第四章电磁铁与直流电机

第四章电磁铁与直流电机4.1电磁铁4.1电磁铁（Solenoid）电磁铁是利用通电线圈吸引衔铁运动，将电能转化为机械能的一种电器。电磁铁主要由铁心、衔铁和线圈三部分组成，其中衔铁是可移动部分。大型电磁铁可用于牵引设备、电磁吸盘、磁力吊等起重设备，小型电磁铁常用作接触器、电磁阀、继电器等元件的基本部件。电磁场的产生如图4-1所示。图4-1磁场的产生4.1.1电磁铁的分类

电磁铁的结构形式多样，按照衔铁运动方式的不同，可分为拍合式、曲柄式、水平动作式、垂直动作式和活塞式五种，如图4－2所示。拍合式电磁铁的衔铁与转轴绞接，当线圈得电时产生电磁吸力，吸引衔铁向铁心方向运动直至与铁心拍合。曲柄式电磁铁的衔铁上附加了一个连杆机构，使电磁吸力的方向由垂直方向转变为水平方向。此种结构的优点是利用连杆吸收衔铁吸合时产生的冲击，避免冲击直接传递到触点上，常用于既要需要吸合稳定，又要减少冲击的场合。4.1.1电磁铁的分类水平动作式电磁铁的衔铁受到电磁吸力的作用，沿直线运动与铁心吸合，这是最常用的一种结构形式。垂直动作式电磁铁除了运动方向不同，其他与水平式电磁铁的运动方式类似。活塞式电磁铁的线圈内部有一个铁质的活塞杆，当线圈得电时，活塞杆受到吸引，压缩弹簧，使常开触点闭合，常闭触点断开。当线圈失电时，弹簧使活塞杆复位。其动作示意如图4－3所示。图4－2电磁铁的结构形式a)拍合式b)曲柄式c)水平式d)垂直式e)活塞式衔铁线圈磁场线圈连杆转轴活塞杆线圈线圈衔铁衔铁返回4图4－3活塞式电磁铁弹簧活塞常闭触点线圈电源电源活塞常开触点a)常闭触点b)常开触点返回54.1.2电磁铁的结构电磁铁由线圈、铁心和衔铁构成，当线圈得电时，吸引衔铁与铁心吸合，衔铁可以和多种机械结构连接，实现电磁控制，例如衔铁与接触器的触点相连接实现电路的通、断等等。电磁铁的动作主要受到以下几个因素的影响:

1.涡流;2.气隙;3.短路环4.1.2电磁铁的结构1.涡流当铁心处于变化的磁场中时，在铁心中会感应出涡流，涡流会引起铁心发热。为减小涡流，交流电磁铁的铁心和衔铁由多层相互绝缘的薄硅钢片叠压而成，将涡流限制在一层内，减小涡流从而减少铁心发热。如图4－4所示。对于直流电磁铁，因为磁场恒定，不存在涡流，所以其铁心可以由整块纯铁制成。4.1.2电磁铁的结构2.气隙为了避免噪声，电磁铁的衔铁在吸合位置应尽量使磁路完全闭合。所以在制造电磁铁时，其铁心和衔铁的结合面应该保持平整。当线圈失电时，剩磁会使衔铁仍然保持在吸合位置，无法快速与铁心脱开，为了避免这种现象，常常在加工时衔铁和铁心之间保留很小的气隙。如图4－5所示。涡流换向器叠压式铁心铆钉图4-4涡流衔铁气隙叠压式铁心线圈图45气隙铁心铁心叠片

