电机与电气控制技术课件 任务2 直流电动机2

学习情境2直流电动机的起动、调速、反转与制动任务2.1认识直流电动机任务2.2直流电动机的起动、调速、反转与制动化学工业出版社

学习情境2直流电动机的起动、调速、反转与制动【任务目标】技能目标：1.能正确选择直流电动机；2.能利用电压表、电流表测量电机电压和流；3.能正确完成电机控制线路的安装与接线；4.能正确使用合理方法对直流电机进行调速。知识目标：1.了解直流电动机的特点、用途和分类；2.熟悉直流电动机的机构和工作原理；3.熟悉直流电动机起动、反转、调速和制动的方法。

任务2.1认识直流电动机【任务描述】

直流电机是指能发出直流电的发电机，或通以直流电而转动的电动机。直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的起动性能，起动转矩较大；能在较宽的范围内进行平滑的无级调速；还适宜于频繁起动。因此，凡要求大范围无级调速，或者要求较大起动转矩的场合都采用直流电动机作为动力。它应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、矿井卷扬机、大型机床、起重机等设备中。小容量的直流电动机广泛应用于自动控制系统中。

任务2.1认识直流电动机

【任务描述】

直流发电机作为各种直流电源，用于直流电动机的电源，化学工业中电解、电镀的电源，发电厂中同步发电机的励磁电源，后者称为励磁机。直流电机也存在一些缺点，如制造中消耗金属较多，工艺较复杂，成本较高，运行中电流换向的故障较多，维修比较麻烦。对于粉尘比较大，易燃易爆场所直流电机根本不能应用，这是它致命的弱点。这些使直流电动机的广泛应用受到了一定的限制，没有交流电机应用广泛。本任务主要研究直流电动机的基本结构、工作原理和主要特性。

任务2.1认识直流电动机【子任务目标】技能目标：1．能认识直流电机；2．能正确选择直流电动机。知识目标：1．了解直流电动机的结构和功能；2．熟悉直流电动机的工作原理。

任务2.1认识直流电动机【知识准备】（一）直流电动机的基本结构直流电机进行能量转换，必须有磁场以及与磁场耦合的线圈，磁场与线圈之间还必须有相对运动。因此，直流电机由静止部分和转动部分组成。静止部分称为定子，包括主磁极、换向极、电刷装置和机座等主要部件。转动部分称为转子。直流电机的转子通常称为电枢，它主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件组成。图2.1.1所示为直流电机的结构图。下面对直流电机的主要部件作简要介绍。

任务2.1之【知识准备】

图2.1.1直流电动机的结构放大

（一）直流电动机的基本结构1．定子部分（1）主磁极主磁极的作用是产生主磁场，以便电枢在此磁场中转动而产生感生电动势。主磁场有两种形式：永久磁铁和电磁铁。绝大部分直流电机采用电磁铁。电磁铁由主磁极铁心和励磁绕组组成，如图2.1.2所示。主磁极铁心一般由1～1.5mm厚的钢板冲片叠压而成。绕制好的励磁绕组套在铁心外面，整个磁极用螺钉固定在机座上。主磁极总是成对出现的，各主磁极上的绕组连接时要能保证相邻磁极的极性按N极和S极依排列。为了减少气隙中有效磁通的磁阻，改善气隙磁通密度的分布波形，磁极下的极掌（或称极靴）较极身宽，这样也可以使励磁绕组牢牢地套在磁极上。

任务2.1之【知识准备】（一）直流电动机的基本结构1．定子部分（2）换向极换向极是用来改善直流电机换向的，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产小的火花。换向极装在容量大于1kW的直流电机的两主磁极之间，也是由换向极铁心和换向极绕组组成，如图2.1.3所示。一般换向极铁心用整块钢板加工而成。也可用1.5mm的钢板叠压。换向极绕组套在换向极铁心上，与电枢绕组串联。一般换向极的数量与主磁极相同。（3）机座电机定子部分的外壳称为机座。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。它有两个作用，一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并固定和支撑整个电机；二是作为电机磁路的一部分，构成磁极之间磁的通路。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。

任务2.1之【知识准备】（一）直流电动机的基本结构1．定子部分（4）电刷装置电刷的作用是将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压或直流电流引入或引出。电机中常用一套电刷装置来保证它的作用。电刷装置由电刷、弹簧、刷握、刷杆及刷杆座等组成。电刷是用石墨等制成的导电块，放置在刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上。容量大的电机，可在同一刷杆上并排安装一组刷握和电刷。一般刷杆数与主磁极数相等。由于电刷有正、负极之分，因此刷杆必须与刷杆座绝缘。电刷组在换向器表面应对称分布，刷杆座可与端盖或机座相连接。整个电刷装置可以移动，用以调整电刷在换向器上的位置。图2.1.4所示为电刷装置结构图。

任务2.1之【知识准备】

1-主磁极铁心1-主磁极铁心1-刷杆座2-刷握

2-机座3-励磁绕组2-换向极绕组3-电刷4-刷杆5-压力弹簧图2.1.2主磁极的结构图2.1.3换向极的结构图2.1.4电刷装置的结构（一）直流电动机的基本结构1．定子部分

