直流電動機的工作特性1

目錄1直流電動機的機械特性234機械特性的求取3直流電動機的工作特性1

直流電動機的工作特性是指供給電機額定電壓

UN額定勵磁電流IfN

時，轉速與負載電流之間的關系、轉矩與負載電流之間的關系及效率與負載電流之間的關系。這三個關系分別稱為電動機的轉速特性、轉矩特性和效率特性。

他勵直流電動機的工作特性與并勵直流電動機的工作特性相同。本節以他勵直流電動機為例分析直流電動機的工作特性。直流電動機的工作特性1（1）轉速特性他勵直流電動機的轉速特性可表示為

，整理可得：

（3-19）

此式即為轉速特性的表達式。如果忽略電樞反應的去磁效應，則轉速與負載電流按線性關系變化，當負載電流增加時，轉速有所下降。他勵直流電動機的工作特性如圖3-23所示。

圖3-23他勵電動機的工作特性直流電動機的工作特性1（2）轉矩特性當U=UN，If=IfN時，

的關系稱為轉矩特性。根據直流電機電磁轉矩公式可得電動機轉矩特性表達如下：

（3-20）

由此式可見，在忽略電樞反應的情況下電磁轉矩與電樞電流成正比，若考慮電樞反應使主磁通略有下降，電磁轉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。直流電動機的工作特性1（3）效率特性當U=UN，If=IfN時，

的關系稱為效率特性。

（3-21）

從前面敘述可知，空載損耗P0是不隨負載電流變化的，當負載電流較小時效率較低，輸入的功率大部分消耗在空載損耗上；當負載電流增大時效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機械負載上；但當負載電流大到一定程度時銅損快速增大此時效率又開始變小。直流電動機的機械特性2(1）機械特性的概念

直流電動機的機械特性是指在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，電動機的轉速n與電磁轉矩之間的關系：n=f(Tem)。由于轉速和轉矩都是機械量，所以把它稱為機械特性。以他勵直流電動機為例分析直流電動機的機械特性。圖3-24所示是他勵直流電動機的電路原理圖。

圖3-24他勵直流電動機電路原理圖直流電動機的機械特性2圖中U為外施電源電壓，Ea是電樞電動勢，Ia是電樞電流，Rs是電樞回路串聯電阻，If是勵磁電流，

是勵磁磁通，Rf是勵磁繞組電阻，Rsf是勵磁回路串聯電阻。按圖中標明的各個量的正方向，可以列出電樞回路的電壓平衡方程式 U=Ea+RIa（3-22）式中，R=Ra+Rs，為電樞回路總電阻，Ra為電樞電阻。由電樞電動勢Ea=CeΦn和電磁轉矩Tem=CTΦIa，可得他勵直流電動機的機械特性方程式直流電動機的機械特性2

式中，Ce、Ct分別為電動勢常數和轉矩常數（CT=9.55Ce）;n=

n

0-為電磁轉矩Tem=0時的轉速,稱為理想空載轉速；

為機械特性的斜率；

為轉速降。

由公式Tem=CTΦIa可知，電磁轉矩Tem與電樞電流Ia成正比，所以只要勵磁磁通Φ

保持不變，則機械特性方程式也可用轉速特性方程式也可用轉速特性代替，即 n=?(3-24)由式（3-24）可知，當U、Φ、R為常數時，他勵直流電動機的機械特性是一條以

β為斜率向下傾斜的直線，如圖3-25所示。圖3-25他勵直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性2

必須指出，電動機的實際空載轉速n′0比理想空載轉速略低。這是因為電動機有摩擦等原因存在一定的空載轉矩T0，空載運行時，電磁轉矩不可能為零，它必須克服空載轉矩，即Tem=T0，故實際空載轉速應為轉速降

是理想空載轉速與實際轉速之差，轉矩一定時，他與機械特性的斜率

成正比。

越大，特性越陡，

越大；

越小，特性越平，

越小。通常稱

大的機械特性為軟特性，而

小的機械特性為硬特性。直流電動機的機械特性2（2）固有機械特性和人為機械特性事實上，電樞回路電阻R、端電壓U和勵磁磁通

Φ都是可以根據實際需要進行調節的，每調節一個參數可以對應得到一條機械特性，所以可以得到許多條機械特性。其中，電動機自身所固有的，反映電動機本來“面目”的機械特性是在電樞電壓、勵磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時的機械特性，稱為電動機的固有（自然）機械特性；調節U、R、β等參數后得到的機械特性稱為人為機械特性。直流電動機的機械特性2(1)固有機械特性當U=UN、Φ=ΦN、R=RS(RS=0)