4.1.2电磁铁的结构返回93.短路环单相交流电磁铁产生的电磁吸力是交变的，每周期内要过零两次，过零时电磁力减小会使衔铁振动而产生噪声，所以在铁心或衔铁表面应安装短路环，其材质多为铜或铝质材料。如图4－6所示，利用短路环可以建立一个辅助磁场，以保证主磁场和辅助磁场不同时过零，以减小振动。如果没有短路环或者短路环损坏，电磁铁的噪声和磨损都会增大，同时温度上升，其使用寿命会大大缩短。图4－6短路环短路环叠压式铁心4.1.3技术参数电磁铁的两个主要技术参数是线圈电压和线圈电流。电压参数分为启动电压、吸持电压和释放电压；电流参数分为启动电流和吸持电流。1.电磁线圈电磁线圈用环氧树脂或玻璃丝加强的聚酯树脂封装起来，目的是为了增加机械强度和机械寿命，而且能够防潮，如图4－7所示。此种结构的缺点是，在线圈故障时，只能整体更换，无法维修。接线端子环氧树脂封装层图4－7线圈接线端子线圈4.1.3技术参数2.线圈启动电流和吸持电流线圈得电时的启动电流比维持其在吸合状态时的吸持电流大。如图4－8所示，通常线圈的启动电流约为吸持电流的6－10倍。启动电流大的原因主要有两个：（1）在线圈得电一段时间后，线圈发热使内阻值增大，使得电流下降，线圈在热态的电流大约为冷态的80％左右。（2）当线圈得电的瞬间，电路中的阻抗主要为线圈的电阻（阻值很小），随着衔铁向铁心方向移动，气隙减小，磁路磁阻显著减小，线圈的电感和感抗增加，导致电路中的总阻抗显著增加，线圈电流显著减小。叠压片叠压片5A启动电流线圈空气0.5A吸持电流叠压片叠压片图4－8线圈电流线圈线圈的启动电流和吸持电流常用启动功率和吸持功率表示。例如，某线圈额定电压110V，启动功率为550VA，吸持功率为55VA，则其启动电流和吸持电流分别为5A(550/110=5A)和0.5A(55/110=0.5A)。用伏安值表示，是为了便于得到负载在启动和运行时从电源获得的功率大小。如图4－8所示。3.线圈电压参数在线圈两端施加电压产生磁场，磁场产生电磁力吸引衔铁。线圈电压决定了电磁吸力的大小。线圈允许的电压波动范围为线圈额定电压的±10%，电压过高会使线圈过热。电压过低时产生的电磁力不足会使衔铁吸合不稳。大部分电磁铁的能使衔铁开始移动的最小电压值称为启动电压。能维持衔铁吸合的最小电压值称为吸持电压。电压逐渐减小到能够使衔铁释放的电压值称为释放电压。通常吸持电压高于启动电压，释放电压低于启动电压和吸持电压（因为吸合所需要的力要大于释放的力）。最小启动电压是额定电压的80%－85%；吸持电压略高于启动电压，但一般要低于额定电压的90%；释放电压一般为额定电压的70%左右。准确的电压值取决于衔铁所连接的负载和电磁铁的安装位置。衔铁吸合所需要的力越大，电压值越高。4.电压波动

电压波动常常会导致电磁铁损坏。电压过高的影响当线圈电压过高时，会引起电流升高而导致线圈过热，破坏线圈的绝缘。同时过高的电压会产生过大的电磁力，使衔铁在吸合时冲击过大，导致其结合面磨损严重，降低了电磁铁的使用寿命。电压过低的影响当线圈电压过低时，电磁力减小。尤其是当电压高于启动电压又低于吸持电压时，很大的启动电流（6－10倍的吸持电流）会较正常启动时持续的时间更长，很快使线圈发热，甚至烧毁。同时衔铁的振动增加，导致噪音增加和机械部件过度的磨损。4.1.4电磁铁选型原则了解负载情况电磁铁及其相关部件的寿命由负载决定，当过载时，电磁铁不能正常吸合就会导致噪声增加、线圈过热甚至线圈烧毁。为避免过载发生，要准确的计算负载对电磁铁的要求，计算出在指定的吸合距离时所需要的电磁力。允许一定范围内的低电压随着电压的降低，电磁力呈平方倍的降低，例如，当电压为20V时所产生的电磁力为80牛顿，当电压降低至10V时，产生的电磁力只有20牛顿。通常选择电磁铁所能提供的电磁力，是按照线圈电压为额定电压的85%为依据进行选择的。4.1.4电磁铁选型原则尽量减小吸合距离吸合距离越小，动作越快、功耗越小、吸力越大，能减少线圈发热，增加使用寿命。同时还具有降低成本、减小不必要的冲击力、减少磨损等优点。不要使用尺寸过大的电磁铁选用尺寸过大的电磁铁会使成本增加、消耗增加，而且需要更大的安装距离。过大的电磁力也会使电磁铁及其附件承受更大的冲击力，降低机械寿命。4.1.5电磁铁选型方法推动式或是拉动式电磁铁根据使用方式不同，可以产生推力或拉力。例如，门闩上使用的是拉力；而在夹具上大部分使用的是推力。吸合距离例如，门闩的最大吸合距离约为13mm。

电磁力或电磁转矩查阅生产厂家的说明书，选择对应所需电磁力或电磁转矩的电磁铁型号。如图4-10所示，当负载所需推动电磁力为4牛顿时，可选择型号为MQ1-0.7Z的电磁铁，它的额定推力为7牛顿。4.1.5电磁铁选型方法工作周期利用电磁铁的特性表，也可以查出其工作周期是否满足应用。例如，型号为MZD1-100的制动电磁铁在连续工作制（TD=100%）时可以每小时操作20次，在短时工作制（TD=40%）时，可以每小时操作300次。

