ia
当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与 他励电动机相同。
功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流
增大，效率也增大，输入的功率大部分消
耗在机械负载上；但当负载电流增大到一
定程度时铜损快速增大此时效率又变小。 0
Ia
二、串励直流电动机的工作特性
当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励
磁电流呈线性关系。即：
转速特性
Φ k f I f k f Ia
η n Tem
直流电动机的工作特性
一、他励（并励）直流电动机的工作特性
1、转速特性
定义：当 U 、U N I f时，I fN n f(I a )
由方程式可得
n
UN CEΦ
简述直流电机的特点
简述直流电机的特点
直流电动机的最大特点是运行转速可在宽广的范围内任意控制,无级变速,额定转速可在很大的范围内选择。
它具有优良的调速特性,调速平滑、方便以及调速范围宽广;其过载能力大,能承受频繁的冲击负载;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行的要求。
直流电动机可分为并励电动机、串励电动机、复励电动机和他励电动机四类。
直流电机具有以下特点：
1.转矩大：直流电机的转矩与电枢电流成正比，因此可以通过控制电枢电流来调节输出转矩。
2.转速范围广：直流电机的转速范围广，可以通过改变电枢电流、电磁体的磁通量等方式来调节转速。
3.控制方便：直流电机的转速和转矩可以通过控制电枢电流、电磁体的磁通量、改变电枢和磁极之间的位置等方式来实现调节。
4.精度高：直流电机的输出转矩可以精确控制，因此可以在需要精确控制输出转矩的场合使用。
5.可逆性好：直流电机可以实现正转和反转，因此可以在需要改变转向的场合使用。
6.结构简单：直流电机的结构相对简单，维护和维修相对容易。
7.可靠性高：直流电机的运行稳定可靠，故障率相对较低。
直流电机的优点：
1.启动性能好；
2.调速性能好。
直流电机的缺点：
1.结构复杂；
2.消耗较多的有色金属，成本高；
3.运行中易出故障，维修量大；
4.功率偏小，效率偏低。
直流电动机的机械特性
动过程
起动条件：1、起动转矩要足够大，
2、起动电流不要太大，
注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0
I st
UN Ra
二. 起动方法
1、降压启动 电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种启动 方法需要专用电源，投资较大大但启动电流小，启动转矩容易 控制，启动平稳启动能耗小，是一种较好的启动方法。 2、串电阻分级启动 无须可调电源，实现方便。但电阻耗能严重，调节平滑性差。
n
n0
Ra Rz CeCT 2
Tz
n0
Ra Rz Ce
Iz
二、反接制动－电枢反接的反接制动
1．原理与方法
+U–
运行
R
If
M
Uf
制动
电枢反接制动是将正在正向 运行的他励直流电动机电枢回路 的电压突然反接，电枢电流也将 反向，主磁通不变，则电磁转矩 反向，产生制动转矩。
2. 机械特性
机械特性分析： U U N , ，N 电动机的机械特性方程式为
n
UN
Ce N
Ra R
C
e
CT
2 N
T
n0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T
n0
n
说明
式中
Ra R
C
e
CT
2 N
称为人为特性的斜率，当改变外串电阻RΩ的大小，可得到 一簇人为特性曲线，如图所示。
特性的特点是： ①理想空载点n0与固有机械特性的相同； ②斜率β随外串电阻RΩ的增大而增大，使特性变软。电枢 回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。
n0
UN
Ce N
式中
Ce N
EaN nN
汽车起动机