任务2.1之【知识准备】放大（一）直流电动机的基本结构2．转子部分（1）电枢铁心电枢铁心是主磁路的一部分．同时要安放电枢绕组。由于电机运行时，电枢与气隙磁场间有相对运动，铁心中也会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，电枢铁心通常由0.5mm厚的表面绝缘的硅钢片经冲压叠装而成。冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内可安放电枢绕组，有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔，图2.1.5所示为电枢铁心冲片的形状和电枢铁心主体图。电机容量大时，电枢铁心的圆柱体还可分隔成几段，每段间隔10mm左右，以形成径向的通风道。

任务2.1之【知识准备】

任务2.1之【知识准备】（a）电枢铁心冲片（b）转子主体1-齿；2-槽；3-轴向通风孔；4-换向器；5-电枢绕组；6-电枢铁心；7-径向通风道图2.1.6线圈在槽内的安放示意图1-上层有效边；2.5-端接部分；3-下层有效边；4-线圈尾端；6-线圈首端

图2.1.7线圈在槽内的安放示意图（一）直流电动机的基本结构2．转子部分放大放大

（2）电抠绕组电枢绕组是直流电机电路的主要组成部分，它的作用是产生感应电动势或通过流过的电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组由许多线圈按一定的规律连接而成。这种线圈通常用高强度聚酯漆包线绕制而成，绕制好的绕组或成型绕组放置在铁心槽内，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分，绕组元件的一条有效边嵌入某个槽中的上层，另一有效边则嵌入另一槽中的下层，如图

2.1.6所示。在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。绕组与铁心槽之间及上、下层有效边之间均绝缘，如图2.1.7所示。槽口处沿轴向打入绝缘竹片或用环氧酚醛玻璃布板制成的槽楔，将线圈压紧并防止它在运行时飞出。

任务2.1之【知识准备】同样，端接线也要用玻璃带扎紧。线圈的两个端头按一定的规律焊接在换向片上。（3）换向器换向器的作用是与电刷一起将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体。每片换向片一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。所有换向片均放置在与它配合的只有燕尾槽的金属套简内，然后用V形钢环和螺纹压圈将换向片和套筒紧固成一个整体。换向片组与套筒、V形铜环之间均要用云母环绝缘，如图2.1.8所示。这样的换向器称为金属套筒式换向器。

任务2.1之【知识准备】

现代小型直流电机已广泛采用热压塑料代替金属套筒，这种塑料热压成型紧固的换向器，称为塑料换向器。

任务2.1之【知识准备】1-槽楔2-线圈绝缘3-导体4-槽绝缘5-层间绝缘6-槽底绝缘图2.1.7电枢槽内的绝缘1-换向片2-云母片3-云母套筒4-V形钢片5-钢套6-绝缘套筒7-螺纹压圈图2.1.8直流电机的换向器放大（二）直流电动机的铭牌铭牌钉在电机机座的外表面上，上面标明电机的主要额定数据，供使用者使用时参考。铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出产数据，如出厂编号、出厂日期等。1.电机型号电机型号表示电机的结构和使用特点，国产电机的型号一股用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品代号；第二部分字符用阿拉伯数字表示设计序号；

任务2.1之【知识准备】

第三部分字符是机座代号，用阿拉伯数字表示；第四部分字符表示电枢铁心长度代号，用阿拉伯数字表示。现以老型号Z3-42及新型号Z4-200-21

为例说明如下：

老型号

任务2.1之【知识准备】新型号Z4160/2—21

1号端盖

2号铁心极数为2中心高度（mm）

直流电动机，第四次设计

任务2.1之【知识准备】2．额定功率

是指在额定条件下电机所能供给的功率。额定功率对电动机和发电机的含义是不同的。对于电动机额定功率是指电动机轴上输出的额定机械功率；对于发电机额定功率是指电刷间输出的额定电功率。额定功率的单位为kW。3．额定电压是指额定运行条件下，电机出线端的工作电压。对于电动机，是指输入额定电压；对于发电机，是指输出额定电压。额定电压的单位为V或kV。

任务2.1之【知识准备】4.额定电流

是指电机在额定电压情况下，运行于额定功率的电流。对于电动机，是指在额定运行时从电源输入的电流；对于发电机，是指额定运行时供给负载的输出电流。额定电流的单位为A或kA。5.额定转速

是指对应于额定电压、额定电流，电机运行于额定功率所对应的转速，单位为r/min。

6.额定励磁电流

是指对应于额定电压、额定电流、额定转速与额定功率时的励磁电流。

任务2.1之【知识准备】7.励磁方式是指直流电动机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据电枢线圈与励磁线圈的连接方式不同。直流电机可分为他励式和自励式两种，自励式又可分为并励、串励、复励三种。

1)他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如下图(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图中电流正方向是以电动机为例设定的。

任务2.1之【知识准备】

任务2.1之【知识准备】2)并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。如图(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。

3)串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，如图(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。4)复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。

直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。

任务2.1之【知识准备】

任务2.1之【知识准备】(a)他励电动机(b)并励电动机(c)串励电动机(d)复励电动机

图1.20直流电动机的分类

关于额定容量，对直流发电机而言，是指发电机带额定负载时，电刷端输出的功率；对直流电动机而言，是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率。因此，直流发电机的额定容量应为

任务2.1之【知识准备】而直流电动机的额定容量为式中，是直流电动机的额定效率。它是直流电动机带额定负载运行时，输出的机械功率与输入的电功率之比。电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小应该是输出的额定机械功率除以转子额定角速度，即