安装形式生产厂家会提供安装形式代码表，安装形式通常有左边、右边、双边、顶部、底部等，可以根据要求选用合适的电磁铁。

电压等级见制造商提供的电压等级代码表。主要的电压等级有24V、110V、220V和380V等几种。图4-9a)制动电磁铁b)MQ1牵引电磁铁MQ1系列牵引电磁铁型号含义MQ1系列牵引电磁铁技术参数图4-10MQ1系列电磁铁4.1.6电磁铁的应用电磁铁的应用范围很广，例如，家用的门铃、门闩等；电气设备中的接触器、继电器等，如图4－11所示；机械设备中的电磁制动、电磁牵引；工业中的电磁阀、电磁吊等，还有许多其它用途均与电磁铁有关。图4－11交／直流接触器和电磁继电器

4.1.6电磁铁的应用1.液压与气动系统中的应用电磁阀是液压和气动控制系统的典型元件。电磁阀是利用电磁铁产生的电磁力来推动阀芯运动，以改变流体（压缩空气或液压油等）流动方向的元件。电磁阀中的方向控制阀通过控制流体的流动方向来操纵执行元件的运动。方向控制阀可以按照接口数和切换位置分类，也可按照操作方式分类。1.液压与气动系统中的应用（1）切换位置如图4-12所示，两位手动方向控制阀有Ⅰ、Ⅱ两个位置。三位手动方向控制阀有0、Ⅰ、Ⅱ三个位置。阀内阀芯可以移动的位置数称为切换位置数，简称为“位”。一般一个方向控制阀可以有两到三个位置。（2）接口所谓接口，是指阀上的流体进出口，通常称之为“通”。大部分方向控制阀均为两通或三通阀。如图4-13所示，两位三通阀的一个位置使“接口1”和“接口2”接通，另一个位置使“接口2”和“接口3”接通。两位阀常用作截止阀、排气阀等。图4-12两位阀、三位阀a)两位阀b)三位阀两位三位图4-13两位三通阀/两位五通阀手动

二位三通阀2.在制冷系统中的应用在制冷系统中常用直动式两位阀。如图4-15所示，两位阀与入口管和出口管相连，可以组成一个常闭控制单元：当电磁铁得电时，阀门打开；失电时，阀门关闭。也可以组成一个常开控制单元：当电磁铁得电时，阀门关闭；失电时，阀门打开。图4-15直动式二位阀常闭控制2.在制冷系统中的应用多种不同功能的电磁阀在制冷系统中的应用，如图4-16所示，利用两线制或三线制温控器控制液压管路上的电磁阀。比如，除霜周期开始，热蒸汽阀打开，开始给蒸发器加温除霜。温控阀根据温度传感器测量的温度值按比例的打开阀门的的开口度，起到调温的作用。电磁阀温控阀冷凝器蒸发器压缩机入口出口除霜电磁阀温控阀图4－16电磁阀在制冷系统中的应用温度检测旁路调节电磁阀温度检测常开电磁阀燃气源燃烧器常闭电磁阀空气常闭燃油电磁阀常开回油电磁阀泵蒸汽回蒸汽源燃油源重油预热器4－17电磁阀在燃烧系统中的应用燃烧验证常闭电磁阀通风常闭电磁阀电磁铁还用于燃烧器系统，如图4-17所示。在此系统中电磁阀是关键的通断控制元件。该系统的燃料可以是燃气，也可以是重油。使用重油作燃料时需要热蒸汽预热。3.在燃烧系统中的应用电磁铁可以做成电磁吸盘，用于冶金、矿山、机械、交通运输等行业吊运钢铁等导磁性材料作业中，也可用于电磁机械手，夹持钢铁等导磁性材料，图4-18所示为轧钢厂里吊运钢卷用的电磁吸盘。图4-18电磁吸盘4.在起重设备中的应用除了工业上的应用，电磁铁还用到很多其他领域。例如汽车、照相机、绣花机和飞机上均普遍使用电磁铁作为执行元件。在传动系统中用作电磁抱闸。5.其他多种用途电磁抱闸4.1.7电磁铁的故障诊断1.电压异常电磁铁允许的电压波动范围是额定电压的±10%。可以利用数字万用表测量交、直流电磁铁线圈两端的电压。如图4－19所示。当线圈电压过高时，会引起电流过高而导致线圈过热，破坏线圈的绝缘。当线圈电压过低时，电磁力减小。尤其是当电压高于启动电压又低于吸持电压时，很大的启动电流（6－10倍的吸持电流）会较正常启动时维持的时间更长，长时间的大电流很快使线圈发热，甚至烧毁。电磁阀允许在额定电压的±10%范围内波动额定电压直流24V图4－19检查电压4.1.7电磁铁的故障诊断2.频率异常常用电磁铁的额定频率为50Hz或60Hz。通常欧洲、亚洲、大部分南美国家的频率为50Hz。美国、加拿大、墨西哥和多数加勒比海附近国家的频率为60Hz。频率异常会使电磁铁的故障率增加，也能引起电磁噪声。4.1.7电磁铁的故障诊断3.过渡过程的影响在工业现场，电磁铁与电动机、其他电磁铁等电气元件使用的是同一电源。当把感性负载从电路中切除的瞬间，会在其两端产生很高的感生电动势。这个瞬时尖峰电压有可能会破坏线圈的绝缘，或者烧毁邻近的触点。可以使用吸收回路对这个感生电动势进行抑制。4.1.7电磁铁的故障诊断4.操作过于频繁电磁铁有其允许的每小时操作次数。尽管在电磁铁启动的瞬间电流很大，电流的热效应也很大，但是在正常的吸持状态下，电流比较小，电磁铁有足够的时间散热。如果操作过于频繁，会使电磁铁无法充分散热，致使线圈过热、绝缘烧毁。为减少故障的发生，当操作频率超过10次／分钟时应选用高温线圈电磁铁。4.1.7电磁铁的故障诊断5.环境因素电磁铁应在额定范围内使用，而且要避免机械损伤破坏和恶劣环境的影响。电磁线圈在工作中受到的主要外部影响因素是温度，电磁阀中的流体温度、环境温度以及线圈得电后的发热都会使电磁铁的工作受到影响。6.故障诊断过程诊断电磁铁的故障，一般使用数字万用表测量线圈的电压和电阻。如图4-20所示，过程如下：（1）关闭电源；（2）检查线圈两端电压，确认电源已经关闭；（3）打开盖子，观察电磁铁是否有烧坏的线圈、破损的部件或者其他问题。对损坏部件进行更换。注意：在更换线圈前要判断是否是因短路引起的线圈损坏，如果故障没有排除只更换线圈的话，相同的故障会再次出现。更换完毕应再次观察操作是否恢复正常；6.故障诊断过程（4）当没有观察到明显的故障点时，应将电磁铁线圈与电路断开；（5）检查线圈是否断线。用万用表的电阻档检查线圈两端的电阻值，电阻值读数应为正常阻抗值的±15%左右。正常的阻抗值可以从相同型号的电磁铁上量得。如果读数过小或为零表明线圈短路或部分短路。如果读数无穷大，说明线圈开路。此两种情况都应该更换线圈。图4-20电磁阀故障检查第四章电磁铁与直流电机

