1、第二章 直流电机n直流电机概述n直流电机的基础知识n直流电机的基本方程n电动机的机械特性n直流电动机的拖动n直流电动机的电气控制n直流电机的故障分析及维护直流电机的概述n电机的定义 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。v拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机；v做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机。n直流电机的优点v 调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。v 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。v 易于控制。n直流电机的应用v 轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。v 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。v 家庭：
2、电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。返回直流电机的基本知识n直流电机的工作原理n直流电机的结构与分类n直流电机的铭牌数据n直流电机的电枢电势和电磁转距n直流电机的磁场和换向返回直流电机的工作原理n直流电动机的工作原理n直流发电机的工作原理n直流电机的可逆原理 在直流电机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电机，既可作电动机运行又可作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。返回直流电动机的工作原理n换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向
3、外。电刷压在换向片上返回直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈FFU+NS电刷电刷换向片换向片II直流发电机的工作原理n用右手定则判感应电动势Ea的方向U+NSEEIa返回直流电机的结构与分类n直流的结构v定子 作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。v转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。n直流电动机的分类 按它励磁绕组在电路中联接方式（即励磁方式）可分为他励、并励、串励和复励四种。v他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。v并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，
4、由同一直流电源供电。v串励电动机励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源。v复励电动机有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联。返回直流电机的结构机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子直流电机的铭牌数据 凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。v额定电压 UN（V）在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。v额定电流IN（A）在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。v额定功率（额定容量）PN（kW）电机在额定情况下允许输出的功率。v额定转速nN（rmin）在额定功率、额定电压、额
5、定电流时电机的转速。v额定效率N 输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率 返回直流电机的电枢电势和电磁转距n感应电势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：n电磁转矩 返回aTIKT nKEEKE：与电机结构有关的常数n：电动机转速 ：磁通KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流直流电机的磁场和换向n直流电机的磁场 直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。这两个磁场在气
6、隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机的电枢电势和电磁转矩。v直流电机的空载磁场 v直流电机负载时的磁场 v直流电机的电枢反应 n直流电机的换向 换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。改善换向的方法 v安装换向极 v正确选用电刷 返回直流电机的空载磁场 n直流电机的磁路n直流电机的空载磁场（a）两极 （b）四极(a)磁通分布(b)磁密分布曲线返回直流电机负载时的磁场
7、电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，它将产生一个电枢磁势。电机的气隙磁场是由主极磁势和电枢磁势共同建立的。（a）电枢磁场 （b）电枢磁动势和磁场的分布返回直流电机的电枢反应负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。负载时的合成磁场如图所示。电枢反应的性质 v气隙磁场发生畸变。v对主磁场有去磁作用。直流电机负载时的合成磁场返回直流电机的基本方程n电压平衡方程式n转距平衡方程式n功率平衡方程式返回电压平衡方程式n因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。以上公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则可见，当外加电压
8、一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。aaRIEUU：外加电压：外加电压Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+U返回转距平衡方程式 电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。0TTTLTL：负载转矩负载转矩T0：空载转矩：空载转矩 返回功率平衡方程式n电磁功率 nPM=P2+p0=P2+pmec+pFe n功率平衡方程式 nP1=P2+pCu2+pFe+pmec=P2+p 返回TnIapNIEPaaaM6022电动机的机械特性 表征电