此式在交流电动机中同样适用。

任务2.1之【知识准备】

直流电机运行时，若各个物理量都为额定值，就称为额定运行状态。由于电机是根据额定值设计的，因此，在额定运行状态下工作，电机能可靠地运行，并具有良好的性能。实际运行中，电机不可能总是上作在额定运行状态的，如果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行；而运行时电机的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的过载或欠载运行都不好。长期过载有可能因过热而损坏电机，长期欠载则运行效率不高，浪费容量。为此，在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能让电机工作在额定状态。

[例2-1-1]一台直流电动机其额定功率PN＝160kw，额定电压UN＝220V，额定效率ηN＝90%，

任务2.1之【知识准备】额定转速nN＝1500r／min，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少。

解额定输入功率

额定电流

额定转矩

任务2.1之【知识准备】（三）直流电动机的基本原理我们知道，载流导体在磁场中会受到磁场力的作用。直流电动机就是这一规律的具体应用。若磁场BX与导体l互相垂直，且导体中通以电流，则作用于载流导体上的电磁力f为图2.1.9

是直流电动机的工作原理模型。电刷A、B两端加直流电压,电流从电源的正极流出，经过电刷A与换向片1而流入电动机线圈，电流方向为,然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极。根据电磁力定律，线圈边与在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定。此电磁力形成的电磁转矩，使电动机逆时针旋转。此电磁力形成的电磁转矩，使电动机逆时针旋转。当线圈边转到S极，转到N极时，流经线圈的电流方向必须改变，

任务2.1之【知识准备】这样，导体所受的电磁力方向才能不变，从而保持电动机转向不变。保持导体中电流方向不变的任务由换向器来完成。由图2.1.9可以看出，原来电刷A通过换向片1与转到N极的导体相连；现在电刷A通过换向片2与转到N极的导体相连，电刷B通过换向片1与转到S极的相连。线圈中电流方向改变，用左手定则判断电磁力和电磁转矩的方向未变，电枢仍逆时针方向旋转。

任务2.1之【知识准备】图2.1.9直流电动机的工作原理模型放大（四）直流电动机的电枢反应当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，也要产生一个磁场，叫做电抠磁场。发电机的电枢磁场与电动机的电枢磁场是不同的，但它们的轴线均与主磁场的轴线垂直相交，所以又叫交轴磁场，如图2.1.10所示。在有负载的电机中，主磁场和电枢磁场是同时存在的。电枢磁场的存在对主磁场会产生影响，这种影响叫做电枢反应。

任务2.1之【知识准备】

图2.1.10直流电动机的交轴磁场

图2.1.11直流电动机的合成磁场

任务2.1之【知识准备】放大

电枢磁场和主磁场同时存在，共同作用在电枢上，这两个磁场的合成作用使磁场合成后的轴线逆着旋转方向偏过角。由于电枢磁场的影响使得主磁极的几何中性面的磁感应强度不再为零，物理中性面逆着旋转方向偏转角。这就是电枢反应的第一个影响，如图2.1.11

所示。电机工作在磁路近饱和的状态下，电枢磁场也削弱了主磁场，这是第二个影响。这对于直流电动机来说，除了换向器与电刷间的火花增大外，电动机的输出转矩还有所减少，若负载不变，则转速有所下降。综合上述分析，直流电机的电枢反应引起的影响是：（1）电机的主磁场发生畸变，磁极轴线发生了偏转。（2）电机的主磁场被削弱。

任务2.1之【知识准备】（五）直流电动机的电枢感应电动势和电磁转矩

1.感应电动势

通常所说的电枢电动势就是指正、负电刷之间的感应电动势。该电动势等于电枢绕组每一条支路中各导体的感应电动势之和。这些导体分布在电枢槽内，因而它们在气隙磁场中也就处在不同的位置。电枢旋转时，每个导体切割的磁通密度不一样，所以它们产生的感应电动势的大小也不一样。在不同瞬间，同一导体中感应电动势的数值也不同。设导体在电枢表面均匀分布，气隙磁通密度的平均值为Bav，电枢表面的线速度为v，电枢导体数为N，并联支路数为2a，每极磁通为Ф，磁极对数为p，则每条支路的总电动势为

任务2.1之【知识准备】

式中

Ce为电动势常数，Ea为电枢电动势。

2.电磁转矩不论是直流电动机或直流发电机，只要电枢绕组中有电流通过，通过导体与气隙磁场相互作用就产生电磁力，从而产生电磁转矩。

任务2.1之【知识准备】

设绕组每一条支路中流过的电流为ia，电枢总电流为Ia，电枢导体数为N，并联支路数为2a，设电枢直径为D，

将电机电枢的周长用电机的极距表示则作用在电枢上总的电磁转矩为

由上式可知，电机的电磁转矩与气隙磁通和电枢电流的乘积成正比。当气隙磁通恒定时，电枢电流越大，电磁转矩越大；当电枢电流一定时，气隙磁通越大，电磁转矩也越大。

任务2.1之【知识准备】（六）直流电动机1.直流电动机的分类按结构形式分为：开启式、防护式、封闭式和防爆式几种；按容量大小分为：小型、中型和大型直流电动机；按励磁方式可分为：他励、并励、积复励、差复励和串励。

任务2.1之【知识准备】a）他励b）并励c）积复励d）差复励e）串励图2.1.12直流电动机各种励磁方式接线图放大2.电力拖动系统的运动方程式

1）电力拖动系统简介用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产任务的过程称之为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力拖动。（1）电力拖动系统的组成电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备以及电源五部分组成，如图2.1.13所示。