4.2直流电机4.2.1直流发电机直流发电机是利用电磁感应原理将机械能转换为电能的电气设备。直流发电机主要由四部分组成，分别是磁场绕组（定子）、电枢（转子）、换向器和电刷。如图4－21所示。旋转方向电枢磁场磁场换向器电刷磁力线图4－21直流发电机磁场绕组磁场绕组的作用是产生磁场，磁场也可以用永磁铁产生。永磁铁的缺点是磁力在使用一段时间后会逐渐减小，而且磁场的大小不可控，所以多数直流电机使用励磁式电磁铁。励磁电流可以是外部电源提供，也可以是电机自励，发电机的磁场一般为自励方式。电枢电枢由绝缘导线绕成线圈后，嵌入转子电枢槽内，由机械装置带动在磁场中作旋转运动，根据电磁感应原理，在电枢线圈内部会产生感应电势和感应电流。换向器换向器由许多楔形铜片组成，片间用云母或其他垫片绝缘，外表呈圆筒形。每一换向铜片按一定规律连接在电枢线圈上，主要起机械换向的作用，保证电枢线圈处于某一磁极下时，其电流始终保持一个方向。电刷电刷紧紧压在换向器的圆周上，电刷一般采用优质碳－石墨材料的导电块制成，其材质软于换向器，但是又不易磨损和掉块，能保证很好的导电性。磁场方向运动方向导线电流方向负载图4－22右手定则5.右手定则当处于磁场中的导线作切割磁力线运动的时候，在导体内部就会产生感应电流，电流方向、磁场方向和运动方向相互垂直，遵守右手定则。如图4－22所示，右手的拇指代表导线运动方向，食指为磁场方向，中指所指的方向即为电流方向。图4-23直流发电机的工作原理（a)图4-23直流发电机的工作原理(b)图4-23直流发电机的工作原理(c)6.直流发电机的磁场连接形式

直流发电机的磁场连接方式有三种，分别是:

串励、

并励和

复励。6.直流发电机的磁场连接形式（1）串励发电机：励磁绕组、电枢绕组和外部负载电路串联在一起的励磁方式，即为串励。串励的磁场绕组内流过较大的电流，所以它的的特点是：匝数少，导线粗，电阻小。如图4－25所示。6.直流发电机的磁场连接形式（2）并励发电机：励磁绕组、电枢绕组和外部负载电路并联在一起的励磁方式，即为并励。并励磁场绕组内流过的电流小，其特点是：匝数多，导线细，电阻大。如图4－26所示。可调电阻电枢励磁绕组电刷可调电阻励磁绕组电枢绕组负载图4－25直流串励发电机可调电阻并联负载励磁绕组电刷电枢励磁绕组可调电阻电枢绕组负载图4－26直流并励发电机换向器换向器6.直流发电机的磁场连接形式（3）复励发电机：既有并励绕组，又有串励绕组。复励绕组的特性优于串励和并励绕组，如图4－27所示。

