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1、第3章 直流电动机第第3章章 直流电动机直流电动机3.1 直直流电动机的结构和工作原理流电动机的结构和工作原理.3.2 直直流电动机的运行特性流电动机的运行特性3.3 直直流电动机的起动、反转、调速与制动流电动机的起动、反转、调速与制动3.4 直流电动机的使用、维护与检修直流电动机的使用、维护与检修3.1 直流电动机的结构和工作原理直流电动机的结构和工作原理 3.1.1 直流电动机的结直流电动机的结构构小型直流电动机的结构如图3-1所示，其剖面图如图3-2所示。1.定子部定子部分分（1）机）机座座机座支撑、保护作用的部件。一般用铸钢或钢板焊接而成。（2）主磁）主磁极极主磁极有永磁式和电磁式两种
2、形式，主磁极固定在机座内圆上。永磁式主磁极主要用永久磁性材料加工而成，微型直流电动机一般采用永磁式主磁极。电磁式主磁极的结构如图3-3所示。小型或中、大型直流电动机多数采用电磁式主磁极。（3）换向）换向极极换向极的作用是用来改善直流电动机的换向性能。微型直流电动机一般不装换向极。一般电动机的功率超过1kW的小型、中型、大型直流电动机多数装设电磁式换向极。电磁式换向极由换向极铁芯和换向极绕组构成，如图3-4所示。（4）电刷装置）电刷装置电刷的结构如图3-5所示。（5）端盖）端盖电动机中的端盖主要起支撑作用。2.转子部转子部分分（1）电枢铁芯）电枢铁芯电枢铁芯外圆上开有均匀分布的槽，铁芯较长时，为
3、加强冷却，冲片上有轴向通风孔，电枢铁芯沿轴向分成数段，段与段之间留有通风道，电枢铁芯固定在转轴上。电枢冲片形状和电枢铁芯装配图如图3-6所示。（2）电枢绕组）电枢绕组几个概念：元件、元件边、端接部分、上层边、下层边、实槽、虚槽。如图3-7和图3-8所示。 （3）换向器）换向器换向器的结构如图3-9所示。 （4）转轴）转轴由转轴向外输出机械能。转轴一般用优质钢材加工而成。（5）风扇）风扇风扇的主要结构包括风扇扇叶和风扇支座。3.气气隙隙气隙的大小与直流电动机的容量有关。 3.1.2 直流电动机的分类与铭牌数直流电动机的分类与铭牌数据据1.直流电动机的分直流电动机的分类类（1）永磁式直流电动机）永
4、磁式直流电动机（2）电磁式直流电动）电磁式直流电动机机。电磁式直流电动机又分为他励式和自励式直流电动机。1）他励直流电动机。其接线图如图3-10（a）所示。2）自励直流电动机分为：并励直流电动机，其接线图如图3-10（b）所示；串励直流电动机，其接线图如图3-10（c）所示；复励直流电动机，如图3-10（d）所示。 2.直流电动机的铭牌数直流电动机的铭牌数据据直流电动机的铭牌，如图3-11所示。 （1）型号）型号电机型号的含义如下。（2）额定值）额定值直流电机的额定数据主要如下。额定功率PN。单为W或kW。额定电压UN。单位为V。额定电枢电流IaN。单位为A。额定转速nN。单位为rmin。额定
5、转矩TN。单位为Nm。额定效率。额定励磁电压UfN。单位为V。额定励磁电流IfN。单位为A。（3）其他信息）其他信息其他信息包括励磁方式、防护等级、绝缘等级、工作制、重量、出厂日期、出厂编号、生产单位等。 3.1.3 直流电动机的工作原直流电动机的工作原理理1.直流电动动机工作原直流电动动机工作原理理以图3-12所示的直流电动机简单的模型说明直流电动机的转动原理。 2.直流电机的可逆原直流电机的可逆原理理（1）直流发电机）直流发电机当发电机带负载以后，就有电流流过负载，同时也流过线圈，其方向与感应电动势方向相同。发电机把从原动机吸取机械能，转换成电能向负载输出。（2）直流电动机）直流电动机当电