任务2.1之【知识准备】图2.1.13电力拖动系统组成（2）电力拖动系统的运动方程如图2.1.14所示为单轴电力拖动系统，电动机直接与生产机械的工作机构相连接，电动机与负载用同一个轴，以同一转速运行。

任务2.1之【知识准备】图2.1.14单轴电力拖动图2.1.15

他励直流电动机放大放大图中标出的最主要的物理量有：n为电动机转速，T为电动机电磁转矩，TL为负载转矩。由于电动机负载运行时，一般情况下TL》T0

，故可忽略T0（T0为电动机空载转矩）。图中还标注了各量的正方向（按电动机惯例），若转速、电磁转矩、负载转矩都为正值时，那么电磁转矩是拖动性质的转矩，负载转矩则属制动性质的转矩单轴电力拖动系统中，电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用运动方程式描述为:我们称（T

－TL）为动转矩。动转矩等于零时，系统处于恒转速运行的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运动的过渡过程中；动转矩小于零时，系统处于减速运动的过渡过程中。

任务2.1之【知识准备】3.直流电动机的基本方程1）电压平衡方程式

图2.1.15为一台他励直流电动机的示意图。根据图2.1.15中用电动机惯例所设各量的正方向，用基尔霍夫电压定律可以列出电压平衡方程式2）转矩平衡方程式稳态运行时，作用在电动机轴上的转矩有3个。一个是电磁转矩T，方向与转速n相同，为拖动转矩；一个是电动机空载损耗转矩T0，是电动机空载运行时的制动转矩，方向总与转速n相反，还有一个是轴上所带生产机械的转矩T2，一般为制动转矩。

任务2.1之【知识准备】3）功率平衡方程式将式电压平衡方程两边乘以电枢电流Ia，得4）电磁功率

任务2.1之【知识准备】

任务2.1之【任务实施】引导问题为：（1）直流电动机有什么用处？按励磁方式怎样分类？

（2）直流电动机的主要结构有哪几部分？

（3）直流电动机的主要额定值有哪几个，直流电动机、直流发电机的额定容量、额定电压的意义相同吗？（4）什么是直流电动机的电枢反应？电枢反应对电机主磁场的有哪些？（5）写出直流电动机的电动势公式、电磁转矩公式、电压平衡方程式，解释各式中各符号的含义。（6）电力拖动系统有哪几部分组成？

3）教师通过图片、实物或多媒体分析演示让学生了解直流电机结构、原理、铭牌参数并举例，或指导学生自学。

任务2.1认识直流电动机【学习小结】

1.直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。它可以将机械能转换为直流电能，称之为直流发电机；也可以将直流电能转换为机械能，称之为直流电动机。2.直流电机按用途可分为直流发电机和直流电动机两类。按励磁方式可分为他励和自励两大类。其中自励电机又可分为并励、串励、复励三种形式。直流电机在结构上分为固定部分和转动部分。固定部分主要是主磁极，由它产生主磁场。转动部分主要是电枢，电枢绕组是直流电机的核心部分，在其中产生感应电动势和感应电流，通过电流产生电磁转矩，传送电磁功率，进行电能和机械能的相互转换。

3.直流电机是根据电流和磁场的相互作用原理来工作的。直流发电机是根据导线在磁场中运动而产生感应电动势的原理来工作的；直流电动机是根据通电子体在磁场中受到磁场作用力的原理来工作的。4.直流电机运行时，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场对主磁场的作用，称电枢反应。主磁极产生主磁场，主磁场和电枢磁场的合成磁场是电机的工作磁场。电枢反应使主磁场的物理中性面产生偏移，并削弱磁场，其主要表现在电流换向问题上。

任务2.1之【学习小结】

任务2.1认识直流电动机【自我评估】2.1-1直流电动机的主要结构有哪些？各有何作用？2.1-2直流电机是如何分类的，其铭牌各项分别代表什么？2.1-3直流电机的主磁场是怎么产生的？2.1-4一台直流发电机数据为：额定功率PN=10kW，额定电压UN=230 V,额定转速

nN=

2850r／min

，额定效率ηN＝0.85。求它的额定电流及额定负载时的输入功率。2.1-5一台直流电动机的额定数据为：额定功率PN＝17kW，额定电压UN＝220V，额定转速nN＝2850r／min，额定效率ηN＝0.83，求它的额定电流及额定负载时的输入功率。

2.1-6一台直流电机有两对磁极（p=2），每极的气隙磁通Ф=0.14Wb，电枢绕组有两对并联支路（a=2），共有导体N＝348根，当电机转速为1450r/min时，电枢电动势是多少？2.1-7一台并励直流发电机额定电压UN=230V，电枢电阻Ra=0.25Ω，励磁绕组RE=460Ω，负载电阻RL＝50Ω，求电枢电流和电动势。

任务2.1之【自我评估】任务2.2直流电动机的起动、调速、反转与制动【任务描述】

直流电动机在需要宽范围调速的场合或要求有特殊运行性能的自动控制系统中，—直占有十分重要的地位。直流电动机具有以下一些优良特性：（1）它具有调速平滑、方便和调速范围宽和优良的调速持性；（2）能够承受频繁的冲击负载，以及过载能力大；（3）可进行频繁的无级快速起动、反转和制动；（4）能够满足生产：过程自动化系统各种不同的特殊运行要求本任务主要研究直流电动机的起动、调速、反转及制动原理和方法。任务2.2直流电动机的起动、调速、反转与制动【子任务目标】技能目标：1.能正确操作直流电动机的起动和反转；2.能基本操作直流电动机的制动、调速。

