1、項(xiàng)目1，直流電機(jī)的應(yīng)用，任務(wù)1識(shí)別直流電機(jī)，任務(wù)2直流電機(jī)的調(diào)速，任務(wù)3直流電機(jī)的啟動(dòng)，逆轉(zhuǎn)和制動(dòng)，任務(wù)4直流電機(jī)的使用和維護(hù)，目錄，1了解直流電機(jī)的特點(diǎn)、用途和分類，了解直流電機(jī)的基本工作原理。 2認(rèn)識(shí)直流電機(jī)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉各部件的作用。 3了解直流電機(jī)銘牌的型號(hào)和額定值的含義，掌握額定值的簡單修正算法。 4進(jìn)行直流電機(jī)的檢測、接線、簡單操作。 任務(wù)是識(shí)別直流電機(jī)，直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)直流能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)電，可以根據(jù)用途分為直流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)。 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流能的電動(dòng)機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)，如圖1-1所示將直流能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)稱為直流電動(dòng)機(jī)，如圖1-2所示。 直流電機(jī)是工礦、交

2、通、建筑等行業(yè)常見的動(dòng)力機(jī)械，是機(jī)電行業(yè)人員的重要工作對象之一。 作為一名電氣控制技術(shù)人員，必須熟悉直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點(diǎn)，掌握主要?dú)垔W儀表的分析校正計(jì)算，正確操作和使用直流電機(jī)。 圖1-1直流發(fā)電機(jī)、圖1-2直流電動(dòng)機(jī)、1 .直流電動(dòng)機(jī)的特征直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)相比，具有優(yōu)異的調(diào)速性能和起動(dòng)性能。 直流電動(dòng)機(jī)具有廣泛的調(diào)速范圍、流暢的無級(jí)調(diào)速特性，能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁的無級(jí)高速起動(dòng)、制動(dòng)和逆轉(zhuǎn)的超負(fù)荷能力大，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)荷，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。 直流發(fā)電機(jī)能夠提供沒有脈動(dòng)的大功率直流電源，能夠正確地調(diào)整控制輸出電壓。 但是，直流電機(jī)也有其顯著缺點(diǎn)：一是制造工

3、藝復(fù)雜，消耗了大量有色金屬，生產(chǎn)成本高；二是運(yùn)行時(shí)電刷和換向器之間容易產(chǎn)生火花，可靠性差，維護(hù)困難。 因此，在對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域，已經(jīng)取代了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。 但是，在要求調(diào)速范圍寬、高速性高、精密度好、控制性能好的情況下，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)在仍占有很大的比重。 2直流電動(dòng)機(jī)的用途由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)和調(diào)速性能，在起動(dòng)和調(diào)速要求較高時(shí)，常用于例如大型可逆式軋機(jī)、礦山卷揚(yáng)機(jī)、酒店高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械等地鐵列車、(b )城市電車、(c )電動(dòng)自行車、(d )抄紙機(jī)、直流發(fā)電機(jī)主要作為直流電動(dòng)機(jī)電源、化學(xué)工業(yè)所

4、需的低電壓大電流的直流電源、直流焊機(jī)電源等各種直流電源使用，圖1-4所示的(a )電解鋁工廠、(b )電鍍工廠、圖1-4直流發(fā)電機(jī)的用途、二、直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有間隙，被稱為氣隙。 定子的作用是磁場的產(chǎn)生和電機(jī)的支撐，包括主磁極、換流磁極、機(jī)臺(tái)、電刷裝置、端蓋等。 轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，也被稱為電樞。 主要包括電樞鐵心、電樞繞組及整流子、旋轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。 前端蓋2-風(fēng)扇3-定子4-轉(zhuǎn)子5-電刷及電刷保持器6-后端蓋、圖1-5的直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，1主磁極主磁極的作用產(chǎn)生主磁通，

5、如圖1-6所示，由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成。 鐵芯一般是由lmml.5mm的低碳鋼片層疊而成，小型馬達(dá)也使用鑄鋼磁極整體的馬達(dá)。 主磁極上的勵(lì)磁繞組是用絕緣銅線卷繞的集中繞組，與鐵心絕緣，各主磁極上的線圈一般串聯(lián)連接。主磁極始終成對，n極和s極交替排列。 2換流磁極的換流磁極的作用是產(chǎn)生用于改善電動(dòng)機(jī)的換流性能的附加磁場。 通常，鐵心由鋼整體構(gòu)成，換流磁極的繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)連接。 換流磁極如圖1圖7所示，安裝在兩個(gè)主磁極之間。 其極性作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞導(dǎo)體必須與進(jìn)入的主磁極的極性相同，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞導(dǎo)體必須與剛離開的主磁極極性相同。圖1-6直流電機(jī)的主磁極、圖1-7換流磁極的位置、3

