他励直流电动机的机械特性备课讲稿
他励直流电动机的机械特性(精)
反之，如果电网电压波动使机械特性偏低，由曲线1转为曲 线3，则瞬间工作点将转到 B 点，电磁转矩小于负载转矩， 转速将由 B点降低到 C 点，在 C 点取得新的平衡；而当 扰动消失后，工作点将又恢复到原工作点A。这种情况我们就 称为系统在A点能稳定运行，而图2.16（b）则是一种不稳定运 行的情况，读者可自己分析。 由以上分析，可得出如下结论：若两条特性曲线有交点 （必要条件），且在工作点上满足 dTem dTL （2-11） ＜
dn dn
（充分条件）则系统能稳定运行，式（211 ）即为稳定运行条件。对恒转矩负载 , 则 dT / dn 0即电磁转矩的变化与转速 的变化要异号,图示则为电动机的机械特性 曲线应是往下倾斜的。显然在图2.16（b） dTL / dn 0 dT / dn 0 中的A点， ，因此不 能稳定运行。
图2.14 他励直流电动机改 变电枢电压时的机械特性
3．减弱磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路内串接电 阻R pf或降低励磁电压U f 来减弱 R pa 0 特 磁通，此时 U U N ， 性方程式为； UN Ra （2-10） n T 2 em Ce CeCT
由于磁通 的减少，使 得理想空载转速 n 0 和斜率 都增大，其特性曲线如图2.15 所图示。
2.3.1
机械特性方程式
图 2.11 是他励直流电动机的 电路原理图，他励直流电动机的 机械特性方程式，可由他励直流 电动机的基本方程式导出。由式 U Ea I a Ra 、 E a C e n 和 式 Tem CT I a 可求得机械特性方 程式;
←
U R n T C C C
U n C
0 e
图2.12 他励直流电动机的机械特性
直流他励电动机的机械特性
电压平衡方程式为：U E I ( R R ) N a a ad
UN Ra Rad 得到的人为机械特性方程式为： n T 2 K e N K e K m N
UN Ra Rad UN Ra T 把n T 与n 2 2 K e N K e K m N K e N K e K m N 空载速度不变；
3．2 直流他励电动机的机械特性
一、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。
不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介
绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。电枢回路Leabharlann 分U E I a Ra
励磁回路部分
由他励电动机的特性可知： 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 对应的机械特性如图所示：
为定值。
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转 速，用n0表示。
根据机械特性可知：
n0 U K e
在固有特性曲线之下。
3．改变磁通 时的人为特性 U U N , Rad 0
UN Ra UN Ra 把n T 与n T 2 2 K e N K e K m N K e K e K m 理想空载转速随磁通的改变而变化；
转速降随磁通的改变而变化。 特性变软
由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流 和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械特性_及其工作特性与应用领域1
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域一、他励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域图中：n0为理想空载转速 n’0是实际空载转速。
他励电机的机械特性曲 线斜率小，机械硬度高。
他励直流电动机工作特性 1. 转速特性2. 转矩特性TT C C '=Φ3. 效率特性a ae e R U n I C C =+ΦΦe T a Ta T C I C I '==Φ2Fe mecCufaaa c21a f 2Δ100%1()pp p I R I U P P U I I ⎡⎤++++η=⨯=-⎢⎥+⎣⎦应用领域他励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。
如大型车床、龙门刨床。
二、串励直流电动机的机械特性，串励电动机的机械特性为双曲线，转速随转矩的增加而下降速率很快，称为软特性Rj=0为自然机械特性Rj不等于零为人工机械特性工作特性电动势平衡方程式电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式（其中，R fc 为串励绕组电阻）应用领域串励电机因转速可调范围广，启动扭矩大的特点被广泛的应用于电动工具，厨房用品，地板护理产品领域。