6、动机旋转起来后，绕组的有效边切割磁力线，产生感应电动势，此电枢电动势为反电动势，此时电动机从直流电源吸取电能，转换成机械能输出。3.2 直直流电动机的运行特性流电动机的运行特性3.2.1 直流电动机的电枢电动势、功率和转直流电动机的电枢电动势、功率和转矩矩1.电枢电动电枢电动势势（1）直流电动机的电枢电动势Ea为式中，CE为电动势常数；为气隙每极磁通，单位为Wb；n为直流电动机的转速，单位为rmin。（2）他励、并励直流电动机的电压平衡方程式为式中，Ra为电枢回路的等效电阻，包括电枢绕组直流电阻及电刷与换向器之间的接触电阻。2.功率及效功率及效率率（1）直流电动机的功率）直流电动机的功率功率平
7、衡方程式为其中，UIa为电源输入电枢电路的功率P1a；EaIa为电磁功率Pem；Ia2Ra为电枢内部消耗的功率，即电枢回路的铜损耗PaCu。因此，上式可写为P1aPemPacuP2P0Pacu 式中，PemP0P2；P2为直流电动机输出的机械功率；P0为直流电动机的空载损耗，即P0PFePmecPad（PFe为铁损耗，Pmec为机械损耗，Pad为附加损耗）。对他励、并励直流电动机，功率平衡方程式为P1P2P0PacuPfcu式中，P1为电源给电动机提供的总功率，即输入功率P1P1aP1fUI，IIaIf为电源给电动机提供的输入电流；PfCu=If2Rf为励磁回路内部消耗的功率，即励磁回路的铜损
8、耗。（2）直流电动机的效率）直流电动机的效率电动机的效率为3.电磁转电磁转矩矩根据直流电动机的工作原理可得式中，CT为转矩常数，仅与电动机的结构有关；为气隙每极磁通，单位为Wb；Ia为电枢电流，单位为A；T为电磁转矩，单位为Nm。电枢电动势常数CE和转矩常数CT的关系为转矩平衡方程式为例例3-1 已知某台并励直流电动机的额定值为：PN25kW，UN110V，N0.86，nN1200r/min，Ra0.04，Rf27.5。求：（1）额定电流、额定电枢电流、额定励磁电流。（2）铜损耗、空载损耗。（3）额定转矩。（4）额定运行时反电动势。3.2.2 直流电动机的机械特直流电动机的机械特性性1.他励直
9、流电动机的机械特他励直流电动机的机械特性性（1）他励直流电动机的机械特性方程式）他励直流电动机的机械特性方程式由图3-13所示的他励直流电动机的电路图，可得机械方程为（2）固有机械特性）固有机械特性固有机械特性的方程式为他励直流电动机固有机械特性具有以下特点：特性是略下斜的直线。当T0时，nn0为理想空载转速；具有硬的机械特性。额定转速降：nNn0nN一般n(0.030.08)nN。（3）人为机械特性）人为机械特性1）电枢回路串电阻的人为机械特性电枢加额定电压UaN，每极磁通为额定值N，电枢回路串入电阻Rpa后的人为机械特性表达式为电枢回路串电阻的人为机械特性曲线如图3-15所示，其特点是：理
10、想空载转速n0不变。Rpa越大，越大，转速降落n越大，特性越软，稳定性越差。Rpa越大，电枢电流流过Rpa产生的损耗越大。电枢回路串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射形直线。2）降低电枢电压的人为机械特）降低电枢电压的人为机械特性性其机械特性方程式为降低电枢电压人为机械特性曲线如图3-16所示，其特点是：n0与Ua成正比，且Ua为负值时，n0也为负值。特性斜率不变，n不变。降低Ua的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。3）减弱磁通人为机械特性。其人为机械特性方程为机械特性曲线如图3-17所示，其特点是：理想空载转速随磁通的减弱而上升。减弱磁通，机械特性变软。一般磁通从N开始减
11、弱。例例3-2 已知某台他励直流电动机的PN22kW，UaN220V，IaN116A，nN1500r/min，Ra0.175。试绘制：（1）固有的机械特性曲线；（2）下列三种情况下的人为机械特性曲线：电枢回路串入电阻Rpa0.7时；电源电压降至0.5UaN时；磁通减弱至2/3N时。2.串励直流电动机的机械特串励直流电动机的机械特性性（1）固有机械特性）固有机械特性图3-20是串励直流电动机的接线图。在励磁电流If较小，磁路未饱和磁路未饱和时，串励直流电动机的机械特性为串励电动机在磁路不饱和时的机械特性为一条双曲线，如图3-21中的曲线1所示。其特点是：特性曲线是一条非线性的软特性，随着负载转矩
