電機與電氣控制技術(shù) 課件 5-2直流電動機的機械特性

任務(wù)二直流電動機的機械特性任務(wù)描述

直流電動機的電動勢、轉(zhuǎn)矩和功率對于直流電動機的運行起著重要的作用。本任務(wù)主要學習直流電動機的電動勢、轉(zhuǎn)矩、功率及機械特性，在學習的過程中需要重點掌握直流電動機的電動勢、轉(zhuǎn)矩、功率的意義和直流電動機的電動勢平衡方程、機械特性。目錄常見生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性直流電動機的機械特性常見生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性不同生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律不同，對此，使用負載轉(zhuǎn)矩特性來表征，即生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。各種生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性大致可分為以下三類。

常見生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負載恒功率負載通風機型負載1.恒轉(zhuǎn)矩負載特性

常見的生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性是指負載轉(zhuǎn)矩的大小為一個恒定值，也就是常數(shù)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，分為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負載。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的特性如圖所示，負載轉(zhuǎn)矩的大小不變，但負載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機械運動的方向相反。例如，電車在平地行駛中所受的負載轉(zhuǎn)矩。1.恒轉(zhuǎn)矩負載特性

常見的生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性恒位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的特性如圖所示，是指不論生產(chǎn)機械運動的方向是否發(fā)生變化，負載轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終不變。例如，起重機、提升機等提升設(shè)備在工作中重物所產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩。2.恒功率負載特性

常見的生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負載特性是指當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值，其負載特性曲線如圖所示。在不同的轉(zhuǎn)速下，負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，而機械功率為常數(shù)。例如，車床在切削金屬過程中，粗加工時，切削量大，用低速；精加工時，切削量小，用高速。3.通風機型負載特性

常見的生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性通風機型負載特性是指負載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速n的平方成正比的生產(chǎn)機械，例如鼓風機、水泵和油泵等的葉片所受的阻轉(zhuǎn)矩，其負載特性曲線如圖所示。以上三類是典型的負載特性，但實際生產(chǎn)機械的負載特性常為集中類型負載的綜合。例如，起重設(shè)備提升重物時，電動機除受到位能性負載轉(zhuǎn)矩外，還要克服系統(tǒng)機械摩擦所造成的反抗性負載轉(zhuǎn)矩，所以電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)是上述兩種負載轉(zhuǎn)矩之和。1.電樞電動勢

直流電動機的機械特性--參數(shù)式中，

—電動勢常數(shù)，僅與電動機的結(jié)構(gòu)有關(guān)；

—氣隙每極磁通(Wb)；

—直流電動機的轉(zhuǎn)速(r/min)；

—電動機的電樞感應(yīng)電動勢(V)。直流電動機的磁場是由主磁極產(chǎn)生的勵磁磁場和電樞繞組電流產(chǎn)生的電樞磁場合成的氣隙磁場。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子導體切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電動勢Ea，在直流電機中，此電動勢的方向與轉(zhuǎn)子電流

的方向相反，稱為反電動勢。此感應(yīng)電動勢為：1.電樞電動勢

直流電動機的機械特性--參數(shù)可見，對于已經(jīng)制造好的直流電動機，其感應(yīng)電動勢大小正比于每極磁通和轉(zhuǎn)速n。感應(yīng)電動勢的方向可由直流電動機轉(zhuǎn)向和主磁場方向決定。在直流電動機中轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相當于反電動勢，與外電源電流方向相反。根據(jù)所設(shè)各量的正方向，對他勵、井勵直流電動機來說，電壓平衡方程為：

式中，

—電樞回路的總電阻，其中包括電刷和換向器之間的接觸電阻。2.直流電動機的功率

直流電動機的機械特性--參數(shù)是指輸出功率占輸入功率的百分比，即對于他勵、并勵直流電動機：

式中，

為電源給電動機提供的總功率，即輸入功率

，

為電源給電動機提供的輸入電流；

為勵磁回路內(nèi)部消耗的功率，即勵磁回路的銅損耗，

為電樞回路的銅損耗。3.直流電動機的效率4.電磁轉(zhuǎn)矩

直流電動機的機械特性--參數(shù)式中，

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機的結(jié)構(gòu)有關(guān)；

—氣隙每極磁通(Wb)；

—電樞電流(A)；

—電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)。根據(jù)直流電動機的工作原理，由于電樞繞組中有電流流過，電樞電流與氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁力，從而對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。4.電磁轉(zhuǎn)矩

