第一章直流電動機

學(xué)習(xí)目標(biāo):第一章直流電機掌握直流電動機的工作原理、結(jié)構(gòu)。能分析直流電動機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的變化與各參數(shù)的關(guān)系。能分析電機的換向及改善換向方法。會利用直流電動機的工作特性和機械特性分析實際問題。熟悉直流電動機起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動方法。案例：國產(chǎn)電力機車上常采用直流電機作為牽引電機和輔助壓縮機驅(qū)動電機。當(dāng)機車在牽引狀態(tài)運行時，牽引電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，通過輪對驅(qū)動機車運行，此時電機處于電動機狀態(tài)；當(dāng)機車在電氣制動狀態(tài)下運行時，牽引電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生電制動力，此時電機處于發(fā)電機狀態(tài)。第一章直流電機第一節(jié)：直流電機的工作原理一、直流電機的基本工作原理直流電機分類:直流電動機直流發(fā)電機（一）直流發(fā)電機的工作原理n右手定則判斷方向一、直流電機的基本工作原理（一）直流發(fā)電機工作原理（一）直流發(fā)電機工作原理通過換向器和電刷將交流變?yōu)橹绷麟娨鲋霖撦d建立磁場導(dǎo)體切割磁場產(chǎn)生交變的感應(yīng)電勢繞組中的電動勢交變.電刷兩端獲得直流電動勢結(jié)論：

e=BXlv

（二）直流電動機的工作原理外部提供用左手定則判斷受力方向及形成的轉(zhuǎn)矩方向：f=BXli

通過電刷和換向器將直流變?yōu)樵慕涣麟娨氘a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使電機旋轉(zhuǎn)帶動負載旋轉(zhuǎn)建立磁場交流→直流過程？（二）直流電動機的工作原理二、電機的可逆原理任何一臺電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，這一性質(zhì)稱為電機的可逆原理。如果電機轉(zhuǎn)子輸入機械能，而電樞繞組輸出電能，電機作為發(fā)電機運行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機械能，則電機作為電動機運行。電機的實際運行方式由外施條件決定：第二節(jié)直流電機的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部分:靜止部分:定子轉(zhuǎn)子中間有氣隙第二節(jié)直流電機的結(jié)構(gòu)第二節(jié)直流電機的結(jié)構(gòu)小型直流電動機的剖面結(jié)構(gòu)一、定子部分電磁方面：產(chǎn)生磁場和構(gòu)成磁路。機械方面：整個電機的支撐。作用:構(gòu)成:磁極機座換向極電刷裝置端蓋和軸承（一）主磁極產(chǎn)生恒定、有一定的空間分布形狀的氣隙磁通密度

勵磁繞組鐵心作用：（二）機座整體機座:起導(dǎo)磁和機械支撐作用疊片機座:只起機械支撐作用（三）換向極安裝在相鄰的兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上，用來改善直流電機的換向，一般電機容量超過1kW時均應(yīng)安裝換向極。用整塊鋼制成，也可用厚1~1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成（四）電刷用石墨制成的導(dǎo)電塊（五）端蓋主要起支撐作用。端蓋固定在機座上，其上放置軸承支撐直流電機的轉(zhuǎn)軸，使直流電機能夠旋轉(zhuǎn)。二、轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機的轉(zhuǎn)動部分，其作用是感應(yīng)電勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換作用:構(gòu)成:電樞鐵心換向器電機轉(zhuǎn)軸電樞繞組軸承和風(fēng)扇（一）電樞鐵心作用：通過磁通和嵌放電樞繞組。材料：為減小當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時鐵心中的磁通方向發(fā)生變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，表面有絕緣層。

（二）換向器作用：實現(xiàn)電刷內(nèi)外交直流的轉(zhuǎn)換。材料：采用導(dǎo)電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成（三）轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。（四）電樞繞組用于產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和通過電流，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。線圈元件邊在槽內(nèi)的放置情況1．基本知識作用元件元件的首末端實槽和虛槽設(shè)電樞槽內(nèi)每層有μ個線圈單元邊，則把每一個實際的槽看作包含μ個虛槽。實槽與虛槽（四）電樞繞組Zμ=μ*Z

