直流电机工作特性
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
3.3.7直流电动机的工作特性与机械特性11
2
直流电动机的机械特性
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，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时，磁路已经 开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电
流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。
的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，
当负载电பைடு நூலகம்增加时，转速有所下降。他励直流电 图3-23 他励电动机的工作特性
动机的工作特性如图3-23所示。
1
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 ) 的关系称为转矩特性。根据直流电
机电磁转矩公式可得电动机转矩特性表达如下：
保持R=R a（Rs =0）、U= UN不变，只减弱磁通时的人为机械特性为
n=
(3-29)
对应的转速特性为 n=
（3-30）
在电枢串电阻和降低电压的人为特性中，因为 不变，T ∝I ，所以他们的机械特性n=f(T )曲线也代表了转速 特性n=f(I )曲线。
2
直流电动机的机械特性
但是在讨论减弱磁通的人为特性时，因为磁通 是个变量，所以n=f(I )与n=f(T )两条曲线是不同 的，如图3-29所示
3
机械特性的求取
根据计算所得 (0,n0)和（TN，Nn)两点就可以在 Tem-n平面内画出电动机的固有机械特性。通过式 求出β 后，便可求得他励电动机的固有机械特性方程式n=n0- 。
(2). 人为特性的求取
在固有特性方程式 n=n0-
(n0、β为已知 基础上，根据人为机械特性对应的参数 （U、Rs或Φ）
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械特性_及其工作特性与应用领域1
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域一、他励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域图中：n0为理想空载转速 n’0是实际空载转速。
他励电机的机械特性曲 线斜率小，机械硬度高。
他励直流电动机工作特性 1. 转速特性2. 转矩特性TT C C '=Φ3. 效率特性a ae e R U n I C C =+ΦΦe T a Ta T C I C I '==Φ2Fe mecCufaaa c21a f 2Δ100%1()pp p I R I U P P U I I ⎡⎤++++η=⨯=-⎢⎥+⎣⎦应用领域他励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。
如大型车床、龙门刨床。
二、串励直流电动机的机械特性，串励电动机的机械特性为双曲线，转速随转矩的增加而下降速率很快，称为软特性Rj=0为自然机械特性Rj不等于零为人工机械特性工作特性电动势平衡方程式电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式（其中，R fc 为串励绕组电阻）应用领域串励电机因转速可调范围广，启动扭矩大的特点被广泛的应用于电动工具，厨房用品，地板护理产品领域。
a e a a E C n C I n'==Φe 20T T T =+2e T a T aT C I C I '==Φae f C C K '=TT f C C K '=2e 200602πP T T T T n=+=+⋅三、并励直流电动机的机械特性n0为理想空载转速,与端电压有关，直线斜率k<0,表明n是T的减函数，其下降速率与调节电阻Rj大小有关。
Rj=0为自然机械特性Rj不等于零为人工机械特性Rj=0时，特征曲线接近于水平线，表示硬特性。
即硬度高。
工作特性1. 转速特性当U=U N , I f =I f N 时，n=f (I a )的关系曲线如图2. 转矩特性当U=U N ,I f =I fN 时，T e =f (I a )的关系曲线如图e T a Ta T C I C I '==ΦTT C C '=Φ3. 效率特性当U=U N ,I f =I fN 时，η=f (I a )的关系曲线如图2Fe mec Cuf a a a c 21a f 2Δ100%1()p p p I R I U P P U I I ⎡⎤++++η=⨯=-⎢⎥+⎣⎦应用领域并励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。
《直流电机的工作原理及特性》PPT模板课件
2．电磁转矩TM
电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和 电磁转矩，其大小可用如下公式表示：
TKtIa
式中：T——电磁转矩（N·m）； Φ——对磁极的磁通（Wb）； Ia——电枢电流（A）； Kt——与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke
3.2 直流他励电动机的机械特性
一、机械特性的一般形式
根据 0,n0、TN,nN
两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 nfT。
三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁
通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。
1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 U U N , N
n
Rad
If
U
Ia M E
3．3 直流他励电动机的启动特性
nN △n
决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf
的大小一定时, If为定值，即磁
△T
通为定值。
0
TN T
n 理想空载点 n0
nN △n
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空
载转速，用n0表示。 根据机械特性可知：
U
△T
n0 Ke
0
TN T
2. 机械特性硬度
为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性
直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的
发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或 原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时， 原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗 转矩T0相平衡。
电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此， 电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损 耗转矩T0相平衡。
直流电动机的原理及特性
直流电机
定子
机座 换向极 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器
转子
电枢绕组 轴承
风扇 转轴
2.1.2 直流电动机的励磁方式 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么 样的励磁方式。
1.他励式
若励磁绕组不与电枢 绕组联接，励磁绕组单独 由其他电源供电的直流电 机称为他励式直流电机。
2.1.2 直流电动机的励磁方式
并励式
励磁绕组与电枢绕组并联，称为并励式直流电机。 并励式直流电机的电枢电流Ia。励磁绕组流过的 电流为If ，经过负载或电源供给电机的总电流 为 I，三者须满足以下关系： 直流发电机：Ia ＝I＋If 直流电动机：Ia ＝I－If
2.1.2 直流电动机的励磁方式
第2章 直流电动机的原理及特性
直流电机的用途
测速
伺服
励磁机
电源
直流电机的特点
• 直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 • 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动性能良好。
• 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高
2.1直流电动机的基本结构和工作原理
端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支 撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还 起防护作用。
定子部分
电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入） 装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右 图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在 刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋 转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在 刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同 极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆 装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
直流电机的工作原理及特性剖析
直流电机的工作原理及特性剖析直流电机是利用直流电流产生的磁场进行能量转换的一种电动机。
它的工作原理基于洛伦兹力和电磁感应的相互作用。
直流电机主要由定子和转子组成。
定子是不动的部分，由绕组和磁体构成。
绕组通电后产生的磁场称为励磁磁场，它的作用是提供一个永久的磁场。
转子是可转动的部分，通常由铁心和线圈组成。
转子的线圈通电后产生的磁场称为电励磁磁场。
当励磁磁场和电励磁磁场相互作用时，就会产生一个扭矩，使转子开始旋转。
1.高起动转矩：由于直流电机的励磁磁场是恒定的，它可以提供一个较高的起动转矩，使得直流电机可以很容易地启动和加速。
2.调速范围广：由于直流电机可以通过调节绕组的电流来控制电磁力的大小，所以它具有广泛的调速范围。
通过改变绕组中的电流方向和大小，可以实现正向和反向旋转，以及不同的转速。
3.良好的速度稳定性：直流电机在负载变化时具有很好的速度稳定性，可以在较大负载下保持稳定的转速。
这是因为直流电机可以通过反馈系统来调整电流，以实现稳定的转速。