发动机的起动阻力矩是在最低起动转速时的发动机 阻力矩。 发动机的阻力矩包括摩擦阻力矩、压缩损失力矩和 驱动发动机辅助机构的阻力矩。 摩擦阻力矩主要由活塞与气缸壁的摩擦以及曲轴轴 承的摩擦所决定，另外还取决于润滑油的粘度; 压缩损失力矩主要取决于气缸的容积和压缩比的大 小，气缸容积和压缩比越大，则压缩损失力矩越大; 驱动发动机辅助机构的阻力矩包括驱动发电机分电 器、汽油泵、机油泵和水泵等的阻力矩。 发动机的阻力矩主要取决于气缸的工作容积、缸数、 压缩比、转速和温度等
直流串励式电动机特性
磁路饱和后，Φ=常 数，电动机转矩为 M=CmΦIa 串励式直流电动机的 电磁转矩在磁路未饱 和时，与电枢电流的 平方成正比; 在磁路饱和后，磁通 中几乎不变，电磁转 矩才与电枢电流成线 性关系
直流串励式电动机特性
这是串励式直流电动机的一个重要特点，即在电 枢电流相同的情况下，串励式直流电动机的转矩 要比并励式直流电动机大。 特别在起动的瞬间，由于发动机的阻力矩很大， 起动机处于完全制动的情况下，n =0，反电动势 Ef=0。 此时，电枢电流将达最大值(称为制动电流)，产 生最大转矩(称为制动转矩)，从而使发动机易于 起动。 这是起动机采用串励电动机的主要原因之一
起动机的工作特性 影响功率的因素 接触电阻增大 蓄电池的容量 温度
第二节起动机基本参数的选择
1.起动机功率的选择
为了使发动机能迅速、可靠地起动，起动机必须 具有足够的功率。 如起动机功率不够，就会使重复起动的次数增多， 起动时间延长，这不仅对蓄电池不利，并且对燃 料的消耗、零件的磨损以及车辆的工作都是极其 不利的。 起动发动机所必需的功率，决定于发动机的最低 起动转速和发动机的起动阻力矩
直流电动机启动方法和原理分析
直流电动机启动方法和原理分析摘要：本文对直流电动机的工作原理做了阐述，并对直流电动机的直接启动的缺点做了说明。
通过对他励直流电动机启动原理的详细分析，说明了几种启动方法的实用性和有效性。
关键词：直流电动机启动1引言直流电动机由于具有良好的启动和调速性能被广泛应用。
直流电动机的运行过程主要包括启动、稳定运行和制动三个阶段。
在启动过程中，直流电动机的电流值超过额定运行值的十几倍，如此大的电流将对电动机本身及直流供电系统造成很大的不良影响，严重时将导致安全生产事故甚至停产，所以控制直流电动机启动阶段的电流值对工矿企业的正常与安全生产具有重要意义。
为控制直流电动机启动阶段的电流值，技术人员采取了许多方法，这些方法都是以直流电动机的启动原理作为根据的，为满足现代企业对直流拖动设备的需求并发展更多、更先进的启动方法，对直流电动机的启动原理进行深入的分析显得尤为重要。
2直流电动机工作原理直流电动机工作原理的理论基础是安培定律：带电导体在磁场中必然会受到力的作用即电磁力作用。
判断所受电磁力方向用左手定则：磁力线穿过左手掌心，左手四指方向为带电导体电流方向，左手大拇指方向即为导体所受到的电磁力方向。
直流电动机的主磁极绕组通以直流电建立主磁场，转子绕组（也称为电枢绕组）通以交流电即为带电导体，转子绕组在磁场中受到电磁力作用并产生电磁转矩使转子旋转。
即将输入的电能转化为机械能输出。
3他励直流电动机直接启动特性3.1直接启动：即他励直流电动机电枢回路两端电压为额定值，电枢回路不串入附加电阻的启动方法。
3.2直接启动电流特点：（1）他励直流电动机电枢回路电压平衡方程为：U=Ea+IaRa=Cefn+IaRa （公式1）公式1中：U为他励直流电动机电枢回路两端电压；Ea为电动机转子绕组切割主磁场产生的反电动势；Ia为电枢回路总电流；Ra为电枢回路总电阻；Ce为感应电动势常数；f为每极磁通量；n为转子转速。
（2）根据公式1可知：他励直流电动机启动瞬间转子转速 n为零，所以反电动势Ea为零；电枢回路两端电压U为额定值：电枢回路总电阻Ra为额定值，所以相当于电压直接加在了电枢回路电阻上。
直流电机的工作原理及特性
电刷盒
转子结构图
电枢绕组
电枢铁心
换向器 转轴
（二） 转子(电枢)部分
1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件，
