直流电动机的机械特性及运行
3.3 直流电机机械特性
一、启动特性
电动机的启动就是给电动机通电，使电动机转子转动
起来，达到要求转速的这一过程。
对直流电动机而言，在启动时n=0 , E=0, 而Ra一般很 小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电
流为：
I st
UN Ra
启动电流很大，一般情况下能达到其额定电流的
（10～20）倍。
（1） 对电动机本身的影响： • 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏换向器； • 过大的电枢电流产生过大的电磁力，可能引起绕组的
n
UN KeΦ
Ra K e K tΦ 2
T
T KtΦI a
（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严 重过载；
（2）当=0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，
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
运转过程中，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。
枢回路串电阻启动两种方式。
1. 电枢回路串电阻启动： 启动时，电枢回路串接电阻Rst ，此时Ist=UN/(Ra+Rst)
将受限制。随着转速的升高，再逐步切除外加电阻直到全 部切除，电动机达到所要求的转速。
2. 降压启动： 所谓降压启动即在启动时，降低供电电源电压，随着
转速的升高，电动势随之增大，再逐步提高供电电压，最 后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。
1. 电枢回路中串接电阻时的人为特性：（U=UN,Φ=ΦN)
n
UN KeΦN
Ra Rad Ke KtΦN2
T
n
串电阻 后,工作
点由
未串电 阻时的 工作点
n0 a→b→c
直流电动机机械特性
（3）选取起动级数 m；
（4）计算起动电流比： m U N m 取整数
（5）计算转矩:T2
T1
I1Ra
，校验：T2 (1.1 ~ 1.3)TL
如果不满足，应另选T1 或m 值并重新计算，直到满足该条件为止。
（6）计算各级起动电阻。
2.4.2 降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电 压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增 大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的 数值上，保证按需要的加速度升速。
1、电枢串电阻时的人为机械特性
保持U U N , N 不变,只在电枢回路中串入电阻RS的人为特性
n UN Ce N
Ra RS
CeCT
2 N
Tem
特点：1）n0 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。
故电枢串电阻的人为机械特 性是通过理想空载点的一簇放射 性直线。
n
n0
Ra
Ra RS Tem
Ea
T n
制动时在电路串入一个大电阻。
-
-
电枢回路串入较大电 阻 RB后特性曲线
n n0 B
A Ra
正向电动状态 提升重物(A点)
电机以稳定 的转速下放
重物D点
C 0 TB TK TL Tem
D Ra RB
负载作用下电 机反向旋转 (下放重物)
倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串 电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。
2.5.3 反接制动
1、电源反接制动
电压反接制动时接线如图所示。
开关S投向“电动”侧时，电枢接正极 电压，电机处于电动状态。
直流电动机的机械特性
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
电动机的电压平衡方程式
I
Ia
UE M
Ra
Rf'
Tn
If Uf
T = Kt Ia E = Ke n，
U = E + IaRa
电路原理图
n = —E—
Ke
= —U–—I—aR–a
Ke
= —KUe—– – —K—ReKa—t·T—2
转速特性
机械特性
n
= —KUe—T– – —K—RTeK0a—t·T—2
TN -- 额定负载转矩
T （N.m） TN 近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线
利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。
已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）
步骤：
（1）估算
Ra（或测量）
Ra = （0.5
0.75）（1
-
——P—N —）—U—N
保持 If = IfN n = nN，当调整负载电阻 R U I
反映发电机电枢端电压 U 随负载电流 I 变化的特性。
