電機及拖動基礎(chǔ)

第一章直流電機1第1章直流電機

直流電機是實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電氣設(shè)備。其中將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的叫做直流電動機，將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的叫做直流發(fā)電機。直流電動機的主要優(yōu)點是起動性能和調(diào)速性能好，過載能力大，因此，應(yīng)用于對起動和調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機械。例如大型機床、電力機車、內(nèi)燃機車、城市電車、電梯、軋鋼機、礦井卷揚機、船舶機械、造紙機和紡織機等都廣泛采用直流電動機作為原動機。2直流電機的主要缺點直流電機的主要缺點是存在電流換向問題。由于這個問題的存在，使其結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，且使用有色金屬多，價格昂貴，運行可靠性差。隨著近年電力電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，將來在很多領(lǐng)域內(nèi)，直流電動機將逐步為交流調(diào)速電動機所取代，直流發(fā)電機則正在被電力電子器件整流裝置所取代。不過在今后一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，直流電機仍在許多場合繼續(xù)發(fā)揮作用。3直流電機的用途4

1.1直流電機結(jié)構(gòu)及工作原理

一、直流發(fā)電機直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電勢靠換向器的作用，從電刷端引出時成為直流電勢的原理。圖1-1為直流發(fā)電機的模型圖。在定子主磁極N、S之間有一轉(zhuǎn)子鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。鐵心表面放置線圈abcd，線圈的引線分別連接到兩個換向片上，換向片之間相互絕緣并可隨線圈一同轉(zhuǎn)動，整個轉(zhuǎn)動部分稱為電樞。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接，是通過壓在換向片上固定不動的電刷A、B實現(xiàn)的。5手搖直流發(fā)電機的模型

6直流發(fā)電機的模型圖

7直流發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)子在原動機的拖動下按逆時針方向勻速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，線圈的有效邊ab和cd切割磁力線，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在圖1-1（a）所示時刻，用右手定則可確定電動勢方向為d→c→b→a。于是對外電路來說，電刷A呈正電位，極性為“+”，電刷B呈負電位，極性為“-”。當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180°后，在圖1-1（b）所示時刻，電動勢方向為a→b→c→d。由于電刷A始終與轉(zhuǎn)到N極下的有效邊相接觸，電刷B始終與轉(zhuǎn)到S極下的有效邊相接觸，所以，對外電路來說，電刷A仍呈正電位，極性為“+”，電刷B仍呈負電位，極性為“-”。8直流電動勢的輸出由此可見，線圈中的感應(yīng)電動勢雖然改變方向，但電刷引出的電動勢方向卻始終不變，從而獲得直流電動勢輸出。顯然，只有一個線圈的直流發(fā)電機，電刷間的電動勢是脈動電動勢，且波動太大，不適于做直流電源使用。實際應(yīng)用的直流發(fā)電機，由較多的線圈和換向片組成電樞繞組，這樣可以在很大程度上減小其脈動幅值，可以看作是恒定直流電源。9二、直流電動機

直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和直流發(fā)電機一樣。圖1-2為直流電動機的模型圖。電刷A、B接上直流電源，電流從電刷A流入，由電刷B流出。在圖1-2（a）所示時刻，線圈中電流方向為a→b→c→d，根據(jù)電磁力定律，用左手定則可確定線圈將受到逆時針方向的轉(zhuǎn)矩作用。當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)180°后，線圈有效邊dc處于N極下，ab處于S極下，但在線圈中流過的電流方向也改變了，從d→c→b→a，所以線圈仍然受到逆時針方向的轉(zhuǎn)矩作用。線圈始終保持同一旋轉(zhuǎn)方向。10直流電動機的模型圖

