电机与电气控制技术（第2版）课件 项目一 直流电机

项目一直流电机任务一直流电机的拆装任务二直流电动机的电力拖动及故障维修任务三直流电动机的故障维修直流电机

电力机车、轧钢机、大型机床、矿井卷扬机、船舶机械、造纸和纺织机械等都广泛采用直流电动机作为原动机。直流电机的用途广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等直流电机的特点直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。

直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，价格较高电机与拖动－直流电机任务一直流电机的拆装1-端盖2-电刷和刷架3-励磁绕组4-磁极铁心5-机壳6-电枢7-后端盖小型直流电机的结构分解图主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组一、直流电机的基本结构（录像）1、定子的主要部件包括：

主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件。主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N，S极交替出现。主磁极主磁极

机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。机座1、定子的主要部件包括：

主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件。换向极

换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

1、定子的主要部件包括：

主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件换向极安装位置电刷

电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。1、定子的主要部件包括：

主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件

端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。端盖1、定子的主要部件包括：

主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件2、直流电机的电枢电枢总成2、转子的主要部件包括：

转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。电枢铁心

电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。直流电机的电枢铁芯冲片2、转子的主要部件包括：

转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是产生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（左图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。单叠绕组的的特点：同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。

a=P单波绕组的特点同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；a=12、转子的主要部件包括：

转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。换向器

在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。换向器拼装

气隙是电机磁路的重要部分。他的路径虽然很短，但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，（一般小型电机的气隙为0.7～5mm，大型电机为5～10mm左右），对电机性能又很大影响。在拆装直流电机时应予以重视。气隙二、直流电机的工作原理（录像）直流电动机的物理模型将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子，拖动机械负载旋转。

二、直流电机的工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。直流电机原理要求结构组成直流电动机建立磁场→产生电磁力的条件之一载流导体→产生电磁力的条件之二线圈运动→对外输出机械功换向器和电刷→换流，产生持续电磁力直流电动机运行时的几点结论（★）1、外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；2、线圈中的感应电势与电流方向相反；3、产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质的。

对于同一台电机，在不同的外部条件下，既可作发电机运行，也可作电动机运行的原理，称为电机的可逆原理。电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。直流电机的可逆原理三、直流电机的铭牌数据

铭牌数据（额定值）：是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。直流电机铭牌直流电动机型号Z2－72产品编号7001结构类型____励磁方式他励功率22kW励磁电压220V电压220V工作方式连续电流116.3A绝缘等级B级转速1500r/min重量__kg标准编号JB1104-68出厂日期__年__月直流电机的铭牌

型号表明该电机所属的系列及主要特点。掌握了型号，就可以从有关的手册及资料中查出该电机的许多技术数据。1、电机型号：额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定功率PN：输出功率额定电压UN：额定状态下出线端电压；额定电流IN：额定状态下出线端电流；额定转速n：额定状态下的电机转速直流发电机：PN＝UN·IN直流电动机：PN＝UN·IN·

★注意：对于电动机，PN表示轴上输出的机械功率； 而UNIN表示输入的电功率。对于发电机，PN表示输出的电功率，PN=UNIN；而输入的机械功率为TΩ。.如果电机的电流小于额定电流，称为欠载或轻载；如果电机的电流大于额定电流，称为过载或超载；如果电机的电流等于额定电流，称为满载。

直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。

除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。

励磁方式他励：励磁绕组的电流由单独的电源供给。并励：励磁绕组与电枢绕组并联。串励：励磁绕组与电枢绕组串联。复励：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，是主要部分，另一部分与电枢绕组串联。主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组。若两套励磁绕组产生的磁势是相加，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁势是相减，则称差复励。实际应用中常用积复励。积复励与差复励示意图任务二直流电动机的电力拖动及故障维修1。他励直流电动机的起动；2。他励直流电动机的反转；3。他励直流电动机的调速；4。直流电机的故障及维修一、他励直流电动机的起动直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。1、他励直流电机直接起动：将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。2、减压起动优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。

开始时，降低端电压，使Ia＝(1.5~2.0)IN,Ust=(1.5～2.0）INRa。随着转速的上升，电动势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，起动转矩也减小。为使电枢电流限制在一定范围内，以保证足够大的起动转矩，起动过程中必须不断提高电枢电压，直至额定电压，电动机进入稳定运行，起动结束。

3、电枢回路串电阻的分级起动

电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且保持不变，将起动电阻串入电枢回路，以达到限制起动电流的目的，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。起动电流起动转矩动手操作二、他励直流电动机的反转

要使直流电机反转，就要改变它的电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定，所以，只要将磁通和电枢电流的方向任意改变其一就可以实现电机的反转。

1、改变励磁电流的方向

2、改变电枢电压极性动手操作三、他励直流电动机的调速

人为地改变电动机的速度，以满足生产工艺的要求，称为调速。调速有机械方法、电气方法或机械电气相结合的方法。

人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一负载下得到不同转速，称为电气调速

电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。直流电动机调速直流电动机的转速公式：因此直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压U；（3）改变串入电枢回路的调节电阻；电枢回路串电阻调速保持U＝UN且＝N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。1、串入电枢回路的电阻越大，转速越低。电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。（1）设备简单，操作方便。电枢回路串电阻调速的特点：（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差，调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。（4）电枢电流在调节电阻上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。动手操作改变端电压调速保持电动机的＝N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。2、电压越低，转速越低，调速方向从基速往下调。调节过程：改变端电压调速的特点：（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。（3）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。动手操作3、改变磁通的调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持U＝UN，Rpa＝0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。从两个稳定点A1、A2对应转速说明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变

减小机组加速nEaIaT＝TLT新的平衡，新的Ia和n弱磁调速特点：优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。动手操作拓展：他励直流电动机的制动直流电动机的两种运转状态：（1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向T与旋转方向n相同，此时电网向电动机输入电能，并转变为机械能，带动负载。（2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向T与旋转方向n相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，要求制动运行。在负载转矩为位能性负载转矩的机械设备中（例如起重机下放重物时，运输工具在下坡运行时）使设备保持一定的运行速度。在机械设备需要减速或停止时，电动机能实现减速和停止。直流电动机的制动状态：T与n方向相反。直流电动机的制动断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动自由停车机械制动电气制动1、能耗制动的方法和原理电动运转状态T与n方向相同制动运转状态T与n方向相反电枢电流Ia反向了，T反向，电动机因惯性继续原方向转动保持励磁电流If的大小及方向不变，将开关接至Rbk，电枢从电网脱离经制动电阻Rbk闭合。参数特点：＝N，U＝0，电枢回路总电阻R＝Ra＋Rbk∵U=Ea+IaR∴Ia=-Ea/R实际上是相当于一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。能耗制动时的机械特性能耗制动的参数（UN=0）代入固有机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：制动过程：固