知识目标：1.掌握直流电动机的起动方法；2.掌握直流电动机的制动方法；3.了解直流电动机的调速方法；4.掌握直流电动机的反转方法。

任务2.2之

【知识准备】负载的转矩特性生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩TL之间的关系。各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。1．恒转矩负载特性所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL的大小不随转速n而改变的负载。按负载转矩TL的方向是否与转向有关，恒转矩负载特性又分为反抗性负载和位能性负载两种。任务2.2之

【知识准备】负载的转矩特性1）反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩TL的大小不变，但方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，其特性在第一和第三象限，如图2.2.1所示。属于这类特性转矩如摩擦转矩等。2）位能性恒转矩负载这种负载的特点是不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升或下放重物时，由于重力所产生的负载转矩的大小和方向均不改变。其负载转矩特性在第一和第四象限，如图2.2.2所示。

任务2.2之

【知识准备】负载的转矩特性

图2.2.1反抗性恒转矩负载特性图2.2.2位能性恒转矩负载特性任务2.2之

【知识准备】2．恒功率负载特性恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，即即负载转矩TL与转速n成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大(TL大)，阻力大，转速低；精加工时，切削量小(TL小)，转速高。恒功率负载特性曲线如图2.2.3所示。

图2.2.3恒功率负载特性曲线图

任务2.2之

【知识准备】3．泵与风机类负载特性通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的平方成正比，即，式中K——比例常数。常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图2.2.4所示。应当指出，以上3类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如实际的通风机负载除了主要风机负载特性外，其轴上还有一定的摩檫转矩，故实际通风机的负载特性为其负载特性曲线如图2.2.5所示。起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴的负载转矩应是上述两个转矩之和。

任务2.2之

【知识准备】负载的转矩特性

2.2.4通风机负载特性曲线2.2.5实际通风机负载特性曲线任务2.2之

【知识准备】（一）直流电动机的机械特性1.并励电动机的机械特性

并励电动机的原理接线图如图2.2.6所示，图中RQT为起动调速两用电阻。由于电压U和励磁回路可调电阻RP均为恒值，如忽略电枢反应的影响，可知励磁电流IE和对应的磁通也为恒值。分析电动机的机械特性，就要分析转速与转矩之间的关系。图2.2.6并励电动机的原理接线图图2.2.7直流他励电动机的机械特性根据电动机的电压平衡方程式：

将代入上式得

则又因为得

所以

任务2.2之

【知识准备】上式称为机械特性方程。式中叫作电动机理想空载转速，它相当于无损耗时的空载转速，即为M=0时的转速。若用n0表示，用β

表示，则上式可写成：当电动机输出转矩T时，即带负载的情况下，就存在Δn。所以直流他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线，而且β斜率越大，Δn就越大，机械特性越“软”；反之，特性越平坦，机械特性越“硬”。一般直流他励电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬.

任务2.2之

【知识准备】机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。1.固有机械特性固有机械特性的特性曲线如图2.2.8中曲线1所示，其特点是:(1)对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条；(2)由于，特性曲线的斜率β较小，Δn较小，特性较平坦，属于硬特性。2.人为机械特性上式三个参数中，保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，从而得到不同的机械特性，使机械特性满足不同的工作要求。这样获得的机械特性，称为人为机械特性。直流他励电动机的人为机械特性有以下3种。

任务2.2之

【知识准备】Ra=0

任务2.2之

【知识准备】1）电枢串接电阻时的人为机械特性

电枢回路串接电阻RS，总电阻。保持U=UN，Φ=ΦN，此时的人为机械特性方程式：

其机械特性如图2.2.8所示。与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点：(1)理想控制转速与固有特性时相同，且不随串接电阻RS的变化而变化；(2)随着串接电阻RS的加大，特性的斜率β加大，转速降落Δn加大，特性变软，稳定性变差。(3)机械特性由与纵坐标轴于一点(n=n0)，但具有不同斜率的射线族所组成。(4)串入的附加电阻RS越大，电枢电流流过RS所产生的损耗就越大。

任务2.2之

【知识准备】

图2.2.8电动机的固有机械特性和电枢串接电阻时的人为机械特性2）改变电源电压时的人为机械特性此时电枢回路附加电阻RS=0，保持Φ=ΦN，改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。此时的人为机械的性方程式为其机械特性如图2.2.9所示。与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为：(1)特性斜率β不变，转速降落Δn不变，但理想空载转速n0降低；(2)机械特性由一组平行线所组成；(3)由于RS=0，因此其特性较串联电阻时硬。(4)当Tem＝常数时，降低电压，可使电动机转速n降低。曲线1－U=UN时的人为机械特性，曲线2、3－U<UN且U1>U2时的人为机械特性

任务2.2之

【知识准备】

任务2.2之

【知识准备】图2.2.9直流他励电动机改变电源电压时的人为机械特性3）改变电动机主磁通时的人为机械特性在励磁回路内串联电阻RSf，并改变其大小，即能改变励磁电流，从而使磁通改变(见图2.7)。一般电动机在额定磁通下工作，磁路已接近饱和，所以改变电动机主磁通只能是减弱磁通。减弱磁通时，使电枢回路附加电阻RS=0；电源电压U=UN。此时的人为机械特性方程式为转速特性：Φ为不同数值时的人为机械特性曲线如图2.2.10（a）所示。其特点为：(1)理想空载转速n0与磁通Φ成反比，即当Φ下降时，n0上升；(2)磁通Φ下降，特性斜率β上升，且β与Φ2成反比，曲线变软；(3)一般Φ下降，n上升，但由于受机械强度的限制，磁通Φ不能下降太多。