（四）電樞繞組元件數(shù)S和換向片數(shù)K：極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離稱為極距，用τ表示S=K=Zμ=μZ

疊繞組：串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件端接部分緊貼在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式進行。（四）電樞繞組波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，像波浪似的前進。第一節(jié)距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的元件邊數(shù)稱為第一節(jié)距，第一節(jié)距用表示。（四）電樞繞組第二節(jié)距：連至同一換向片上的兩個元件中的第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。第二節(jié)距用表示。合成節(jié)距：連至同一換向片上兩個元件對應(yīng)邊之間的距離，即第一個元件的上層邊與第二個元件的上層邊間的距離或第一個元件的下層邊與第二個元件的下層邊間的距離。合成節(jié)距用y表示。（四）電樞繞組合成節(jié)距與第一節(jié)距、第二節(jié)距的關(guān)系為：單疊繞組單波繞組換向節(jié)距：同一元件首、末端連接的換向片之間的距離。換向節(jié)距用表示（四）電樞繞組2．單疊繞組（四）電樞繞組（1）單疊繞組的節(jié)距計算?。悍Q為右行繞組，元件的連接順序為從左向右進行2．單疊繞組（四）電樞繞組（2）單疊繞組的展開圖元件外，展開圖中還包括主磁極、換向片及電刷以表示元件間、電刷與主磁極間的相對位置關(guān)系。在畫展開圖前應(yīng)根據(jù)所給定的電機極對數(shù)p、槽數(shù)Z、元件數(shù)S和換向片K，算出各節(jié)距值，然后根據(jù)計算值畫出單疊繞組的展開圖。[例1]

已知一臺直流電機的極對數(shù)p=2，Z=S=K=16,試畫出其右行單疊繞組展開圖[解]第一步：計算繞組的各節(jié)距第二步：畫元件，用實線代表上層元件，虛線代表下層元件，虛線靠近實線，實線根數(shù)等于元件數(shù)S，從左向右為實線編號，分別為1至16。第三步：放置主磁極。第四步：放置換向片。第五步：根據(jù)計算所的各節(jié)距值連接繞組第六步：放置電刷。單疊繞組元件連接順序（3）單疊繞組的元件連接順序及并聯(lián)支路圖單疊繞組的特點：①同一磁極下的元件串聯(lián)在一起組成一個支路，這樣有幾個主磁極就有幾條支路。②電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使支路感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。③電樞電流等于各并聯(lián)支路電流之和。單疊繞組并聯(lián)支路圖3．單波繞組（1）單波繞組的節(jié)距計算①第一節(jié)距計算單波繞組的第一節(jié)距的計算方法與單疊繞組的計算相同。②合成節(jié)距y和換向器節(jié)距計算選擇時，應(yīng)使串聯(lián)的元件感應(yīng)電動勢同方向。③第二節(jié)距計算（2）單波繞組的展開圖[例2]已知主磁極極對數(shù)p=2，Z=S=K=15，繪制單波左行繞組展開圖。[解]首先計算各節(jié)距單波繞組的展開圖（3）單波繞組的連接次序及并聯(lián)支路圖單波繞組的連接次序表單波繞組的并聯(lián)支路①同極性下的各元件串聯(lián)起來組成一個支路，支路對數(shù)a=1，與磁極對數(shù)p無關(guān)。②當(dāng)元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動勢最大（即正、負電刷間電動勢最大）。③電刷桿數(shù)也應(yīng)等于極數(shù)（采用全額電刷）。④電刷電動勢等于支路感應(yīng)電動勢。⑤電樞電流等于兩條支路電流之和。單波繞組的特點：主極極靴和電樞間的間隙稱為空氣隙。三、空氣隙氣隙既保證了電機的安全運行，又是磁路的重要組成部分。由于空氣磁阻遠大于鐵磁物質(zhì)的磁阻，而電機的能量轉(zhuǎn)換是依靠氣隙磁通為媒介進行的，所以氣隙的大小和形狀對電機的性能有很大影響。直流電機的氣隙是不均勻的。極靴中部氣隙較小，兩側(cè)氣隙逐漸擴大，極尖處氣隙最大。小型電機氣隙約為1~3mm；大型電機氣隙可達10~12mm

