02-直流电动机的机械特性
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直流电动机的方程式与机械特性
-
↓
电磁力与电枢铁心半径之积为电
磁转矩，电磁转矩是带动电枢旋
S
转的动力矩。
2.直流电动机的工作原理
图a
图b
图c
图d
直流电动机工作过程分解图
电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢 线圈中的电流，却是交变的。
在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向 始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。
机械损耗和铁心损耗在“电动机空载运行时就存在”，二者 之和又称为“空载损耗”。
☆ 空载损耗P0： P0= Pm＋PFe
空载损耗产生空载转矩T0，T0与旋转方向相反，是制动转矩。
2.功率平衡方程式
☆附加损耗Ps：
附加损耗又称杂散损耗，其值很难计算和测定，通常取：
Ps =（0.5%~1%）PN。
总损耗：
实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁 转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。
二、直流电动机的电磁转矩
电磁转矩T是带动直流电动机旋转的动力矩，它是个 既有大小、又有方向的向量。 电磁转矩的方向由左手定则判断。
电磁转矩的大小为：
其中p为磁极对数，N为电枢绕组总导体数，a为单波绕组并联支 路对数，CT为转矩常数。这些参数只与电机的结构有关。
1.电动势平衡方程式（电路系统）
2.转矩平衡方程式（机械系统）
他励直流电动机电路图
3.功率平衡方程式（能量转换过程）
1.电动势平衡方程式
他励直流电动机的励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。
励磁电路： Uf →If →Φ 电枢电路：Ua → Ia→T → n →Ea
利用基尔霍夫电压定律，可得 电动势平衡方程式为：
直流电机工作原理及特性
转 子： 主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电 换向器： 枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。
3.1.2 直流电机基本结构 1换向器2电刷装置3机座4主磁极5换向极6端盖7风扇8电枢绕组9电枢铁芯
3.1.2 直流电机基本机构结构
3.2直流电机的基本方程 3.2.1励磁方式
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
n
U
Ke
Ra
Ke
Ia
他励电动机的励磁电流If的大小 与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小
只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的
大小一定时, If为定值，即磁通为定
值。 ∵ E Ke n、 T Km Ia
∴U Ke n Ia Ra
1. 理想空载转速：
理想空载点
T=0时的转速称为理想空载转速， 用n0表示。
式中：E — 感应电动势（V）； Φ — 一对磁极的磁通（Wb）； n — 电枢转速（r/min）； Ke — 与电机结构有关的常数。
式中：TM—电磁转矩（N·m）； Φ—对磁极的磁通（Wb）； Ia—电枢电流（A）； Km—与电机结构有关的常数
E Ke n
TM Km Ia
发电机：
如图3-9所示,他励发电机中的电压与 电流间的关系遵循回路电压定律: 电压平衡方程：
转矩平衡方程：当原动机与发电机 电磁转矩和空载损耗转矩之和相等 时，转子稳速运行
电动机：
电压平衡方程：
当电磁转矩T 与负载转矩TL和空载 损耗转矩T0之和相等时，电动机稳 定运行。
图3-11 他励直流电动机电路原理
直流电机作为发电机运行和电动机运行时，虽然都产生电动势E和 电磁转矩T，但二者的作用正好相反。
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。
直流电动机的机械特性
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
电动机的电压平衡方程式
I
Ia
UE M
Ra
Rf'
Tn
If Uf
T = Kt Ia E = Ke n，
U = E + IaRa
电路原理图
n = —E—
Ke
= —U–—I—aR–a
Ke
= —KUe—– – —K—ReKa—t·T—2
转速特性
机械特性
n
= —KUe—T– – —K—RTeK0a—t·T—2
TN -- 额定负载转矩
T （N.m） TN 近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线
利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。
已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）
步骤：
（1）估算
Ra（或测量）
Ra = （0.5
0.75）（1
-
——P—N —）—U—N
保持 If = IfN n = nN，当调整负载电阻 R U I
