第2章直流電動(dòng)機(jī)的原理及特性

2.1直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第2章直流電動(dòng)機(jī)的原理及特性（1）定子部分（靜止）（2）轉(zhuǎn)子（電樞）部分（旋轉(zhuǎn)）（3）氣隙2.1.1基本結(jié)構(gòu)1圖2.1直流電機(jī)縱剖面圖2

1.定子部分(stator)（1）機(jī)座機(jī)座主磁極換向極電刷裝置組成導(dǎo)磁:機(jī)械支撐：作用機(jī)座中有磁通通過(guò)的部分，稱(chēng)為定子磁軛由導(dǎo)磁性能較好的材料（鑄鋼或厚鋼板）焊接而成。固定主磁極、換向極以及端蓋3圖2.2直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)分布圖

返回4在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁通密度（簡(jiǎn)稱(chēng)氣隙磁密）。主磁極鐵心勵(lì)磁繞組極身極靴②組成（2）主磁極①作用5

為了讓氣隙磁密度在沿氣隙圓周方向的空間分布更加合理，主磁極鐵心做成如圖2.3所示的形狀。其中套勵(lì)磁線圈的部分叫極身，沿氣隙表面的部分叫極靴，極靴也能起到支撐勵(lì)磁線圈的作用。圖2.3主磁極裝配圖勵(lì)磁線圈6

由于極靴下的氣隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極靴之外的氣隙，所以極靴下沿電樞圓周各點(diǎn)的磁場(chǎng)將明顯大于極靴范圍以外的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在兩極之間的幾何中心線處，磁場(chǎng)將等于零。圖2.4直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)曲線7

當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電流時(shí)，各主磁極都產(chǎn)生一定的極性。直流電機(jī)中要求相鄰主磁極的極性必須N、S交替出現(xiàn)。注意:為此，在把各主磁極上的勵(lì)磁線圈相連接時(shí)，應(yīng)該注意它們的極性問(wèn)題。（3）換向極換向極又稱(chēng)附加極或間極。①作用改善直流電動(dòng)機(jī)的換向。②組成換向極鐵心繞組8換向極一般安裝在兩個(gè)主磁極之間的幾何中線上。③安裝（4）電刷裝置①作用把轉(zhuǎn)子部分的電流引出到靜止的電路中（發(fā)電機(jī)），或者把靜止電路中的電流引入到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中（電動(dòng)機(jī)）。②組成

電刷裝置電刷電刷座換向片電刷裝置9轉(zhuǎn)子又稱(chēng)為電樞(armature)。轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸軸承電樞鐵心是直流電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分。2.轉(zhuǎn)子部分(rotor)（1）電樞鐵心10將冷軋硅鋼片沖成有齒、槽的沖片，然后把這些沖片疊裝起來(lái)就構(gòu)成電樞鐵心，其片間有很薄的絕緣層。沖片外形如圖2.5所示。①構(gòu)成圖2.5電樞鐵心沖片齒槽軸向通風(fēng)孔11小型電動(dòng)機(jī)的電樞鐵心直接壓裝在軸上；大型電動(dòng)機(jī)的電樞鐵心先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。電樞鐵心上開(kāi)槽是為了安放電樞繞組用；為改善通風(fēng)，電樞鐵心可沿軸分成幾段，以形成徑向通風(fēng)道。②說(shuō)明③電樞鐵心的安裝（2）電樞繞組①構(gòu)成用包有絕緣層的導(dǎo)體構(gòu)成電樞線圈；將線圈按一定的次序嵌入電樞鐵心槽內(nèi)的上、下層中；每個(gè)線圈的兩個(gè)出線端都按一定的規(guī)律與換向器中的換向片相連。12②連接方式單疊繞組：具體可參見(jiàn)教材第23頁(yè)2.2.1單波繞組：具體可參見(jiàn)教材第24頁(yè)2.2.213（3）換向器①作用發(fā)電機(jī)：和電刷配合，將電樞繞組中的交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷上的直流電動(dòng)勢(shì)，即整流作用；電動(dòng)機(jī)：和電刷配合，將流過(guò)電刷的直流電流變?yōu)殡姌欣@組內(nèi)的交流電流，即逆變作用。14②組成