。作用:第三節(jié)直流電機的銘牌電機型號銘牌數(shù)據(jù)主要包括：電機額定功率電機額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速額定勵磁電流勵磁方式出廠數(shù)據(jù)如出廠編號、出廠日期等Z2—92一般用途直流電機設(shè)計序號,第二次改型設(shè)計機座序號電樞鐵心長度序號第三節(jié)直流電機的銘牌Z系列：一般用途直流電動機（如Z2，Z3，Z4等系列）；ZJ系列：精密機床用直流電動機；ZT系列：廣調(diào)速直流電動機；ZQ系列：直流牽引電動機；ZH系列：船用直流電動機；ZA系列：防爆安全型直流電動機；ZKJ系列：挖掘機用直流電動機；ZZJ系列：冶金起重機用直流電動機；第一部分字符的含義如下：第三節(jié)直流電機的銘牌1．額定功率PN

2．額定電壓UN和接法額定條件下電機所能供給的功率。對于電動機額定功率是指電動機軸上輸出的最大機械功率；對于發(fā)電機是指電刷間輸出的最大電功率。額定功率的單位為kW額定運行狀態(tài)時，定子繞組應(yīng)加的線電壓，單位為V第三節(jié)直流電機的銘牌3.額定電流IN指電機在額定電壓下，運行于額定功率時對應(yīng)的電流值。額定電流的單位為A額定功率、額定電壓和額定電流的關(guān)系為：發(fā)電機PN=UNIN

×10?3kW

電動機PN=UNIN

N×10?3

kW第三節(jié)直流電機的銘牌4.額定轉(zhuǎn)速nN：對應(yīng)于額定電流，額定電壓，電機運行于額定功率時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。額定功率的單位為r/min。5.額定勵磁電流IfN

：對應(yīng)于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流。額定勵磁電流的單位為A6.勵磁方式

：直流電機的勵磁線圈與其電樞線圈的連接方式。根據(jù)電樞線圈與勵磁線圈的連接方式不同，直流電機勵磁有并勵、串勵、他勵、復(fù)勵等方式第三節(jié)直流電機的銘牌電機的電流正好等于額定值。長期過載運行將使電機過熱，降低電機壽命甚至損壞

電機的電流超過額定值電機的電流比額定值小得多。長期輕載運行使電機的容量不能充分利用在選擇電機時，應(yīng)根據(jù)負載的要求，盡可能使電機運行在額定值附近滿載運行:過載運行:輕載運行:第三節(jié)直流電機的銘牌第四節(jié)直流電動機的電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和功率一、直流電機的勵磁方式和磁場（一）勵磁方式1．他勵電機分別由兩個不同的電源供電。電壓可以相同，也可以不同2．并勵電機由同一電源供電。勵磁電流一般為額定電流的5%3．串勵電機勵磁電流與電樞電流相同，數(shù)值較大，因此，串勵繞組匝數(shù)很少，導(dǎo)線較粗。串勵式直流電動機具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，但其機械特性很軟，且空載時有極高的轉(zhuǎn)速，串勵式直流電動機不準(zhǔn)空載或輕載運行。串勵式直流電動機常用于要求很大起動轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)速允許有較大變化的負載等4．復(fù)勵電機串勵繞組和他勵（或并勵）繞組的磁勢方向相同。積復(fù)勵：串勵繞組和他勵（或并勵）繞組的磁勢方向相反。差復(fù)勵：繞組名稱電樞繞組換向極繞組補償繞組串勵繞組并勵繞組他勵繞組線端名稱A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2直流電機各繞組線端的符號（二）空載時直流電機中的磁場直流電機空載時，電樞電流為零，只有勵磁繞組中存在電流。因此，空載時電機的氣隙磁場完全由勵磁繞組的電流所產(chǎn)生。（三）電樞磁場電樞磁場：電樞繞組通過電流產(chǎn)生的磁場電樞磁場沿電樞表面的分布情況，與電樞電流的分布情況有關(guān)。在直流電機中，電樞電流的分界線是電刷，在電刷軸線兩側(cè)對稱分布，所以電樞磁場的分布情況與電刷的位置有關(guān)（四）電樞反應(yīng)直流電機帶上負載運行后，電樞里有電流流過，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場的出現(xiàn)有可能對主極磁場產(chǎn)生影響，這種影響稱為電樞反應(yīng)