任务2.2之

【知识准备】

在图2.2.10（b）中，TKN、TK1、TK2分别为ΦN、Φ1、Φ2时的堵转转矩，n=0,堵转转矩,由于Ik=常数，ΦN>Φ1>Φ2，故TKN>TK1>TK2即TK将随Φ之减弱而降低，同时n0增大，特性变软。

任务2.2之

【知识准备】(a)转速特性(b)机械特性图2.2.10减弱磁通时的人为特性

一般情况下，电动机额定负载转矩TN比TK小得多，故减弱磁通时通常会使电动机转速升高。但也不是在所有的情况下减弱磁通都可以提高转速，当负载特别重或磁通Φ特别小时，如再减弱Φ，反而会发生转速下降的现象。这种现象可以利用机械特性方程式来解释。当减弱磁通时，一方面由于等式右边第一项的因素提高了转速，另一方面由于等式右面第二项的因素要降低转速，而且后者与磁通的平方成反比，因此，在负载转矩大到一定程度时，减弱磁通所能提高的转速，完全被因负载所引起的转速降落所抵消。在实际电动机运行中，不允许在过大的负载电流下工作。

任务2.2之

【知识准备】2.串励电动机的机械特性串励电动机的原理接线图如图2.2.11所示。

图2.2.11串励电动机原理接线图图2.2.12串励电动机的机械特性曲线

任务2.2之

【知识准备】放大

串励电动机特点是励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流。磁通是隨电枢电流变化的，磁路未饱和时，磁通基本上与电枢电流成正比，即，因而将上式代入令则任务2.2之

【知识准备】

可见，串励电动机在磁路不饱和时的机械特性曲线为双曲线，如图2.2.12所示。转速隨负载的增加下降较快，机械特性很软。因空载过高，串励电动机不允许空载运行。为保证这一点，他和负载不能用皮带传动，以防皮带断裂或滑脱造成“飞车”事故。当磁路饱和时，负载增大，电流增大时，磁通变化不大，机械特性均为直线，如图曲线后面部分。如果在电枢回路串入不同的附加电阻RP，则可以得到图2.2.12中的曲线2和3。3.各种直流电动机的应用范围

各种直流电动机的应用范围，主要取决于电动机本身的特性。他励直流电动机广泛用于需要宽调速的拖动系统中，如龙门刨床等。

任务2.2之

【知识准备】

并励直流电动机基本上是一种恒定转速的电动机，必要时可以调速，因此一般用于拖动转速变化较小的负载，如金属切割机床，球磨机等。专门设计的并励调速电动机可在较大范围内平滑调速，用于轧钢机、造纸机等。串励电动机起动转矩和过载能力较大．同时转速随负载变化明显。当负载转矩增大时，电动机转速会自动下降，但输出功率变化不大。适应于城市电车、电力机车、叉车、起重机、电梯等电力牵引设备中。以并励为主的复励电动机具有较大的转矩，但转速变化不大，主要用于冲床、刨床、印刷机等。以串励为主的复励电动机具有与串励电动机接近的特性，但没有“飞车”危险，常用于吊车、电梯中。

任务2.2之

【知识准备】（二）直流电动机的起动与反转1.直接起动电动机的起动是指电动机接通电源后，电动机由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在起动瞬间（n=0）的电磁转矩成为起动转矩，起动瞬间的电流称为起动电流，分别用Tst和Ist表示。起动转矩为如果他励直流电动机在额定电压下直接起动。由于起动瞬间转速n=0，电枢电动势Ea=0，故起动电流为

任务2.2之

【知识准备】因为电枢电阻很小，所以直接起动电流将达到很大的数值，可达到额定电流的10～20倍。过大的起动电流会引起电网电压的下降；使电动机的换向严重恶化，甚至烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除了个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不允许直接起动的。对直流电动机的起动，一般有如下要求：（1）要有足够大的起动转矩；（2）起动电流要限制在一定的范围内；（3）起动设备简单、可靠。为限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻起动或降低电枢电压起动。

任务2.2之

【知识准备】2.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动可以采用串分立电阻与继电—接触系统电路配合来实现电阻的接入与切除；也可以采用市场上的定型产品—起动变阻器。起动变阻器设备简单，操作方便，适用于中小型直流电动机。通常把起动电流限制在1.5～2.5IN的范围内来选择起动电阻的大小。电枢回路串电阻起动的基本原理是：电枢回路中串入全额电阻。接通电源，电动机开始转动。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流减小，再逐步减少起动电阻阻值，直到电机稳定运行，起动电阻全部切除。

任务2.2之

【知识准备】

图2.2.13为三点起动器与并励电动机的接线图。起动时，把手柄从触点0拉到触点1上时，电动机开始起动，此时全部电阻串在电枢回路内。把手柄移过一个触点，即切除一段电阻，其过程和前述闭合接触器的触点一样。当把手柄移至触点5时，起动电阻就被全部切除了，此时电磁铁YA把手柄吸住。在正常运行中，如果电源停电或励磁回路断开，则电磁铁YA失去吸力，手柄上的弹簧把手柄拉回到起动位置0点，以起保护作用。