11直流電動機的工作原理

直流電動機的換向器由互相絕緣的換向片構(gòu)成，裝在軸上與電樞一同旋轉(zhuǎn)，換向器又與兩個固定不動的電刷A、B相接觸，這樣當(dāng)直流電壓加于電刷時，換向器的作用使外電路的直流電流改為線圈內(nèi)的交變電流，這種換向作用稱為逆變，以保證每極下導(dǎo)體中所流過的電流方向不變,從而使電機連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動機的工作原理。12電機的實際運行方式實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)距足夠大并且比較均勻，電動機的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。從以上分析看出：一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，電機的實際運行方式取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，作電動機運行；如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機械能，將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發(fā)電機運行。13電機的可逆原理同一臺電機，既能作為電動機運行，又能作為發(fā)電機運行的原理，稱為電機的可逆原理。但是在設(shè)計電機時，需考慮兩者運行的特點有一些差別。例如，如果作發(fā)電機用，則應(yīng)在同一電壓等級下，發(fā)電機比電動機的額定電壓值稍高，以補償電源至負載沿路的電壓損失。141.2直流電機的結(jié)構(gòu)及銘牌

直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定子產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電磁轉(zhuǎn)矩。定子部分包括機座、主磁極、換向磁極、端蓋和電刷等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件,如圖1-3所示。下面介紹直流電機主要部件的作用與基本結(jié)構(gòu)。15直流電動機的應(yīng)用——起動機

起動機又叫馬達，它將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)動機的啟動。

起動機一般由直流電動機、傳動機構(gòu)和電磁開關(guān)三部分組成。直流電動機電磁開關(guān)傳動機構(gòu)16直流電機的結(jié)構(gòu)

17直流電機的定子部分

1.機座機座既可以固定主磁極、換向極和端蓋等，又是電機磁路的一部分（稱為磁軛）。機座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，具有良好的導(dǎo)磁性能和機械強度。目前由薄鋼板和硅鋼片制成的疊片機座，應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。2.主磁極主磁極的作用是建立主磁場，主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組組成，如圖1-4所示。鐵心一般由1.0mm～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，包括極身和極靴兩部分。極靴做成圓弧形，其作用是使主磁通在過氣隙時分布的更合理并且固定勵磁繞組。繞組中通入直流電流。整個磁極用螺釘固定在機座上。18直流電機的主磁極19直流電機的定子部分（2）3.換向極換向極用來改善換向，由鐵心和套在鐵心上的繞組構(gòu)成，如圖1-5所示。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，如換向要求較高，則用1.0mm～1.5mm厚的鋼板疊壓而成，其繞組中流過的是電樞電流。換向極裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上。4.電刷電刷與換向器配合可以把轉(zhuǎn)動的電樞繞組電路和外電路連接，把電樞繞組中的交流量轉(zhuǎn)變成外電路中的直流量。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿座和彈簧等組成，如圖1-6所示。電刷組的個數(shù)，一般等于主磁極的個數(shù)。20直流電機的換向極

21直流電機的電刷22直流電機的轉(zhuǎn)子部分1.電樞鐵心電樞鐵心是電機磁路的一部分，其外圓周開槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心一般用厚0.5mm、涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成，如圖1-7所示。電樞鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心較長時，為加強冷卻，可以把電樞鐵心沿軸向分成數(shù)段，段與段之間留有通風(fēng)孔。2.電樞繞組電樞繞組是直流電機的主要組成部分，其作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、通過電樞電流，它是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。通常用絕緣導(dǎo)線繞成的線圈（或稱元件），按一定規(guī)律連接而成。23直流電機的電樞鐵心

24直流電機的轉(zhuǎn)子部分（2）3.換向器換向器是直流電機的重要部件，在發(fā)電機中可將電樞繞組中交變的電流轉(zhuǎn)換成電刷上的直流，起整流作用，而在直流電動機中將電刷上的直流變?yōu)殡姌欣@組內(nèi)的交流，即起逆變作用。換向器與轉(zhuǎn)軸固定在一起，是由多個緊壓在一起的梯形銅片構(gòu)成的一個圓筒，片與片之間用一層薄云母絕緣，電樞繞組各元件的始端和末端與換向片按一定規(guī)律連接，如圖1-8所示。4.轉(zhuǎn)軸、支架和風(fēng)扇。對于小容量直流電機，電樞鐵心就裝在轉(zhuǎn)軸上。對于大容量直流電機，為減少硅鋼片的消耗和轉(zhuǎn)子重量，軸上裝有金屬支架，電樞鐵心裝在支架上，此外，在軸上還裝有風(fēng)扇，以加強對電機的冷卻。25直流電機的定子部分（2）26直流電機的結(jié)構(gòu)（視頻）27直流電機的銘牌

