直流电动机的特性

直流电动机的工作特性是指在U＝UN，If＝IfN，电枢回路不外串电阻时，转速n、电磁转矩T和效率η随输出功率P2而变化的关系。在实际中，电枢电流可直接测得，P2不易测量。而电枢电流Ia随P2的增大而增大，两者变化趋势相似，所以n＝f（P2）、T＝f（P2）、η＝f（P2）可以转化为讨论n＝f（Ia）、T＝f（Ia）、η＝f（Ia）。他励电动机和并励电动机的工作特性没有本质区别，可以合并讨论。

1.他励（并励）直流电动机的工作特性

（1）转速特性

当U＝UN，If＝IfN、电枢回路无外串电阻时，n＝f（Ia）的变化关系称为直流电动机的转速特性。图2.7.1是他励直流电动机运行原理接线图。由电压平衡方程（2－27）和Ea＝CeΦn可知

式中的n0＝UN／CeΦ称为电动机的理想空载转速，是电动机没带负载且忽略空载转矩（即认为T＝T0＋T2＝0、Ia＝0）时的转速。由于If＝IfN不变，如果不计电枢反应的去磁作用，则磁通Φ恒定不变，这时n＝f（Ia）是一条略微下倾的直线。通常Ra很小，所以随Ia的增加，转速n的下降并不多。对于大容量直流电动机，在电枢电流Ia额定时，电枢电阻压降IaRa差不多只占额定电压UN的3%～8%，所以额定负载时转速下降（Δn）也只占n0的3%～8%。n＝f（Ia）曲线如图2.7.3所示。

如考虑电枢反应的去磁作用，在If＝IfN不变的条件下，当Ia增加时，磁通Φ减少，当电枢电流大于Ia1则电动机转速不能发生跃变，转速从n0直线和n1直线的交点处过渡到n1直线运行；当电枢电流等于大于Ia2时，电动机转速n同样不可能发生跃变，转速从n1直线和n2直线交点处过渡到n2直线运行。以此类推，随着弱磁效应的逐渐加剧，后续的曲线段连续被更陡的线段取代，形成一条“跳水曲线”^[1]，如图2.7.4所示。

图2.7.3　他励直流电动机工作特性

图2.7.4　考虑电枢反应他励直流电动机工作特性

（2）转矩特性

当U＝UN，If＝IfN，电枢回路无外串电阻时，T＝f（Ia）的变化关系称为直流电动机的转矩特性。当不计电枢反应的去磁作用时，则：

这时，电磁转矩与电枢电流成正比，其转矩特性是一条通过原点的直线。

如果考虑电枢反应的去磁作用，由于负载增大，Ia随之增大，电磁转矩特性曲线偏离直线略有下降，如图2.7.3中虚线所示。

（3）效率特性

当U＝UN，If＝IfN，电枢回路无外串电阻时，η＝f（Ia）的变化关系称为直流电动机的效率特性。对于并励电动机，当不计电枢反应的去磁作用时，则：

由于IfN≪IN，可不计If，则式（2－36）变为

忽略附加损耗ps。式中pCuf＋pFe＋pm基本上不随负载变化，称为不变损耗，pCua＝I2aRa而随负载变化，称为可变损耗（这里忽略了另一可变损耗，即电刷损耗2ΔU Ia）。依据式（2－37）绘出效率特性曲线η＝f（Ia）如图2.7.3所示。为求出效率的最大值，令dη／dIa＝0可得

可见，当电动机中不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率最高。Ia再进一步增加时，可变损耗在总损耗的比例增大，效率反而略有下降。这一结论对其他电机也适用，具有普遍意义。通常电动机的最大效率出现在3／4额定功率左右。在额定功率时一般中小型电机的效率在75%～85%，大型电机的效率在85%～94%。

例2－7　一台并励直流电动机的额定数据如下：PN＝17kW，UN＝220V，nN＝3000r／min，IN＝88.9A，电枢回路总电阻Ra＝0.114Ω，励磁回路电阻Rf＝181.5Ω。忽略电枢反应影响，试求：

（1）电动机的额定输出转矩；

（2）在额定负载时的电磁转矩；

（3）额定负载时的效率；

（4）理想空载（Ia＝0）时的转速；

（5）当电枢回路串入一个电阻Rc＝0.15Ω时，额定负载时的转速。

解

（1）电动机的额定输出转矩

（2）额定负载时的电磁转矩

（3）额定负载时的效率

（4）理想空载时的转速

（5）当电枢回路串入一电阻Rc＝0.15Ω时，额定负载的转速为

2.串励直流电动机的工作特性

串励直流电动机电枢绕组与励磁绕组串联，电枢电流Ia即为励磁电流If，如图2.7.5所示。

图2.7.5　串励直流电动机运行原理接线图

（1）转速特性

当U＝UN，电枢回路无外串电阻时，n＝f（Ia）的变化关系称串励直流电动机的转速特性。串励直流电动机的电压平衡方程式变换式为：

通过变换得

当磁路不饱和时，气隙主磁通Φ＝K1If＝K1Ia，主磁通与电流成正比。将Φ＝K1Ia代入式（2－39）。

根据式（2－40）可以画出串励直流电动机的转速特性，如图2.7.6曲线1，转速特性具有双曲线特性。当电机空载时，Ia小，转速很高。这种情况可能引起“飞车”，这使电机受到严重破坏。所以串励直流电动机不允许在小于20%的额定负载的轻载下运行，更不允许空载运行，也不也许用皮带传动，以防皮带脱落造成“飞车”。串励直流电动机必须与生产机械硬联结。转速随负载的增加迅速降低，这是因为Ia（Ra＋Rf）增加，另一方面Ia增加的同时Φ也增加。

当磁路饱和或过饱和时，负载大，电流增加，主磁通增加得越来越少，认为Φ＝K2。

这类似与他励（并励）直流电动机的转速特性。

（2）转矩特性

当U＝UN，电枢回路无外串电阻时，电磁转矩T＝f（Ia）的变化关系称串励直流电动机的转速特性。

当磁路不饱和时，气隙主磁通Φ＝K1If＝K1Ia，则：

由式（3－42）可以看出，当电枢电流在较小范围内由零增大时，电磁转矩T随电枢电流Ia而变化的函数是抛物线，如图2.7.6曲线2所示。

图2.7.6　串励直流电动机的转速特性

当负载很大时，电流Ia增加，主磁通增加得越来越少，认为Φ＝K2。这时电磁转矩T正比于Ia，转矩特性类似于他励（并励）直流电动机的转矩特性。所以串励电动机多用于重载起动的场合，如水闸的闸门提升、电力机车等。

3.复励直流电动机的工作特性

复励直流电动机通常接成积复励，两绕组的励磁磁动势的方向相同。它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。由于有串励绕组，它使起动转矩增加，过载能力加大，而并励绕组可以使复励直流电动机轻载和空载运行。图2.7.7和图2.7.8分别是复励直流电动机运行原理接线图和转速特性。

图2.7.7　复励直流电动机运行原理接线图

图2.7.8　复励直流电动机转速特性