直流电动机的工作原理和特性解析

1.直流电动机的工作原理

直流电动机是根据载流导体在磁场中受到电磁力作用而发生运动的原理工作的。图2-1-13（a）所示为直流电动机的工作原理。根据左手定则判定ab、cd 两边均受电磁力的作用，由此产生按逆时针方向旋转的电磁转矩M 使电枢转动，其换向方法如图2-1-13（b）所示。实际的电枢上有很多线圈，换向器铜片也有相应的对数。

图2-1-13　直流电动机的工作原理

（a）线圈初始位置；（b）线圈沿轴线旋转180°

直流电动机通电后所产生的电磁转矩M 与磁极的磁通量Ф 及电枢电流IS 之间的关系为

式中　Cm——电动机的转矩常数，与电动机的结构有关。

2.直流电动机的工作特性

工作特性曲线：电动机的转矩、转速、功率与电流的关系为电动机的工作特性曲线。

串励直流电动机的特点是起动转矩大，机械特性软（电枢转速随其负载的增大而降低，随负载的减小而上升）。

1）转矩特性

在磁路未饱和的情况下，串励直流电动机的转矩M 与电枢电流的平方IS 2 成正比，其关系式为

直流电动机的转矩特性如图2-1-14所示。

在发动机起动瞬间，发动机的内部阻力矩很大，处于完全制动状态。由于电枢电流达到最大值（称为制动电流Imax），电动机产生最大转矩（称为制动转矩），足以克服发动机的阻力矩使发动机起动，所以汽车起动机采用串励式电动机。

2）机械特性

串励直流电动机转速n与电枢电流IS 的关系式为

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串励电动机在磁极未饱和时，由于Φ 不为常数，当IS 增加，即电磁转矩增大时，Φ与IS（RS＋Rj）同时随之增加，所以电枢转速n随IS（M）的增大下降较快，其具有较软的机械特性，如图2-1-15所示。

图2-1-14　直流电动机的转矩特性

图2-1-15　直流电动机的机械特性

3）功率特性

起动机功率由电动机电枢转矩M 和电枢的转速n 确定，即

我们可以看出，在完全制动（n＝0）和空转（M＝0）两种情况下，起动机的功率都等于0。因为起动机工作时间很短，可以允许在最大功率下工作，所以我们把起动机的最大输出功率称为起动机的额定功率。直流串励式电动机的功率、转矩、转速特性完全可以表述起动机的工作特性。图2-1-16所示为直流电动机的工作特性曲线，我们可以看出：

（1）当完全制动时（相当于起动机刚接通的瞬间），n＝0，电枢电流最大，转矩也达到最大值，但输出功率为0。

图2-1-16　直流电动机的工作特性曲线

（2）起动机在空转时电流最小（称为空载电流I0），转速达到最大值（称为空载转速），输出功率也为0。

（3）在电流接近制动电流的一半时，起动机功率最大，我们将其最大功率作为额定功率。

影响起动机功率的主要因素有以下几点：

（1）蓄电池容量。蓄电池容量越小，其内阻越大，放电时产生的电压降越大，因而供给起动机的电压降低，起动机输出的功率减小。

（2）环境温度。当温度降低时，由于蓄电池电解液密度增大，内阻增大，蓄电池容量和端电压会急剧下降，起动机功率会显著下降。

（3）接触电阻和导线电阻。电刷与换向器接触不良、电刷压簧弹力下降、电刷过短以及导线与蓄电池接线柱接触不良，都会使工作线路电阻增加；导线过长以及导线横截面积过小也会造成较大的电压降，由于起动机工作电流特别大，这些都会使起动机功率减小。