二、直流電機的電樞電動勢電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是每個支路里的感應(yīng)電動勢。電動勢常數(shù)，電機做好后僅與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)：N為電樞導(dǎo)體總數(shù)三、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩制造好的直流電機其電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比四、直流電機的功率（一）電機的損耗1．銅耗PCu是電樞繞組、勵磁繞組、換向極繞組、補償繞組的銅耗和電刷與換向器接觸電阻產(chǎn)生的損耗。銅耗的大小與電流、繞組電阻及電刷的接觸電阻有關(guān).銅耗將引起繞組及換向器發(fā)熱.隨著電機的負載變化，稱為可變損耗2．機械損耗Pmec電機旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動部分與靜止部分以及周圍空氣摩擦所引起的損耗，主要有軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗和電樞與周圍空氣的摩擦損耗等，其大小和電機轉(zhuǎn)速有關(guān)。機械損耗將引起軸承和換向器發(fā)熱。

3．鐵耗PFe

交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗（一）電機的損耗空載損耗P0

：（一）電機的損耗P0=PFe+Pad空載損耗P0與電機的負載無關(guān)，也稱不變損耗4．附加損耗Pad附加損耗很難精確計算，一般估計為電機輸出功率的（0.5~1）%，即Pad=（0.5~1）%P2

電機的總損耗P：P=PCu+PFe+Pad+Ps=PCu+P0

（二）電磁功率電磁功率Pem

：通過電磁作用傳遞的功率發(fā)電機：Pem=P1?P0

P2=Pem?Pcu=UI

電動機：Pem=P1?PCu

P2=Pem?P0=T2

（三）功率平衡方程式五、直流電動機的基本方程電動機參考方向慣例E=CeΦnU=Ea+RaIa

T=CTΦIa

T=T2+T0

=P2+ΣP六、直流電機的換向直流電機電樞繞組中一個元件經(jīng)過電刷從一個支路轉(zhuǎn)換到另一個支路時，電流方向改變的過程為換向。當(dāng)電機帶負載后，元件中的電流經(jīng)過電刷時，電流方向會發(fā)生變化。換向不良會產(chǎn)生電火花或環(huán)火，嚴(yán)重時將燒毀電刷，導(dǎo)致電機不能正常運行，甚至引起事故。（一）換向概述一個元件從一個支路換到另一個支路時要經(jīng)過電刷。元件里的電流必然改變方向（二）換向的電磁理論是換向元件的合成電動勢根據(jù)合成電動勢的取值情況，換向可分為直線換向、延遲換向或超越換向1．直線換向忽略元件電阻R和元件與換向片或超越換向片間的連線電阻，則回路方程可簡化為：

