了解和测定他励直流电动机在R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性

直流他励电动机机械特性测定的实验原理图

设备中常用的电动机主要分两类：一类是驱动电机，一类是控制电机。驱动电机是设备的主要动力源，包括各种类型的交、直流电动机。交流异步电动机较其它类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，某些设备或者辅助用电动机在不要求调速时可采用该类型电动机；如果要求调节转速，则可选用直流电动机、整流于式电动机或电磁调速异步电动机(滑差电动机)。控制电机又称特种电动机，常见的有步进电动机、伺服电动机、测速发电机等，这些电机不是作为动力来使用的，它的主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。

直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它与交流电动机(如三相异步电动机)相比，虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等不利因素，目前已不如交流电动机应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的起动转矩，仍然得到广泛应用。

直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成。

(1) 磁极。

磁极是电动机中产生磁场的装置，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机的磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座(即电机外完)上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。

(2) 电枢。

电枢是电动机中产生感应电动势

的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。

(3) 换向器(整流子)。

换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。

图2-5是直流电动机的示意图。若在A、B之间外加一个直流电压，A按电源正极，B按负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图2-5所示位置时，有效边曲在N极下，cd在S极上，两边中的电流方向为a-b，c-d。由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为： F=BLI，式中，I为导线中的电流，单位为安(A)。根据左手定则知，两个力的方向相反，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，cd边处N极下，ab边处于S极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d c、b a，这就使得两极面下的有效边中电流的方面保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变。

由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。

(1)电磁转矩

当存在磁场而且电枢绕组中有电流时，电枢电流和磁场相互作用而产生电磁力矩，电磁力矩方向和电枢转动方向一致，公式（1）：

其中 是转矩常数(对于已制成的电动机是固定的)， 为励磁磁通量， 为通过电枢绕组的电流。电磁转矩的方向与转速一致，其大小只决定于 和 ，而与转速无关。

(2)感应电动势

当转子(电枢)转动起来之后，电枢绕组必然会切割磁感线，导线中必然会产生一个电动势E。公式（2）：

其中 为电势常数(对于已制成的电动机是固定的)，n为转速。感应电动势的方向与电枢电流方向相反，所以耍向电枢中输入电流，必须要有 。

(3)电枢电压平衡公式

公式（3）：

其中U为电枢绕组端电压，Ia为电枢绕组端电流，Ra为电枢回路电阻。

根据三个表达式可得：电动机转速

当电动机从静止到运动的过程中，电枢绕组不切割磁感线，所以感应电动势E=0，则根据公式(3)，U=0+IaRa因为Ra是固定的，所以一开始会使得电枢中电流非常大，会达到额定电流的10—20倍，因此不许加全部电压直接起动。他励电动机起动时，必须设法限制起动电流。起动的方法一般采用下列两种：

(1)电枢回路中外串电阻起动：

如图2-10所示，通过电枢的电流 ，Rst为可变电阻，开始时Rst较大，Ist较小，随着转速的提高，感应电动势E增大，逐渐减小Rst的阻值，就使得电机逐渐进入平稳运行状态。在实际中，一般将起动电阻分为几部分，逐段加以短路来实现。

(2)降压起动

通过电枢的电流 ，U为加在电枢两端的电压，在开始起动时U较小，此时电枢电流Ist也比较小，故起动电流不会很大。随着电动机转速的提高，反电动势增大。电流减少，这时再逐步提高U的值，这样电动机升速比较平稳。

因为电磁转矩是主磁极磁通和电枢电流相互作用而产生的，根据左手定则，任意改变两者之一时，作用力方向就改变。所以改变转向的方法有两种：一种是电枢绕组两端极性不变，格励磁绕组反接?另一种是励磁绕组不变，将电枢绕组反接。但是由于他励电动机励磁绕组匝数较多，电感比较大，反方向励磁磁通的建立过程缓慢，从而反转的过程不能很快的进行。如果要使电机快速的进行反转，一般采用改变电枢电流的方法。

他励直流电动机与交流异步电动机相比，且然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调校性能上有其独特的优点，直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。因此．对调运要求高的设备，均采用直流电动机。

由直流电动机的转速公式可知，Ra、 和U中的任意一个值，都可使转速改变。改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

(1)调磁法

即改变磁通量 。当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量。由公式可知，在一定负载下， 愈小，则n愈高。

由于电动机在额定状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通，将转速往上调。

调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通 。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势就减小，Ia随之增加。由于Ia增加的影响超过 减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩Tc未变，则T>Tc转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。

必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转短仍旧保持不变(为额定值)，由于 ,故减小磁通量 后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须城小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变(恒功率调速)的场合。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

(2)调压法

即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由公式可见，在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调。

调速的过程是：当磁通 保持不变时，减小电压U，由于转速不会立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T

由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调运，则电动机的输出转矩便是一定的(恒转矩调速)。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了单片机PWM信号对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。

1.制动的目的

1)使电力拖车系统停车

2)使电力拖车系统的转速降低

3)对于位能负载的工作机械，用制动可获得稳定的下降速度

2.制动的方法

1)自由停车，断开电枢电源，电动机就会馒下来，最后停车，这种方法停车时时间长，特别是空载自由停车，更需要较长时间。

2)电磁制动器，也叫“抱闸”。用这种方法可以加快制动过程。

3)电气制动，他是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转短(即制动转矩)，以加强减速，使系统较快的停下来．电气制动的优点是产生的制动转矩大，制动强度控制比较容易．在电力拖动系统中多采用这种方祛，或者与电磁制动配合使用。

用电动机的制动状态来限制位能负载的运动速度，是重物下降时电动机的转速不变，这属于稳定的制动状态。而减速或停车制动时，电动机的速度是变化的，则属于过渡的制动运转状态。这两种制动状态的区别在于转速是有变化的，而它们的共同点则是电动机产生的转矩T与其转速n的方向相反，用电动机来吸收或消耗机械能(位能或动能)。

在直流他励电动机的运行中，可以用三种方法得到制动运转状态，即：能耗制动、回馈制动及反接制动。

〔1)能耗制动

通过双向开关的切换，将电枢两端从电网上断开，连接到一个制动电阻Rs上，在这一瞬间，由于磁通量和转速都没有变，所以电动势Ea也没有交，电压U=0，所以Ea因此会在电枢闭合电路中产生电流Ia， ，其方向与转速方向相反，因此产生的电磁转矩也与之相反，起着制动作用，直到电动机停止转动为止，制动过程中，电动机的作用像一台发电机，将动能变为电能，井消耗在电枢电路内的电阻Rs上。

(2) 反接制动

当电动机处于运转状态时，维持励磁电流不变，突然改变电枢两端的电压的极性，即电压由原来与Ea反向变为与Ea同向，此时电枢电流Ia变为，这样电磁转矩与转速反方向，起制动作用。反接制动时，电枢电流非常大，制动作用非常强。如果制动的目的是为了停车，必须在转速到零以前，用控制电路使电枢电压断开，否则系统便会有反转的可能性。

(3) 回馈制动

回馈制动又称为再生制动，如果电动机在电动状态的运行中，出于某种因素使电动机的转速高于理想空载转速时，此时感应电动势E>U，所以电枢电流 ，与原来的方向相反，因为磁通量未变，所以电磁转矩随着Ia方向的变向而变向，而对电动机起制动作用，这时，工作机械带动电动机发电，把机械能变成电能，向电源馈送。在降低电动机电枢电压方法来降低速度的过程中，便会出现回馈制动状态。同样，电动机在弱磁状态用增加磁通的方法来减速时，也能获得过渡的回馈制动状态，来实现迅速减速的目的。