产生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的
交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势
KeN U N I N Ra / nN
3.16
（3）求理想空载转速 n0 U N /KeN
（4）求额定转矩
TN
PN
9.55 PN nN
3.17
TN KtN I N 9.55KeN I N
2、人为机械特性
n
U
Ke
Ra
KeKt 2
T
n0
n
人为机械特性就是指供电电压U或磁通Φ不 是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时 的机械特性，亦称人为特性。
机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的 重要依据。
机械特性分固有机械特性和人为机械特性。
一、他励电动机的机械特性
机械特性方程的推导
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
T
n0
KT
n0 n
n0---理想空载转速（T=0）
具有一段启动电阻的他励电动机 Ist U N /Ra Rst 1.5～2I N
具有三段启动电阻的他励电动机
原则 1. T1(I1)≤2TN 2. T2(I2)基本相
第09讲直流电动机的起动及工作特性
如果励磁太小甚至断线，可能导致“飞车”现象。
满磁通空载直接启动的转速与电枢电流变化
n
n0
( Ea = CeF N n)
IN
IS
o
t
UN
I0 o
t
IfN Uf N
Ea
启动方法
为了限制启动电流而采取的措施称为启动方法。
一般有两种启动方法：电枢回路串电阻；降低电枢电压。
U¯ Is = (Ra + R)
UN
I s 1.75 ~1.30 I N （起动电流范围）
设计一个起动变阻器， 【求】变阻器应有的级数及每级电阻值。 【解】
22 P = =25.9kW 1 0.85
3 P 25.9 10 IN 1 = =117.5A UN 220
PN
Rs1 Rs 2 Rs 3
C1 C2 C4
（停止）
该起动器应设计为8级
3
直流电动机的工作特性
他励直流电动机工作特性
U=UN , If = IfN , 电枢回路不串电阻的情况下，他励电动机 的输出功率或者电枢电流变化时，电机的转速、转矩、效率等 重要物理量随之变化的关系曲线称为工作特性。 额定励磁电流：直流电动机加额定电压，带额定负载后，电 枢电流、转速、输出功率都达到额定值，这时对应的励磁电流 称为额定励磁电流。 Ia
R1 0.742 1.068 0.792
R3 0.742 0.792 0.587 R4 0.742 0.587 0.436 R5 0.742 0.436 0.324 R6 0.742 0.324 0.240 R7 0.742 0.240 0.178 R8 0.742 0.178 0.132 R9 0.742 0.132 0.979 Ra 0.1
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起动用直流电动机的特性
一、起动用直流电动机的型式
按磁场绕组和电枢绕组联接方式不同，起动用直流电动机可分为：并励、串励、复励三种形式(如图3—13所示)。
汽车起动机一般采用串励式，大功率起动机多采用复励式。
1．串励电动机
串励电动机的电流流向是：蓄电池正极→磁场绕组→电刷→换向器→电枢绕组→负电刷→搭铁(蓄电池负极)(图3—13a)。
此种方式允许流过磁场绕组的全部电流也流过电枢绕组。
串励电动机开始起动时能发出最大转距。
输出转矩随着电动机转速升高而下降。
转矩下降是由于反电动势造成的结果。
2．并励电动机
并励电动机的磁场绕组与电枢绕组并联接线(图3—13b)。
并励电动机的输出转矩不随转速升高而下降，因为电枢产生的反电动势不会削弱磁场绕组的场强。
由于并励电动机不能产生高转矩，故不用它作为起动机。