12、的增大（减小），转速自动地减小（增大），保持功率基本不变。空载转速很大，空载运行时会出现“飞车”现象。起动转矩大，过载能力强。当磁路饱和时，其机械特性与此曲线有很大区别，但转速随转矩增加而显著下降的特点依然存在，基本保持不变，此时机械特性与他励直流电动机的机械特性相似，为较“硬”的直线特性。（2）人为机械特性）人为机械特性如图3-21中的曲线2、3所示是电枢回路串入不同电阻后的人为机械特性。3.2.3 直流电动机的换直流电动机的换向向1.换向过换向过程程换向是靠换向器和电刷的配合将直流电动机外部直流电流变成内部的交流电流。如图3-22所示。在换向开始瞬间，如图3-22（a）所示。当电枢向左移动
13、，在换向过程中，如图3-22（b）所示。换向结束瞬间，当电枢继续向左移动使电刷只与换向片2 接触时，如图3-22（c）所示。2.换向火换向火花花（1）产生换向火花的原因）产生换向火花的原因换向元件在换向过程中产生的电动势分为两类：电抗电动势和电枢反应电动势。1）电抗电动势的方向与元件换向前的电流方向一致，它是阻碍电流变化的，即阻碍换向进行。2）电枢反应电动势。当电动机空载运行时，如图3-23（a）所示为主磁场在电机中的分布情况。当电动机负载运行时，电枢产生了电枢磁场如图3-23（b）所示，电枢磁场使主磁极磁场发生了畸变，合成的气隙磁场如图3-23（c）所示，此时主磁极几何中性线处的气隙磁场不再
14、是零。电抗电动势和电枢反应电动势都在换向元件中产生阻碍换向的附加电流，使得换向元件出现延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以火花形式释放出来，因而在电刷与换向片之间出现火花，影响换向。3.改改善换向的方善换向的方法法（1）安装换向极）安装换向极安装换向极是目前改善换向最有效的方法之一。如图3-24所示，换向极通常装在主磁极的几何中性线上。（2）选择合适的电刷）选择合适的电刷不同牌号的电刷具有不同的接触电阻，选择合适的电刷能改善直流电动机的换向。（3）调整电刷的位置）调整电刷的位置在无换向极的直流电动机中，常用适当移动电刷位置的方法来减弱电火花。（4）增加换
15、向回路的电阻）增加换向回路的电阻增加换向回路的电阻，可以减小换向回路的附加电流，从而减弱电火花的产生。（5）安装补偿绕组）安装补偿绕组补偿绕组安装在主磁极极靴上的槽内，如图3-24所示。补偿绕组与电枢绕组串联，其电流方向与对应极下电枢绕组的电流方向相反。3.3 直直流电动机的起动、反转、调速与制流电动机的起动、反转、调速与制动动3.3.1 直流电动机的起直流电动机的起动动直流电动机的起动方法有：直接起动（即全压起动）、电枢回路串电阻起动和降低电枢电压起动。1.直直接起接起动动如图3-26所示，将直流电动机接到UUN的电网中，先合QS1接通励磁电路建立磁场，并调节励磁电流为最大，然后合上QS2，
16、将电枢绕组接上电源全压起动。起动电流为：起动转矩为：2.降低电枢电压起降低电枢电压起动动降低电枢电压起动的接线原理图和起动工作特性如图3-27所示。起动时，先将励磁绕组接通电源，并将励磁电流调到额定值，然后从低向高调节电枢回路的电压。降低电枢电压起动的特点是：起动电流小，起动平稳，起动能耗小，便于实现自动化。但需要一套可调节的直流电源。多用于要求经常起动的场合和中、大型直流电动机的起动。3.电枢回路串电阻起电枢回路串电阻起动动电枢回路串电阻起动图3-28所示为三级电阻起动控制接线和起动工作特性示意图。电动机起动前，应使励磁回路附加电阻为零，以使磁通达到最大值，能产生较大的起动转矩。起动开始瞬间