a e a a E C n C I n'==Φe 20T T T =+2e T a T aT C I C I '==Φae f C C K '=TT f C C K '=2e 200602πP T T T T n=+=+⋅三、并励直流电动机的机械特性n0为理想空载转速,与端电压有关，直线斜率k<0,表明n是T的减函数，其下降速率与调节电阻Rj大小有关。
Rj=0为自然机械特性Rj不等于零为人工机械特性Rj=0时，特征曲线接近于水平线，表示硬特性。
即硬度高。
工作特性1. 转速特性当U=U N , I f =I f N 时，n=f (I a )的关系曲线如图2. 转矩特性当U=U N ,I f =I fN 时，T e =f (I a )的关系曲线如图e T a Ta T C I C I '==ΦTT C C '=Φ3. 效率特性当U=U N ,I f =I fN 时，η=f (I a )的关系曲线如图2Fe mec Cuf a a a c 21a f 2Δ100%1()p p p I R I U P P U I I ⎡⎤++++η=⨯=-⎢⎥+⎣⎦应用领域并励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。
8 直流他励电动机机械特性分析
电枢磁通密度
N
S
电枢磁动势
1560
转速n(r/min)
1540 1520 1500 1480 30 系列1 1540 171 1530 342 1520 513 1510 684 1505 855 1505 1026 1508 1094 1512
电枢电流Ia(A)
交轴电枢反应使主极磁场发生畸变，磁路饱 和时有效磁通减少，如图 3。在有效磁通随着电 枢电流增加而减少时，如果励磁电流保持一定， 则随着负载电流的增加，会引起电动机转速上 升，乃至得不到稳定运行。
图 2: 负载时电枢磁动势磁通密度分布
ZIa/8ap
n U ( I a Ra Ub ) / Ce
可见，当U为常数，电枢电流变化时，影响 转速特性的因素是电枢回路电阻压降与气隙磁 通 的变化。他励电机 I f =定值，气隙磁通 只 受电枢反应的影响。电枢电流 I a 增大，电枢电路 电阻压降使转速下降，电枢反应去磁效应使转速 上升，因而转速变小，为硬转速特性。通常电阻 压降影响较大，转速略为下倾。过载时，电枢反 应影响增大，转速曲线上翘。如下图(直流电动机 为 Z4-280-22 280KW 440V 1500RPM 他 励 180V)：
力拖动系统）在交点处稳定运行，由于出现某种 干扰作用，使原来两种特性的平衡变成不平衡， 电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后， 拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处 的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合 条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。 （1）下倾时机械特性曲线稳定性分析
n TL A A TL
参考文献
[1] 电机工程手册. 北京：机械工业出版社. [2] 上海电气科学研究所.中小型电机设计手册. 北京：机 械工业出版社. [3] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社. [4] 汤蕴缪、史乃. 电机学. 北京：机械工业出版社
他励直流电机的机械特性
他励直流电机的固有机械特性
转速特性：他励直流电动机的转速特性整理后得到 2N
T e S a N e N C C R R C U n Φ+-Φ=
（3-1）
图3-2 直流电机的工作原理图
忽略电枢反应的去磁效应，转速与负载电流按照线性关系变化，负载电流增加时，转速会下降。
转矩特性：当N U U =,fN I I =时，)(a em I f T =的关系叫转矩特性。
根据直流电机电磁转矩的公式
a N T em I C T Φ=
（3-2）
由此公式得出，忽略电枢反应情况下电磁转矩与电枢电流成正比，考虑电枢反应主磁通的下降，电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率也会有下降。
效率特性 ：当N U U =,N I I f =时，)(a I f =η的关系较效率特性。
a
N a a I U I R P P P P P P 2021211+-=∑+∑-==η (3-3)
空载损耗
P是不随负载变化的，负载电流较小时效率较低，输入的功
率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大效率也会增大，输入的功率大部分消耗在机械的负载上，但当负载电流增大到一定的时候铜损快速增大，此时的效率开始变小。