為正確地使用直流電機，使電機在既安全又經(jīng)濟的情況下運行，直流電機在外殼上都裝有一個銘牌，上面標(biāo)有直流電機的型號和有關(guān)物理量的額定值。一、型號電機產(chǎn)品的型號一般用大寫印刷的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，表示該直流電機所屬的系列和主要的結(jié)構(gòu)尺寸。其中漢語拼音字母是根據(jù)電機的全名稱選擇有代表意義的漢字，再從該字的拼音中得到，例如ZA—112/2—1其中Z—直流電動機；A—設(shè)計系列號；112—中心高112mm；2—級數(shù)；1—1號鐵心（1號為短鐵心，2號為長鐵心）。組的個數(shù)，一般等于主磁極的個數(shù)。28直流電機的銘牌

29國產(chǎn)的直流電機種類

國產(chǎn)的直流電機種類很多，目前生產(chǎn)的直流電機的主要系列有：Z系列：為一般用途的防護式小型直流電機系列，其中Z2系列有電動機、發(fā)電機和調(diào)壓發(fā)電機。Z3系列是在Z2系列的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，用途與Z2系列相同，但性能有所改善。Z4系列直流電動機是20世紀(jì)80年代研制的新一代一般用途的小型直流電動機，該機采用八角形全疊片機座，適用于整流電源供電。ZF和ZD系列：為一般用途的中型直流電機系列。“F”表示發(fā)電機，“D”表示電動機。ZZJ系列：為起重、冶金用直流電動機系列。此外，還有ZQ直流牽引電動機系列、Z-H和ZF-H船用電動機和發(fā)電機系列等，可在使用時查電機目錄或有關(guān)電機手冊。30二、直流電機的額定值

額定功率PN：是指直流電機的輸出功率，也稱額定容量。單位為W或kW。對于直流發(fā)電機，是指發(fā)電機帶額定負載時，電刷端輸出的電功率；對于直流電動機，是指電動機帶額定負載時，轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率。因此，直流發(fā)電機的額定容量應(yīng)為

PN=UNIN

而直流電動機的額定容量為PN=UNINηN式中，ηN是直流電動機的額定效率。它是直流電動機帶額定負載運行時，輸出的機械功率與輸入的電功率之比。31直流電機的額定值（2）額定電壓UN：是指在額定工作條件下，直流電機出線端的平均電壓。對于發(fā)電機系指輸出額定電壓；對于電動機系指輸入額定電壓。單位為V。額定電流IN：是指直流電機在額定電壓下，運行于額定功率時的電流值。單位為A。額定轉(zhuǎn)速nN：是指對應(yīng)于額定電壓、額定電流和直流電機運行于額定功率時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。單位為r/min。額定轉(zhuǎn)距TN；其大小應(yīng)是輸出的額定機械功率除以轉(zhuǎn)子額定角速度。