反映发电机电枢端电压 U 随负载电流 I 变化的特性。
U
U0
电压调整率：
UN
U —U—0 —– U—N– 100%
0
I
UN
直流电动机机械特性
（二）他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机电路原理图
002em em e e T U R n T n T n n C C C βφφ
=-=-=-∆ 机械特性曲线：当U 、R 、φ为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以β为斜率向下倾斜的直线，如图所示。
图2-14他励直流电动机的机械特性
机械特性的硬度: β越大，特性越陡，称为软特性；
β越小，特性越平，称为硬特性；
表明机械特性曲线的下垂程度。
1、他励直流电动机的固有机械特性
当N U U =,N φφ=,a R R =()0s R =时的机械特性称为固有机械特性。
其方程式为 2N a em e N e T N
U R n T C C C φφ=
-， 2、人为机械特性
1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持N U U =,N φφ=不变，只在电枢回路串入电阻s R 的人为特性。
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
《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
直流电动机的原理及特性
➢ 用包有绝缘层的导体构成电枢线圈； ➢ 将线圈按一定的次序嵌入电枢铁心槽内的上、下 层中； ➢ 每个元件的两个出线端都按一定的规律与换向器 的换向片相连。
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
单叠绕组
②连接方式
单波绕组
（3）换向器
1-V形套筒 2-云母环 3-换向片 4-连接片
图2.6 典型的换向器结构图
1-电枢绕组 2-电枢铁心 3-机座 4-主磁极铁心 5-励磁绕组 6-换向极绕组 7-换向极铁心 8-极靴 9-底脚
（1）额定功率PN ：指电动机在额定运行状态 下轴上输出的机械功率，用W或kW表示；
（2）额定电压UN：指电动机在额定运行状态 下电机两端的电压，用V表示；
（3）额定电流IN ：指电动机在额定电压下运 行，输出功率为额定功率时流过电机的电流， 用A表示；
额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为： PN=UNINηN
n
UN
CEN
Ra
CECTN2
T
n
n0
n0'
nN
0 T0
TN
T
图2.18他励直流电动机的固有机械特性曲线
他励直流电动机的固有机械特性具有以下的 特点：
（1）其特性曲线是一条略为下斜的直线； （2）其特性为硬特性； （3）实际的空载转速为 n0' n0 T0 ； （4）当T=TN时，转速n=nN；
2.6.1他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指电动机的电 枢时电，压 转速U、与励转磁矩电之流间I的f保关持系一。定（通常保持额定值）
n Ea
CE
U Ia Ra
CE
U
CE
Ra
CECT
2
T n0
T
式中，n0
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8
3.直流电动机的基本类型
按定子磁极的励磁方式分 A. 永磁电机——小功率 B. 励磁电机
励磁电机： ① 他励电机 ② 串励电机 ③ 并励电机 ④ 复励电机
+
U
_
+
IB
nF n
I
F
U
--
R
I
E
2.1 直流电机的基本结构及类型
9
3.直流电动机的基本类型
按定子磁极的励磁方式分 A. 永磁电机——小功率 B. 励磁电机
U
_
+
nF n
I
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I
E
2.1 直流电机的基本结构及类型
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3.直流电动机的基本类型
按定子磁极的励磁方式分 A. 永磁电机——小功率 B. 励磁电机
励磁电机： ① 他励电机 ② 串励电机 ③ 并励电机 ④ 复励电机
IB
nF
n
+
I
F
U
_
n
他励 复励 并励 串励 T
2.2 直流电机的基本原理
电枢电流
Ia
TL
CmN
0.82TN
T2 T2 为电机转轴上输出的机械功率
PM p0 P2
（2-10）
2.2 直流电机的基本原理
25
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
得 P1 P2 p0 pCua 其中 p0 pFe pm ps
pFe 为铁损耗 pm 为机械摩擦损耗 ps 为附加损耗
电机功率总损耗
_
2.2 直流电机的基本原理
15
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
U
_
载流导体在磁场中，受电磁力作用；
IB
nF n
I
F
电磁力大小: F B l ia
电磁力方向：左手定律
2.2 直流电机的基本原理
16
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
+
电磁力定律： （左手定理）
30
2.3.1 他励电动机的机械特性