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性他励电机属于直流电机，是指电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的电机，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电。
他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。
但这种电动机调运范围很宽，多用于主机拖动中。
1、固有机械特性
固有机械特性是当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为；
固有机械特性曲线如右上图所示，由于电枢电阻Ra比较小，则？n也比较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。
2、人为机械特性
人为机械特性是人为地改变电动机回路参数或电枢电压而得到的机械特性，即改变公式（2-4）中的参数所获得的机械特性，一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个，他励电动机有下列三种人为机械特性。
（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性
保持U =UN ，Φ=ΦN ，R =Ra+Rpa，电枢回路串电阻人为机械特性的方程式为；
与固有特性相比，理想的空载转速不变，但转速降？n增大，特性变“软”，当Rpa越大，？n也越大，特性越“软”，如图中曲线1，2所示。
这类人为机械特性是一组通过n0但具有不同斜率的直线。
他励直流电动机串电阻时的机械特性
从图上可见，当负载转矩TL不变时，只改变电阻Rpa的大小，可以改变电动机的转速，例如TL=TN，电枢回路串电阻Rpa=0，转速na，当Rpa=Rpa1，转速nb，Rpa=Rpa2，转速nc，因此，电枢回路串电阻的方法，可用于他励直流电动机调速。
（2）改变电枢端电压时的人为机械特性。
他励直流电动机的机械特性
四、 人为机械特性
R R p a N 固有机械特性：n U M 2 C e N
人为机械特性可用改变电动机参数的方 法获得，即机械特性三个变量中任有一个 或一个以上值非额定时得到的机械特性即 为人为机械特性。 （U，Φ，Rad）
C C e t N
1. 串联电阻时的人为机械特性
此时增加了Rad：U＝UN，Φ ＝Φ N，R＝Ra＋ Rad 电枢串联电阻Rad时，人为机械特性的方程式 U R R N a ad 为：n T n n
2 K K eN K e t N 0
当U和Φ 都是额定值时，理想空载转速不变， 转速降增加，特性变软。 Rad越大，特性越软 。
特点和机械特性图
特点
人为机械特性由交纵 坐标轴于一点，但具 有不同斜率的射线族 组成。
机械特性图
电枢串联电阻时的人 为机械特性
2. 改变电压时的人为机械特性
特性曲线图
因为，当n＝0时， I＝Ist＝U/Ra＝常数， 所以，Tst＝KtΦ Ist 随Φ 的降低而减小，而 n0随Φ 的降低而增大。 改变磁通Φ 的人为特性 曲线图如右图。
注意
根据固有机械特性估算数据
根据固有机械特性可估算以下数据： 电枢电阻Ra：通常电机在额定负载下的铜耗 I2aRa占总损耗ΣΔPN的50％～75％。因 ΣΔPN＝输入功率－输出功率 ＝UNIN－PN ＝UNIN－ηN UNIN ＝（1－ηN ）UNIN 即 Δ P铜＝ I2aRa＝(0.5～0.75)(1-ηN )UNIN 式中， ηN ＝ PN/(UNIN) 是额定运行条件下电 动机的效率，且此时Ia＝IN
T N
TN是电动机轴上的输出转矩， 电磁转矩
9 .55 n N
他励直流电动机的人为机械特性设计
他励直流电动机的人为机械特性（串电阻）一.直流电机基本工作原理与结构直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装置中。
直流发电机主要作直流电源。
此外，小容量直流电机大多在这种控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。
1.直流电动机的工作原理图1.直流电动机工作原理若把上述电机模型作为直流电动机模型，如图2所示，由外电源由电刷A引入直流电源，使电流从正极电刷A流入，由负极电刷B流出。
此时，线圈中电流的路径：电源正极——电刷A——a——b——c——d——电刷Ｂ——电源负极。
根据左手定则确定的电磁方向可知，此时的电磁转矩是逆时针的。
设电枢在电磁转矩的作用下按逆时针方向旋转，当线圈边ａｂ由Ｎ极下面转到Ｓ极下面，线圈边ｃｄ由Ｓ极下面到Ｎ极下面时，由于换向器的作用，使线圈中的电流改变方向，此时电流的路径：电源正极——电刷——ｄ——ｃ——ｂ——ａ——电刷Ｂ——电源负极。
因为各磁极下线圈中的电流方向并不改变，所以就保证了电磁转矩的方向不变，从而使电枢能够连续旋转。