321.3.4直流發(fā)電機的基本特性

1.直流電機的勵磁方式

（1）他勵

（2）并勵

（3）串勵

（4）復(fù)勵

不同的勵磁方式對直流電機的運行性能有很大的影響。直流電機的勵磁方式主要采用他勵、并勵和復(fù)勵，很少采用串勵方式。332.直流發(fā)電機的基本方程式

（1）電動勢平衡方程式

根據(jù)電路定律可以列出電樞回路的電動勢平衡方程式為

Ea=U+IaRa

式中Ea—電樞電動勢，V；

U—發(fā)電機端電壓，V；

Ia—電樞電流，A；

Ra—電樞回路總電阻，Ω。

34（2）功率平衡方程式

將式（1-18）兩邊同時乘以電樞電流，則得到電樞回路的功率平衡方程式為

EaIa=UIa+Ia2Ra

或

PM=P2+pCua式中PM—電磁功率；

P2—發(fā)電機的輸出功率，P2=UIa；

pCu—電樞回路的銅損耗，pCua=Ia2Ra。

功率平衡方程式說明了能量守恒的原則。

35（3）轉(zhuǎn)矩平衡方程式

直流發(fā)電機在穩(wěn)定運行時存在三個轉(zhuǎn)矩：對應(yīng)原動機輸入功率P1的轉(zhuǎn)矩T1；對應(yīng)電磁功率PM的電磁轉(zhuǎn)矩T；對應(yīng)空載損耗功率T0的轉(zhuǎn)矩T0。其中T1是驅(qū)動性質(zhì)的，T和T0是制動性質(zhì)的，當(dāng)發(fā)電機處于穩(wěn)態(tài)運行時，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡原則，可以得出發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

T1=T+T0

363.直流發(fā)電機的運行特性

（1）空載特性

（2）外特性

（3）調(diào)節(jié)特性

371.3.5直流電動機的基本特性

1.直流電動機的基本方程式

（1）電動勢平衡方程式

（2）功率平衡方程式

（3）轉(zhuǎn)矩平衡方程式

382.直流電動機的工作特性

直流電動機的工作特性有：（1）轉(zhuǎn)速特性；（2）轉(zhuǎn)矩特性；（3）效率特性；（4）機械特性。前三種特性是指供給電動機額定電壓UN、額定勵磁電流IfN時，電樞回路不串聯(lián)外電阻的條件下，電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率隨輸出功率P2變化的關(guān)系曲線。在實際應(yīng)用中，由于電樞電流Ia容易測量，且與P2基本成正比例變化，因此這三種特性常以n=f（Ia），T=f（Ia）和η=f（Ia）表示。機械特性是指U=常數(shù)、If=常數(shù)和電樞回路電阻為恒定值的條件下，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即n=f（T）。從使用直流電動機的角度看，機械特性是最重要的一種特性。

391.4直流電動機的電力拖動

電力拖動的根本任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換成各種生產(chǎn)機械設(shè)備所需要的機械能，來完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。在電力拖動系統(tǒng)中，電動機是原動機，起主導(dǎo)作用；生產(chǎn)機械是負載，起從動作用。電動機的工作特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性是研究電力拖動的基礎(chǔ)。電動機的起動和制動特性是衡量電動機運行性能的一項重要指標(biāo)。401.4.1生產(chǎn)機械的負載特性

1.恒轉(zhuǎn)矩負載特性

（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載

（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載

412.通風(fēng)機負載

通風(fēng)機負載的轉(zhuǎn)矩與速度大小有關(guān),轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

即

TL=Kｎ2

通風(fēng)機負載性質(zhì)屬于反抗性負載。但通常工作在一個方向,所以只繪出第一個象限的圖型,這類生產(chǎn)機械有離心式通風(fēng)機和水泵等。

423.恒功率負載

一些機床,如車床,粗加工時,切削阻力大,此時開低速擋。在精加工時,切削量小,切削力小,往往開高速擋。因此在不同的轉(zhuǎn)速下,負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比,即

TL=K/n

431.4.2直流電動機的工作特性

直流電動機的工作特性是指端電壓U=UN，電樞電路無外串電阻，勵磁電流If=IfN時，電動機的轉(zhuǎn)速n、TM、η=f(In)關(guān)系曲線。441.他（并）勵電動機的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性

（2）轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)U=UN，If=IfN時，TM=f（Ia）關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)矩特性。