6、機(jī)臺(tái)固定主磁極、換流磁極和端蓋等，另一方面，作為電機(jī)磁路的一部分，稱為磁軛。 機(jī)臺(tái)一般是用鑄鋼或鋼板焊接制成的。 4在電刷裝置直流電動(dòng)機(jī)中，為了連接電樞線圈和外部電路，如圖1-8所示，需要安裝由電刷、電刷保持器和電刷桿保持器構(gòu)成的固定電刷裝置。 刷子是用石墨等制成的導(dǎo)電塊，裝入刷子座上，利用彈簧將手指按在整流子上。 刷握用螺絲固定在刷柄上，刷與刷柄用銅絞線連接，刷柄安裝在刷柄上，相互絕緣，刷柄安裝在端蓋上。圖1-8電刷和刷握、圖1-9電樞鐵心、5電樞鐵心的電樞鐵心的作用是將電樞繞組與磁通收納。 電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵心會(huì)產(chǎn)生渦電流和磁滯損耗。 為了減少損失，提高效率，電樞鐵心一般用硅鋼板沖壓。

7、 電樞鐵芯如圖1圖9所示，具有軸向冷卻通風(fēng)孔。 在鐵心的外周均勻分布有用于嵌入電樞繞組的槽。 6電樞繞組的電樞繞組的作用是感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生和電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 繞組通常用漆包線纏繞，嵌入電樞鐵心的槽中，按照一定的規(guī)則連接。 為了防止繞組因電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力而飛出，將繞組嵌入槽內(nèi)后，用槽楔按壓的線圈的突出槽外的終端部分用無緯玻璃帶緊固。 7換向器的結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。 鴿尾形的多個(gè)換流薄板重疊在一個(gè)圓筒上，薄板和薄板之間用云母薄板絕緣，用v形套筒和螺絲固定環(huán)緊固成一體。 各節(jié)段與繞組的各元件的引出線焊接，起到將從直流電動(dòng)機(jī)輸入的直流電流變換為電樞繞組內(nèi)的交變電流，產(chǎn)生一定

8、方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。圖1-10弧形整流子、三、直流電機(jī)的工作原理、1直流發(fā)電機(jī)的工作原理、圖1-11是由直流發(fā)電機(jī)的主磁極、電刷、電樞繞組和整流子等主要部件組成的工作原理圖，定子上有兩個(gè)磁極n和s，它們形成恒定磁場， 兩磁極的中間是安裝在轉(zhuǎn)子上的電樞繞組即繞組元件abcd的兩端a和d分別與兩片相互絕緣的半圓形銅片(整流子)連接，通過電刷a、b與外電路連接。 原動(dòng)機(jī)拿著電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈的2個(gè)有效邊ab和cd切斷磁場磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，方向由右手決定，如圖1-11a所示，s極為dc，n極為ba，刷子a為正極，刷子b為負(fù)極。 負(fù)載電流的方向?yàn)锳B。 當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，兩

9、個(gè)線圈的有效邊位于磁場物理中性面上，導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁力線平行，不切割磁力線，因此感應(yīng)電動(dòng)勢為零，如圖1-11b所示。 兩個(gè)電刷同時(shí)接觸兩銅片，將線圈短路，但是線圈沒有電動(dòng)勢和電流。 線圈旋轉(zhuǎn)180圈時(shí)，如圖1-11c所示，此時(shí)線圈邊的電動(dòng)勢方向發(fā)生變化，在s極為ab，在n極為cd。 此時(shí)，由于刷a和刷b接觸的銅片被更換，因此刷a保持正極，刷b保持負(fù)極，輸出電流I的方向不變。 燈b )燈c )燈d )燈不點(diǎn)亮，圖1-11直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖，線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一對磁極，其兩個(gè)有效邊中的電動(dòng)勢方向都改變，但兩個(gè)電刷之間的電動(dòng)勢方向不變，電動(dòng)勢的大小在零和最大值之間變化。顯然，電動(dòng)勢方向沒有改變，但是大