17、的起动电流为：式中，RaRst1Rst2Rst3为电枢回路总的等效电阻。起动过程的机械特性如图3-28（b）所示。这种起动方法广泛应用于中、小型直流电动机。技术标准规定，额定功率小于2kW的直流电动机，允许采用一级起动电阻起动，功率大于2kW的，应采用多级电阻起动或降低电枢电压起动。例例3-3 已知某台他励直流电动机的PN10kW，UaN220V，IaN53.8A，Ra0.286，nN1500r/min。求：（1）若直接起动，则起动电流是多少？（2）若要求起动电流限制在额定电流的2.5倍，采用降低电枢电压起动，则起动电压是多少？（3）如果要求起动电流限制在额定电流的2.5倍，电枢回路串电阻起动
18、，则起动开始时应串入多大阻值的起动电阻？3.3.2 直流电动机的反直流电动机的反转转使直流电动机反转的方法有两种。1.改变励磁电流方改变励磁电流方向向保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，使励磁电流方向改变，电动机反转。2.改变电枢电流方改变电枢电流方向向保持励磁绕组电流方向不变，将电枢绕组反接，使电枢电流改变方向，电动机反转。注注意意：实用中大多采用改变电枢电流的方向来实现直流电动机的反转。但在直流电动机容量很大，对反转速度变化要求不高的场合，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法实现直流电动机的反转。3.3.3 直流电动机的调直流电动机的调速速1.他励直流电动机的调速方他
19、励直流电动机的调速方法法（1）降低电枢电压调速）降低电枢电压调速电动机的工作电压是不允许超过额定电压的，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电枢电压调速的机械特性，如图3-29所示。降低电枢电压调速有以下特点：当电枢电源电压连续调节时，可实现无级调速。调速前后机械特性的斜率不变，速度稳定性好。调速范围一般可达D2.512。调速时损耗减小，调速经济性好。降低电枢电压调速需要一套电压可连续调节的直流电源。降低电枢电压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上。（2）电枢回路串电阻调速）电枢回路串电阻调速电源电压及主磁极磁通为额定值，在电枢回路串入不同的电阻时，直流电动机将稳定运行于较低的转速
20、。转速变化过程如图3-30所示。电枢回路串电阻调速以下特点特点：设备简单，操作方便。只能在低于额定转速范围内调速。串入的电阻值越大，机械特性越软，稳定性越差。在空载和轻载时能够调速的范围非常有限，调速效果不明显，几乎没有什么调速作用。一般多采用电器开关分级控制，不能连续调节，只能有级调速。串入的电阻越大，转速越低，损耗越大，效率越低，不经济。这种调速多用于对调速性能要求不高，而且不经常调速的设备上。例例3-4 一台他励直流电动机的额定数据为：PN90kW，UaN440V，IaN224A，nN1500r/min，电枢回路的等效电阻Ra0.0938。试求：（1）静差率%25%，电枢串电阻调速时的调
21、速范围；（2）静差率%40%，电枢串电阻调速时的调速范围；（3）静差率%25%，改变电枢电源电压调速时的调速范围。 （3）减弱主磁通调速）减弱主磁通调速改变磁通只能从额定值往下调。如图3-31所示。减小主磁通调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率高，适用于恒功率负载；缺点是励磁过弱时，机械特性斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。例例3-5 已知某台并励直流电动机的PN7.5kW，UN220V，IN42.61A，nN1500r/min，Ra0.1014，Rf46.5。求：（1）效率、电枢额定电流IaN、额定输出转矩T2N和额定电磁转矩TN；（2）当电枢电流变为50A时