S1\S2是電刷與換向片1、2的接觸面積，Rb是換向片與電刷完全接觸時的接觸電阻Lb是電刷軸向長度，vk為換向器線速度，

TK是換向周期根據(jù)節(jié)點電流定律:1．直線換向換向電流變化曲線2．延遲換向由于換向元件為線圈，且換向過程中線圈中的電流是變化的，因此線圈中存在自感電動勢；為了保證換向可靠，實際的電刷的寬度比換向片的寬度要大得多，在換向過程中有多個元件同時換向，因此線圈中存在互感電動勢。通常將自感電動勢和互感電動勢合起來，稱為電抗電動勢，用er表示L為換向元件的自感系數(shù)；M為換向元件的互感系數(shù)在換向元件中還有切割電動勢ea切割電動勢存在同樣使換向電流變化延緩。因此線圈中合成電動勢（電抗電動勢和切割電動勢之和）的存在使換向電流變化不再是線性的，出現(xiàn)了電流延遲現(xiàn)象的換向稱為延遲換向.2．延遲換向er+ea在換向元件中產(chǎn)生的電流稱為附加換向電流

3．超越換向換向極的磁場較強，ek抵消er后有剩余，剩余電勢產(chǎn)生的ik改變了方向（ik<0）。當(dāng)i=0時，t

TK/2，電流改變方向的時刻比直線換向時提前，故稱為超越換向，又叫過補償換向。此時前刷邊電流密度增大，后刷邊電流密度減小，這種情況同樣對換向是不利的（三）改善換向的方法目的:

消除或削弱電刷下的火花1．選用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻2．裝設(shè)換向極裝設(shè)在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上1.在換向元件處產(chǎn)生一個磁動勢，把電樞反應(yīng)磁動勢抵消掉，使得切割電動勢ea=0；2.產(chǎn)生一個氣隙磁通密度，換向元件切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢去抵消電抗電動勢（三）改善換向的方法環(huán)火現(xiàn)象即正負電刷間出現(xiàn)電弧,可以很短的時間內(nèi)損壞電機防止環(huán)火出現(xiàn)的辦法在主磁極上安裝補償繞組，從而抵消電樞反應(yīng)的影響。補償繞組裝在主磁極極靴里。補償繞組與電樞繞組串聯(lián)，它產(chǎn)生的磁動勢恰恰能抵消電樞反應(yīng)磁動勢（三）改善換向的方法第五節(jié)直流電動機的工作特性與機械特性一、直流電動機的工作特性額定電壓UN，額定勵磁電流UfN時：（一）他勵（并勵）直流電動機的工作特性1．轉(zhuǎn)速特性忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)2．轉(zhuǎn)矩特性考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流的上升的速度要慢一些，曲線的斜率略有下降3．效率特性存在最大點（二）串勵直流電動機的工作特性1.負載電流較小時、電機的磁路沒有飽和，每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性變化關(guān)系串勵電動機的轉(zhuǎn)速特性可寫為n與Ia成反比，串勵電動機不可以空載或在輕載下啟動、運行.轉(zhuǎn)矩特性2.負載電流較大時，磁路已經(jīng)飽和，磁通基本不隨負載電流變化，串勵電動機的工作特性與并勵電動機相同電磁轉(zhuǎn)矩與負載電流的平方成正比二、直流電動機的機械特性（一）他勵直流電動機的機械特性1．機械特性的表達式機械特性：U=UN、If＝IfN、電樞回路電阻為恒值的條件下，電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f(Tem)（一）他勵直流電動機的機械特性1．機械特性的表達式理想空載轉(zhuǎn)速機械特性的斜率轉(zhuǎn)速降理想空載轉(zhuǎn)速實際空載轉(zhuǎn)速斜率β越小，特性越平，稱為硬特性。反之稱為軟特性（一）他勵直流電動機的機械特性1．機械特性的表達式（一）他勵直流電動機的機械特性2．固有機械特性和人為機械特性固有（自然）機械特性：電樞電壓、勵磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時的機械特性。因為電樞電阻Ra很小，特性斜率很小，通常額定轉(zhuǎn)速降nN只有額定轉(zhuǎn)速的百分之幾到百分之十幾，所以他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性.（一）他勵直流電動機的機械特性2．固有機械特性和人為機械特性人為機械特性：①電樞串電阻時的人為特性斜率增加（一）他勵直流電動機的機械特性2．固有機械特性和人為機械特性人為機械特性：②降低電樞電壓時的人為特性改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化特點：人為特性的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓的降低而正比減小（一）他勵直流電動機的機械特性2．固有機械特性和人為機械特性人為機械特性：③減弱勵磁磁通時的人為特性只能在額定值以下調(diào)節(jié)勵磁電流實際運行條件下，電機工作在磁通越小，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高的區(qū)域。3．機械特性的求取通常根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)：PN、UN、IN、nN計算或通過實驗來求取機械特性。（1）固有機械特性的求取:他勵直流電動機的固有機械特性為一條直線，所以只要求出直線上任意兩點的數(shù)據(jù)就可以畫出這條直線。一般計算理想空載點（Tem=0，n=n0）和額定運行點（Tem=TN，n=nN）數(shù)據(jù)。①估算Ra:電樞電阻R可用實測方法求得，也可用下式進行估算②計算CeφN、CTφN③計算理想空載點數(shù)據(jù)④計算額定工作點數(shù)據(jù)（2）人為機械特性的求取:在固有特性方程式n=n0－βTem（n0、β為已知）基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性對應(yīng)的參數(shù)（U、Ra或φ）變化，重新計算n和β值后，便可求得人為特性方程式。若要畫出人為特性，還需算出某一負載點數(shù)據(jù)，如點（TN,n），然后連接（0，n0）和（TN,n）兩點，便得到人為特性曲線。[例1-3]

