直流电机的机械特性探析

电机带动负载，其作用归根结底就是给工作机构发出一定的转矩T，并使它得到一定的转速n。T和n是生产机械对电机提出的两项最基本要求。在电机内部，电磁转矩T和转速n并非互相孤立的。在一定条件下，它们之间存在着一定的关系，这个关系就称为机械特性。

他励直流电机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流和电枢总电阻均为恒值的条件下，电机转速n与电磁转矩T的关系曲线n＝f（T）。

1.固有机械特性

直流电机原理图和各物理量规定的正方向如图2-12所示。联解式（2-7）、式（2-11）和式（2-12），可得机械特性方程式为

式中，Ce＝p N/60a，CT＝p N/2πa＝9.55Ce。

正常条件下的机械特性叫做固有机械特性或自然机械特性。固有机械特性的条件是：电源电压额定，即U＝UN；励磁磁通额定，即Φ＝ΦN；电枢不串电阻。将这些条件代入上式

即得固有机械特性方程式为

图2-14画出了他励直流电机的固有机械特性。

由图2-14可知，他励直流电机的固有机械特性具有以下特点：

（1）T＝0时，n＝n0＝UN/CeΦN称为理想空载转速。

（2）T＝TN时，n＝nN＝n0—ΔnN为额定转速，其中ΔnN＝[Ra/（CaCT）]TN为额定转速降。

图2-14　他励直流电机的固有机械特性

（3）固有特性是一条略微向下倾斜的直线。在式（2-25）中，令Ra/（CeCT）＝β，β叫作斜率，它与电枢电阻成正比，与磁通的平方成反比。这样，机械特性方程变为

可见，β越大，则额定速降ΔnN越大，特性越陡，称为“软”特性。反之，β越小，特性越平，称为“硬”特性。他励直流电机的固有特性属于硬特性，带负载时的速降小。一般地说，nN约为0.95n0，而ΔnN约为0.05n0，这是硬特性的数量体现。

（4）实际空载时，电机本身还有摩擦阻转矩T0称为空载转矩，故实际空载转速为n'0。

（5）转速特性

只要磁通Φ不变，Ia就与T成正比，因而转速特性可以代表机械特性，所以常将n＝f（Ia）和n＝f（T）用同一曲线表示，如图2-14所示。在测试和实验时，也有用他励直流电机的转速特性代表其机械特性的，因为测量电流Ia要比测量转矩I方便得多。

2.人为机械特性

一台电机只有一条固有机械特性，对应于某一转矩，只有一个固定的转速。但是许多生产机械的要求却各不相同，这就需要人为地改变电机的机械特性。(www.xing528.com)

改变固有机械特性的三个条件中的任何一个都可以得到新的特性，这种人为地改变电机参数而得到的机械特性，称为人为机械特性。

1）改变电枢串电阻时的人为机械特性

这时机械特性的条件变成U＝UN、Φ＝ΦN，电枢回路总电阻为Ra＋R。由式（2-24）可知，这时的机械特性方程式变为

对应的人为机械特性如图2-15所示。

改变电枢串电阻时的人为机械特性的特点：①理想空载转速n0不变；②斜率β随Ra＋R成正比地增大，因而形成一簇放射状特性。

改变电枢串电阻的人为特性常用于电机的启动和调速中。

2）改变电枢电压时的人为机械特性

保持励磁磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，特性方程式为

图2-15　改变电枢串电阻时的人为机械特性

改变电枢电压时人为机械特性的特点：①斜率β不变，各条特性相互平行，又与固有机械特性平行；②理想空载转速与电压U成正比。

电压U的绝对值大小不能比额定值高，否则绝缘将承受不住。所以，一般他励电机的电压向低于额定电压的方向改变，对应的机械特性如图2-16所示。

3）减弱励磁磁通时的人为机械特性

调节励磁回路串接的可变电阻，可以改变励磁电流，改变磁通量。实际中只能减弱磁通量。减弱磁通量时人为机械特性的条件是U＝UN、Φ可变，这时特性方程式变为

减弱励磁磁通时的人为机械特性的特点：①磁通量减弱时会使，n0与Φ成反比；②磁通量减弱时会使斜率β增大，β与Φ2成反比；③人为机械特性为一束直线，它们既不平行又非放射形，特性上移且变软，如图2-17所示。

图2-16　改变电枢电压时的人为机械特性

图2-17　减弱励磁磁通时的人为机械特性

应该指出，以上的分析都忽略了电枢反应对机械特性的影响。实际上，电枢电流不大时，电枢反应的确可以忽略不计。但当电机轴带上较大负载时，相应的电枢电流较大，由于饱和的影响，电枢反应会产生明显的去磁作用，相当于随电枢电流的增大而逐渐减弱磁通，从而使转速有所回升，其效果是使机械特性变硬，甚至可能出现上翘现象。