2.直流电机的基本结构（1）直流电机的静止部分1、主磁极2、机座3、换向极4、电刷装置（2）直流电机的转动部分1、电枢铁心2、电枢绕组.3、换向器.图2.电枢铁芯直流电机的额定值直流电机的额定数据有：1、额定功率 P N（瓦/千瓦，W/KW）2、额定电压 U N（伏V）3、额定电流 I N（安A）4、额定转速 n N (转/分 r/min)5、额定励磁电压 U Fn（伏V）6、额定励磁电流 I fN（安A）二、他励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指：在U1=UN，If=IfN的条件下，电枢回路无外接电阻时，转速n和转矩Tem以及效率与输出功率之间的关系。
并励他励直流电动机机械特性
并励他励直流电动机机械特性直流电动机机械特性直流电动机是一种常见的电动机类型，具有很多独特的机械特性。
本文将介绍直流电动机的机械特性，包括转速特性、扭矩特性和效率特性，并探讨其在不同负载条件下的应用。
一、转速特性转速特性是指直流电动机转速与负载之间的关系。
直流电动机的转速特性通常分为三个区域：无负载区、稳定区和过载区。
在无负载区，直流电动机没有外部负载，转速较高。
这是因为电动机的电磁转矩与负载转矩平衡，只需克服摩擦力和空气阻力等小阻力，转速较高。
稳定区是直流电动机在额定负载下运行的区域，此时电机输出的扭矩与负载转矩平衡，电机转速稳定。
过载区是指电动机承受超过额定负载的情况，此时电机输出扭矩无法满足负载需求，转速下降。
二、扭矩特性扭矩特性是指直流电动机的输出扭矩与负载之间的关系。
直流电动机的扭矩特性通常呈现线性关系。
在无负载区，直流电动机输出扭矩较小，仅需克服摩擦力等小阻力。
随着负载的增加，直流电动机的输出扭矩逐渐增大，直到达到额定负载时，输出扭矩与负载转矩平衡。
如果负载超过额定负载，直流电动机的输出扭矩将无法满足负载需求，会导致转速下降，扭矩特性曲线呈现下降趋势。
三、效率特性效率特性是指直流电动机的转化效率与负载之间的关系。
直流电动机在不同负载下的效率特性通常呈现“脱钩”特性。
在无负载区，直流电动机的转化效率较低，因为在此区域内，电机除了需要克服摩擦力和空气阻力等小阻力，还需要消耗能量产生磁通。
在稳定区，直流电动机的转化效率较高，因为此时输出扭矩与负载转矩平衡，效率最大。
在过载区，电动机输出的扭矩无法满足负载需求，效率下降。
四、应用领域直流电动机的机械特性使其在多个领域得到广泛应用。
首先是工业领域，直流电动机的可调速性和精密控制特性，使其适用于需要精确转速和负载调整的设备，如机床、输送带和搅拌设备等。
此外，直流电动机的起动扭矩大，能够瞬间产生较大的扭矩输出，因此在起动和制动要求高的场合下也有广泛应用，如电梯、卷帘门和电动车辆等。
2.3他励直流电动机的机械特性
β 越大，∆n 越大，机械特 性就越“软”，β 越小， ∆n 越
式中 β ——机械特性曲线的斜率。
小，机械特性就越“硬”。 一般他励直流电动机的电枢 没有外接电阻，Ra 比较小， β 也比较小，则机械特性就比较 “硬”。
2.3.2 固有机械特性和人为机械特性
电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性 1．固有机械特性 固有机械特性是指当电动机的电 枢工作电压和励磁磁通均为额定值、 电枢回路中没有串入附加电阻时的 机械特性，其方程式为； U Ra （2-7） n= N − Tem 2 CeΦ N CeCTΦ N 固有机械特性曲线如图2.13所 示，由于 Ra 较小，则 ∆ n 也较小， 所以他励直流电动机的固有机械特 性是比较“硬”的。
2.3 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在电枢电压、 励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时，电动机在稳定运 Tem 行状态下，电动机的转速n与电磁转矩 之间的关系， n = f ( T em ，或者说电动机的转速n 与电枢电流 ) 即 Ia n = f (，后者也就是转速调整特性。由于转 Ia ) 的关系 速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。利用机 械特性和负载转矩特性，可以确定电动机在拖动系统的 稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方 程式来分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及 电流随时间的变化规律，而且电动机的机械特性对分析 电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能也是十分 重要的。
Ra T 2 em Ce CTΦ N
（3）改变磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路中串接上电 阻 R pf ，或降低励磁电压 U f 来减弱 磁通，保持 U = U N ， pa = 0 时， R 减弱磁通的人为特性方程式为； UN Ra n= − T 2 em CeΦ CeCTΦ （2-10） 由于磁通Φ 的减少，使得理 想空载转速 n0 和机械特性斜率β 都增大，其特性曲线如图2.15所 图示。电机的磁通设计在磁化曲 线的膝点，接近饱和点，因此一 般采用减弱磁通方法，可见，当 负载转矩不变时，减弱磁通方法 也可用于他励直流电动机调速。