他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，試分別求取下列機械特性方程式并繪制其特性曲線:（1）固有機械特性；（2）電樞串入電阻Rs=0.7Ω時的人為特性；（3）電源電壓降至110V時的人為特性；（4）磁通減弱至?xí)r的人為特性；（5）當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時，要求電動機以n=1000r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，試問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數(shù)。[解]（1）固有機械特性固有特性為:理想空載點數(shù)據(jù)為額定工作點數(shù)據(jù)為連接這兩點，得出固有特性曲線：（2）電樞回路串入Rs=0.7Ω電阻時不變，β增大為人為特性為時，有（3）電源電壓降為110V時，β=1.04不變，n0變?yōu)?人為特性為：n=827?1.04Tem當(dāng)Tem=TN時，有n=（2481?2.33*147.3)r/min=2138r/min(5)當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩為額定值，轉(zhuǎn)速下降至n=1000r/min時，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實現(xiàn)。當(dāng)電樞串入RS時，β變化。將n=1000r/min、TN=147.3N.m代入機械特性：1000=1654?β///147.3得:β///=4.44應(yīng)串入的電阻值為RS=9.55（）2β///?Ra=(9.550.1332*4.44?0.175)=0.575]當(dāng)電源電壓下降時，由下式解得電壓應(yīng)降至U=153.4V（一）他勵直流電動機的機械特性1．固有特性當(dāng)Ia較小，磁路未飽和時，Φ與Ia成正比即：Φ=kIa

電磁轉(zhuǎn)矩Tem與Ia的平方成正比，即：Tem=CTΦIa=CTkI2a直流電動機機械特性的一般表達式為：當(dāng)磁路不飽和時，串勵電動機的轉(zhuǎn)速n與成反比，其機械特性為非線性軟特性。從上式可得：U=UN，RS=0時得固有特性磁路不飽和時串勵電動機的機械特性為：R=Ra+Rf+Rs為電樞回路總電阻，Rs為電樞回路串聯(lián)電阻特點：（1）它是一條非線性的軟特性，負載時的轉(zhuǎn)速降落很大。（2）空載時，Tem=0，Ia=0，Φ=0，n0→∞，即理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。但實際上，即使Ia=0，由于存在剩磁通Φ0，故空載轉(zhuǎn)速n0為一有限值，但其值很高，一般可達（5~6）nN，稱為“飛車”現(xiàn)象，因此，串勵電動機不允許空載或輕載起動或運行。（3）由于Tem∝Ia2，起動和過載時Ia均較大，故串勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。2．人為特性電樞串電阻、改變電源電壓和改變磁通時的機械特性曲線。（1）電樞串電阻時的人為特性串入電阻后，轉(zhuǎn)速降增大，人為特性位于固有特性的下方，且特性變得更軟。（2）降低電源電壓時的人為特性降低電源電壓時，理想空載轉(zhuǎn)速降低，其人為特性向下平移。（3）改變磁通時的人為特性方法：在勵磁繞組上并聯(lián)一個分流電阻RP