U
U0
电压调整率：
UN
U —U—0 —– U—N– 100%
0
I
UN
直流电动机机械特性
（二）他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机电路原理图
002em em e e T U R n T n T n n C C C βφφ
=-=-=-∆ 机械特性曲线：当U 、R 、φ为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以β为斜率向下倾斜的直线，如图所示。
图2-14他励直流电动机的机械特性
机械特性的硬度: β越大，特性越陡，称为软特性；
β越小，特性越平，称为硬特性；
表明机械特性曲线的下垂程度。
1、他励直流电动机的固有机械特性
当N U U =,N φφ=,a R R =()0s R =时的机械特性称为固有机械特性。
其方程式为 2N a em e N e T N
U R n T C C C φφ=
-， 2、人为机械特性
1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持N U U =,N φφ=不变，只在电枢回路串入电阻s R 的人为特性。
直流电动机的机械特性
动过程
起动条件：1、起动转矩要足够大，
2、起动电流不要太大，
注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0
I st
UN Ra
二. 起动方法
1、降压启动 电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种启动 方法需要专用电源，投资较大大但启动电流小，启动转矩容易 控制，启动平稳启动能耗小，是一种较好的启动方法。 2、串电阻分级启动 无须可调电源，实现方便。但电阻耗能严重，调节平滑性差。
n
n0
Ra Rz CeCT 2
Tz
n0
Ra Rz Ce
Iz
二、反接制动－电枢反接的反接制动
1．原理与方法
+U–
运行
R
If
M
Uf
制动
电枢反接制动是将正在正向 运行的他励直流电动机电枢回路 的电压突然反接，电枢电流也将 反向，主磁通不变，则电磁转矩 反向，产生制动转矩。
2. 机械特性
机械特性分析： U U N , ，N 电动机的机械特性方程式为
n
UN
Ce N
Ra R
C
e
CT
2 N
T
n0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T
n0
n
说明
式中
Ra R
C
e
CT
2 N
称为人为特性的斜率，当改变外串电阻RΩ的大小，可得到 一簇人为特性曲线，如图所示。
特性的特点是： ①理想空载点n0与固有机械特性的相同； ②斜率β随外串电阻RΩ的增大而增大，使特性变软。电枢 回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。
n0
UN
Ce N
式中
Ce N
EaN nN
电机及拖动 第2章 直流电机的建模及特性(第2部分)
（2-38）
U 0 为直流发电机的空载端电压。 式中，
图2.33 中，显然，并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发 电机。主要原因为： 负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降； 随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应 电势的进一步下降；
（2-44）
图2.38 他励直流电动机的机械特性
图2.38 他励直流电动机的机械特性
由图2.38可见，随着转矩的增大，电机转速有所下降。故此，机械特性可进一步表示为：
n n0 Tem n0 n
其中，转速降 n
（2-45）
Ra Ce CT N
2
Tem Tem 。 越小，转速变化越小，称电动机具有较硬
3、调节特性
定义： 在 系曲线
n nN 、 条件下，负载输出电流与励磁电流之间的关 U2 U N ,即为调节特性。 I f (I )
f 2
由曲线可见，在负载电流变化 时，若保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及电枢回 路电阻压降对对输出端电压的影响.
图2.34 他励直流发电机的调节特性
第2章 直流电机的建模与特性 分析（第2部分）
2.7 直流发电机的运行特性及自励建压 过程
A、直流发电机的运行特性
1、空载特性
定义： Ia 0 n n N 条件下，正负电刷之间的空载端电压与励磁电流 在 、 之间的关系曲线 ，即为空载特性。 U 0 f (I f 0 )
空载时 U E a 空载特性实质上就是 Ea f ( I f ) 。 所以空载特性曲线的形状与空载磁 化特性曲线相同。
n0 n N n N 100% nN
直流电机的工作原理及特性
直流电机的工作原理及特性直流电机是一种电动机，以其结构简单、控制精度高、效率高、输出功率大等优点而受到广泛应用。
本文将从工作原理、特性两个方面对直流电机进行详细介绍。
一、工作原理直流电机的工作原理是靠用直流电产生的磁场作用在转子上，使转子旋转。