可调电阻电刷励磁绕组电枢换向器负载并联励磁绕组串联励磁绕组电枢可调电阻负载图4－27直流复励发电机4-24直流发电机

4.2.2直流电动机直流电动机是利用电磁感应原理将电能转化为机械能的电气设备。当通电导线处于磁场中时，会受到电磁力的作用，而发生运动，如图4－28所示。其运动方向受磁力线方向和电流方向共同控制，可以按照左手定则来判断。如图4－29所示。磁铁磁铁磁力线受力方向图4－28磁场中的通电导体运动方向电流的磁场方向受力方向电流方向导线电流方向磁力线图4－29左手定则磁场方向1.直流电动机的结构直流电动机可分为定子和转子两大部分，如图4－30所示。定子由主磁极、换向磁极、机座以及电刷装置等组成。图4-30直流电动机的内部构造1.直流电动机的结构主磁极用来产生主磁场，它由铁心和主磁极绕组（励磁绕组）组成。用0.5～1.5mm的低碳钢板叠压而成，主磁极N、S交替布置，均匀分布并用螺钉固定在机座上。为使主磁通在气隙中分布更合理，铁心的下部（称为极靴）比套绕组的部分（称为极身）要宽些。换向极用来改善直流电动机的换向，又称附加极。机座既是电机的外壳，又是电机磁路的一部分。—般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成。机座的两端有端盖。中小型电机前后端盖都装有轴承，用于支承转轴，大型电机则采用座式滑动轴承。1.直流电动机的结构电刷的作用是使旋转部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。它与换向器相配合，起整流或逆变器的作用。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和汇流条等零件组成。电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙而成，它放置在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上。电刷杆数一般等于主磁极的数目。

1.直流电动机的结构

转子由电枢、电枢绕组和换向器等部件组成。电枢是电机磁路的一部分，电枢绕组放置在槽内，电枢通常用0.35或0.5mm厚的硅钢片叠压而成。电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分。它的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量的转换。电枢绕组是用绝缘铜线制成元件，然后嵌放在电枢槽内。每个线圈（元件）有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。1.直流电动机的结构换向器是直流电动机的重要部件，是由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成。2.直流电动机励磁绕组的连接形式直流电动机励磁绕组有三种连接方式，分别是串励式、并励式、复励式，外加永磁式，如图4－31所示。串励式并励式复励式永磁式图4－31直流电动机的励磁方式(1)直流串励电动机直流串励电动机的励磁绕组、电枢绕组和外部负载电路串联在一起。串励的磁场绕组内流过较大的电流，所以它的特点是：匝数少，导线粗，电阻小。励磁绕组的出线端标示为S1、S2，电枢绕组的出线端标示为A1、A2，如图4－32所示。串励电动机能提供很大的启动力矩（5倍的额定力矩），所以常用作牵引、提升机和起重机等。串励电动机不宜用于调速，因为串励电机的机械特性很软。随着负载的减小，电枢电流和磁场电流同步减小，当接近空载时，电机转速很快升高，可能会造成电机损坏。串励绕组主磁极主磁极电枢直流电源图4－32直流串励电动机（2）直流并励电动机直流并励电动机的励磁绕组、电枢绕组和外部负载电路并联在一起。并励的磁场绕组内流过的电流小，所以其特点是：匝数多，导线细，电阻大。励磁绕组的出线端标示为F1、F2，电枢绕组的出线端标示为A1、A2，如图4－33所示。并励电动机的励磁电流和电枢电流是独立的，所以具有很好的调速性能。并励的磁场绕组可以与电枢绕组并联在同一电源上，也可以独立电源（此种方式又称为他励）。并励电动机常用于要求转速基本不受负载影响，又可在大范围调速的机械。如风机、泵、传送带、电梯、车床和冶金设备等。（3）直流复励电动机直流复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组。磁场的并励绕组的出线端标示为F1、F2，串励绕组的出线端标示为S1、S2，电枢绕组的出线端标示为A1、A2，如图4－34所示。复励电机兼备了串励电机的大起动力矩和并励电机的转速恒定的优点。常用于既需要大启动力矩，又要在轻载情况下保持恒定转速的场合。如常见于印刷机、剪切机、卷扬机和轮船等设备中。换向极并励绕组主磁极并励绕组电枢绕组直流电源电枢绕组主磁极并励绕组并励绕组串励绕组直流电源图4－33直流并励式电动机图4－34直流复励式电动机（4）直流永磁式电动机永磁式电动机的磁场部分采用的是永久磁铁，直流电源仅供电枢使用，如图4－35所示。永磁式直流电动机常用于汽车的座椅调节、挡风玻璃水刷控制等。永磁式直流电动机能在低速时提供相对较大的力矩，且在没有电源时可以进行自制动。但是其缺点是若连续运行会导致过热，过高的温度会损坏永久磁铁。永久磁铁电枢永久磁铁直流电源图4－35直流永磁式电动机3.国产直流电动机的主要序列和型号