直流电机的工作原理及特性讲课文档
❖
直流电机外形
第五页，共一百一十五页。
直流电机的用途及优缺点 一、用途
作励磁机用
一般小于10万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。
第六页，共一百一十五页。
作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能
信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号
第七页，共一百一十五页。
作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能；
③ 调节特性
. I f f I U const
第三十五页，共一百一十五页。
3.2.1他励发电机
1.电原理图 由于独立Uf, If所以负载电流I等于电枢电流Ia
I
If
Rf
+
EG
Ia U
R
-
第三十六页，共一百一十五页。
2.空载特性
当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关 系曲线
⒉虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空 间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。
⒊当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流 的方向始终相反，故称之为反电势。
⒋转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是
与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能
第十四页，共一百一十五页。
第十五页，共一百一十五页。
二、基本的工作原理
为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电 机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换 向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：
1— 主磁极：励磁绕组上加上直流电压
，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子 铁心产生固定磁场，即定子的主要作用 是产生主磁场。
并励(他励)直流电动机机械特性
《电机及拖动技术应用》教案机电工程系第一部分：导课❖ 本次主题：并励直流电动机的机械特性 主题描述：⒈机械特性解决问题：1.帮助学生了解并励直流电动机的固有机械特性。
2.帮助学生了解并励直流电动机的人为机械特性。
3.帮助学生建立把理论与实践结合起来的抽象思维方式。
第二部分：授课…………………………………………第 一 课 时并励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压U ，励磁电流I L ,电枢回路总电阻R a 为恒值的条件下，电动机转速n 与电磁转矩T 的关系。
一、机械特性方程式并励直流电动机的电路如图5-4所示。
图5-4 并励直流电动机电路图并励直流电动机的机械方程式可以从公式a e E C n =Φ，a a a U E I R =+得到：a ae U I R n C -=Φ（5-3）再把公式M a I ΦT=C 代入上式，得： 02a e e M R Un T n T C C C α=-=-ΦΦ （5-4） 其中，0e Un C =Φ称为理想空载转速，2a e M R C C α=Φ 机械特性曲线如图5-5所示，是一条稍向下倾斜的直线，其斜率为α。
这说明加大电动机负载会使转速下降。
一、情境设计：二、方法设计三、过程设计：第一部分：导课 第二部分：授课 第三部分：总结与拓展…………………步骤:1步骤:2…………………步骤:1步骤:2…………………四、引导疑问 （下节课要讲的问题）五、修改或备忘：（空着不填）图5-5 并励电动机的机械特性二、固有机械特性固有机械特性是当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为：2e e T C C C N aN NU R n T ΦΦ=-（5-5）固有机械特性如图5-6中的曲线 a R R = 所示，由于a R 较小，故并励直流电动机固有机械特性为硬特性，这种特性适用与负载变化时要求转速比较稳定的场合，经常用金属切削机床、造纸机械等要求恒速的地方。
2.3他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机额定数据为：PN=29kW，UN=440V， IN =76.2A，nN=1050rpm，Ra=0.393。电动机拖动额定恒转距
负载工作，试计算：