時的機械特性稱為固有機械特性，其方程式為因為電樞電阻R

很小，特性斜率

很小，通常額定轉速降

nN只有額定轉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，如圖3-26中的直線圖形所示。圖3-26直流電動機的固有機械特性直流電動機的機械特性2（2）人為機械特性a.電樞串電阻時的人為特性保持U=UN、Φ=ΦN

不變，只在電樞回路中串入電阻RS時的人為特性為與固有機械特性相比，電樞串電阻時的人為特性的理想空載轉速n

不變，但斜率

隨串聯電阻R

的增大而增大，所以特性變軟。改變R

大小，可以得到一簇通過理想空載點n

并具有不同斜率的人為特性，如圖3-27所示。n=3-27圖3-27電樞串電阻時的人為特性直流電動機的機械特性2b.降低電樞電壓時的人為特性保持

R=Ra(Rs=0)、Φ=ΦN不變，只改變電樞電壓U時的人為特性為n=（3-28）由于電動機的工作電壓以額定電壓為上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內變化，與固有特性比較，降低電壓時人為特性的斜率

不變，但理想空載轉速n

隨電壓的降低而正比減小。因此降低電壓時的人為特性是位于固有特性下方，且與固有特性平行的一組直線，如圖3-28所示.圖3-28降低電樞電壓的人為機械特性直流電動機的機械特性2③減弱勵磁磁通時的人為特性

改變勵磁回路調節電阻Rsf，就可以改變勵磁電流，進而改變勵磁磁通。由于電動機額定運行時，磁路已經開始飽和，即使再成倍增加勵磁電流，磁通也不會有明顯增加，何況由于勵磁繞組發熱條件的限制，勵磁電流也不允許大幅度地增加，因此，只能在額定值以下調節勵磁電流，即只能減弱勵磁磁通。

保持R=Ra（Rs=0）、U=UN不變，只減弱磁通時的人為機械特性為 n=(3-29)對應的轉速特性為 n=

（3-30）在電樞串電阻和降低電壓的人為特性中，因為

不變，T∝I，所以他們的機械特性n=f(T)曲線也代表了轉速特性n=f(I)曲線。直流電動機的機械特性2（a）

(b)圖3-29減弱磁通時的人為特性但是在討論減弱磁通的人為特性時，因為磁通

是個變量，所以n=f(I)與n=f(T)兩條曲線是不同的，如圖3-29所示直流電動機的機械特性2

當n=0時，堵轉電流IK=常數，而n0隨Φ

的減小而增大。因此n=f(Ia)的人為機械特性是一組通過橫坐標I=Ik點的直線，如圖3-29（a）所示。改變磁通可以調節轉速，從圖3-29（b）看出，當負載轉矩不太大時，磁通減小使轉速升高；當負載轉矩特別大時，減弱磁通才會使轉速下降，然而，這時的電樞電流已經過大，電動機不允許在這樣大的電流下工作。因此，實際運行條件下，可以認為磁通越小，穩定轉速越高。（3）機械特性的求取在設計電力拖動系統時，首先應知道所選擇電動機的機械特性，可是電動機的產品目錄或銘牌中都未直接給出機械特性的數據，因此通常是根據銘牌數據：PN、UN、IN、nS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據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

）數據，具體步驟如下：機械特性的求取3a.估算Ra。電樞電阻Ra可用實測方法求得，也可用下式進行估算：

（3-31）是人為電動機額定運行時，電樞銅耗占總電阻的

。b.計算CeΦN、CTΦN

C.計算理想空載點數據D.計算額定工作點數據以上計算中，用到的額定功率

、額定電壓

、額定電流

和額定轉速n均可從電動機的銘牌中查得。

機械特性的求取3

根據計算所得(0,n0)和（TN，Nn)兩點就可以在

Tem-n平面內畫出電動機的固有機械特性。通過式

求出β后，便可求得他勵電動機的固有機械特性方程式n=n0-。

(2).

人為特性的求取在固有特性方程式n=n0-(n0