由許多鴿尾形的換向片組成；各片間用云母絕緣。圖2.6典型的換向器結(jié)構(gòu)圖15圖2.7直流電機(jī)定、轉(zhuǎn)子剖面示意圖1-電樞繞組2-電樞鐵心3-機(jī)座4-主磁極鐵心5-勵(lì)磁繞組6-換向極繞組7-換向極鐵心8-極靴9-底腳？小練習(xí)162.1.2勵(lì)磁方式1.定義直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式。2.分類(lèi)他勵(lì)自勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)勵(lì)磁電流由其他直流電源單獨(dú)供給勵(lì)磁電流由電機(jī)自身供給勵(lì)磁方式17（1）他勵(lì)①接線圖勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連接，勵(lì)磁電流由其他直流電源單獨(dú)供給。IfIaM(a)他勵(lì)式UUf＋＋－－②特點(diǎn)（2）并勵(lì)①接線圖勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵(lì)磁繞組上的電壓等于電樞繞組兩端的電壓。②特點(diǎn)IfIaM(b)并勵(lì)式IU＋－18（3）串勵(lì)①接線圖②特點(diǎn)IaIfM(c)串勵(lì)式IU＋－勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，流過(guò)勵(lì)磁繞組的電流等于電樞繞組的電流。（4）復(fù)勵(lì)①接線圖②特點(diǎn)If1IaM(d)復(fù)勵(lì)式If2IU＋－一部分勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)；另一部分則和電樞繞組串聯(lián)。192.1.3額定數(shù)據(jù)為方便用戶(hù)正確使用電機(jī)，電機(jī)制造商在每臺(tái)電機(jī)的機(jī)座上都安裝了一塊金屬牌，上面標(biāo)有電機(jī)的工作條件和額定數(shù)據(jù)（又稱(chēng)額定值），該標(biāo)牌稱(chēng)為銘牌，如下圖所示：“Z2-72”型號(hào)：Z表示直流電動(dòng)機(jī)2表示第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)型7表示機(jī)座號(hào)2表示長(zhǎng)鐵芯，1則表示短鐵芯20（1）額定功率PN

：指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下軸上輸出的機(jī)械功率，用W或kW表示；（2）額定電壓UN：指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)兩端的電壓，用V表示；（3）額定電流IN

：指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，輸出功率為額定功率時(shí)流過(guò)電機(jī)的電流，用A表示；額定功率、額定電壓、額定電流之間的關(guān)系為：

PN=UNINηN式中，ηN為直流電動(dòng)機(jī)的額定效率。直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)主要有：21（4）額定轉(zhuǎn)速nN：指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，用r/min表示；（5）額定勵(lì)磁電流IfN：指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，輸出功率為額定功率時(shí)，勵(lì)磁繞組中流過(guò)的電流。除此之外，電機(jī)的額定參數(shù)還應(yīng)該包括絕緣等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、冷卻方式、溫升、重量等。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)各物理量在額定值時(shí)的運(yùn)行稱(chēng)為額定運(yùn)行。電機(jī)處于額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，具有良好的性能，工作可靠；電機(jī)電流小于額定電流時(shí)的運(yùn)行稱(chēng)為欠載運(yùn)行，電機(jī)長(zhǎng)期欠載運(yùn)行時(shí)，效率不高，造成浪費(fèi)；電機(jī)電流大于額定電流時(shí)的運(yùn)行稱(chēng)為過(guò)載運(yùn)行，長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行時(shí)，會(huì)使電機(jī)過(guò)熱，降低使用壽命甚至損壞電機(jī)。22直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械直流發(fā)電機(jī)的物理模型如右圖所示。圖中：N、S為主磁極，不動(dòng)abcd為線圈，旋轉(zhuǎn)1，2為換向片，旋轉(zhuǎn)A，B為電刷，不動(dòng)2.1.4工作原理1.直流發(fā)電機(jī)的工作原理23當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知：在線圈abcd中出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小e=Blv；其方向由右手定則確定，如左圖所示。當(dāng)導(dǎo)體ab在N極下時(shí)，e的方向：由b指向a；當(dāng)導(dǎo)體cd在S極下，e的方向：由d指向c。此時(shí)，電刷A的極性為正，電刷B的極性為負(fù)。24