（3）效率特性

當(dāng)U=UN，If=IfN時，η=f（P2）關(guān)系叫做電機的效率特性。

452.串勵電動機工作特性

串勵電動機的接線圖如圖1-35所示。和并勵電動機不同的是，串勵繞組和電樞繞組串聯(lián)，因此它的線路電流、電樞電流和勵磁電流都是相等的，即

I=Ia=If

由于勵磁電流比較大，所以串磁電動機勵磁繞組匝數(shù)比并勵電動機勵磁繞組的少，導(dǎo)線比較粗。

463.復(fù)勵電動機工作特性

復(fù)勵電動機的接線如圖1-37所示，主磁極有兩個勵磁繞組：一個是并勵繞組，另一個是串勵繞組，它和電樞繞組串聯(lián)。兩個繞組的磁勢方向相同的叫積復(fù)勵；方向相反的叫差復(fù)勵。復(fù)勵電動機一般都接成積復(fù)勵。

474.各種直流電動機的比較及其應(yīng)用

在正常運行中，并勵和他勵電動機的磁通基本上是恒定的，因此它的固有轉(zhuǎn)速特性是一條稍微下垂的直線，特性比較硬，運行的穩(wěn)定性好。當(dāng)生產(chǎn)機械要求電機穩(wěn)定性高、調(diào)速范圍廣、平滑性好的特性時，可用他（并）勵電動機。例如拖動某些精密車床、刨床、銑床和磨床等。

48串勵電動機串勵電動機的特點是磁通隨負載改變而變化。因此具有軟的轉(zhuǎn)速特性。在同樣的電樞電流下，串勵電動機的轉(zhuǎn)矩較并勵電動機大，所以串勵電動機有較好的起動能力和過載能力。

串勵電動機的軟特性適合于電力牽引機車。當(dāng)電力機車上坡時，所需負載轉(zhuǎn)矩較大，這時電動機轉(zhuǎn)速自動下降，因此輸出功率增加不多，輸入電流也就增加不多，不致使電機過電流或引起電網(wǎng)電壓的波動。也就是說，它的過載能力較大。所以串勵電動機的這種恒功率特性適合于帶負載頻繁起動及有沖擊性負載的生產(chǎn)機械上。

49復(fù)勵電動機復(fù)勵電動機特性介于并勵電動機與串勵電動機之間，具備兩種電動機的優(yōu)點。當(dāng)負載增加時，由于串勵繞組作用，轉(zhuǎn)速較并勵電動機下降多些；當(dāng)負載減輕時，由于并勵繞組作用，不至于達到危險的高速；同時，它有較大的起動轉(zhuǎn)矩，起動時加速較快。所以，復(fù)勵電動機獲得廣泛的應(yīng)用，例如起重裝置、電車牽引機車、軋鋼機及冶金輔助機械等。

501.4.3直流電動機的起動

直流電機接通電源后，轉(zhuǎn)速從零達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。它是一動態(tài)過程，情況較為復(fù)雜，這里僅介紹起動要求和起動方法。

直流電動機起動的基本要求是：

（1）起動轉(zhuǎn)距要大。

（2）起動電流要小，限制在安全范圍之內(nèi)。

（3）起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠。

51直流電機的起動方法直流電機常用的起動方法有三種：

1.直接起動

2.電樞回路串變阻器起動

3.降壓起動

521.4.4直流電動機的制動

電氣制動方法，如能耗制動、反接制動和回饋制動。

1.能耗制動

2.反接制動

3.回饋制動

總之，電氣制動是電機本身產(chǎn)生一制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，使電機快速停轉(zhuǎn)。

531.4.5直流電動機的調(diào)速

許多生產(chǎn)機械需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，直流電動機具有在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速性能。因此在調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上得到廣泛應(yīng)用。

調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，從而改變機械特性，使得在某一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速。