22、电动机的转速n；（3）当负载转矩不变，电动机主磁通减少到80%时的稳态转速n。 3.3.4 直流电动机的制直流电动机的制动动1.他励直流电动机的能耗制他励直流电动机的能耗制动动（1）实现能耗制动的方法）实现能耗制动的方法能耗制动的接线图如图3-32（a）所示。当需要制动时，将开关S合于制动电阻Rbk侧。（2）能耗制动的机械特性）能耗制动的机械特性能耗制动时的机械特性方程为：能耗制动时的机械特性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，特性曲线的斜率与在电动状态下电枢回路串入相同电阻（Rbk）时的人为特性的斜率相同，如图2-32（b）中直线BC所示。通常限制最大制动电流不超过22.5倍的额定
23、电流。选择制动电阻的原则为式中，Ea为制动瞬间（即制动前电动状态时）的电枢电动势。能耗制动的特点特点为：操作简单，制动能耗较小，制动平稳，能实现准确地停车；但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。2.他励直流电动机的反接制他励直流电动机的反接制动动（1）实现电枢电源反接制动的方法）实现电枢电源反接制动的方法电枢电源反接制动的接线图，如图3-33（a）所示。反向电枢电流Iabk为一般规定Imax(22.5)IaN，因此应串入的制动电阻值为（2）电枢电源反接制动的机械特性）电枢电源反接制动的机械特性电压反接制动时的机械特性就是在UaUaN、N、RRaRbk条件下的
24、一条人为机械特性，即其机械特性如图3-33（b）所示，它是一条过（0，n0）点并与电枢回路串入相同电阻（与Rbk相同）时的人为机械特性相平行的直线。电枢电源反接制动的特点特点为：制动转矩大，制动效果较好，但制动能耗大。电枢电源反接制动适合于要求快速制动或频繁正、反转的电力拖动系统。3.他励直流电动机的回馈制他励直流电动机的回馈制动动直流电动机在电动运行状态下，带位能性负载下降，电枢转速n超过理想空载转速n0时，则进入回馈制动，回馈制动时，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网。回馈分为正回馈和负回馈。图3-34（a）是电车下坡时正回馈制动机械特性。图3-34（b）是带位能负载下降时负回馈制动机
25、械特性。例例3-6 已知某台他励直流电动机的PN40kW，UaN220V，IaN207.5A，nN1500r/min，电枢回路的等效电阻Ra0.0422，电动机拖动反抗性负载转矩运行于正向电动状态时，T0.85TN。求：（1）采用能耗制动停车，并且要求制动开始时最大电磁转矩为1.9TN，电枢回路应串联多大电阻？（2）采用反接制动停车，要求制动开始时最大电磁转矩不变（仍为1.9TN），电枢回路应串多大电阻？（3）采用反接制动若转速接近于零时不及时切断电源，电动机最后的运行结果如何？ 3.4 直直流电流电动机的使用、维护与检修动机的使用、维护与检修3.4.1 直流电动机的选择原直流电动机的选择原则
26、则直流电动机的选择包括：直额定功率、种类、结构形式、额定电压、额定转速等。1.直流电动机额定功率的选直流电动机额定功率的选择择额定功率选择的方法：根据生产机械工作时负载（转矩、功率、电流）大、小变化特点，预选直流电动机的额定功率，再根据所选直流电动机额定功率校验过载能力和起动能力。直流电动机额定功率大小是根据直流电动机工作发热时其温升不超过绝缘材料的允许温升来确定的，其温升变化规律是与工作特点有关的，同一台直流电动机在不同工作状态时的额定功率大小也是不相同的。 2.直流电动机种类的选直流电动机种类的选择择直流电动机种类选择时应考虑的主要内容有以下几项。（1）机械特性应与所拖动生产机械的负载特性