直流电机实际上是一个能把电动机和发电机互相转换的机器，因为直流电是双向运动的，所以他可以既做发电机又可以做电动机。
（一）机械结构直流电机机械结构分为定子和转子两部分。
定子包括机座、磁极、绕组等。
转子是电动机旋转的部分，包括转子铁心、绕组和电刷等。
当电机接入电源并加上磁通，就会在转子上产生一个磁场。
由于转子上产生的磁队是与磁通方向相反的，因此磁力会推动旋转电机，从而使转子开始转动。
（二）电磁学原理直流电机的转速与线圈导体上通过电流的方向、大小，磁极和线圈位置等因素有关。
当直流电通过定子绕组时，就会产生磁极磁通，因此在转子上的绕组中就会感应出电磁力和转矩。
电机转子的移动速度主要取决于该转矩。
转矩越大，电机就能承受更多的外力，提供更高的机械输出；反之，转矩越小，电机就需要承受更小的外力。
二、特性（一）功率和效率直流电机的输出功率和效率都很高。
在电机运行时，电梯将能量输出到外部驱动机器，其能量转化效率约为88%~96%，具有一定的经济性和高性价比的特点。
（二）输出特性直流电机存在强大的输出特性，这意味着它可以在不同的工作负载下产生不同的扭矩和速度。
直流电机的特性也非常稳定，当负载发生变化时，电机的输出也能及时发生相应地变化，从而实现更高的精度。
（三）寿命和维护直流电机的寿命较长，使用寿命通常可达到15000小时。
它还具备一定的可靠性和稳定性，使用稳态电源能有效促进电机使用寿命。
通常情况下，直流电机不需要经常维护，只需要清洗和润滑，更换磨损和损坏的部件即可。
（四）控制精度直流电机的速度控制精度非常高，控制范围广，在高低转速下都能实现同样高的控制精度。
这也让它在工业控制领域中得到了广泛应用，如分步马达、电动升降平台、电动梯等等。
直流电动机的特点与应用
直流电动机的特点与应用直流电动机是一种常见的电动机类型，具有许多独特的特点和广泛的应用。
本文将介绍直流电动机的特点和应用，并探讨其在不同领域中的具体应用案例。
一、直流电动机的特点直流电动机具有以下几个独特的特点：1. 可调速性：直流电动机可以通过调整电源电压或外部电阻来实现调速。
这种可调速性使得直流电动机在需要频繁启动、停止以及调整转速的应用场景中非常常见。
2. 良好的起动和启动特性：直流电动机具有良好的起动和启动特性，能够在瞬间产生较大的起动转矩。
这使得直流电动机广泛用于需要短时高转矩的应用中，如起重机、电梯等。
3. 适应性强：直流电动机能够适应不同的负载特性，无论是恒力负载还是恒功率负载，都能够稳定工作。
这种适应性使得直流电动机在工业自动化控制系统中得到广泛应用。
4. 可逆性：直流电动机可以同时作为电动机和发电机使用。
当外部负载对电动机进行制动时，直流电动机可以将动能转化为电能并反馈到电源中，实现能量回收和再利用。
二、直流电动机的应用直流电动机在各个领域中都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1. 工业自动化：直流电动机是工业自动化系统中最常用的驱动设备之一。
它们被广泛应用于生产线输送带、机器人、纺织设备、印刷机械等自动化设备中，可提供可靠的驱动力和精确的控制。
2. 交通运输：直流电动机在交通运输领域中扮演着重要的角色。
它们被应用于电动车辆、电动自行车、电动船舶等交通工具中，为这些车辆提供动力，并带来更高的能源利用效率和环保性。
3. 家用电器：直流电动机也广泛应用于各种家用电器中，如洗衣机、吸尘器、空调等。
直流电动机通过其可调速性和高效率的特点，提供了更好的用户体验和能源利用效率。
4. 新能源领域：直流电动机在新能源领域中具有重要地位。
它们被应用于风力发电机组、太阳能跟踪器、电动车充电桩等设备中，带来高效的能源转换和利用效率。
综上所述，直流电动机是一种具有独特特点和广泛应用的电动机类型。
直流电机的工作原理及特性
Ia
3.12
T KtIa Ia T /Kt
n
U
K e
Ra
KeKt 2
3.7
Ia I f I I
3.10
并励发电机工作的条件：
1.要有剩磁（起始电流）； 2.励磁电流产生的磁场方向 和剩磁方向相同；
3.Rf’不能太大。
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.2.2 并励发电机
并励发电机自励和外特性 U f I
U0
tg
U0 If
Rf
If
U
U0
n=nN,调节If以获得所需的 空载电压U0 ,然后接上负载
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.3 直流电动机的机械特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
电压平衡方程
U E Ia Ra
3.11
Ia
U E Ra
Ia IN I f
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.3.1 他励电动机的机械特性
U E Ia Ra
3.11
E Ken
n
U
K e
Ra
K e
定子 换向器
转子
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和 工作原理
3.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图)