1.電樞串電阻調(diào)速

2.調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速

3.弱磁調(diào)速

541.5直流電動機的故障分析及維護

直流電機和其他電機一樣，在使用前應(yīng)按產(chǎn)品維護說明書認真檢查，以避免發(fā)生故障、損壞電機和有關(guān)設(shè)備。

在運行中，直流電機的故障是多種多樣的，產(chǎn)生故障的原因較為復(fù)雜，并且互相影響。在直流電機發(fā)生故障時，首先要對電機的電源、線路、輔助設(shè)備（如磁場變阻器、開關(guān)等）和電機所帶負載進行仔細的檢查，看它們是否正常，然后再從電機的機械方面加以檢查，如檢查電刷架是否有松動、電刷接觸是否良好、軸承轉(zhuǎn)動是否靈活等。就直流電機的內(nèi)部故障來說，多數(shù)故障會從換向火花增大和運行性能異常反映出來，所以要分析故障產(chǎn)生的原因，就必須仔細觀察換向火花的顯現(xiàn)情況和運行時出現(xiàn)的其它的異常情況，通過認真的分析，根據(jù)直流電機內(nèi)部的基本規(guī)律和積累的經(jīng)驗作出判斷，找出原因。

551.5.1直流電機運行時的換向故障

1.機械原因

（1）電機振動。（2）換向器。

（3）電刷。562.由機械引起的電氣原因

直流電機的電刷通過換向器與幾何中線上的導(dǎo)體接觸，使電樞元件在被電刷短路的瞬間不切割主磁場的磁通。由于修理時不注意，磁極、刷盒的裝配有偏差，造成各磁極間距離相差太大、各磁極下的氣隙不均勻、電刷不對齊中心（徑向式）、電刷沿換向器圓周不等分（一般電機電刷換向器圓周等分誤差不超過2mm）。亦易引起換向時產(chǎn)生有害的火花或火花增大。因此修配時，應(yīng)使各磁極、電刷安裝合適、分布均勻，以改善換向情況。電刷架應(yīng)保持出廠時規(guī)定的位置上，固定牢靠，不要隨便移動。電刷架位置變動對直流電機的性能和換向也均有影響。

573．電樞繞組故障

（1）電樞元件斷線或焊接不良。（2）電樞繞組短路。

584.定子繞組故障

定子繞組中的換向極和補償繞組是用來改善電機換向的，所以和電機換向的情況有密切的關(guān)系，這些故障有：

（1）換向極或補償繞組極性接反。（2）換向極或補償繞組短路。（3）換向極繞組不合適。

595.電源的影響

近年來晶閘管整流裝置發(fā)展非常迅速，逐步取代了直流發(fā)電機，它具有維護簡單、效率高、重量輕等優(yōu)點。使用中改進了直流電動機的調(diào)節(jié)性能，但這種電源帶來了諧波電流和快速暫態(tài)變化，對直流電動機有一定的危害，這種危害隨晶閘管整流裝置的型式及使用方法的不同而變化很大。

601.5.2直流電機運行時的性能異常及維護直流電動機運行中的故障除反映出換向惡化外，一般還會表現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常、電流異常和局部過熱等幾個主要方面。

1.轉(zhuǎn)速異常

（1）轉(zhuǎn)速偏高。（2）轉(zhuǎn)速偏低。（3）轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。612.電流異常直流電機運行時，應(yīng)注意電機所帶負載不要超過銘牌規(guī)定的額定電流。但在故障的情況下（如機械上有摩擦、軸承太緊、電樞回路中引線相碰或有短路現(xiàn)象、電樞電壓太低等），會使電樞電流增大。電機在過負載電流下長時間運行，就易燒毀電機繞組。

623.局部過熱凡電樞繞組中有短路現(xiàn)象時，均會產(chǎn)生局部過熱。在小型電機中，有時電樞繞組匝間短路所產(chǎn)生的有害火花并不顯著，但局部發(fā)熱較嚴(yán)重。導(dǎo)體各聯(lián)接點接觸不良亦會引起局部過熱；換向器上的火花太大，會使換向器過熱；電刷接觸不良會使換向器過熱。當(dāng)繞組部分長時間局部過熱時，會燒毀繞組。在運行中，若發(fā)現(xiàn)有絕緣烤糊味或局部過熱情況，應(yīng)及時檢查修理。63問題與思考：

