電機(jī)與電氣控制技術(shù) 課件 5-2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

任務(wù)二直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性任務(wù)描述

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

常見生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載通風(fēng)機(jī)型負(fù)載1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

常見的生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小為一個(gè)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(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性如圖所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小不變，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方向相反。例如，電車在平地行駛中所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

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

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

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

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性--參數(shù)式中，

—電動(dòng)勢常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；

—?dú)庀睹繕O磁通(Wb)；

—直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；

—電動(dòng)機(jī)的電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(V)。直流電動(dòng)機(jī)的磁場是由主磁極產(chǎn)生的勵(lì)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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢Ea，在直流電機(jī)中，此電動(dòng)勢的方向與轉(zhuǎn)子電流

的方向相反，稱為反電動(dòng)勢。此感應(yīng)電動(dòng)勢為：1.電樞電動(dòng)勢

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性--參數(shù)可見，對于已經(jīng)制造好的直流電動(dòng)機(jī)，其感應(yīng)電動(dòng)勢大小正比于每極磁通和轉(zhuǎn)速n。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可由直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和主磁場方向決定。在直流電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相當(dāng)于反電動(dòng)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(lì)、井勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(lì)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：

式中，

為電源給電動(dòng)機(jī)提供的總功率，即輸入功率

，

為電源給電動(dòng)機(jī)提供的輸入電流；

為勵(lì)磁回路內(nèi)部消耗的功率，即勵(lì)磁回路的銅損耗，

為電樞回路的銅損耗。3.直流電動(dòng)機(jī)的效率4.電磁轉(zhuǎn)矩

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性--參數(shù)式中，

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；

—?dú)庀睹繕O磁通(Wb)；

—電樞電流(A)；

—電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性--參數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢同時(shí)存在于同一臺直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電動(dòng)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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩的方向與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，起驅(qū)動(dòng)作用。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的兩個(gè)主要物理量是轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是研究電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩

之間的關(guān)系，即

。機(jī)械特性曲線可分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。

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

，則他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為：

式中，

—理想空載轉(zhuǎn)速（r/min），

=

；Δn—轉(zhuǎn)速降，

；—機(jī)械特性的斜率。1.固有機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)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(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。固有機(jī)械特性表達(dá)式為：固有機(jī)械特性曲線如圖所示。1.固有機(jī)械特性

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)固有機(jī)械特性具有如下特點(diǎn)：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(dāng)

時(shí)，

為理想空載轉(zhuǎn)速，因?yàn)?/p>

是不可能為0的，電動(dòng)機(jī)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(jī)械特性斜率的值很小，特性較平，習(xí)慣稱之為硬特性，若其值較大，則稱為軟特性。4)當(dāng)

時(shí)，轉(zhuǎn)速

，此點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)的額定工作點(diǎn)。此時(shí)，轉(zhuǎn)速差

，稱為額定轉(zhuǎn)速差。一般

。5)當(dāng)

，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，

，此時(shí)，電樞電流稱為起動(dòng)電流，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由于電樞電阻很小，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都比額定值大很多（可達(dá)額定值的幾十倍），這會給電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來危害。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性一臺直流電動(dòng)機(jī)只有一條固有機(jī)械特性，對于某一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，只有一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，這顯然無法達(dá)到實(shí)際拖動(dòng)對轉(zhuǎn)速變化的要求。為了滿足生產(chǎn)機(jī)械加工工藝，例如起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等各種工作狀態(tài)的要求，還需要人為地改變直流電動(dòng)機(jī)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(jī)械特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機(jī)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(jī)械特性表達(dá)式為

轉(zhuǎn)子串入不同電阻時(shí)的人為機(jī)械特性曲線如圖所示。這種人為機(jī)械特性的特點(diǎn)：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(jī)械特性曲線是一組通過理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)的放射性直線。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機(jī)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(jī)械特性表達(dá)式為

改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機(jī)械特性曲線如圖所示。改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機(jī)械特性的特點(diǎn)：理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電壓成正比，且為負(fù)值時(shí)，也為負(fù)值；特性斜率不變，與固有機(jī)械特性相同。因此改變轉(zhuǎn)子電壓的人為機(jī)械特性是一組平行于固有機(jī)械特性的直線。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性減弱磁通的人為機(jī)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(jī)械特性。減弱磁通是通過減小勵(lì)磁電流（如