1．机械特性方程 n f (T )
机械特性的表达方式
3）特征参数
U
n0 Ce
理想空载转速
dn
R
R1
K dT CeCm 2 Ke Km
特性斜率
R n KT Ke Ia
特性方程可写成
称为转速降落
n n0 KT n0 n
I
2 a
Ra
pCua
为电枢回路的总消耗功率，称铜损耗
P1 PM pCua
（2-8）
23
--
Ra
RB
--
2.2 直流电机的基本原理
24
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
同理，由转矩平衡方程，得
Tem T0 T2 （2-9）
式中
Tem Ea Ia PM 为电磁功率 T0 p0 为空载损耗，包括铁损耗和机械摩擦损耗
2.3 直流电动机的机械特性
33
2.3.1 他励电动机的机械特性
2．固有特性
例题2-2
已知：PN =75kW，UN=220V， IN=383A， nN=1500r/min，电枢总电阻Ra=0.0192，
解：
n0
UN
CeN
UN Ke
理想空载转速
K
Ra
Ce
Cm
2 N
Ra Ke Km
特性斜率
n
KTN
Ra Ke
IN
转速降落
2.3 直流电动机的机械特性
34
2.3.1 他励电动机的机械特性
2．固有特性
例题2-2 已知：PN =75kW，UN=220V， IN=383A， nN=1500r/min，电枢总电阻Ra=0.0192，
解：
Ke
CeN
UN
I N Ra nN
220 383 0.0192 1500
U
_
b
c
a c
d b
d
a
n
I
T
n
e v
图2-12直流发电机工作原理
2.2 直流电机的基本原理
14
3.原理的应用
1）电动机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统驱动控制
IB
nF
n
+
I
F
U
_
2）发电机原理
I，U 直流电机
T，n
应用：机电系统制动控制
IB
n
T
n
+
I
U
电机：电 能 机械能，称可逆原理
Tem T0 T2 （2-5）
d
T2 TL J dt 式中 T0 为电机的空载阻转矩
T2 为电机的输出转矩 TL 为电机的负载转矩
IB
nF
n
+
I
FU_源自稳定运行时 T2 TLTem T0 TL
2.2 直流电机的基本原理
22
4.直流电动机的基本关系
4）电压平衡方程
电枢回路电压平衡方程
U
_
载流导体在磁场中，受电磁力作用；
IB
nF n
I
F
电磁力大小: F B l ia
电磁力方向：左手定律
导体电磁力矩：
Ti
Fi
D 2
B p lia
D 2
2.2 直流电机的基本原理
17
4.直流电动机的基本关系
1）电磁力矩方程
转子导体总电磁力矩
N
D
Tem
Ti NBP lia
i 1
20
4.直流电动机的基本关系
2）电势方程式
Ea Ce n （2-3）
式中
pN Ce 60a
电动势常数；
当磁场 一定时
Ea Ke n （2-3）
式中 Ke Ce —电势系数；
IB
nF
n
+
I
F
U
_
IB
n
T
n
+
E
U
_
2.2 直流电机的基本原理
21
4.直流电动机的基本关系
3）转矩平衡方程
0.14176
60
Cm 2 Ce 9.55Ce
CmN Km 9.55Ke
2.3 直流电动机的机械特性
35
2.3.1 他励电动机的机械特性
2．固有特性
例题2-2
已知：PN =75kW，UN=220V， IN=383A，
nN=1500r/min，电枢总电阻Ra=0.0192，
解：
n0
UN
CeN
220 1552r / min 0.14176
K
Ra KeKm
Ra
9.55
K
2 e
0.0192 9.55 0.141762
0.10004
nN n0 nN (1552 1500) 52r / min
2.3 直流电动机的机械特性
36
2.3.1 他励电动机的机械特性
12
1.电动机原理
电磁力定律： （左手定理）
载流导体在磁场中，受电磁力作用； +
U
b
c_
a c
d
d b
a
IB
nF n
I
F
I
f
图2-11直流电动机工作原理 图 2-11 直流电动机工作原理
2.2 直流电机的基本原理
13
2.发电机原理
IB
电磁感应定律：（右手定理）
运动导体切割磁力线，产生感应电动势； +
U Ea Ia Ra （2-6）
IB
nF
n
+
I
F
U
_
IB
n
T
n
+
E
U
_
2.2 直流电机的基本原理
4.直流电动机的基本关系
5）功率平衡关系
由电压平衡方程，得
+
U
Ia
Ea
UIa
Ea Ia
I
2 a
Ra
（2-7）
式中 UIa P1 为电动机从电源输入的电功率
IB
+
UB
Ea Ia PM 为电磁功率，转换成机械功率的部分电功率
2.3 直流电动机的机械特性
32
2.3.1 他励电动机的机械特性
2．固有特性
例题2-2 已知：PN =75kW，UN=220V， IN=383A， nN=1500r/min，电枢总电阻Ra=0.0192， 求： （1）理想空载转速；固有机械特性的斜率； 额定转速降； （2）若负载转矩T=0.82TN（TN为额定电磁转 矩），问电动机的转速、电枢电流以及电枢电 动势为多大？
1）基本结构组成 定子部分——作用产生磁场； 由主磁极、机座、轴承、电刷装置等组成。 转子部分——作用产生电磁力矩； 由电枢绕组、电枢铁心、转轴等组成。 换向器：由线圈两端的换向片与正负极电刷构成。
2.1 直流电机的基本结构及类型
6
2.直流电机的基本结构
2）直流电机的等效电路
+
U
--
I
R
E