9、动机运行状态的两个主要物理量是转速n和电磁转矩T。电动机的机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩T之间的关系，即n=f(T)。n直流电动机的固有机械特性 固有机械特性是指电动机的工作电压、励磁磁通为额定值、电枢回路中没有串附加电阻时的机械特性。n直流电动机的人为机械特性 为了满足生产机械加工工艺的要求，例如起动、调速和制动等到各种工作状态的要求，还需要人为地改变电动机的参数，如电枢电压、电枢回路电阻和励磁磁通，相应得到的机械特性即是人为机械特性。返回直流电动机的固有机械特性nn0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）n固有机械特性曲线aTEaaI
10、KTnKERIEUTKKRKUnETaE2TKKRnETa2KUnE0nnn0其中其中，返回固有机械特性曲线当 T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，属硬机械特性。n0nNTNTn n返回直流电动机的人为机械特性n电枢回路串电阻R的人为机械特性 n改变电枢电压的人为机械特性n减弱磁通的人为机械特性 返回电枢回路串电阻R的人为机械特性TCCRRCUnNTeaNeN2返回电枢加额定电压UN，励磁磁通N，电枢回路串入电阻R后的人为机械特性方程式为电枢串入不同电阻R时的人为机械特性曲线如图所示 电枢回路串电阻的人为机械特性有下列特点：1）理想空载转速n0与
11、固有机械特性的相同，即电枢回路串入的电阻R改变时，n0不变。2）特性斜率与电枢回路串入的电阻有关，R增大，也增大。故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。nn00RaRa+R2TRa+R1改变电枢电压的人为机械特性 保持励磁磁通N，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特性的方程为改变电枢电压的人为机械特性如图所示改变电枢电压的人为机械特性特点如下：1）理想空载转速n0与电枢电压U成正比，即n0U，且U为负时，n0也为负。2）特性斜率不变，与固有机械特性相同。因而改变电枢电压U的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。返回TCCRCUnNTeaNe2n
12、n01n02n00UNU1TU2减弱磁通的人为机械特性电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，励磁回路串入调节电阻使磁通减弱。减弱磁通的人为机械特性方程为其特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率则与励磁磁通的平方成反比。随着磁通的减弱增大，机械特性变软。不同励磁磁通的人为机械特性如图所示。对于一般电机，当N时，磁路已经饱和，再增加磁通已不容易，所以人为机械特性一般只能在N的基础上减弱磁通。返回TCCRCUnTeaeN2N21nn00Tn02n01直流电动机的拖动n直流电动机的起动和反转n直流电动机的调速n直流电动机的制动返回直流电动机的起动和反转n起动的要求 起动最初，起动电流Is较大
13、，因为此时n=0，Ea0。如果电枢电压为额定电压UN，因为Ra很小，则起动电流可达额定电流的1020倍。这样大的起动电流会使换向恶化，产生严重的火花；与电枢电流成正比的电磁转矩过大，对生产机械产生过大的冲击力。因此起动时需限制起动电流的大小。n起动的方法 v电枢回路串电阻起动v降压起动 n直流电动机的反转 由电磁转矩公式可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个：v保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接。v保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接。返回电枢回路串电阻起动n电枢回路串电阻起动的接线图n电枢回路串电阻起动的工作原理 对应于
14、起动电流Is1的起动转矩为Ts1，因Ts1TL，电动机开始起动。起动过程的机械特性如图所示，工作点由起动点Q沿电枢总电阻为Rs1的人为特性上升，电枢电动势随之增大，电枢电流和电磁转矩则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至Is2和Ts2(图中A点)，为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程。此时闭合KM1，切除r1。此时的电流Is2称为切换电流。当r1被断掉后，电枢回路总电阻变为Rs2=Ra+r2+r3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电动机的机械特性由图中曲线1上的A点平移到曲线2上的B点。再依此切除起动电阻r2、r
15、3，电动机的工作点就从B点到D点，最后稳定运行在自然机械特性的G点，电动机的起动过程结束。+KMKM1KM2KM3Mr1r2r3U_+_Ufa)接线图 GFEDBCAQRS1nn00RaRS2TRS3TNTs2Ts1b)机械特性返回降压起动 n当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1TL时，电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要的加速转矩，起动过程的机械特性如图所示 Qnn00UNTTLTS1nN
16、返回直流电动机的调速n调速及其指标v调速范围（D）是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。v静差率（又称相对稳定性）（）是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。v调速的平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（）。值越接近1则平滑性越好。v调速的经济性 是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。v调速时电动机的容许输出 是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。n 调速方法 v电枢串电阻调速v降低电枢电压调速 v减弱磁通调速 返回电枢串电阻调速n原理 在电枢中串入电阻，使 n、n0不变，即电机的特
17、性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，nn特点 电枢回路串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低。所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢电路串电阻调速，设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。n适用场合 这种调速方法适用于调速性能要求不高的中、小型电机。nn0RaRa+RT返回降低电枢电压调速n原理 由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n特点v工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而 n U，所以调速只能向下调。v可得到平滑、无级调速。v调速幅度较大。n适用场合 这种调速方法适用于对调速性能