国产直流电动机的系列产品代号用汉语拼音字母表示，主要序列如下：Z2、Z3、Z4系列：一般用途的直流电动机（Z4系列的部分电机参数见表4－2），Z2、Z4系列电机如图4-36所示。ZD系列：一般用途的中型直流电动机ZJD系列：大型直流电动机ZT系列：用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统的宽调速直流电机。3.国产直流电动机的主要序列和型号ZZ和ZZK系列：起重和冶金工业用的直流电动机ZKJ系列：冶金矿山挖掘机用直流电动机ZQ系列：电力机车，工矿电动机车和蓄电池电车等用的直流牵引电动机图4-36直流电动机b)Z4系列直流电动机a)Z2系列直流电动机返回82表4－2Z4100－1到Z4160－32440V直流电动机机座号功率(kW)额定转速(r/min)最高转速(r/min)效率(%)功率(kW)额定转速(r/min)最高转速(r/min)效率(%)功率(kW)额定转速(r/min)最高转速(r/min)效率(%)100-142960400080.12.21480300070.61.5990200063.2112/2-15.52940400081.131500300072.82.2965200063.5112/2-27.52980400083.54150030007631010200067.3112/4-1112950400083.35.51480220075.74980140068.7112/4-2153035400085.47.51480220078.45.51025150071.9132-118.52850400085.9111480250080.97.5975160074.5132-2223090400088.3151510250083.411995160077.7132-3303000360088.618.51540300084.7151050160080.5160-11373000350088.5221500300082.6160-2118.51000200079.4160-22453000350089.1160-31301500300085.7221000200081.7160-32553010350090.24.直流电机的选择电动机种类的选择调速范围要求大，且需要连续平滑的生产机械，如轧钢机、大型机床、造纸机等，应选用他励直流电动机。电压等级的选择直流电动机的额定电压要与电源电压相配合，当电网电压为380V时，直流电动机由晶闸管整流电路供电时，采用三相整流可选额定电压为440V，单相整流可选额定电压160V或180V。4.直流电机的选择额定转速的选择电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要求来选择的。在功率一定时，电机的额定转速越高，其体积越小，重量减轻、价格越低、运行效率越高，电动机的飞轮矩越小，因此选用高速电动机较经济。但是在生产机械要求转速低的情况下，若选择高速电动机则会使传动机构复杂。对于经常启动、制动、反转的生产机械，若过渡过程时间对生产效率有较大影响，则应以过渡过程持续时间为最短来选择电动机的转速，如龙门刨床工作台拖动电动机；若过渡过程时间对生产效率影响不大，则应以过渡过程中能量消耗最小来选择电动机的额定转速。4.直流电机的选择结构形式的选择开启式：此类电动机价格便宜，散热条件最好，但由于转子和绕组暴露在空气中，容易被水汽、灰尘、油污等侵蚀，因此只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。防护式：此类电动机一般可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内，但不能防止潮气及灰尘的侵入。只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。封闭式：可用在潮湿、多腐蚀性灰尘、易受风雨侵蚀的环境中；如果是密封式，还可用于浸入水中的机械，如潜水泵电动机。此类电动机价格昂贵，尽量少用。防爆式：此类电动机应用在有爆炸危险的环境中，如在瓦斯矿的井下或油池附近。4.直流电机的选择容量的选择选择电动机容量的基本方法是负载图发热校验法。这种选择方法一般按三个步骤：第一步计算负载功率PL第二步根据PL，预选电动机的额定功率第三步校核预选电动机的发热、过载能力，及起动能力直至合适为止。5.直流电动机的日常维护（1）定期检查定子、轴承等部位的温度。（2）检查轴承振动和声响。直流电机震动所允许的标准如表4－3所示。利用听音棒听电动机的运转声，将棒的前端触及电机轴承等部位，另一端触及耳朵。如果振动大，有异常声响，可将电机拆开，检查轴承的发热和漏油情况，并定期更换润滑油。在灰尘特别多的地方及轴承温度超过60℃的场合，应缩短更换周期，所加润滑脂不宜超过轴承室容积的2／3。表4－3直流电动机震动标准电动机转速（r/min）允许双振幅值（mm）电动机转速（r/min）允许双振幅值（mm）50060075010000.200.160.120.1015002000250030000.080.070.060.055.直流电动机的日常维护（3）定期检查电动机引出线头是否过热。（4）检查电动机的通风情况和周围是否有杂物堆放，妨碍电动机的通风。（5）检查电动机与传动装置的耦合情况。（6）带有测速发电机的，还应检查测速发电机及其耦合情况。5.直流电动机的日常维护（7）测量电动机绕组对地绝缘电阻，绝缘电阻应不小于0.5MΩ，否则应进行干燥处理。（8）检查火花等级。电刷和换向器之间产生的火花不影响电动机的正常运行，是无妨的。如果火花大于一定程度，就会烧坏换向器，使电动机无法正常运行，必须采取措施加以纠正。电刷下的火花等级如表4－4所示。表4－4电刷下火花的等级火花等级现