27、相匹配。（2）调速性能（调速范围、调速的平滑性、经济性）应满足生产机械要求。（3）起动性能应满足生产机械对直流电动机起动性能的要求。（4）经济性：一是直流电动机及其相关设备的经济性；二是直流电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能。3.直流电动机结构形直流电动机结构形式式（1）安装方式）安装方式直流电动机的安装方式有卧式安装和立式安装两种。（2）防护方式）防护方式直流电动机的防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。4.直流电动机额定电直流电动机额定电压压直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为220V。直流电动机一般由单独的电源供电，选择额定
28、电压时通常只要考虑与供电电源配合即可。5.直流电动机额定转直流电动机额定转速速应综合考虑直流电动机和生产机械两方面因素来确定。（1）对不需要调速的高、中速生产机械，可选择相应额定转速的直流电动机，从而省去减速传动机构。（2）对不需要调速的低速生产机械，可选用相应的低速直流电动机或者传动比较小的减速机构。（3）对不需要调速的低速生产机械，可选用相应的低速直流电动机或者传动比较小的减速机构。（4）对经常起动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短起动、制动时间以提高生产率。（5）对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速直流电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的直流电动机配以减速机构，
29、也可以采用电气调速的直流电动机拖动系统。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。（6）对调速性能要求较高的生产机械，应使直流电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。3.4.2 直流电动机的维护保养直流电动机的维护保养直流电动机在使用前应按产品使用维护说明书认真检查，以避免发生故障，损坏直流电动机和有关设备。在使用直流电动机时，应经常观察直流电动机的换向情况，包括在运转中、起动过程中换向情况，还应注意直流电动机各部分是否有过热情况。3.4.3 直流电动机的常见故障与处理方直流电动机的常见故障与处理方法法书表3-5列出了直流电动机的常见故障与处理方法。3.4.4 直流电动机修
30、理后的检查和试直流电动机修理后的检查和试验验直流电动机拆装、修理后，必须经检查和试验才能使用。1.检查项检查项目目检修后欲投入运行的电动机，所有的紧固元件应拧紧，转子转动应灵活。此外还应检查下列项目。（1）检查出线是否正确，接线是否与端子的标号一致，电动机内部的接线是否碰触转动的部件。（2）检查换向器的表面，应光滑、光洁，不得有毛刺、裂纹、裂痕等缺陷。换片间的云母片不得高出换向器的表面，凹下深度为11.5mm。（3）检查刷握。刷握应牢固而精确地固定在刷架上，各刷握之间的距离应相等，刷距偏差不超过1mm。（4）检查刷握的下边缘与换向器表面的距离、电刷在刷握中装配的尺寸要求、电刷与换向片的吻合接触面积。（5）检查电刷压弹簧的压力。（6）检查电动机气隙的不均匀度。2.试验项试验项目目（1）绝缘电阻测试。）绝缘电阻测试。（2）绕组直流电阻的测量。）绕组直流电阻的测量。感应法。正反转发电机法。正、反转电动机法。（4）耐压试验。）耐压试验。（5）空载试验。）空载试验。（6）负载试验。）负载试验。（7）超速试验。）超速试验。