第2章 电气传动的力学原理
2.1 电动机的机械特性和负载的机械特性
电气传动的目的是驱动工作机械运动并控制这个运动。运动的形式主要有平动和转动，表述运动的变量见表2-1。
表2-1 表述运动的变量
对物体运动起主要作用的变量是力F。在转动中与之相对应的是转矩T。转矩是力和力臂的乘积，力臂是转动轴到力的作用点之间最短的距离（见图2-1）。作用在卷扬机转鼓半径处的力产生转矩，电动机中的电磁力形成的力偶也产生转矩。这两种情况的转矩都为T=FR。
图2-1 产生转矩的方式
转矩是一个矢量，它的符号与转速方向有关。如果电动机轴沿着顺时针方向旋转并且与工作机械的前进方向一致，那么就可以把顺时针方向的转速和转矩的符号定义为正号（+）；而逆时针方向的转速和转矩就为负号（-）。用同样的方法也可以定义直线电动机的速度的符号。
如果电动机的转速与转矩的符号相同，则是把电能转变为机械能，电动机工作在电动工况；反之，如果电动机的转速与转矩的符号相反，则是把机械能转变为电能，电动机工作在发电工况。
电动机的转矩和转速有关，转矩T和转速ω之间的函数关系T=f（ω）描述了电动机的力学特性，把这个关系的曲线画在T-ω的坐标系中，就是电动机的机械特性。
T-ω坐标轴将机械特性划分为四个象限。在第Ⅰ象限中，转速方向和转矩均为正方向，电动机工作在电动工况。在第Ⅱ象限中，转矩方向为正，转速方向为负，电动机工作在发电工况。在第Ⅲ象限中，电动机工作在电动工况，但是速度和转矩均为负方向。在第Ⅳ象限中，转速方向为负，转矩方向为正，电动机工作在发电工况。一般情况下，电动机主要工作在机械特性的第Ⅰ象限和第Ⅱ象限（见图2-2）。
图2-2 电动机在四个象限中的T-ω关系
机械特性的重要参数之一是机械特性硬度β，它表示电动机带动负载的能力（见图2-3）。
如果机械特性曲线是一条直线（曲线1），那么它的硬度是常数，并且等于机械特性与纵坐标夹角的正切值；如果机械特性曲线是一条弯曲的曲线（曲线2），那么硬度是由指定的某一点（例如A点）的切线斜率所确定，并等于该点的切线与纵坐标夹角的正切值。
图2-3 电动机机械特性硬度的定义
由式（2-1）可知在转矩变化ΔT的情况下，转速的变化量Δω与机械特性的硬度成反比
一般情况下，增大电动机轴上的负载转矩，转速会下降，所以机械特性硬度β的符号是负的。
如果在电动机轴上加上负载转矩时转速下降不明显，这就是所谓硬的机械特性；如果加上同样的负载转矩值，而转速下降比较严重，这就是所谓软的机械特性。
图2-4所示为常用的几种电动机的自然机械特性。之所以把这种曲线称为自然机械特性，是因为电动机直接由额定电压或额定频率的电源供电，其间没有串入额外的装置。
现对图2-4中的几种机械特性予以说明。
曲线1——他励直流电动机具有很硬的机械特性，机械特性是一条直线，各点的硬度相同。
曲线2——串励直流电动机机械特性的硬度不是常数，随着负载转矩增加，转速降低，但是硬度有所增加。
曲线3——异步电动机的机械特性明显分为两个不同的区段，一段是工作区段，具有基本恒定的负斜率硬度特性。另一区段是起动区段，具有可变的正斜率硬度特性。
曲线4——同步电动机的机械特性是一条平行于横坐标的直线，称之为绝对硬的机械特性。
与自然机械特性相对的是人造机械特性，这种特性是指在绕组回路中串入电阻、电抗或半导体变流器等额外的装置，使得加到电动机绕组上的电源参数有所改变。
工作机械在做功时所带来的阻碍运动的负载转矩TL也是转速ω的函数。负载转矩和工作机械的转速之间的函数关系TL=f（ω）叫做负载的机械特性，这里已经把转矩和转速都折算到电动机轴上。一般情况下，负载机械特性曲线通常位于T-ω坐标系的第Ⅰ象限。图2-5所示为一些典型工作机械的负载机械特性。
电动机在加减速时还需要动态转矩产生角加速度，在研究工作机械的负载机械特性时，只是研究静态转矩和转速之间的关系，不考虑动态转矩分量。
曲线1——切削机床的机械特性。如果刀具的进刀量恒定（切削量不变），阻力转矩与速度无关。
曲线2——阻力转矩随着工作机械的工作状况而变化，阻力转矩主要取决于摩擦力。具有这种机械特性的工作机械有运输机械、带式输送机等。阻力转矩也与速度无关。但是，在起动时静摩擦力往往超过运动时的摩擦力，所以，起动时的阻力转矩相应增大。
图2-4 常用的几种电动机的自然机械特性
图2-5 典型工作机械的负载机械特性
曲线3——起重机类的机械特性，阻力转矩主要是由重力产生的。这种机械特性的典型特征是提升重物时的阻力转矩略大于下放重物时的阻力转矩。
曲线4——涡轮式机械（水泵、风机和压缩机类）的机械特性。机械轴上的转矩与转速的二次方成正比，即TL=Kω2。
曲线5——近似于双曲线，是卷取机（含开卷机）类的机械特性。这类机械的工艺特点是功率恒定，即转矩和转速的乘积是常数值。