象换向器及电刷状态允许的运行方式1无火花换向器上有黑痕出现，但不发展，用汽油擦其表面即能除去，同时在电刷上有轻微灼痕允许长期连续运行1¼电刷边缘及小部分有微弱的点状火花，或有非放电性的红色火花1½电刷边缘大部分或全部有轻微的火花换向器上有黑痕出现，用汽油不能除去，同时在电刷上有灼痕。2电刷边缘大部分或全部有较强烈的火花如短时出现这一级火花，换向器上不出现灼痕，电刷不致被烧焦或损坏仅在短时过载或短时冲击负载时允许出现3电刷的整个边缘有强烈的火花（即环火）。同时有大火花飞出换向器上黑痕严重，用汽油不能除去，同时在电刷上有灼痕。如在这一等级下短时运行，则换向器上将出现灼痕，同时电刷将被烧焦或损坏仅在直接启动或逆转的瞬间允许存在，但不得损害换向器及电刷5.直流电动机的日常维护（9）检查换向器表面状况。换向器表面应无机械损伤和电火花烧伤痕迹。表面若不光滑、有凹凸条痕等（这时火花也很大）。应及时修理。如果痕迹较轻，可将0号砂布（切忌使用金刚砂布）固定在木质支架上，对旋转着的换向器进行研磨（正常的换向器表面有一层坚硬的深褐色薄膜，它对制止火花是有利的，不应磨掉）；如果伤痕严重或换向器外圆不是正圆形，应拆下电机转子，上车床车光，要求换向器表面光洁度达到1.6√－0.8√。换向器外圆允许不圆度见表4－5。车完后用刻槽锯片或拉槽工具将片间云母下刻0.5－1.5mm（见表4－6），并清除换向器表面、凹槽中的杂物，将换向器清洁光亮。表4-5换向器外圆允许不圆度换向器线速度（m／s）冷态偏摆（mm）热态偏摆（mm）>4015－40<150.030.040.050.050.060.10表4-6换向器云母下刻深度换向器直径（mm）云母下刻深度（mm）换向器直径（mm）云母下刻深度（mm）<5050－1500.50.8151－300>3001.21.55.直流电动机的日常维护（10）检查电刷尺寸、刷架压力和电刷在刷握中的移动是否灵活。