图2.2.13三点起动器及其接线图任务2.2之

【知识准备】放大

任务2.2之

【知识准备】图2.2.14直流他励电动机分二级起动的电路和特性(a)电路图(b)特性图（c）启动过程

任务2.2之

【知识准备】1．起动过程分析当电动机起动前，应使励磁回路的调节电阻RSf=0，使If最大，即Φ最大，电枢电路串入了全部附加电阻，在额定电压UN下起动，起动电流为，一般要求。如图2.2.14(a)所示的起动电路中，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U，触点KM1、KM2均断开，电枢串入了全部附加电阻RS1+RS2，电枢回路总电阻为Ra1=Ra+RS1+RS2。这时起动电流为与起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于该电阻所确定的人为机械特性如图2.2.14(b)中的曲线1所示。

任务2.2之

【知识准备】

由于起动转矩T1大于负载转矩TL，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。在图2.2.14(b)上，由a点沿曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻RS2。b点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。切除RS2后，电枢回路总电阻为Ra2。这时电动机对应于该电阻所确定的人为机械特性，见图2.2.14(b)中曲线2。在切除起动电阻RS2的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。适当地选择所切除的电阻值RS2，使切除RS2后的电枢电流刚好等于I1，所对应的转矩为T1，即在曲线2上的c点。又有T1>T2，电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线2上升到d点。控制点KM2闭合，又切除一切起动电阻RS1。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固有机械特性上。电枢电流又由I2突增到I1，相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1>TL，沿固有特性加速到g点,T=TL，n=ng，电动机稳定运行，起动过程结束。3.降压起动当直流电源电压连续可调或针对大功率的直流电动机起动时，可以采用降压方法起动。其基本原理是：起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流便随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一定的数值，从而保证电动机按所需加速度升速。降压起动多用于要求经常起动的电动机和大、中型直流电动机。虽然需要专门电源，设备投资大，但它起动平稳，起动过程中能量损耗小，因而得到了广泛的应用。

任务2.2之

【知识准备】（a）特性曲线（b）启动过程4.直流电动机的反转使用直流电动机的许多设备，常常要求电动机既能正转，又能反转，如龙门刨床工作台的往复运动、电车的前进和后退等。直流电动机的电磁转矩是由主磁通和电枢电流相互作用而产生的，改变任意二者之一的方向，就可以改变电磁转矩的方向。使直流电动机反转的方法有两种：（1）保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，使通过的励磁电流方向改变。（2）保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使通过它的电流反向。如果，两电流方向同时改变，则电动机旋转方向不变。

任务2.2之

【知识准备】

（三）直流电动机的制动1.能耗制动

图2.2.15是并励电动机的能耗制动原理接线图。一台并励电动机切断电源后，把电枢两端接到一只适宜的电阻上，把开关S从位置1转到位置2上，电动机就迅速停车。这种制动方法，电动机停车虽不十分迅速，但减速平稳，没有大的冲击。

图2.2.15能耗制动原理接线图

任务2.2之

【知识准备】放大

任务2.2之

【知识准备】放大(a)正向电动状态(b)能耗制动状态(c)机械特性图2.2.16直流他励电动机能耗制动示意图系统工作于制动状态时，其机械特性方程式：

或

任务2.2之

【知识准备】放大式中T为负值。U=0，所以n0=0。因此，能耗制动的机械特性为通过坐标原点的直线，其斜率β决定于电阻RS的值，改变RS就可以改变制动强度，如图2.2.16(c)所示。

电动机原来为正向电动，工作在第一象限的A点。若突然将电枢电源断掉，转而投到制动电阻上，进行能耗制动时，转速n来不及变化，其工作点水平移到能耗制动时的机械特性上的B点。在制动状态的作用下，沿其特性减速到零为止，这是在阻力负载的情况下。如果是位能负载，到n=0、T=0时，并不能停车，而是有重物拖着电动机反方向加速，转速为负，转矩为正，沿BO的延长线变化，而进入第四象限，直到负载特性与电动机机械特性交于C点时，Tem=TL为止。这时系统以nc稳速下放。2.反接制动反接制动就是电源电压反接到电枢绕组或励磁绕组上，让正在转动的电动机反转，以加速电枢停转过程。反接制动分为电压反接制动和负载倒拉反转反接制动两种。（1）电压反接制动电压反接制动原理接线图如图2.2.17所示。反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB。RB应使反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许电流Imax=（2～2.5）IN，因此应串入的制动电阻值为

任务2.2之

【知识准备】图2.2.17电压反接制动原理接线图

放大任务2.2之

【知识准备】(a)正向电动状态(b)电压反接的反接制动状态(c)机械特性图2.2.18直流他励电动机电压反接的反接制动示意图

式中由于U为负，所以n0，为负，Tem亦为负。由于电枢串入电阻RS，所以特性斜率β很大，如图2.2.18(c)所示，图中BC即为电枢反接的反接制动机械特性。任务2.2之

【知识准备】从机械特性上来看，进入电压反接之前，系统稳定运行在正向电动状态，如图2.20(c)上的A点，此时Tem=TL，n=nA，在电枢反接瞬间，由于系统的机械惯性，转速n的大小及方向都不能立刻改变，电枢电势Ea亦不能改变，电动机由A点水平过渡到反接后的机械特性上的B点。由于这时电枢反接，所以U为负，电枢电流:

