串勵式直流電動機的特性

李魯玉 張博 石經緯

（山東理工大學，山東淄博 255049）

串勵式直流電動機的特性

李魯玉 張博 石經緯

（山東理工大學，山東淄博 255049）

按磁場繞組與電樞電阻的連接方式不同，起動用直流電動機分為串勵式、并勵式和復勵式3種。其中串勵式直流電動機具有起動轉矩大，輕載轉速高，重載轉速低的特點，因此被廣泛應用在汽車行業。本文通過分析串勵式直流電動機的運行特性，推導出電磁轉矩M、電動機的轉速n和起動機的功率P隨電樞電流sI變化的關系式，進而繪制出串勵式直流電動機的運行特性曲線圖；同時進一步討論了影響串勵式直流電動機運行特性的因素。

串勵式 運行特性 曲線圖

1 運行特性

電磁轉矩M、電動機的轉速n和起動機的功率P隨電樞電流Is變化的規律稱為串勵直流電動機的運行特性，包括電動機的轉矩特性、機械特性和功率特性。

1.1 轉矩特性

電動機電磁轉矩M隨電樞電流Is變化的關系M=f（Is）稱為轉矩特性。串勵式電動機電流流向是：蓄電池正極→磁場繞組→正電刷→換向器→電樞繞組→負電刷→搭鐵。流過磁場繞組的全部電流也流過電樞繞組，電樞電流Is和勵磁電流Il相等。磁性材料存在“磁飽和”的物理特性，在磁路未飽和時，磁通Φ與電流成正比，即Φ=C1Il=C1Is，則電磁轉矩為：

即在磁路未飽和時，電磁轉矩與電樞電流sI的平方成正比。式中mC為電矩常數。

在起動機起動發動機的瞬間，因發動機的阻力矩很大，起動機處于完全制動狀態。此時電樞轉速為零，反電動勢為零，電樞電流達到最大值，轉矩也相應地達到最大值。因為電磁轉矩與電樞電流的平方成正比，所以制動電流產生的轉矩足以克服發動機的阻力矩，使發動機起動變得很容易。這就是汽車起動機采用串勵式電動機的主要原因之一。

圖3

在磁路飽和后，電流增大，導磁材料由于物理結構的限制，磁通不變，電磁轉矩與電樞電流呈線性關系。轉矩特性曲線如圖1所示。

1.2 機械特性

電動機的轉速n隨電磁轉矩M而變化的關系）（Mfn=稱為機械特性。由電壓平衡方程，轉矩方程及電動勢方程可得轉速特性：

式中R=Rs+Rl+Rpa為電樞回路總電阻，Ce為電勢常數，U為電動機外加電壓。

轉矩特性曲線如圖2所示。

串勵式電動機在輸出轉矩較大時，電樞電流較大，電動機轉速隨電流的增加而急劇下降；反之，在輸出轉矩較小時，電動機轉速又隨電樞電流的減小而很快上升。串勵式電動機具有輕載轉速高，重載轉速低的特性，對保證起動安全可靠是非常有利的，是汽車上采用串勵式起動機的又一重要原因。

1.3 功率特性

起動機的功率P（KW）可以由下式確定：

式中，M——起動機輸出轉矩（N·m），n——起動機的轉速（r/min）

電動機完全制動時，轉速和輸出功率為零，轉矩達到最大值。空載時電流最小，轉速最大，輸出功率也為零。當電樞電流接近制動電流一半時，電動機輸出功率最大。功率特性圖如圖3所示。

2 運行特性曲線影響因素

電動機的運行特性曲線是在一定溫度下，配用一定容量和充電狀態的蓄電池及起動電路電阻不變的條件下得出的。如果這些條件變化，其特性曲線就會發生變化。具體表現在：（1）環境溫度的影響：一方面溫度降低導致蓄電池內阻增加，容量下降，雖然低溫時連接導線的電阻及起動機內阻相對減小，但遠小于蓄電池內阻增加的數量，因此低溫時起動機輸出功率大量減小。（2）蓄電池的容量及充電狀況： 作為起動機的工作電源，蓄電池容量越大，充電越足，內阻越小，供給起動機的電流越大，起動機的輸出功率、轉速、起動轉矩均增大。（3）起動電路電阻：起動電路電阻包括電動機內部電阻（磁場繞組、電樞繞組和電刷接觸電阻）、連接導線電阻以及導線連接處的接觸電阻。電路電阻越大，起動機的輸出功率，轉速和制動力矩都會降低。

［1］曲金玉，崔振.汽車電器與電子技術［M］.北京：北京大學出版社，47-51.

［2］陳明德，魏美琪.），，（NMIf直流電動機特性研究［K］.

［3］《直流串勵電動機的機械特性［J/OL］.電氣自動化技術網，2013年6月.