1.請敘述直流電動機的工作原理。2.直流電機的型號和額定值主要有哪些參數(shù)？641.2.3直流電機的電樞繞組電樞繞組是直流電機的核心部件，用來感應(yīng)電勢和通過電流，直流電機中能量的變換就是通過電樞繞組來實現(xiàn)的。本節(jié)主要介紹直流電機電樞繞組的構(gòu)成原則和常見的單疊單波繞組。

65直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組由許多結(jié)構(gòu)和形狀相同的繞組元件構(gòu)成。所謂繞組元件是指兩端分別與不同換向片相連接的單匝或多匝線圈。全部元件按一定規(guī)律通過換向片串聯(lián)起來構(gòu)成一個閉合回路，這是直流電機電樞繞組的一個特點。

不論單匝或多匝線圈，繞組元件都嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，通常采用雙層結(jié)構(gòu)，即每個槽中安放雙層元件邊，分為上、下層。每個繞組元件的一個有效邊放在一個槽的上層，另一個有效邊則放在另一個槽的下層。每個繞組元件的兩個端頭分別焊接在兩個換向片上。

66電樞繞組的分類按照繞組元件與換向片之間以及元件之間的不同連接規(guī)律，電樞繞組可以分為單疊、復(fù)疊、單波、復(fù)波和混合等類型。不同類型繞組的主要區(qū)別在于他們的并聯(lián)支路數(shù)不同。單疊和單波繞組是直流電機最基本的類型。67電樞繞組的連接規(guī)律電樞繞組內(nèi)部的連接規(guī)律可以用節(jié)距來表示，如圖1-9所示。所謂節(jié)距是指相互連接的兩個繞組元件邊或換向片之間的距離，用所跨過的虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。圖中實線代表槽中的上層元件邊，虛線代表槽中的下層元件邊。

681.2.4單疊繞組一臺2p=4，S=K=Z=16的直流電機為例，說明單疊繞組的連接方法和特征。

69并聯(lián)支路圖為了清楚起見，將圖1-10所示瞬間各元件的連接和電刷的關(guān)系整理、排列，可以得到如圖1-11所示的單疊繞組并聯(lián)支路圖。70單疊繞組的特點（1）電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于電機的主磁極數(shù)。

（2）電刷個數(shù)等于主磁極數(shù)。電刷位置應(yīng)使支路感應(yīng)電動勢最大，電刷間的電動勢等于支路的電動勢。

（3）電樞電流等于各并聯(lián)支路電流之和。

711.2.5單波繞組單波繞組的連接規(guī)律是：從某一換向片出發(fā)，把相隔約為兩個極距的同極性磁場中對應(yīng)位置的所有元件串連起來。72單波繞組的示意圖例如：一臺直流電機；2P=4S=K=Z=15接成單波繞組。733.單波繞組的連接順序按圖1-13所示的連接規(guī)律可得相應(yīng)的連接順序圖，如圖1-14所示。744.繞組的并聯(lián)支路圖按圖1-14中各元件的連接順序，將此刻不與電刷接觸的換向片省去不畫，可得單波繞組的并聯(lián)支路圖，如圖1-15所示。755.單波繞組的特點（1）上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1，與極對數(shù)無關(guān)。

（2）當(dāng)元件形狀左右對稱、電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時，支路電動勢最大。

（3）單從支路數(shù)來看，單波繞組可以只要兩組電刷，但為了減少換向器的軸向長度，降低成本，仍按主極數(shù)來裝置電刷，稱為全額電刷。在單波繞組中，電樞電動勢仍等于支路電動勢，電樞電流也等于支路電流之和。

761.2.6各種繞組的應(yīng)用范圍

單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少。單疊繞組可以通過增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)。適用于低電壓大電流的電機；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)α=1，但每條支路串聯(lián)的元件數(shù)較多，故適用于小電流較高電壓的電機。

77直流電動機運行故障檢修781.3直流電機的基本特性

1.3.1直流電機的磁場和電樞反應(yīng)