直流電動機的機械特性--參數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電動勢同時存在于同一臺直流電機中，轉(zhuǎn)子電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)存在以下的關(guān)系：可見，對于已經(jīng)制造好的直流電動機，其電磁轉(zhuǎn)矩大小正比于每極磁通

和電樞電流

。電磁轉(zhuǎn)矩的方向由主磁極磁場方向和轉(zhuǎn)子電流方向決定，根據(jù)左手定則可以確定電磁轉(zhuǎn)矩的方向。在直流電動機中電磁轉(zhuǎn)矩的方向與直流電動機的轉(zhuǎn)向相同，起驅(qū)動作用。直流電動機的機械特性表示電動機運行狀態(tài)的兩個主要物理量是轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩，電動機的機械特性就是研究電動機的轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩

之間的關(guān)系，即

。機械特性曲線可分為固有機械特性和人為機械特性。

1.他勵直流電動機的機械特性方程若他勵直流電動機的轉(zhuǎn)子回路的電阻為Ra，轉(zhuǎn)子電壓為U，磁通為

，則他勵直流電動機的機械特性方程為：

式中，

—理想空載轉(zhuǎn)速（r/min），

=

；Δn—轉(zhuǎn)速降，

；—機械特性的斜率。1.固有機械特性

他勵直流電動機的機械特性當轉(zhuǎn)子兩端加額定電壓、氣隙磁通為額定值、轉(zhuǎn)子回路不串電阻時的機械特性稱為固有機械特性。固有機械特性表達式為：固有機械特性曲線如圖所示。1.固有機械特性

他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機固有機械特性具有如下特點：1)隨著電磁轉(zhuǎn)矩

的增大，轉(zhuǎn)速

降低，其特性是略微下斜的直線。2)當

時，

為理想空載轉(zhuǎn)速，因為

是不可能為0的，電動機要旋轉(zhuǎn)起來，必須要克服一定的摩擦力，所以

是理想化的狀態(tài)。3)機械特性斜率的值很小，特性較平，習慣稱之為硬特性，若其值較大，則稱為軟特性。4)當

時，轉(zhuǎn)速

，此點為電動機的額定工作點。此時，轉(zhuǎn)速差

，稱為額定轉(zhuǎn)速差。一般

。5)當

，即電動機起動時，

，此時，電樞電流稱為起動電流，此時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，由于電樞電阻很小，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩都比額定值大很多（可達額定值的幾十倍），這會給電機和傳動機構(gòu)帶來危害。他勵直流電動機的機械特性一臺直流電動機只有一條固有機械特性，對于某一負載轉(zhuǎn)矩，只有一個固定的轉(zhuǎn)速，這顯然無法達到實際拖動對轉(zhuǎn)速變化的要求。為了滿足生產(chǎn)機械加工工藝，例如起動、調(diào)速和制動等各種工作狀態(tài)的要求，還需要人為地改變直流電動機的參數(shù)，如轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻和氣隙磁通，相應(yīng)地得到三種人為機械特性。他勵直流電動機的機械特性1.轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機械特性轉(zhuǎn)子加額定電壓，每極磁通為額定值，轉(zhuǎn)子回路串入電阻

后的人為機械特性表達式為

轉(zhuǎn)子串入不同電阻時的人為機械特性曲線如圖所示。這種人為機械特性的特點：理想空載轉(zhuǎn)速不變；特性斜率與轉(zhuǎn)子回路串入的電阻有關(guān)，電阻越大，斜率越大。故轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機械特性曲線是一組通過理想空載轉(zhuǎn)速點的放射性直線。他勵直流電動機的機械特性2.改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機械特性保持每極磁通額定值不變，轉(zhuǎn)子回路不串電阻，只改變轉(zhuǎn)子電壓大小和方向，其人為機械特性表達式為

改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機械特性曲線如圖所示。改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機械特性的特點：理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電壓成正比，且為負值時，也為負值；特性斜率不變，與固有機械特性相同。因此改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機械特性是一組平行于固有機械特性的直線。他勵直流電動機的機械特性3.減弱磁通時的人為機械特性減弱磁通的人為機械特性是指轉(zhuǎn)子電壓為額定值不變，回路不串電阻，僅減弱磁通的人為機械特性。減弱磁通是通過減小勵磁電流（如