（1）额定电压和额定励磁时，电枢串入2.5 电阻时的转速。
（2）额定励磁不串电阻时，电压U=220V时பைடு நூலகம்转速。
（3）额定电压不串电阻时，磁通减少15％时的转速。
n1 n2 n0 n NT nN
4
§2-3 他励直流电动机的机械特性
3、减弱主磁通时的人为机械特性
n
UN Ce
Ra CeCM 2
T
n0
T
（1）理想空载转速比固 有特性高。
（2）斜率>N，机械
特性比固有特性软。
（3）弱磁调速一般适合 于轻载调速。
5
§2-3 他励直流电动机的机械特性
【补例2-1】
注意：他励（或并励）电 动机在运行时，励磁绕组绝对
不能断开。否则， If=0，电枢
电流迅速增大；若负载较小，
则会造成“飞车”事故。
例2-2 P43
0
TN
T
2
§2-3 他励直流电动机的机械特性
三、他励直流电动机的人为机械特性
1、电枢回路串电阻时的人为机械特性
n
UN Ce N
Ra R CeCM N
13
1
§2-3 他励直流电动机的机械特性
n
UN Ce N
Ra CeCM
N
2
T
n0 N
T
式中，n0为理想空载转速，βN为机械特性曲线的斜率，可求出 其额定负载时转速降为：
△nN = n0 - nN = βN ·TN
他励或并励直流电动机的 △nN＝5％n0 左右，故其机械特性属 于“硬”特性。
直流他励电动机的固有机械特性
3.3 直流他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性电枢回路中的电压平衡方程：以式代入得到：再以代入，得到直流电动机机械特性的一般表达式：机械特性硬度：电动机的机械特性分为三类：（1）绝对硬特性()（2）硬特性()（3）软特性()3.3.1 直流他励电动机的固有机械特性1. 固有机械特性直流电动机机械特性的一般表达式：固有机械特性：是n=f ( T )在额定条件下的特性对于他励电机可根据电机铭牌数据计算得到如下参数：（1）电枢电阻Ra：（2）K eФN ：（3）理想空载转速：（4）额定转矩：式中，PN额定功率, UN额定电压, IN额定电流, n N额定转速。
其计算步骤：（1）计算电枢电阻（2）求（3）求理想空载转速（4）求额定转矩3.3 直流他励电动机的机械特性3.3.2 直流他励电动机的人为机械特性(1)电枢回路中串联附加电阻时的人为机械特性(2) 改变电枢电压U时的人为机械特性(3) 改变磁通Ф的人为机械特性从图中可以看出，每条人为特性曲线均与固有特性曲线相交，交点左边的一段在固有特性曲线之上，邮编的一段在固有特性曲线之下，而在额定运转条件下（额定电压、额定电流、额定功率）下，电动机总是工作在交点的左边区域内。
削弱磁通时，必须注意的是：当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载。
另外，当磁通为零时，从理论上说，电动机转速趋于无穷大，实际上励磁电流为零时，电动机尚有剩磁，这时转速虽不趋于无穷大，但会升到机械强度不允许的数值，通常称为“飞车”。
因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运动过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
他励直流电动机的机械特性
减小，β 增大，n0增大
线
反之称为软
图
特性
1、他励电动机的固有机械特性
U=UN、Φ=ΦN， Rpa=0的机械特性称固有机械特性
n UN CeΦN
Ra CeCT ΦN2
恒转矩负载
不
特性在A点 的斜率：
系统 电压
稳 定
dn/dTL=∞, 则dTL/dn=0
波动 机特
运 行
下斜的机械特性在
上翘的机械特性在
A点其dn/dT<0,则 dT/dn<0，在A点满 足dT/dn<dTL/dn
A点其dn/dT>0,则 dT/dn>0，在A点不 满足dT/dn<dTL/dn
结论：下斜的机械特性与恒转矩负载配合, 系统能够稳定运行; 上翘的机械特性与恒转矩负载配合, 系统不能稳定运行。
斜率β越小， 下斜的机械特性在A点其dn/dT<0,则dT/dn<0，在A点满足dT/dn<dTL/dn
机 斜率β越小，特性越平，称为硬特性。
特性越平， 电力拖动系统的稳定运行，是指在某种外界因素(如电网电压波动或负载的微小变化)的扰动下，系统离开原来的平衡状态，达到新的平衡状态；
的 机械特 (3)改变磁通的人为机械特性
《电机与辅助控制系统》课程
知识点 他励直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情 况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即
n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析
电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。下 面以他励直流电动机为例讨论机械特性。
3他励直流电动机的机械特性
n02
ΦN
Tem TK2 TK1 TK 6