直流電機的磁場是由主磁場（勵磁磁場）和電樞磁場合成的一個合成磁場，它對直流電機產(chǎn)生的電動勢或電磁轉(zhuǎn)矩都有直接的影響，而且直流電機的運行特性在很大程度上也取決于磁場特性。因此，了解直流電機的磁場是十分必要的。

791.主磁場

直流電機的空載，是指發(fā)電機與外電路斷開，沒有電流輸出；電動機軸上不帶機械負載。直流電機空載時，氣隙中僅有勵磁磁勢產(chǎn)生的磁場，稱為主磁場。

802.電樞磁場

直流電機負載運行時，電樞繞組電流產(chǎn)生的磁場，稱為電樞磁場。

圖1-16（b）是以電動機為例的電樞磁場，它的方向由電樞電流確定。由圖可以看出，不論電樞如何轉(zhuǎn)動，電樞電流的方向總是以電刷為界限來劃分的。在電刷兩邊，N極面下的導(dǎo)體和S極面下的導(dǎo)體電流方向始終相反，只要電刷固定不動，電樞兩邊的電流方向就不變，電樞磁場的方向也不變，即電樞磁場是靜止不動的。根據(jù)圖上的電流方向，用左手定則可以判斷該臺電動機的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。

813.電樞反應(yīng)

負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)對直流電機的運行性能有很大的影響。

823.電樞反應(yīng)的影響

帶負載后出現(xiàn)的電樞磁場，對主磁場的分布有明顯的影響：

1.電樞反應(yīng)使磁極下磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，合成磁場發(fā)生畸變。磁場畸變的結(jié)果，使原來的幾何中性線n-n處的磁場不再等于零，磁場為零的位置，即物理中性線m-m逆旋轉(zhuǎn)方向移動角度α，物理中性線與幾何中性線不再重合。

2.電樞反應(yīng)使主磁場削弱，電樞磁場使每一個磁極下的磁通勢發(fā)生變化。每一個磁極下的合成磁通量仍應(yīng)與空載時的主磁通相同。但在實際工作時，直流電機的磁路總是處在比較飽和的非線性區(qū)域，因此增強的磁通量小于減少的磁通量，故負載時每極的合成磁通比空載時每極的主磁通小，稱此為電樞反應(yīng)的去磁作用。因此，負載運行時的感應(yīng)電動勢略小于空載時的感應(yīng)電動勢。834.發(fā)電機的電樞反應(yīng)

發(fā)電機負載運行時，氣隙中磁場將由主磁場和電樞磁場共同建立。交軸電樞磁場對主磁場的影響稱為交軸電樞反應(yīng)；直軸電樞磁場對主磁場的影響稱為直軸電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)對電機的工作特性產(chǎn)生影響。845.電動機的電樞反應(yīng)

當(dāng)直流電動機的主磁場和電樞元件的電流均與發(fā)電機相同時，則電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反。參閱圖1-17和圖1-18，即可知道直流電動機的電樞反應(yīng)及性質(zhì)。

（1）交軸電樞反應(yīng)

電刷位于幾何中性線上產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)如下：

1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。前極端磁場被加強，后極端磁場被削弱。

2）使物理中性線逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動一個角。

3）呈去磁作用。

85（2）直軸電樞反應(yīng)

電樞偏離幾何中性線時，將同時產(chǎn)生交軸和直軸電樞反應(yīng)。當(dāng)電刷順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動時，產(chǎn)生直軸助磁電樞反應(yīng)；當(dāng)電刷逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動時，產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)。同理，對電動機不允許順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動電刷。

861.3.2直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

1.直流電機的電樞電動勢

直流電機運行時，無論是作為發(fā)電機還是作為電動機，電樞繞組處在磁場中轉(zhuǎn)動時將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，稱為電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電機正、負電刷之間的感應(yīng)電動勢，也即是每條支路里的感應(yīng)電動勢。

每條支路所含的繞組元件數(shù)是相等的，而且每個支路里的元件都是分布在同極