人為特性位于固有特性的上方第六節(jié)直流電動機的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動一、他勵直流電動機的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動（一）他勵直流電動機的起動起動：電動機接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動轉(zhuǎn)矩為Tst=CTφIst

如果他勵直流電動機在額定電壓下直接起動，由于起動瞬間n=0，Ea=0，故起動電流為：電樞電阻Ra很小，所以，直接起動電流將達到很大的數(shù)值，通?？蛇_到（10～20）IN

后果：引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動機的換向嚴(yán)重惡化，甚至?xí)龎碾妱訖C過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構(gòu)除了個別容量很小的電動機外，一般直流電動機不允許直接起動。（1）要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。（2）起動電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動設(shè)備要簡單、可靠。對直流電動機的起動的要求：限制起動電流的方法：他勵直流電動機：電樞回路串電阻起動降低電樞電壓起動起動時應(yīng)保證電動機的磁通為最大值，以使轉(zhuǎn)矩較大1．電樞回路串電阻起動起動前，應(yīng)使勵磁回路調(diào)節(jié)電阻Rst=0，對于普通直流電動機，一般要求

Ist≤（1.5～2）IN

為了縮短起動時間，保持電動機在起動過程中的加速不變，應(yīng)將起動電阻平滑地切除，最后使電動機轉(zhuǎn)速達到運行值。采用三級電阻起動時電動機的電路原理圖及其機械特性起動點，Ist和Tst都為最大值轉(zhuǎn)速逐步上升串入全部電阻逐級切除電阻運定運行點2．降壓起動當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可以采用降壓方法起動。降低U起動n↑，Ea↑Ia↓逐漸提高電源電壓，保證起動電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。特點：需要專用電源，設(shè)備投資較大起動平穩(wěn)，起動過程中能量損耗?。ǘ┧麆钪绷麟妱訖C的調(diào)速調(diào)速：機械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動機構(gòu)速比改變電動機參數(shù),人為地改變電動機的機械特性，從而使負載工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：改變電壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻1．評價調(diào)速的指標(biāo)（1）調(diào)速范圍電動機在額定負載下可能運行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動機的機械強度、換向條件、電壓等級等方面的限制受到低速運行時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性的限制（2）靜差率（相對穩(wěn)定性）負載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對穩(wěn)定性好不同機械特性的靜差率靜差率與調(diào)速范圍兩個指標(biāo)是相互制約,電動機的范圍D與最低轉(zhuǎn)速是的靜差率關(guān)系:最低轉(zhuǎn)速機械特性上的轉(zhuǎn)速降最低轉(zhuǎn)速時的靜差率（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當(dāng)φ=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運行效率及維修費用等。2．調(diào)速方法（1）電樞回路串電阻調(diào)速設(shè)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載原運行于A點，串電阻后對應(yīng)的運行點為B，C點。恒轉(zhuǎn)矩負載時電樞串電阻調(diào)速過程缺點：（1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差。（2）低速是特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差。（3）輕載時調(diào)速范圍小，額定負載時調(diào)速范圍一般為D≤2。（4）如果負載轉(zhuǎn)矩保持不變，則調(diào)速后輸出功率（P2∝TLn）隨轉(zhuǎn)速的下降而減小，此時效率較低。而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，所以這種調(diào)速方法是不太經(jīng)濟的。電樞串電阻調(diào)速的優(yōu)點:設(shè)備簡單，操作方便；（2）降低電源電壓調(diào)速電壓越低，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也越低電壓從UN下降至U1再降至U2,轉(zhuǎn)速從nN降至n1再降至n2。降壓調(diào)速的優(yōu)點：（1）電源電壓能夠平衡調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)無級調(diào)速；（2）調(diào)速前后機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時，速度穩(wěn)定性好；（3）無論輕載還是重載，調(diào)速范圍相同，一般可達D=2.5～12；（4）電能損耗較小。降壓調(diào)速的直流電源：G—M系統(tǒng)示意圖