①对于过短的电刷，应及时更换。新更换上的电刷需要用细纱布粗磨工作面，研磨时砂布应顺电动机旋转方向移动，如图4－37（a）所示。电刷砂布转向a)电刷研磨刷握电刷弹簧纸电枢弹簧秤b)电刷压力测定图4-37电刷的研磨和压力测定5.直流电动机的日常维护②调整电刷压力。电刷压力不应过高或过低，否则会加剧电刷的磨损及损伤换向器表面。电刷压力可以用弹簧秤测定，如图4－37（b）所示。测定时，在电刷和换向器表面之间夹一张牛皮纸，在提着弹簧的同时，轻轻拉动纸片。当纸片能够移动，但不能移动快时，读取弹簧秤的读数。将2－3次的读数平均值除以电刷截面积，就得出压力值。一般电刷压力值为15－25Pa。③电刷在刷握内应有0.15mm左右的间隙。5.直流电动机的日常维护（11）定期清洁电刷架、支杆、换向器槽内部等部位，将电刷粉末和污垢清除。（12）检查电刷中性位置。如果检查后发现电刷合适，电刷压力正常，换向器也良好，但火花仍然大，这时就应考虑电刷中性位置是否合适。6.直流电动机的故障处理(1)电刷故障处理电刷在使用过程中与换向器相互摩擦，而且还要承载很大的电枢电流，所以在电刷和换向器之间常出现火花，火花会引起电机发热、并且磨损严重。所以在电机运行过程中，要定期观察电刷的工作情况，如果没有火花，或者火花很小，而且没有噪声，即表示其运行状况良好。如果有明显的噪声、火花或者换向器表面有很严重的黑痕，即表示电刷需要调整或更换。永久磁铁电刷换向片刷握刷握和换向器间距最大1.5mm刷握距离换向器过大刷握距离换向器过大刷握距离换向器过小错误错误错误正确图4－38电刷几种安装方式的对比电刷尖易碎和烧灼电刷尖易碎、产生噪音电刷尖易碎保持一定距离6.直流电动机的故障处理检查电刷的步骤：①关闭电机电源，悬挂警示牌（禁止合闸标志）并加锁；②测量电机接线端子电压，确认电源关闭；③从刷握中拆下电刷，检查电刷的移动是否自如，每个电刷的弹簧力是否相同；④测量电刷的长度，如果电刷长度已经小于原长的一半，就应更换新的电刷。每次更换电刷时应将全部电刷一起更换，而且应根据制造商规定的安装位置和弹簧力进行调整。关闭电源确认电源关闭检查电刷长度检查电刷移动和弹簧力电刷电刷盖图4－39电刷的检查步骤弹簧6.直流电动机故障处理（2）换向器故障处理电刷在更换一至两次后，换向器就应该考虑进行保养。处理步骤如下：①观察换向器表面。换向器表面应该是光滑的，同心度也应保持很好。表面上均匀的的黑色氧化薄膜是很好的润滑剂，可以延长电刷和换向器的寿命，减少磨损。②检查换向片沟槽内的云母片绝缘。云母片使换向片之间保持绝缘，云母片应低于换向器铜片表面0.8-1.5mm，电机越大，云母的沟槽越深。当换向片磨损使得云母片沟槽变浅时，就应该考虑更换或保养换向器。云母片叠压铁心轴检查换向器换向器光滑，同轴度好换向片斜边云母片低于铜片表面0.8到1.5毫米检查云母绝缘云母片超高图4－40检查换向器6.直流电动机故障处理（3）接地、开路、短路故障处理电动机接地故障即电机绝缘损坏时，绕组与电机外壳相接触导致电流接地的故障。开路故障即电机绕组或连接部件出现接触不良，而导致电机绕组开路的故障。短路故障，当电机两绝缘绕组间因长时间震动或摩擦而出现绝缘损坏时，两绕组会出现短路故障，这种短路故障有可能造成电机全部绝缘破坏。检查步骤如图4－41所示。检查接地检查开路检查短路电机外壳电阻档电阻档串励绕组主磁极并励绕组电阻档图4－41检查接地、开路和短路故障6.直流电动机故障处理①检查接地回路。使用万用表电阻档分别测量电机外壳与两个电枢接线端子之间的阻值，如果很小，则表示电枢绕组与机壳之间的绝缘有破损，需要对电机进行维修保养。②检查开路。将两只表笔分别与电枢和励磁绕组相连接，测量电枢和励磁是否有开路现象。串励电机：检查A1和A2，S1和S2；并励电机：检查A1和A2，F1和F2；复励电机：检查A1和A2，S1和S2，F1和F2。如果任一组有开路现象就需要对电机进行维修。6.直流电动机故障处理③检查短路。使用万用表分别测量以下端子：串励电机测量A1和S1，A1和S2，A2和S1，A2和S2；并励电机测量A1和F1，A1和F2，A2和F1，A2和F2；复励电机测量A1和F1，A2和F2，A1和F2，A2和S1，A1和S1，A2和S2，A1和S2，F1和S1，A2和F1，F1和S2。任意一组有短路现象就需要对电机进行维修。6.直流电动机故障处理（4）直流电动机的主要常见故障及处理方法如表4－7所示。表4-7直流电动机的常见故障和处理方法序号故障现象可

能

原

因处

理

方

法1电刷火花过大（1）电刷与换向器接触不良（2）电刷压力不当（3）电刷在刷握内有卡阻现象（4）电刷位置不在中性线上（5）电刷牌号不对，电刷过短（6）电刷位置不均衡，引起电流不均匀（7）换向器表面有污垢，不光洁，有沟纹，不圆（8）刷握松动或未装正（9）换向片间云母突出（10）电动机振动，底座松动（11）电动机过载（12）转子动平衡未校正（13）检修时将换向极接反（14）换向极绕组短路（15）电枢过热，使绕组线头与换向器脱焊（16）晶闸管整流装置输出电压波形不对称（17）转速变化过快（1）研磨电刷表面，先在轻载下运行（2）校正电刷压力为15－25Pa（3）略微磨小电刷或更换电刷（4）调整刷杆座至正确位置，或按感应法校正中性线位置（5）更换电刷（6）调整刷架位置，做到等分（7）清洁换向器表面，车圆换向器（8）紧固或校正刷握位置（9）换向片刻槽、倒角，研磨（10）紧固底座螺丝（11）减轻负荷（12）重校转子动平衡（13）在换向极绕组两端通12V直流电压，用指南针判断换向极极性（14）消除短路故障（15）用毫伏表检查换向片间的电压是否平衡，如两片间电压特别高，则该处可能脱焊（16）用示波器检查波形（17）检查最大电流值和转速