他励直流电动机的机械特性优化探究

他励直流电动机的机械特性就是他励直流电动机的转速n 和电磁转矩T 之间的关系，即n=f（T）。他励直流电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。机械特性是他励直流电动机的重要特性。它是分析他励直流电动机启动、调速、制动和运行的基础。

1.机械特性方程式

他励直流电动机的接线如图2.13所示，电枢回路和励磁回路分别由独立的电源供电。电枢回路的电阻为Ra，串接电阻为R，则电枢回路的总电阻R∑=Ra+R。励磁回路的电阻为Rf。

将式（2.1）和式（2.2）代入式（2.4），得直流电动机的机械特性方程式为

式中：n0 为理想空载转速；Δn为电动机加负载后的转速降；β为机械特性的硬度（转速方程的斜率），斜率β越大，机械特性越软；斜率β越小，机械特性越硬。

在生产实际中，应根据生产机械和工艺过程的具体要求，来确定选用何种机械特性的直流电动机。例如，对一般金属切削机床、轧钢机、造纸机等应选用硬特性的直流电动机；而对起重机、电车等应选用软特性的直流电动机。

图2.13　他励直流电动机的接线

图2.14　他励直流电动机的固有机械特性曲线

2.固有机械特性

1）固有机械特性方程

固有机械特性也称为自然特性。它是指他励直流电动机的工作电压U 和励磁磁通Φ 为额定值、电枢回路中的电阻为Ra 时，转速n与电磁转矩T 之间的关系，即n=f（T）。对照式（2.12），其机械特性方程式为

由此作出的特性曲线，称为他励直流电动机的固有机械特性曲线，如图2.14所示。

2）固有机械特性曲线的特点

（1）固有机械特性曲线反映了他励直流电动机本身能力的重要特性。对于任何一台直流电动机，只有一条固有机械特性曲线。

（2）由于电枢回路无外串电阻，且Ra很小，ΦN 数值最大，则β很小，转速降Δn 很小，因此固有机械特性曲线是一条稍向下倾斜的直线。当负载变化时，电动机转速变化并不大，所以直流电动机的机械特性曲线比较硬。

3.人为机械特性

从机械特性方程式可以看出，当人为地改变电枢电压、改变电枢回路串接电阻和改变励磁电流的大小使磁通发生变化时，可以得到一系列的人为机械特性曲线。

1）电枢回路串接电阻的人为机械特性

保持电动机的外加电压U 和磁通Φ 为额定值，而在电枢回路串接附加电阻。

电枢回路串附加电阻R 后的人为机械特性方程为

电枢回路串接附加电阻时的人为机械特性曲线是通过理想空载点（n=n0，T）的一簇放射直线，如图2.15所示。

与固有机械特性曲线相比，电枢回路串接电阻的人为机械特性曲线的特点为：

（1）理想空载转速n0 保持不变；

（2）特性曲线斜率β与串接的电阻R 有关，R 增大，β也增大；(www.xing528.com)

（3）当T=TN 时，n＜nN，电动机随R 增大，转速降Δn增大，机械特性曲线变软，电动机产生的损耗就越大。

2）改变电枢电压的人为机械特性

保持励磁磁通Ф 为额定值，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特性方程为

其特性曲线如图2.16所示。

图2.15　他励直流电动机电枢回路串电阻的人为机械特性曲线

图2.16　他励直流电动机改变电枢电压的人为机械特性曲线

与固有机械特性曲线相比，改变电枢电压的人为机械特性曲线的特点为：

（1）理想空载转速n0 与电枢电压U 成正比，即n0∝U，且U 为负时，n0 也为负；

（2）特性曲线斜率不变，与固有机械特性曲线相同，因而改变电枢电压U 的人为机械特性曲线是一簇平行于固有机械特性曲线的直线；

（3）当T=TN 时，降低电枢电压，可使电动机的转速n降低。

3）改变磁通的人为机械特性

保持电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，励磁回路串接调节电阻，使磁通Φ 减弱。减弱磁通Φ 的人为机械特性方程为

其特性曲线如图2.17所示。

与固有机械特性曲线相比，改变磁通的人为机械特性曲线的特点为：

（1）理想空载转速n0 随磁通的减弱而上升；

（2）特性曲线斜率β与磁通Φ 的平方成反比，随着磁通Φ 的减弱β 增大，机械特性曲线变软；

图2.17　他励直流电动机改变磁通的人为机械特性曲线

（3）一般Ф 下降，n 上升，受机械特性的限制，磁通Ф不能下降太多。

【例2.2】　一台他励直流电动机的额定数据如下：PN=2.2kW，UN=220V，IN=12.4A，nN=1500r/min，Ra=1.7Ω。如果电动机在额定转矩下运行，求：（1）电动机的电枢电压降到180V 时，电动机的转速是多少？（2）励磁电流If=0.8IfN（即磁通为额定值的0.8）时，电动机的转速是多少？（3）电枢电路串接2Ω 的附加电阻时，电动机的转速是多少？

（2）此时，U=UN=220V，Ra=1.7Ω。

（3）此时，U=UN=220V，电枢电路的总电阻为