SCR—M系統(tǒng)示意圖（3）減弱磁通調(diào)速改變磁通只能從額定值往下調(diào)，調(diào)節(jié)磁通調(diào)速即是弱磁調(diào)速。減弱磁通調(diào)速Φ2<Φ1<ΦN恒轉(zhuǎn)矩負載時弱磁通調(diào)速過程由于在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，而且調(diào)速平滑性好。雖然弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此弱磁調(diào)速的經(jīng)濟性比較好.機械特性的斜率變大，特性變軟；轉(zhuǎn)速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制，因此升速范圍不可能很大，一般D≤2。弱磁調(diào)速的優(yōu)點：弱磁調(diào)速的缺點：[例1]

一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為UN=220V，IN=41.1A，nN=1500r/min，Ra=0.4Ω，保持額定負載轉(zhuǎn)矩不變，求：（1）電樞回路串入1.65Ω電阻后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（2）電源電壓降為110V時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；（3）磁通減弱為90%ΦN時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。[解]（1）因為負載轉(zhuǎn)矩不變，且磁通不變，所以Ia不變。（2）

與（1）相同，Ia=IN不變（3）因為所以（三）他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方法：改變Φ的方向改變Ia的方向（四）他勵直流電動機的制動電動狀態(tài)：Tem與n方向相同制動狀態(tài)：Tem與n方向相反電動機的兩種運行狀態(tài)：回饋制動制動：能耗制動反接制動1．能耗制動運行時與電源連接；制動時連接電阻RB制動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n方向相反制動運行時，電機靠生產(chǎn)機械慣性力的拖動而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動為止。能耗制動時的機械特性理想空載轉(zhuǎn)速為零斜率原運行于A點制動時，對于反抗性負載將經(jīng)B點到達O點停下來。對位能性負載將達到C點。減小制動電阻，可以增大制動轉(zhuǎn)矩，縮短制動時間，提高工作效率。但制動電阻太小，將會造成制動電流過大，通常限制最大制動電流不超過2～2.5倍的額定電流。制動電阻的選?。耗芎闹苿硬僮骱唵危玭小時，制動弱?？稍谵D(zhuǎn)速較小時，切除一部分制動電阻，使制動轉(zhuǎn)矩增大，從而加強制動作用。[例2]

一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為PN=10kW，UN=220V，IN=53A,nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，電樞電流最大允許值為2IN。（1）電動機在額定狀態(tài)下進行能耗制動，求電樞回路應(yīng)串接的制動電阻值。（2）用此電動機拖動起重機，在能耗制動狀態(tài)下以300r/min的轉(zhuǎn)速下放重物，電樞電流為額定值，求電樞回路應(yīng)串入多大的制動電阻？Ea=UN?RaIN=(220?0.353)V=204.1（V）[解]（1）制動前電樞電動勢為應(yīng)串入的制動電阻值為：（2）因為勵磁保持不變，則下放重物時，轉(zhuǎn)速為n=?300r/min，由能耗制動的機械特性2．反接制動（1）電壓反接制動IaB產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩TemB，從而產(chǎn)生很強的制動作用。為了限制過