但刮水器电动机、电动升降门窗电动机、电动调整座椅电动机
等，用的都是并励电动机。
3。
复励电动机
复励电动扰的一些磁场绕组与电枢绕组串联联接，而另一些磁场绕组与蓄电池和电枢绕组并联联接(图3—13c)。
此种配置，使复励电动机能发挥好的起动转矩和恒定的运行转速。
分路的磁场绕组用来限制起动机的转速。
二、串励式直流电动机的特性
串励式直流电动机的转矩M、转速n和功率P随电流变化的规律，称为直流串励式电动机的特性。
图3-14为直流串励直流电动机的特性曲线，其中曲线M、n和P分别代表转矩特性、转速特性和功率特性。
1．转矩特性
在起动机起动发动机的瞬间，因发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动状态。
此时电枢转速为零，反电动势为零，电枢电流达到最大值，转矩也相应地达到最大值。
转矩与电枢电流的平方成正比，所以制动电流所产生的转矩很大，足以克服发动机的阻力矩，使发动机起动变得很容易。
这就是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因之一。
2．转速特性
串励式电动机在输出转矩较大时，电枢电流较大，电动机转速随电流的增加而急剧下降；反之，在输出转矩较小时，．电动机转速又随电枢电流的减小而很快上升。
串励式电动机具有轻载转速高，重载转速低的特性，对保证起动安全可靠是非常有利的，是汽车上采用串励式起动机的又一重要原因。
但是，轻载或空载时的高转速，容易使串励式电动机发生“飞车”事故。
所以功率较大的串励式电动机不可在轻载或空载情况下使用；即使汽车起动机功率较小，也不可在轻载或空载状态下长时间运行。
3．功率特性
串励式电动机的功率P用下式表示：
P=M*n/9550（3—5）
式中，M是电枢轴上的转矩(N·m)；n是电枢转速(r／min)。
电动机完全制动时，转速和输出功率为零，转矩达到最大值。
空载时电流最小，转速最大，输出功率也为零。
当电枢电流接近制动电流一半时，电动机输出功率最大。
三、影响起动机工作特性的因素
起动电动机工作特性曲线是在一定温度下，配用一定容量和充电状态的蓄电池及电动机内阻不变条件下得出的。
如果这些条件变化，电动机特性曲线也会变化。
下面对影响起动电动机工作特性的因素进行简要分析。
1．蓄电池容量和充电状况的影响
蓄电池是起动机的工作电源，因此蓄电池的容量和充电状况直接影响起动机的输出。
蓄电池容量越大，充电越足，内阻越小，供给起动机电流越大，起动机的输出功率、转速、起动转矩均增大，但是用增加蓄电池容量来改善起动电动机特性是有限度的，同时又增加了蓄电池的重量。
因此，每种起动机应该具有规定容量的蓄电池来供电，这样既能保证发动机的正常起动，又能使整个起动系统的重量最小。
2．起动电动机电路影响
主要是起动电路的电阻影响起动机工作性能。
起动电路电阻包括电动机内部电阻(磁场绕组、电枢绕组和电刷接触电阻)，连接导线电阻，以及导线连接处的接触电阻。
电路电阻越大，起动机的输出功率、转速、制动力矩均会降低。
对于结构一定的电动机，减小接触电阻的方法是：换向器不失圆，表面清洁，外径不小于规定尺寸，电刷高度和工作面剥落程度不超过标准。
电刷和换向器接触良好，电刷在刷架中无阻滞现象，电刷弹簧压力适当等。
为了减小连接导线电阻，必须选择足够截面积的导线并尽可能缩短其长度。
我国有关标准推荐，在使用条件良好时，连接导线通过电流每百安培的最大电压降在12V系统时不大于0.20V，24V系统不大于0.40V，在使用条件恶劣时，12V系统为0.10V，24V系统为0.17V。
在实际工作中还必须注意使导线两端接触良好。
3．环境温度的影响
环境温度对起动系统影响极大，一方面温度降低时，蓄电池内阻增加，
实际容量下降，虽然在低温时连接导线的电阻及起动机内阻相对减小，但与蓄电池内阻的增加相比，数量极微。
因此在低温时起动机的输出功率大幅度减小。
另一方面，在低温情况下，发动机阻力矩增加，起动发动机所必须的转速提高，即起动发动机所需功率大大增加，因此，冬季应注意蓄电池保温，甚至采取必要的起动辅助措施。