10、小的變動(dòng)很大，這樣的電動(dòng)勢沒有實(shí)用價(jià)值。 為了減小電動(dòng)勢的變動(dòng)程度，實(shí)用的電動(dòng)機(jī)在電樞周面安裝了很多相互串聯(lián)的線圈和與其對應(yīng)的銅板。 由此，逆合成電動(dòng)勢的變動(dòng)程度顯著減少。 實(shí)際的發(fā)電機(jī)由于線圈數(shù)多，所以電動(dòng)勢變動(dòng)小，可以認(rèn)為是一定的直流電動(dòng)勢。 從以上分析可以得出直流發(fā)電機(jī)的工作原理：當(dāng)原動(dòng)機(jī)使直流發(fā)電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，在電樞繞組中產(chǎn)生方向交變的感應(yīng)電動(dòng)勢，通過電刷和整流子的作用，在電刷的兩端輸出方向不變的直流電動(dòng)勢。 2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與直流發(fā)電機(jī)完全相同，圖1-12是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。 假定電樞不用外力驅(qū)動(dòng)，將電刷a、b與直流電源連接，從電刷a向線圈流過電流

11、，沿著abcd方向從電刷b流過電流。 通電線圈在磁場中受到電磁力的作用，其方向由左手定律決定，ab受到向上的力，cd受到向下的力形成電磁力矩，結(jié)果使電子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 電樞旋轉(zhuǎn)90圈后，如圖1-12b所示，線圈沒有電流和轉(zhuǎn)矩，但由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180圈時(shí)，如圖1-12c所示，電流還是從電刷a流向線圈，沿著dcba方向從電刷b流向線圈。 與圖1-12a相比，通過線圈的電流方向發(fā)生了變化，但兩個(gè)線圈受到電磁力的方向沒有變化，即電動(dòng)機(jī)只向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 為了改變其轉(zhuǎn)向，必須改變電源的極性，從電刷b流出電流，從電刷a流出電流。 a )受到電磁力，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)b )不受到電磁力，慣性旋轉(zhuǎn)c )

12、不受到電磁力，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)d )不受到電磁力，慣性旋轉(zhuǎn)圖1-12的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作原理是，直流電動(dòng)機(jī)接通直流電源時(shí)，由于刷子和整流子的作用， 比較了直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中流動(dòng)的3直流電動(dòng)機(jī)的可逆原理直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，可知1臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，但只是其輸入輸出的條件不同。 向電刷的兩端施加直流電源，向電樞輸入電能，從馬達(dá)軸輸出機(jī)械能，生產(chǎn)機(jī)械工作，此時(shí)直流馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在馬達(dá)的狀態(tài)下工作。 用原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電樞，從電機(jī)軸輸入機(jī)械能的話，從刷子的兩端引出直流電動(dòng)勢，可輸出直流能量，這時(shí)直流電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流能量，在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下工

13、作。 同一電動(dòng)機(jī)是發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)都可以的原理，被稱為電動(dòng)機(jī)的可逆原理。 1臺(tái)電機(jī)的實(shí)際動(dòng)作狀態(tài)因外部條件而異。 實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)是考慮到工作特征的差異而設(shè)定的，因此是不同的。 例如直流發(fā)電機(jī)的額定電壓比直流電動(dòng)機(jī)稍高，補(bǔ)償線路的電壓降，便于兩者組合使用。 直流發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速比直流電動(dòng)機(jī)稍低，便于選擇原動(dòng)機(jī)。 四、直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式是指電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的供給方式，根據(jù)勵(lì)磁支路和電樞支路的相互關(guān)系，有他勵(lì)、自激(殘奧電平、直勵(lì)和復(fù)勵(lì))、永磁方式。 1他勵(lì)方式他勵(lì)方式中，電樞繞組和勵(lì)磁繞組電路相互獨(dú)立，電樞電壓和勵(lì)磁電壓相互無關(guān)。 接線圖如圖1-13所示

14、。 在圖1-13他勵(lì)電機(jī)、2并聯(lián)勵(lì)磁方式并聯(lián)勵(lì)磁方式中，電樞線圈和勵(lì)磁線圈處于并聯(lián)關(guān)系，由同一電源供電，接線圖如圖1-14所示。 在圖1-14殘奧直線電機(jī)、圖1-15殘奧直線電機(jī)、3殘奧直線模式殘奧直線模式下，電樞線圈和勵(lì)磁線圈處于串聯(lián)關(guān)系，接線圖如圖1-15所示。4雙勵(lì)磁方式的雙勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的主磁極有2個(gè)勵(lì)磁線圈，一個(gè)與電樞線圈并聯(lián)連接，另一個(gè)與電樞線圈串聯(lián)連接。 2個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁通的方向相同時(shí)，稱為積復(fù)勵(lì)磁，相反稱為差復(fù)勵(lì)磁。 接線圖如圖1-16所示。圖1-16雙激勵(lì)電機(jī)、五、直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)和系列1直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對電機(jī)的設(shè)定修訂和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)定了電機(jī)的正常運(yùn)行狀

