专题四十一 直流电动机及其机械特性（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题四十一 直流电动机及其机械特性（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.能理解“电能→电磁功率→机械能”的转换逻辑，以及转矩平衡对稳定运行的意义。

2.能定义直流电动机机械特性，区分他励/并励电动机“硬特性”与串励电动机“软特性”的特点。

3.能根据不同直流电动机的机械特性，准确匹配典型应用场景。

4.能结合平衡方程式和机械特性，分析简单工况变化（如负载增大、电枢电压降低）对直流电动机关键参数的影响。

二、知识点梳理

一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式

1.直流电动机的电动势平衡方程式

在直流电动机中,电枢电流与感应电动势的方向相反,电源电压U与感应电动势E和电枢内部电阻压降IaRa相平衡,因此,电动势平衡方程式为

                                  U=Ea+IaRa        (7-19) 

电动机属于用电器,式(7-19)表示的物理意义是,电动机加上电源电压后,电枢内要产生反电动势,电枢电阻有电流通过时,要产生电压降。准确地说,上式应称为电压平衡方程式,以与发电机电动势平衡方程式相区别。

2.直流电动机的功率平衡方程式

       P1=P2+P0+PaCu+ PeCu                (7-24) 或     P1=P2+△p

式中 P1 —— 电源的输入功率；P2 —— 电动机轴上的输出机械功率；△p —— 电动机总损耗功率。

这就是电动机的功率平衡方程式。和发电机的功率平衡方程式相比,它们的形式是一样的。P1、P2所表示的实质是不一样的。P1对发电机来说是输入的机械功率,对电动机来说是输入的电功率。P2对于发电机来说是输出的电功率,对电动机来说是输出的机械功率。图7-34所示为并励电机的功率平衡图,可以形象地说明各功率之间的关系。

3.转矩平衡方程式

将式(7-23)用电动机的角速度Ω去除,可得

   Pe/Ω  =  P2/Ω  =  P0/Ω                   Te  = T2 + T0                          （7-25）

式中Te——电动机的电磁转矩;T2——电动机的输出转矩; T0——电动机的空载转矩。

式(7-25)称为直流电动机的转矩平衡方程式。

直流电动机的电磁转矩如图7-35所示,电磁转矩T克服负载的制动转矩T2和空载转矩 T0,带动工作机以电流N恒转速n稳定运行。             

二、直流电动机的机械特性

对直流电动机来说,转速和转矩是我们最关心的运行数据。当电压为额定值,电枢回路和励磁回路电阻均为恒值时,转速与转矩的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。当外加电压与励磁电流为额定值,电枢回路串联的外加电阻为零时的机械特性称为自然(固有)机械特性,从空载到额定负载,转速下降不多,故称硬机械特性。当电枢回路的外加电阻不为零或者非额定电压，或者非额定励磁电流时的机械特性称为人为(人工)机械特性,负载增大时,转速下降较快,称为软机械特性。

1.并励电动机的机械特性 

并励电动机的原理接线图如图7-36所示,图中RSTR为启动、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Φ中也为恒值。

2.串励电动机的机械特性

串励电动机的原理接线图如图7-38所示。其特点是励磁绕组与电枢绕组串联,励磁电流等于电枢电流。磁通是随电枢电流而变化的,磁路未饱和时，磁通基本上与电枢电流成正比,即Φ=CIa，因而

n = C1U/√T - C2Ra              （7-29）

3.复励电动机的机械特性

复励电动机的原理接线图如图7-40所示。为避免运行时产生不稳定现象,复励电动机通常接成积复励形式。由于积复励电动机既有并励绕组,又有串励绕组,所以其机械特性介于并励电动机和串励电动机之间,而当并励绕组作用大于串励绕组时,复励电动机的机械特性接近于并励电动机。串励绕组起主要作用的复励电动机,其机械特性接近于串励电动机。但在空载时不会发生“飞车”现象。

4.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。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。

串励电动机启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。

三、真题练讲

1.（2024年河北省统一考试）他励直流电动机运行时，若励磁电流增大，其电磁转矩会（ ）

A. 减小

B. 增大

C. 不变

D. 无法确定

答案：B

解析：电磁转矩与主磁通（励磁电流增大→磁通增大）、电枢电流成正比，若负载不变，电枢电流可能略有调整，但励磁电流增大直接导致磁通增大，电磁转矩会增大，故选择B。

2.（2023年江西省统一考试）下列设备中，不适合选用串励直流电动机的是（ ）

A. 卷扬机

B. 电动起重机

C. 精密机床

D. 电动火车

答案：C