當(dāng)電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180o后，如左圖所示，導(dǎo)體ab與cd互換了位置。用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的右手定則判斷：當(dāng)導(dǎo)體ab在S極下時(shí)，e的方向：由a指向b；當(dāng)導(dǎo)體cd在N極下時(shí)，e的方向：由c指向d。導(dǎo)體ab、cd中e的方向都與上面的情況相反。由于換向片隨著線圈一起旋轉(zhuǎn)，故原與電刷B接觸的換向片現(xiàn)與電刷A接觸，原與電刷A接觸的換向片現(xiàn)與電刷B接觸，所以電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負(fù)。25t0eda

圖2.8

線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化曲線圖2.9電刷之間的電動(dòng)勢(shì)波形t0eAB26eAB0t圖2.10四個(gè)線圈時(shí)換向后的電勢(shì)波形

圖2.10是一臺(tái)兩極電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子上裝有在空間互差90o的四個(gè)線圈并連接到四個(gè)換向片時(shí)的電動(dòng)勢(shì)波形圖（感興趣的同學(xué)可參見(jiàn)參考書(shū)(5)的第202頁(yè)）。結(jié)論：若電機(jī)在每極下的導(dǎo)體數(shù)大于8時(shí)，則電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)的幅度將小于其平均電動(dòng)勢(shì)的1%，如圖2.11所示。這時(shí)電動(dòng)勢(shì)的脈動(dòng)是不易明顯察覺(jué)的，可以被看作恒定的電動(dòng)勢(shì)。27teAB0圖2.11多個(gè)線圈換向后的電勢(shì)波形

綜上所述：在直流發(fā)電機(jī)中，線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的，但在電刷上的電動(dòng)勢(shì)方向卻是始終不變的。此時(shí)換向片所起的作用是將線圈內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)變?yōu)橥怆娐飞系闹绷麟妱?dòng)勢(shì)，即所謂的整流作用。28直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。直流電動(dòng)機(jī)的物理模型如右圖所示。與發(fā)電機(jī)物理模型不同之處：線圈不再由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電刷A、B接到直流電源上2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理29

電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。線圈abcd有電流流過(guò)，方向如左圖所示。根據(jù)電磁力定律可知，載流導(dǎo)體受到電磁力，其大小f=Bli，其受力方向由左手定則確定：N極下導(dǎo)體ab受力方向從右向左；S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電樞沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。30當(dāng)電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180o后，如左圖所示，導(dǎo)體ab與cd互換了位置。由于直流電源產(chǎn)生電流的方向不變，所以導(dǎo)體ab、cd中電流的方向都與剛才的相反

。根據(jù)左手定則可以判斷：導(dǎo)體ab的受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，?dǎo)體cd的受力方向變?yōu)椋簭挠蚁蜃蟆＜磳?dǎo)體ab、cd的受力方向都與剛才相反。電磁力仍形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，線圈將繼續(xù)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。31從以上分析可見(jiàn)：在直流電動(dòng)機(jī)中，線圈中的電流是交變的，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向卻是恒定的。此時(shí)換向片所起的作用是將外電路的直流電流改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交變電流，即所謂的逆變作用。2.2直流電機(jī)的電樞繞組（了解）2.3直流電機(jī)空載和負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)2.3.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)的磁場(chǎng)，可由永久磁鐵或直流勵(lì)磁繞組產(chǎn)生。通常永久磁鐵的磁場(chǎng)比較弱。因此，絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁場(chǎng)都是由勵(lì)磁繞組通以直流電流產(chǎn)生的。勵(lì)磁繞組通以直流電流而電樞繞組無(wú)電流時(shí)的磁場(chǎng)，稱(chēng)作直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)。32(b)氣隙磁密分布(a)氣隙形狀極身極靴幾何中心線由于空載時(shí)電樞電流為0，所以氣隙磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流單獨(dú)決定。極靴下氣隙較小，故磁密較強(qiáng)且均勻；極靴外，氣隙迅速增大，故磁密也迅速減弱，幾何中心線處磁密為0?？蛰d氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)Bδ表示：分析可知它是帽子形（或稱(chēng)平頂波），如右圖所示。2.3.2負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)