换向 极
主磁极
磁极数－主 磁极的个数
磁极对数= 磁极数/2
第三章 直流电机的工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和 工作原理
3.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）
第三章 直流电机的 工作原理及特性
3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性
直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性直流电动机是一种常用的机电一体化设备，其被广泛应用于各个领域中。
本文将会介绍直流电动机的机械特性以及其对电机性能的影响。
机械特性在直流电动机中，机械特性包括以下几方面：转矩-转速特性转矩-转速特性是描述直流电动机机械性能的一项基本参数。
在电动机工作过程中，其所能输出的最大转矩随着转速的升高而逐渐降低。
这是因为当电动机转速越来越快时，铁芯和电涡流产生的反磁场会减弱，从而导致电动机所能输出的最大功率下降。
负载特性负载特性是指在不同负载下电机的输出特性。
电动机工作时，其常常需要承受较大的负载。
在负载下，电机输出的功率与输出的转矩有直接的关系，因此负载特性也是衡量电机性能的重要指标。
稳态和瞬态特性电动机的稳态和瞬态特性是描述电机工作状态的两个重要参数。
稳态特性是指电机在稳定状态下的运作特性，而瞬态特性则是指电机在启动、停止和加速等瞬态过程中的运作特性。
机械特性对电机性能的影响电动机的机械特性对其性能的影响十分显著。
其中，转矩-转速特性对电机的负荷能力、效率和稳定性都有影响。
转矩-转速特性可以用动态转矩方程来描述，在实际应用中可以根据负载情况来调整电机的运行状态，以保证其在不同负载下的运行稳定性。
另外，稳态和瞬态特性对电机的启动、停止和加速等过程有直接的影响。
在启动过程中，电机可能会受到较大的起动电流，从而导致电机元件的过载。
在停止过程中，电机可能会产生反电动势，导致能量无法全部释放，影响到电机的效率。
因此，在电机的设计过程中需要充分考虑机械特性对电机性能的影响，以使其性能更加优越。
直流电动机的机械特性是描述其工作性能的一个重要因素。
转矩-转速特性、负载特性以及稳态和瞬态特性等机械特性对电机的性能和效率都有显著的影响。
在电机设计和应用中，我们需要充分考虑这些特性的影响，以保证电机的稳定性、负荷能力和实用性。
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广泛应用于工业领域的电动机，其机械特性对于在实际工程中使用起着至关重要的作用。
本文将介绍直流电动机的机械特性，包括其基本结构、工作原理、性能参数以及特性曲线等内容。
基本结构直流电动机主要由定子、转子、换向器、电刷、轴承等部件组成。
定子是固定的部件，包括定子铁心、定子绕组等；转子是旋转的部件，包括转子铁心、励磁绕组等；换向器用于改变电流方向，使电机正常运转；电刷与换向器配合使用，传递电流到转子绕组上；轴承则支撑转子的转动。
直流电动机的工作原理是利用电磁感应的原理，当电流通过转子绕组时，会在空间产生磁场，与定子的磁场相互作用产生转矩，推动转子旋转，从而实现电动机的工作。
性能参数直流电动机的性能参数主要包括额定电压、额定功率、额定转速、额定电流、效率等。
其中，额定功率是指电动机在额定电压、额定电流条件下所能输出的功率；额定转速是指电动机在额定电压下转动的转数；效率则是指电动机输出功率与输入功率之比。
特性曲线直流电动机的特性曲线包括转矩-转速曲线和效率-输出功率曲线。
转矩-转速曲线表示在不同负载下电动机的转子转速和输出转矩的关系，通常转矩与转速呈线性关系；效率-输出功率曲线则表示在不同输出功率下电动机的效率变化情况，一般在额定功率附近效率最高。
直流电动机广泛应用于各种机电设备中，包括传送机械、起动机、升降机、风机等，其机械特性对于实现各种功能起着关键作用。
结论直流电动机的机械特性是其性能的重要指标，了解并掌握电机的特性对于工程设计、运行维护等都有着重要的意义。
通过本文的介绍，相信读者对直流电动机的机械特性有了更深入的了解。
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。
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电机与变压器教案（首页）
教学内容纲要教学方法为硬机械特性，当附加电阻R’a
不为零时，R’a越大特性曲线的斜
率越大，它表明负载增大时，电
动机转速下降较多，叫软机械特
性。
并励电动机机械特性比他励稍软
二、串励直流电动机的机械特性
1.串励电动机的转速随转矩变化
而剧烈变化，为软特性。
2.启动转矩大，过载能力强
3.空载时，理想空载转速n0为无
限大，实际中也可达额定转速nN
的5—7倍（亦称飞车），因此不
允许空载或轻载运行。
三、直流电动机的启动
把直流电动机直接接入电源启
动，则启动电流很大。
从直流电
动机的电动势平衡方程式可得
a a
a
R E
U I -
=串励电动机的转矩和电枢电流的平方成正比
教案（续页）。