他励直流电动机的机械特性
三、机械特性的求取
1、固有机械特性（已知：PN ,U N , I N , nN 求两点：1）理想空载点： 求两点： 理想空载点：
）
(Tem = 0, n = n0)
UN Ra n= − Tem Ce Φ N CeCT Φ 2 N
2、人为机械特性
当改变 U 或
R a或 Φ得到的机械特性称为人为机械特性
3
他励直流电动机的机械特性
1）电枢串电阻时的人为特性
保持 U = U N , Φ = ΦN不变，只在电枢回路中串入电 阻 RS的人为特性： n
n0 UN Ra + R S n= − Tem 2 C e Φ N C e CT Φ N
4）计算额定工作点： N = CT Φ N I N , n = nN T
8
1 2 U N I N − PN Ra = ( ~ ) 2 2 3 IN
他励直流电动机的机械特性
2、人为机械特性的求取 在固有机械特性方程 n = n 0 − β Tem 的基础上，根据人为特性所对应的参 数 R S 或 U 或 Φ 变化，重新计算 n o 和 β ，然后得（0 , n 0 ）、（T N , n ）。
2）额定运行点： 额定运行点：
(Tem = TN , n = nN )
7
他励直流电动机的机械特性
步骤：
1）估算 R : a
U N I N − PN 2）计算 CeΦN 和CT ΦN : CeΦN = nN CT Φ N = 9.55CeΦ N UN 3）计算理想空载点： em = 0, n0 = T CeΦ N
第7讲 他励直流电动机的机械特性
nN n0 nN TN
为额定转速差。
0
TN T
二、他励直流电动机固有机械特性
（5）n=0时，即电机启动时，
n
n0
Ea CeNn 0 ，电枢电流
Ia
UN Ra
Is
称为启动电流，
nN
电磁转矩
T Ct Is Ts
ΔnN
称为启动转矩。由于电枢电阻较小，
0
启动电流和转矩都比额定值大。
TN T
以上分析时机械特性在第一象限的情况，有：
曲线如图3，电机转速与转矩平方根成反比，当电磁转 矩增大，转速降低很快，机械特性很软。
若电流Ia太大，磁路饱和，Φ基本不变，机械特性接近
于他励直流电动机，机械特性变硬。 n
总结：
n0
（1）是一条非线性的软特性；
1
（2）当电磁转矩非常小时，
2
转速很高所以不允许空载运行；
3
（3）电磁转矩与电枢电流的平
0
0
U
-
Ea
串励绕组 并励绕组
1 2 3
T
第7讲 他励直流电动机的机械特性
1、固有机械特性 2、人为机械特性 3、串励和复励直流电动机
一、机械特性的一般表达式
直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压U、励磁电流If、
电枢回路电阻Ra为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的 转速与电磁转矩之间的关系。
n = f (T)
n
U
Ia ( R a R)
在电机的铭牌数据中，可以知道nN，而理想空载转速 n0和额定转矩TN却是未知的。
由理想空载转速公式可得：
n0
UN
CeN
CeN
EaN nN
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（2）、降低电枢电压时的人为特性
保持RRa,N 不变，只改变电枢电压U时的人为特性：
U n
CeN
CeC R Ta2 NTem
n
n0
n 01
特点：1)n 0 随U 变化, 不变;
2)U不同,曲线是一组平行线。
U1 UN
UN U1
T em
（3）、减弱励磁磁通时的人为特性
保持RRa,UUN不变，只改变励磁回路调节电阻R Sf 的人为特性：
1，2—两种不同负载的n=f(TZ) 3- n=f(T)
(4)动态减速过程 随着 n 的下降，Ea(= Ce n) 不断下降，电枢电流 Ia ( =
( U-Ea)/Ra )则不断提高，所以 T = CT Ia 增加 (5)新的稳态工作点:一直过渡到特性 3 与 2 的交点 B 点，T =
TB = TZ2 减速过程结束，系统又转化为稳态 (6)结论： 稳态下电动机发出转矩的大小是由负载转矩的数值所决定的 2.电力拖动的稳态运行问题 (1)稳态运行的必要条件 电动机的机械特性和负载转矩的机械特性有交点 (2)稳态运行的充分条件 如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用 使原来转矩 T 与 TZ 的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变
设最大电流为 I1，切换电流 I2,由于切除电阻进行很快，可忽略电感的影响。 设 I1/I2 = （或 T1/T2 = ）, 称为起动电流比 m 级起动时，总电阻分别为:
则有:
推广到 m 级起动一般情况:
当知道最大起动总电阻时可确定起动电流比: 若给出起动电流比 时，可求得起动级数
2.分析法计算起动电阻的步骤 1)算出电机电枢电阻 Ra 2)根据电机容量和工艺要求 (1)直接计算 根据选择的起动级数 m 和最大起动电流 I1，计算最大起动电阻和计算起