直流電機(jī)帶負(fù)載后，電樞繞組有電流通過(guò)，并產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)。此時(shí)，氣隙磁場(chǎng)由主磁場(chǎng)（又稱(chēng)勵(lì)磁磁場(chǎng)）和電樞磁場(chǎng)共同決定。33(a)電樞磁場(chǎng)(b)空載磁場(chǎng)(c)負(fù)載磁場(chǎng)勵(lì)磁電流為零電樞電流為零電樞磁場(chǎng)會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，這一影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)使得每極磁通發(fā)生變化，也會(huì)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，從而影響電機(jī)的性能。34主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線（帽子形，或稱(chēng)平頂波）電樞磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線（馬鞍形）兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線（氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變）電樞反應(yīng)一般可分為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)，若電刷位于主磁極幾何中線上，則只存在交軸電樞反應(yīng)。進(jìn)一步地，當(dāng)不考慮磁飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)既無(wú)去磁、也無(wú)增磁作用；當(dāng)考慮磁飽和時(shí)，交軸電樞反應(yīng)具有一定的去磁作用。352.4感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電樞繞組內(nèi)流過(guò)電流時(shí)，載流導(dǎo)體與氣隙磁場(chǎng)相作用，就會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使得電樞導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)。電樞導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)又將切割氣隙磁場(chǎng)，在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。本節(jié)將主要討論電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問(wèn)題。2.4.1

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也稱(chēng)為電樞電勢(shì)，記作Ea，單位為V。

其計(jì)算公式為36

Ea=CEΦn

(2-13)

電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2電機(jī)極數(shù)2p=4式中：稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，p是電機(jī)極對(duì)數(shù)；Na為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)；2a為電樞繞組的支路個(gè)數(shù)，對(duì)于單疊繞組，其a=p，而對(duì)于單波繞組，其a=1；Φ為電機(jī)每極的磁通量（Wb）；n是電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。372.4.2電磁轉(zhuǎn)矩

T=CTΦIa

（2-17）式中，稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，其中p，Na，a的含義同CE；Ia為電樞電流。轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT與電動(dòng)勢(shì)常數(shù)CE之間的關(guān)系為其計(jì)算公式為382.5直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式和功率關(guān)系2.5.1

基本方程式1.電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式TLTnIfIaEaUΦUf＋＋－－圖2.12他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各物理量的參考方向

圖2.12標(biāo)出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各物理量的參考方向（即正方向）。圖中：U—電樞兩端的端電壓；Ea—電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Ia—電樞電流；T—電磁轉(zhuǎn)矩；TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Uf

—?jiǎng)?lì)磁電壓；If—?jiǎng)?lì)磁電流；Φ—主磁通。39TLTnIfIaEaUΦUf＋＋－－圖2.12他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各物理量的參考方向根據(jù)圖2.12中規(guī)定的正方向，可以列出直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式為U=Ea＋I(xiàn)a

Ra(2-19)Ea

=CE

Φn(2-20)T=CT

ΦIa(2-21)T=T0＋T2(2-22)If=Uf／Rf(2-23)Φ=f(If,

Ia

)(2-24)電樞繞組回路的電阻電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩勵(lì)磁繞組回路的電阻40舉例：

當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓U、電樞回路電阻Ra、每極磁通量Φ、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL已知情況下，如何根據(jù)基本方程式計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速n？2.基本方程式的應(yīng)用解：（1）計(jì)算Ia（2）計(jì)算Ea（3）計(jì)算n412.5.2功率關(guān)系

把U=Ea+IaRa

兩邊同乘以Ia得

UIa

=EaIa+Ia2Ra

(2-25)即

P1=PM+pCua

(2-26)式中，P1=UIa

為電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率；PM=EaIa

為電磁功率，即把電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率的那部分功率；

pCua=Ia2Ra為電樞回路總的銅損耗。把式T=T0+T2兩邊同乘以電樞機(jī)械角速度Ω得

TΩ=T0Ω+T2Ω

(2-27)即

PM=p0+P2(2-28)42PM=p0+P2(2-28)式中，PM=TΩ也為電磁功率；p0=T0Ω是空載損耗，包括鐵損耗pFe和機(jī)械摩擦損耗pm；P2=T2Ω為轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。理論上可以證明：TΩ