在此反向电流的作用下，系统减速，由图2.2.18(c)中反接制动特性上的B点向C点变化。到C点如不切除电枢电源，系统会自行反转而进入反向电动状态，直到最终稳定在第四象限的E点。电枢反接后的机械特性方程式为或式中由于U为负，所以n0，为负，Tem亦为负。由于电枢串入电阻RS，所以特性斜率β很大，如图2.2.18(c)所示，图中BC即为电枢反接的反接制动机械特性。（2）负载倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于恒转矩负载，其接线图如图2.2.19所示。由于串入电阻较大，使转速反向，但因励磁不变，电枢电流方向不变，故电磁转矩的方向也不变，电动机处于制动状态。任务2.2之

【知识准备】图2.2.19负载倒拉反转反接制动接线图图2.2.20回馈制动原理接线图放大放大

反接制动需要注意的是：（1）电枢绕组反接时，一定要给电枢串联外加电阻，以降低电枢内的电流。因为在切断电枢电源的短时间内，电枢中的感应电动势很大，方向与反接后的电压相同。几乎等于2倍的端电压。若不外接电阻，将有很大的电流通过电枢，换向器和电刷间产生强烈火花，以致造成损坏。（2）当电动机转速降低近于零时，要迅速切断电源，以免电动机反转。反接制动法，适用于要求强烈制动或要求迅速反转的场合。缺点是制动时机械冲击较大，消耗能量较多。任务2.2之

【知识准备】3.回馈制动并励电动机在运行时，由于某种客观原因，使实际转速n超过其空载转速n0，电枢中的反电动势Ea，大于电源电压U，这时候，电动机变成了发电机，电枢中电流方向发生改变，由原来的与电压相同变为与电压相反，电流流向电网，向电网回馈电能，电磁转矩变为制动转矩，因此叫作回馈制动或反馈制动。当位性能负载使电动机加速时，可使转速大于n0；当直流电动机以调压调速方式运行时，且负载为恒转矩时，若突然降低电枢电压感应电动势来不及变化，使Ea＞U，这两种情况下，均会出现回馈制动状态，如图2.2.20所示。

任务2.2之

【知识准备】（四）直流电动机的调速电动机在机械负载不变的情况下，改变电动机的转速叫调速。由电动机的机械特性方程可知，当转矩M不变，只要改变电源电压U、电枢电阻Ra、主磁通Ф

三个因素中的任意一个，电动机的转速就可以得到调节。任务2.2之

【知识准备】任务2.2之

【知识准备】1.电枢回路串电阻调速对已经出厂的电动机，它的电枢电阻是一定的，但是可以在电枢回路中串联一个可变电阻来调速，其接线原理图与图2.2.5串联电阻器起动原理图相同。调速变阻器可以作为起动变阻器用，相反，起动变阻器却不能作为调速变阻器用。原因是起动变阻器按短时间接通工作设计的，不能够长时间通电使用。这种调速方法的特点是：（1）电动机只能得到比自然机械特性更陡的机械特性，转速只能调低，且为恒转矩调速。（2）低速时，调速电阻上通过较大的电流，使电动机效率降低。（3）如果负载稍有变动，电动机的转速就会有较大的变化，对于要求恒转速的负载不利。2.降低电源电压调速从电动机的机械特性可知，降低电枢的端电压，也可相应地提高或降低直流电动机的转速。采用这种方式调速时，应注意保持励磁电流不变，只改变电枢电压。因此需要可变电压的直流电源。近几年来，晶闸管整流设备作为可调电压的电流电源已经普通使用，采用这种方法调速比较方便。这种调速方法的特点是：（1）可以平滑凋速，且调速范围宽，但构成系统的设备较复杂。（2）机械特性较硬，转速稳定。（3）转速只能调低，不能调高，也是恒转矩调速。

任务2.2之

【知识准备】3.改变励磁磁通调速

变磁通调速一般是增大励磁回路电阻，使磁通减小，转速上升，其原理接线图如图2.2.10所示。在励磁回路中串联一只调速电阻RP1，当电枢回路附加电阻RP2=0时，调节励磁回路电阻RP1调节转速，从而改变电机转速。

这种调速方法的特点是：

（1）可得到无级平滑调速。（2）励磁电流小能量消耗少，调速范围大，高速等于3～4倍低速。（3）调速后的机械特性较硬，转速较稳定，属恒功率调运。任务2.2之

【知识准备】

缺点是：只能使转速升高．不能获得低于自然机械特性以下的转速。如果改变电枢电压和改变励磁回路电阻调违法配合使用，可以得到很广的调速范围。在调速性能要求较高的机械设备上多采用这种方法。

图2.2.10变磁通调速原理接线图任务2.2之

【知识准备】放大引导问题为：（1）什么叫直流电动机的机械特性？写出直流电动机的机械特性表达式。（2）直流电动机常用什么方法启动？启动时有什么特征？（3）直流电动机的制动方法有几种，各有什么特点？（4）直流电动机的调速方法有几种，各有什么特点？（5）如何使直流电动机的改变转动方向？3）教师通过图片、实物或多媒体分析演示让学生了解直流电动机启动、反转、制动与调速原理和方法，或指导学生自学。

4）实际对给定的直流电动机进行起动/反转训练。任务2.2之

【任务实施】3.实施内容与步骤：

（1）他励直流电动机的起动准备

按图2.2.11接线。图中直流他励电动机M,其额定功率PN=185W，额定电压UN=220V，额定电流IN=1.2A,额