15、態(tài)和條件，通常稱為額定運(yùn)行。 表示電機(jī)額定運(yùn)行狀況的各種數(shù)據(jù)稱為額定值，顯示在電機(jī)鋁制銘牌上，是正確合理使用電機(jī)的依據(jù)。 直流電機(jī)的主要額定值如表1-1所示。 表1-1直流電機(jī)銘牌、(1)額定容量(額定功率) PN(kW )額定容量是指電機(jī)的輸出功率。 對于發(fā)電機(jī)來說，是輸出的電力。對于電機(jī)來說，是輸出到旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功率。 (2)額定電壓UN(V )和額定電流IN(A )注意這些與電機(jī)的電樞電壓Ua和電樞電流Ia不同，發(fā)電機(jī)的UN、IN是輸出值，電機(jī)的UN、IN是輸入值。 (3)額定轉(zhuǎn)速nN(r/min )額定轉(zhuǎn)速是指額定功率、額定電壓、額定電流時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。 電機(jī)實(shí)際使用時(shí)是否為額定運(yùn)行，取

16、決于負(fù)載的大小。 電機(jī)不允許超過額定值運(yùn)轉(zhuǎn)。 這是因?yàn)榭s短了馬達(dá)的壽命，損壞了馬達(dá)。 但是，無法長期輕負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)，無法充分利用設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，因此應(yīng)該根據(jù)負(fù)荷的大小合理選擇馬達(dá)。2直流電機(jī)系列，我國目前生產(chǎn)的直流電機(jī)主要有以下系列。 (1)Z2系列本系列為一般用途的小型直流電機(jī)系列。 “z”表示直流，“2”表示第二次改良設(shè)定修訂。 系列容量為0.4kW200kW，電動(dòng)機(jī)電壓為1lOV、220V，發(fā)電機(jī)電壓為1l5V、230V，為防護(hù)式。 (2)ZF和ZD系列這兩個(gè)系列是一般用途的中型直流電機(jī)系列。 “f”表示發(fā)電機(jī)，“d”表示電動(dòng)機(jī)。 系列容量為55kW145OkW。 (3)ZZJ系列本系

17、列為起重機(jī)冶金用直流電機(jī)系列。 的雙曲馀弦值。 電壓有220V、440V兩種。 工作方式有連續(xù)、短時(shí)間、斷續(xù)3種。 ZZJ系列電機(jī)啟動(dòng)快，過載能力大。 此外，還有ZQ直流牽引電機(jī)系列和容易爆炸時(shí)使用的ZA防爆安全型直流電機(jī)系列等。 常見的電機(jī)產(chǎn)品系列如表1-2所示。 表1-2常見的電機(jī)產(chǎn)品系列、6、直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，無論是直流電機(jī)還是直流發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)時(shí)其電樞線圈都通過切斷主磁極產(chǎn)生的磁力線來感應(yīng)電動(dòng)勢。 同時(shí)，因?yàn)殡娏髁鬟^電樞線圈，電樞電流和主磁場發(fā)生作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 因此，直流電機(jī)的電樞繞組中同時(shí)存在感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩，它們對電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)起著重要的作用。 在直流發(fā)電機(jī)中感應(yīng)電

18、動(dòng)勢主要起作用，在直流電動(dòng)機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩主要起作用。 對1個(gè)電樞線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢Ea電樞線圈電路進(jìn)行分析，直流電機(jī)電樞線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢在Ea=Cen (1-1)式中，作為電機(jī)每極的磁通量的n是電機(jī)的轉(zhuǎn)速Ce是關(guān)于電機(jī)結(jié)構(gòu)的常數(shù)，稱為電動(dòng)勢常數(shù)。 Ea的方向由n的方向和右手決定。 由式(1-1)可知，要改變Ea的大小，可以改變(由勵(lì)磁電流If決定)或n的大小。 變更Ea的方向時(shí)，變更的方向或馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。 無論是直流電機(jī)還是直流發(fā)電機(jī)，在電樞線圈中都存在感應(yīng)電動(dòng)勢，在發(fā)電機(jī)中，Ea和電樞電流Ia的方向相同，是電源電動(dòng)勢，另一方面，在電動(dòng)機(jī)中，Ea和Ia的方向相反，是反電動(dòng)勢。 2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩t也一樣，得到的電磁轉(zhuǎn)矩t在T=CTIa (1-2)式中，Ia是電樞電流CT也是與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，被稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 電磁轉(zhuǎn)矩t的方向，磁通及電樞電流Ia