=EaIa證明：43P1=PM＋pCua(2-26)PM=p0＋P2(2-28)P1=UIaPM=Ea

Ia=TΩP2=T2ΩpCua=Ia2Rap0=pFe

＋pm輸出機(jī)械功率電磁功率輸入電功率電樞回路總銅損耗空載損耗圖2.13他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率流程圖P1=pCua＋PM=

pCua＋p0＋P2

=

pCua＋pFe＋pm＋P244他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的總損耗為

Σp

=pCua

+pFe

+pm+ps式中，ps為附加損耗或雜散損耗。電樞回路總銅損耗pCua=Ia2Ra包括電樞回路所有相串聯(lián)的繞組以及電刷與換向器表面的電損耗；鐵損耗pFe是指電樞鐵心在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，硅鋼片中的磁滯與渦流損耗。這兩種損耗與磁密大小以及交變頻率有關(guān)，它的具體產(chǎn)生原因可參見(jiàn)參考書(shū)（5）中的第231頁(yè)；機(jī)械摩擦損耗pm包括軸承摩擦、電刷與換向器表面摩擦、電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分與空氣的摩擦以及風(fēng)扇所消耗的功率。這個(gè)損耗與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)；45

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的總損耗還應(yīng)包含勵(lì)磁損耗pCuf，即Σp=pCua+pFe+pm+ps+pCuf

附加損耗又稱(chēng)雜散損耗ps：前面討論時(shí)沒(méi)有考慮而實(shí)際中又確實(shí)存在。例如電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)扭曲，從而使鐵損耗增大；電樞齒槽的影響造成磁場(chǎng)脈動(dòng)引起極靴及電樞鐵心的損耗增大等等。此損耗不易計(jì)算，一般按額定功率的0.5%（有補(bǔ)償繞組的直流電動(dòng)機(jī)）或1%（無(wú)補(bǔ)償繞組的直流電動(dòng)機(jī)）進(jìn)行估算。勵(lì)磁損耗pCuf包括勵(lì)磁繞組的銅損耗和勵(lì)磁回路外串電阻中的損耗。如果是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，pCuf

將由其他直流電源供給，因此總損耗不包括該項(xiàng)。46此時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率η為：額定負(fù)載時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)的效率與電機(jī)的容量有關(guān)。10kW以下的小型電機(jī)，效率約為75%~85%；10~100kW的電機(jī)，效率約為85%~90%；100~1000kW的電機(jī)，效率約為88%~93%。例題：已知一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=110kW，額定電壓UN=400V，額定電流IN=276A，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0807Ω，若忽略磁飽和的影響。求額定運(yùn)行時(shí)：(1)電磁轉(zhuǎn)矩；(2)輸出轉(zhuǎn)矩；(3)輸入功率；(4)效率。47解：電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁功率（1）電磁轉(zhuǎn)矩（2）輸出轉(zhuǎn)矩（3）輸入功率（4）效率482.6直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即n=f(T)。2.6.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U、勵(lì)磁電流If保持一定（通常保持額定值）時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。式中，稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速；稱(chēng)為機(jī)械特性的斜率，其倒數(shù)稱(chēng)為機(jī)械特性的硬度。49圖2.14他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線nn0nNTNT0這種特性稱(chēng)之為硬特性，因?yàn)殡S電磁轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速只有微小的變化。50電樞反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生去磁作用，而且T越大，

Ia越大，去磁作用也越大，使Φ↓。以上變化過(guò)程使得機(jī)械特性曲線下降程度減小，甚至成水平或上翹的曲線。曲線上翹對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行非常不利。T0n考慮磁飽和時(shí)的機(jī)械特性曲線圖2.15考慮磁飽和時(shí)的機(jī)械特性曲線511.固有機(jī)械特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓為額定電壓、氣隙磁通為額定值、電樞回路不外串電阻，即U=UN、Φ=ΦN、電樞回路外串電阻R=0時(shí)，這種情況下的機(jī)械特性稱(chēng)為固有機(jī)械特性。（1）其特性曲線是一條略為下斜的直線，其特性為硬特性；

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（3）當(dāng)T=TN時(shí)，轉(zhuǎn)速n=nN；（2）實(shí)際的空載轉(zhuǎn)速為；

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線如下頁(yè)圖所示。52nn0nNT0TNT0TS圖2.16他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線返回53（4）直流電動(dòng)機(jī)在額定電壓下剛起動(dòng)時(shí)，其電樞電流，稱(chēng)為起動(dòng)電流，電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦN

Is=Ts，稱(chēng)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

起動(dòng)電流Is、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts一般很大，

比電樞額定電流、額定轉(zhuǎn)矩大幾十倍。如此大的起動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向器表面產(chǎn)生強(qiáng)烈火花甚至環(huán)火而燒壞換向器。另外，過(guò)大的起動(dòng)電流也會(huì)使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩太大，造成機(jī)械沖擊，易使設(shè)備受損。所以他勵(lì)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一般不允許在額定電壓下直接起動(dòng)。54（5）電磁轉(zhuǎn)矩反向時(shí)的情況T<0→n>n0T的實(shí)際方向與n的方向相反→T由拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)性轉(zhuǎn)矩。T<0→PM=EaIa<0P1=UNIa<0電動(dòng)機(jī)→發(fā)電機(jī)Ia<0→Ea>UN>0∵UN=Ea＋I(xiàn)aRa舉例：55Ea++--TnTL1UNIaUN>Ea(a)TABTL1–(TL2

–TL1)0nnAnBn0(c)圖2.17電車(chē)下坡時(shí)的回饋制動(dòng)a—電車(chē)平路行駛；b—電車(chē)下坡；c—機(jī)械特性Ea++--TTL1UNIaTL2Ea>UN(b)n56例題：已知一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)為：PN=75kW，UN=220V，IN=383A，nN

=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.0192Ω，忽略磁路飽和的影響。求：(1)理想空載轉(zhuǎn)速；(2)固有機(jī)械特性的斜率；(3)額定轉(zhuǎn)速降；(4)若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL=0.82TN運(yùn)行（TN為額定電磁轉(zhuǎn)矩），問(wèn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流以及電樞電動(dòng)勢(shì)為多大？解：57（2）斜率（3）額定轉(zhuǎn)速降（1）理想空載轉(zhuǎn)速（4）負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速58電樞電流電樞電動(dòng)勢(shì)2.人為機(jī)械特性當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路串接電阻等參數(shù)由于生產(chǎn)過(guò)程的需要而做人為調(diào)整時(shí)，其機(jī)械特性將相應(yīng)發(fā)生變化，變化后的特性稱(chēng)為人為機(jī)械特性。也可59（1）電樞回路串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性++UREaRaIaUfIfΦ圖2.18電樞回路串接電阻時(shí)的原理圖電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓為額定電壓UN；氣隙磁通量為額定值ΦN

；電樞回路總電阻為(Ra+R)。①條件60②機(jī)械特性人為固有R2

>R1圖2.19電樞回路串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性曲線nn0RaRa+R1Ra+R20TTL61③

特點(diǎn)

①理想空載轉(zhuǎn)速n0不變，與固有機(jī)械特性相同；

②斜率β隨(Ra+R)的增大成正比例地增加，因而形成一組過(guò)n0的放射狀直線。電樞回路串接電阻的人為機(jī)械特性主要用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速（額定轉(zhuǎn)速以下）。④用途62（2）改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性①條件保持氣隙磁通量為額定值ΦN不變

；電樞回路不串接電阻（即R=0）；改變電樞兩端的電源電壓U。②機(jī)械特性63圖2.20改變電樞電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性曲線nn00Tn0’n0’’nn’n’’TLUNU’U’’U’’

<U’

<UN人為固有64③特點(diǎn)②理想空載轉(zhuǎn)速n0與U成正比。

①斜率β不變，與固有機(jī)械特性相同，各條人為特性曲線平行；改變電樞電源電壓的人為機(jī)械特性主要用于電機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速（額定轉(zhuǎn)速以下），并且調(diào)速時(shí)能保持機(jī)械特性的硬度不變。④用途65（3）減少氣隙磁通量時(shí)的人為機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)電樞兩端電源電壓為UN

；①條件電樞回路不外串電阻（R=0）；改變氣隙磁通Φ。②機(jī)械特性66Ф’’Ф’ФNФ’’<Ф’<ФN人為固有n圖2.21他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性曲線0TTLn0n0’n0’’67③特點(diǎn)②磁通減弱會(huì)使斜率β加大，因β與磁通的平方成反比；①磁通減弱會(huì)使n0升高，因n0與磁通成反比；