4.高效率：直流电机具有较高的效率，能够将输入的电能有效地转换为机械能。
这是因为直流电机的机械损耗比较小，同时也可以通过控制电流来减小铜损和铁损。
5.容易控制：直流电机具有良好的可控性，可以通过控制电流来改变转速和输出转矩。
通过调节绕组的电流，可以实现无级调速和闭环控制，从而满足不同的应用需求。
总之，直流电机的工作原理是利用洛伦兹力和电磁感应的相互作用，在绕组通电产生的磁场作用下，转子开始旋转，从而将电能转换为机械能。
直流电机具有高起动转矩、调速范围广、速度稳定性好、高效率和易于控制等特点，因此被广泛应用于工业、交通和家用电器等领域。
《机电传动技术》第三章 直流电机的工作原理及特性
T = TL +T0
转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时， 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， 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。 自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 一定， (平衡 此时， 平衡)， 例：设外加电枢电压 U 一定，T=TL (平衡)，此时， 突然增加， 若TL突然增加，则调整过程为 E = KEΦn E↓ ↓ TL ↑ n↓ ↓ T↑
（3）求理想空载转速
根据（0，n0）和（TN，nN）两点，就可以作出他励电动 机的机械特性曲线。
正反转时的机械特性
2 、人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加 电压、励磁磁通的大小以及电枢回路串接附加电 阻所得到的机械特性。直流他励电动机有三种人 为机械特性。
Ra U n= − T = n0 − ∆n 2 KeΦ Ke Kt Φ
n
d T
– U + 直流电从两电刷之间通入电枢绕组， 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流 方向如图所示 由于换向片和电源固定联接， 如图所示。 方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论 线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里 极有效边的电流方向向里, 线圈怎样转动，总是 极有效边的电流方向向里 N 极有效边的电流方向向外。电动机电枢 极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后 中受力(左手定则 按顺时针方向旋转。 左手定则)按顺时针方向旋转 中受力 左手定则 按顺时针方向旋转。
转子
转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、 电枢铁心、 转子部分 电枢铁心 电枢绕组、换向器、风扇、 电枢绕组、换向器、风扇、轴等
直流电机的工作原理及特性
直流电机的工作原理及特性直流电机是一种电动机，以其结构简单、控制精度高、效率高、输出功率大等优点而受到广泛应用。
本文将从工作原理、特性两个方面对直流电机进行详细介绍。
一、工作原理直流电机的工作原理是靠用直流电产生的磁场作用在转子上，使转子旋转。
直流电机实际上是一个能把电动机和发电机互相转换的机器，因为直流电是双向运动的，所以他可以既做发电机又可以做电动机。
（一）机械结构直流电机机械结构分为定子和转子两部分。
定子包括机座、磁极、绕组等。
转子是电动机旋转的部分，包括转子铁心、绕组和电刷等。
当电机接入电源并加上磁通，就会在转子上产生一个磁场。
由于转子上产生的磁队是与磁通方向相反的，因此磁力会推动旋转电机，从而使转子开始转动。
（二）电磁学原理直流电机的转速与线圈导体上通过电流的方向、大小，磁极和线圈位置等因素有关。
当直流电通过定子绕组时，就会产生磁极磁通，因此在转子上的绕组中就会感应出电磁力和转矩。
电机转子的移动速度主要取决于该转矩。
转矩越大，电机就能承受更多的外力，提供更高的机械输出；反之，转矩越小，电机就需要承受更小的外力。
二、特性（一）功率和效率直流电机的输出功率和效率都很高。
在电机运行时，电梯将能量输出到外部驱动机器，其能量转化效率约为88%~96%，具有一定的经济性和高性价比的特点。
（二）输出特性直流电机存在强大的输出特性，这意味着它可以在不同的工作负载下产生不同的扭矩和速度。
直流电机的特性也非常稳定，当负载发生变化时，电机的输出也能及时发生相应地变化，从而实现更高的精度。
（三）寿命和维护直流电机的寿命较长，使用寿命通常可达到15000小时。
它还具备一定的可靠性和稳定性，使用稳态电源能有效促进电机使用寿命。
通常情况下，直流电机不需要经常维护，只需要清洗和润滑，更换磨损和损坏的部件即可。
（四）控制精度直流电机的速度控制精度非常高，控制范围广，在高低转速下都能实现同样高的控制精度。
这也让它在工业控制领域中得到了广泛应用，如分步马达、电动升降平台、电动梯等等。
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n
U
IaRa' Ce
U Ce' Ia
1 Ce'
Ra'
Ra' Ra R f
BREAD PPT
分析：a、转速 n 随着I a 的增大而迅速减小。
（因为 Ia I f
）。
b、空载时，I a 很小， 及Ia Ra' 很小，电机必须 产生反电势 Ea Cen 与电源电压相平衡，
因此, n 很高。
理论上，Ia 0 时， 0 ，n
p pFe
P1 UI U (I f Ia ) pcuf pcua ps PM
PM M EaIa (M 2 M0 ) P2 pFe p