1.直接加额定电压起动后果
(1)换向情况恶化，产生严重的火花
(2)过大转矩将损坏拖动系统的传动机构
因此在起动时，必须设法限制电枢电流
2.限制起动电流的措施 (1)降压起动:适用于电动机的直流电源是
可调的 (2)电枢电路中串联电阻: 当没有可调电源时，可在电枢电路中串联
电阻以限制起动电流 在起动过程中并将起动电阻逐步切除
2、人为机械特性
当改变U或 R a 或 得到的机械特性称为人为机械特性。
（1）、电枢串电阻时的人为特性
保持UUN, N不变,只在电枢回路中串入电阻R S的人为特性
nCU e NNC Rea C T RS 2 NTem
n
n0Βιβλιοθήκη 特点：1）n 0 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。
Ra
Ra RS T em
第一节 他励直流电动机的机械特性
一、 机械特性的方程式
直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、 电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动 机的转速与电磁转矩之间的关系：n f (Tem)
由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：
n
U Ce
R CeCT2
Tem
n0 Tem
n 0 称为理想空载转速。
求取 CeFN
求取 CTFN
得固有机械特性方程式 n = f(T)
任意给出两点如 T = 0（空载点）和 T = TN通过这两点得连线即为固有机 械特性 (二)人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，把相应的参数值代入对应的人为机械 特性方程式即可。
四.电力拖动系统稳定运行的条件
我们的任务是什么？ 分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题 1.稳态时电动机电流由负载大小决定 (1)转矩平衡 当他励电动机机械特性 n = f(T)为 3，恒转矩负载特性 n = f(TZ)为 1 因转矩 T 与 TZ 方向相反、大小相等而相互平衡 时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态 (2)稳态运行 两个特性的交点 A ，转速都是 nA，电磁转矩 等于负载转矩（= TZ1） 交点A表明电力拖动系统的某一稳态运行点 (3)负载发生变化 如负载增大，负载转矩特性由 1 变为 2 。 转速开始时仍为 nA，电磁转矩 T 还是由 A 点决定,因为 T = TZ1< TZ2 所以 dn/dt < 0 ，系统进入动态减速过程
n UN Ce
CeC RTa2Tem
特点：1）弱磁，n 0增大；
2）弱磁，增大
n02 n
n 01 2
1
21N
n0
N
T em Tk2 Tk1 Tk
三.机械特性的绘制
根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。 从电动机铭牌获得的数据一般是 PN 、UN、IN 和 nN (一)固有机械特性的绘制 估算电枢绕组电阻 Ra
n
n0
n
nN
'
0
实际空载转速 n0 CU eCeCRT2T0
T0
T em TN
二、 固有机械特性和人为机械特性
1、固有机械特性
当 U U N , N ,R R a时的机械特性称为固有机械特性：
n UN CeN
CeC R Ta2 NTem
由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是 硬特性。
化， 当干扰消除后，拖动系统有能力使转速恢复，回到干扰作用出现
前原来交点处的数值
第二节 他励直流电动机的起动
一.他励直流电动机的起动方法
他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通
磁电流），而后加电枢电压。
电枢电流 Ia 为:
Ia
U
Ea Ra
刚起动时，转速 n = 0，Ea = 0，因为电动机的电枢绕组 电阻 Ra 很小，所以直接加额定电压起动，Ia 可能突 增到额定电流的十多倍
3.他励电动机分二级起动时的电路图
他励电动机二级起动电路图(图9-10) 分级起动时,可将每一级的 I1（或 T1）与 I2 (或 T2) 取得大小一致， 以使电动机有比较均匀的加速度，这能改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构 与工作机械的有害冲击
二.他励直流电动机起动电阻的计算
1.关于起动电阻计算的分析
动电流比 (2)间接计算 选择最大电流:
切换电流:
初定:
再对 m' 取整，由步骤（1）确定起动电流倍数 3)求出各级起动时总的电枢回路电阻 Rm ......R1 4)求出各级电阻RW1，RW2 ......
三.他励直流电动机起动的过渡过程
1)什么叫电力拖动过渡过程 指电力拖动系统，由一个稳态工作状态过渡到另一个稳