18、要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。nn0n0n0电电压压降降低低T返回减弱磁通调速 n原理n机械特性曲线n特点v调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。v调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。n适用场合 弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节。（减小减小）0n 0n0nTLRf增增加加Tn 返回减弱磁通调速的工作原理Rf E E Ia T n Ia E 暂时暂时T TL减弱磁通调速的工作原理 n 和 有关，在 U 一定的情况下，改变 可改变 n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变 的大小。减弱磁通调速的过程返回直流电
19、动机的制动n制动的概念 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。n制动的分类v机械制动v电磁的制动n电气制动的方法v能耗制动v反接制动v回馈制动 返回能耗制动n接线图n原理 停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。这种制动是把贮存在系统中的动能变换成电能，消耗在制动电阻中，故称为能耗制动。n特点 能耗制动的机械特性是一条电枢电压为零、电枢串电阻的人为机械特性。改变制动电阻的大小，可以得到不同斜率的特性曲线。Rz越小，特性曲线的斜率越
20、小，曲线就越平，制动转矩就越大，制动作用就越强。MUUfIf+R运行运行制动制动K返回反接制动n分类v电枢反接制动v倒拉反接制动 n电枢反接制动接线图n电枢反接制动原理 制动时加到电枢绕组两端的电压极性与电动机正转时相反。因旋转方向未变，磁场方向未变，感应电势方向也不变。电枢电流为负值，表明其方向与正转时相反。由于电流方向改变，磁通方向未变，因此电磁转矩方向改变了。电磁转矩与转速方向相反，产生制动作用使转速迅速下降。这种因电枢两端电压极性的改变而产生的制动，称为电枢反接制动。n特点 电枢反接制动的最初瞬时，作用在电枢回路的电压（U+Ea）2U，因此必须在电枢电压反接的同时在电枢回路中串入制动电
21、阻Rz，以限制过大的制动电流。MUUfIf+R运行运行制动制动返回回馈制动n原理 当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，此时nn0，使得EaU，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。n特点 回馈制动时，nn0，Ia和T均为负值，所以它的机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线向第二象限的延伸。电枢回路串电阻将使特性曲线的斜率增大。返回直流电动机的电气控制n直流电动机的起动控制n
22、直流电动机的调速控制n直流电动机的制动控制返回直流电动机的起动控制直流电动机串电阻起动控制 电路直流电动机串电阻起动控制工作原理返回QS1QS2直流电动机串电阻起动控制工作原理 起动的过程为：合上电源开关QS1和QS2，励磁绕组F1、F2通过励磁电流产生主磁场。时间继电器KT1、KT2线圈得电，则KT1、KT2延时闭合的常闭触头分断。短接起动电阻接触器KM2、KM3线圈不得电，则KM2、KM3常开触头断开，电阻R1、R2接入主电路。按下起动按钮SB1，KM1线圈得电，KM1自锁触头闭合，松开SB1；同时KM1主触头闭合，电动机串接电阻R1、R2起动；KM1常闭触头断开，使时间继电器KT1、KT
23、2线圈失电。经过一段时间，随着转速的升高，KT1延时闭合触头首先闭合，短接起动接触器KM2线圈得电，则KM2常开主触头闭合，电阻R1被短接，起动电阻减少，随着电枢电流增大，起动转矩也增大，电动机继续加速，然后KT2动断延时闭合触头延时闭合，接触器KM3线圈通电，使KM3主触头闭合，电阻R2被短接，电动机起动完毕，进入正常运行状态。返回直流电动机的调速控制n直流电动机电枢回路串电阻调速控制电路 n直流电动机电枢回路串电阻调速控制的工作原理返回KI2KI1+QS2QS1直流电动机串电阻调速的工作原理n 当电动机稳定运行时，SA的手柄处于“3”位。KM2、KM3、KM1的主触头闭合，KM1常闭主触头
24、断开，KI2、KA常开触头闭合，电动机工作于主磁通恒定，电枢回路未串入电阻R1、R2的状态。欲使电动机低速运行，将主令开关SA的手柄扳到“1”位或“2”位，电动机就在电枢串有一段或两段电阻下运行，其转速低于主令开关处在“3”位时的转速，具体控制过程如下：n SA主令开关手柄由“3”位扳到“1”位时，KM2、KM3线圈失电，则KM2、KM3常开主触头断开，电动机电枢回路串入电阻R1、R2，电动机减速运行。n SA主令开关手柄由“3”位扳到“2”位时，KM1、KM2电路有电流通过。KM1、KM2主触头不动作，而KM3失电，KM3常开主触头断开。电动机电枢回路串入电阻R1，低速运行。返回直流电动机的
25、制动控制n直流电动机的能耗制动控制电路n直流电动机的能耗制动控制的工作原理返回KI2KI1+QS1QS2KI2KI1直流电动机的能耗制动控制的工作原理n 要停车时，按下停止（制动）按钮SB1，接触器KM1失电释放，KM1自锁触头分断，使电动机的电枢从电源上断开，励磁绕组仍与电源接通；由于电动机继续旋转切割磁力线，并联在电枢两端的KV经自锁触头仍保持通电，KM1常闭触头闭合后，接触器KM4线圈得电，KM4常开触头闭合，电阻R4并接在电枢两端，电动机开始能耗制动，速度急剧下降。同时，电动机两端电压随着转速的减小而降低，电压继电器KV失电释放，KM4断电，电动机能耗制动结束。n R4为制动电阻，应选
26、择适当。若R4过大，制动缓慢；若R4过小，电枢电流将超过最大允许电流。电机的故障分析及维护n直流电机常见的故障与处理方法 在运行中，直流电机的故障是多种多样的，产生故障的原因较为复杂，并且互相影响。当直流电机发生故障时，首先要对电机的电源、线路、辅助设备和电机所带负载进行仔细的检查，看它们是否正常，然后再从电机机械方面加以检查，如检查电刷架是否有松动、电刷接触是否良好、轴承转动是否灵活等。就直流电机的内部故障来说，多数故障会从换向火花增大和运行性能异常反映出来，所以要分析故障产生的原因，就必须仔细观察换向火花的显现情况和运行时出现的其他异常情况，通过认真地分析，根据直流电机内部的基本规律和积累的经验作出判断，找到原因。n直流电机修理后的检查和实验v检修项目v实验项目 返回直流电机修理后的检查项目n检查出线是否正确，接线是否与端子的标号一致，电机内部的接线是否有碰触转动的部件。n检查换向器的表面。n检查刷握。n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。n电刷压力弹簧的压力。n检查电机气隙的不均匀度。返回直流电机修理后的实验项目n绝缘电阻测试n绕组直流电阻的测量n确定电刷中性线 常采用的方法有以下三种：v感应法v正反转发电机法v正反转电动机法n耐压实验 n空载试验 n负载试验 n超速试验 返回