BREAD PPT
C、并励发电机的功率方程式：
P1 机械功率 PM 电磁功率 P2
p pFe
pcuf pcua ps
电功率
PM Ea Ia (U Iar a2 Us )Ia pcuf pcua ps P2 P1 M1 (M M0 ) PM p0 PM p pFe
电机的效率
P2
100%
(1
p
)
100%
P1
P1
[1
pFe
p
pcuf
I
2 a
ra
2UsIs
]100%
U(Ia I f )
BREAD PPT
当不变损耗＝可变损耗时，max 取得最大，
是 I a 的二次曲线。
B、并励电动机的功率方程式：
电功率
P1
电磁功率
PM
机P2械功率
pcua pcuf ps
n, M , f (Ia )
BREAD PPT
1、并励直流电动机的工作特性： A、转速特性：
Ea Cen U Ea Ra Ia
n
U Ce
Ra Ce
Ia
n0
'Ia
BREAD PPT
其转中速， 特性n0为一CUe斜率为为理想' 空C载Rea转速的。直线。
当电机磁路饱和时，随着 n M
M
P2 的增大， I a 增大， n0
BREAD PPT
二、直流电动机的工作特性：
当端电压为额电压，电枢回路无外串电阻，励磁 电流为额定励磁电流时，电机转速 n ，电磁转矩M ，
和效率 与输出功率 P2 之间的关系。
即： n, M , f (P2 )
实际运行中，I a 可测，且I a 随P2 增大而增大，所以， 工作特性可表示为：
消耗于摩擦损耗、通风和机械损耗。
消耗于铁心中的损耗。
铁耗：pFe 由于电枢旋转时主磁通在电枢铁心内
交变而引起的。
铜耗：pcu1
电枢回路铜耗
pcua
I
2 a
ra
励磁回路铜耗
pcuf
I
2 f
rf
电刷接触铜耗 ps 2Ia Us
2 Us
为一对电刷总接触电压降。
BREAD PPT
机械损耗： p 包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦
C、效率特性：
与并励电动机类似。
P2
100%
(1
p ) 100%
P1
P1
[1
pFe
p
pcuf
I
2 a
ra
2UsIs
]100%
U(Ia I f )
BREAD PPT
并励电动机与串励电动机工作特性比较：
A、串励电机的 n 随 I a 增大而迅速下降。
B、串励电动机不允许空载或轻负载运行。
C、在同样大小的起动电流 I st 下，
P1
P1
[1 pFe p pcuf Ia2ra 2 U s Is ]100% U(Ia I f )
是 I a 的二次曲线。
当不变损耗＝可变损耗时，max 取得最大。
max
Ia 0
BREAD PPT
2、串励直流电动机的工作特性： 基本方程式：
U Ea Rf I f Ra Ia Ea (Ra Rf )Ia
M M2 M0
I f Ia
不计饱和时：
EMa
Cen C e'I f n Ce' Ian CM Ia CM' Ia I f CM'
I
2 a
Ce' Ce K f CM' CM K f
BREAD PPT
A、转速特性：
U Ea Ia Ra I f Rf Ea Cen Ce' Ian
损耗、定转子和空气的摩擦损耗。 附加损耗： p 电枢齿、槽存在，使气隙磁通产
生脉动，电枢反应使磁场畸变引起的铁耗。换向
电流引起的损耗。
按额定容量的１% 计算 ， 无补偿绕组
按额定容量的 0.5% 计算 ， 有补偿绕组
在以上损耗中， pcua ，ps 随负载变化而变化，称
为可变损耗；pcuf ， p ，p 为不变损耗。
n
电枢反应的去磁作用使 n
增大，直线上翘。
为保证电机稳定运行，
0
Ia
采取措施使特性略为下降。
B、转矩特性：
M CM Ia 不计去磁M CM' Ia 特性为一过原点的直线。当考虑电枢反应时，实
际曲线偏离直线
C
' M
I
a
，仍接近于一条直线。
BREAD PPT
C、效率特性：
P2
100%
(1
p ) 100%
第七节 直流电机的运行原理
• 直流电机的基本方程式 • 直流电动机的工作特性 • 直流发电机的特性
BREAD PPT
一、直流电机的基本方程式：
（电系统的电势平衡方程式，机械系统的转矩平
衡方程式，能量系统的功率平衡方程式。）
1、电势平衡方程式：
A、不计磁路饱和效应，并励电动机电枢回路和
励磁回路的电势方程式：
串励电动机的 M st 大于并励电动机的 M st 。
M
串励
M st串
并励
M st并 0
Ia
I st
BREAD PPT
3、复励直流电动机的工作特性： 它介于并励和串励电动机特性之间。 当并励绕组磁势起主要作用，特性接近于
。
故串励电动机不允许空载或轻负载运行。
nM
M
0
n Ia
BREAD PPT
B、转矩特性：
M
CM Ia
CM'
I
2 a
当 I a 增大，n 很快减小，使M 升很快。即，随
着 I a 增大，M 将以高于I a 的一次方比例增大。
在同样大小的起动电流 I st 下，
串励电动机的 M st 大于并励电动机的 M st 。
U Ua Gaf I f RaIa Ea RaIa
U U f Rf If
Ea Ia
If
BREAD PPT
B、并励发电机电势方程式：
Ea Ua Ra Ia
U f Rf I f
Ea
Ia If
发电机的 Ea 大于U a 。
BREAD PPT
2、转矩平衡方程式：
A、电动机：
空载转矩 惯性转矩
M
(t)
M 2 (t)
M 0 (t)
J
d dt
（电磁转矩 负载转矩
瞬态方程
M M2 M0
稳态方程
B、发电机：
M 1 (t )
M
(t)
M 0 (t)
J
d dt
瞬态方程
原动机拖动转矩
M M M BREAD PPT
1
0
稳态方程
3、功率方程式：
A、直流电机中的损耗、效率：
损耗有三类 消耗于导体电阻中。