電機與電氣控制技術 課件 5-1直流電動機的認識與拆裝

項目五直流電動機控制電路安裝與調試目錄任務一

直流電動機的認識與拆裝任務二

直流電動機的機械特性任務三

直流電動機控制電路的安裝與調試任務一直流電動機的認識與拆裝任務描述

在電機發(fā)展歷史上，直流電動機發(fā)明較早，它的電源是電池，后來才出現(xiàn)了交流電動機。當發(fā)明了三相交流電以后，交流電動機得到了迅速發(fā)展，但是直流電動機具有調速性能好，過載能力高、起動轉矩大和易于控制等特點，在工業(yè)領域里仍然有使用。目錄直流電動機的用途和分類直流電動機的結構直流電動機的原理直流電動機的銘牌直流電動機的用途由于直流電動機具有良好的起動和調速性能，常應用于對起動和調速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機車、內燃機車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型機密機床和大型起重機等。

（a）地鐵列車（b）龍門刨床

礦井卷揚機

造紙機

地鐵列車

龍門刨床1.他勵方式

直流電動機的分類-他勵方式他勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組電路相互獨立，分別由兩個不同的電源供電，電樞電壓與勵磁電壓彼此無關，接線圖如下圖所示。他勵直流電動機具有較硬的機械特性，勵磁電流與轉子電流無關，不受轉子回路的影響。這種勵磁方式的直流電動機一般用于大型和精密直流電動機控制系統(tǒng)中。

勵磁方式是指勵磁繞組中勵磁電流獲得的方式。直流電機按照勵磁方式的不同可以分為他勵、并勵、串勵和復勵4種，其中復勵又分為短復勵和長復勵。直流電機采用不同的勵磁方式時，電機的運行性能差別很大。1.并勵方式

直流電動機的分類-自勵方式并勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組由同一個電源供電，接線圖如下圖所示。并勵直流電動機的特性與他勵直流電動機的特性基本相同，但比他勵直流電動機節(jié)省了一個電源。中、小型直流電動機多為并勵。自勵方式又分為并勵方式、串勵方式和復勵方式。

2.串勵方式

直流電動機的分類-自勵方式串勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)，接線圖如下圖所示。串勵直流電動機具有很大的啟動轉矩，常用于啟動轉矩要求很大且轉速有較大變化的負載，如電瓶車、起貨機、起錨機、電車、電傳動機車等。但其機械特性很軟，空載時有極高的轉速，因此禁止其空載或輕載運行。3.復勵方式

直流電動機的分類-復勵方式復勵電動機的勵磁繞組分為兩部分，一部分與電樞繞組并聯(lián)，是主要部分；另一部分與電樞繞組串聯(lián)，接線圖如下圖所示。當兩部分勵磁繞組產生的磁通方向相同時，稱為積復勵，反之稱為差復勵。直流電動機若按結構形式分類，還可分為開啟式、防護式、封閉式和防爆式；按功率大小分類，可分為小型、中型和大型。

直流電動機的外觀圖直流電動機的結構直流電動機結構根據(jù)用途、環(huán)境等不同，種類多種多樣，下面通過一個普通小型直流電動機的例子做簡要分析，其裝配結構如下圖所示。

小型直流電機的裝配結構1-換向器；2-電刷裝置；3-機座；4-主磁極；5-換向極；6-端蓋；7-風扇；8-電樞繞組；9-電樞鐵芯直流電動機的結構直流電機的結構是多種多樣的，這里我們不能詳細介紹，主要介紹一下它的主要結構。直流電動機主要由定子部分、轉子部分、氣隙、電刷裝置和風扇等零部件組成。圖1所示是一臺常用的小型直流電機縱剖面示意圖，圖2所示是一臺兩極直流電機橫剖面示意圖。

小型直流電機縱剖面示意圖兩級直流電機橫剖面示意圖

直流電動機的結構--定子部分

直流電動機的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機械支撐，它包括機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機主磁極的結構如圖所示。主磁極用來產生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵磁繞組的電流相等。

主磁極的結構1-主磁極鐵芯；2-勵磁繞組；3-機座2.換向極

直流電動機的結構--定子部分換向極也稱為附加極，用于改善直流電機的換向性能。換向極由換向極鐵芯和換向極繞組組成。其鐵芯一般也用1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。換向極繞組必須和電樞繞組相串聯(lián)，由于要通過的電樞電流較大，通常采用較粗的矩形截面導體繞制而成。換向極安裝在兩相鄰主磁極之間，其數(shù)目一般與主磁極數(shù)目相等。微型直流電動機一般不裝換向極；大多數(shù)電動機容量超過1KW的小型或中、大型直流電動機裝設換向極。3.機座

直流電動機的結構--定子部分直流電機的機座用來固定主磁極、換向極和端蓋等，并借助底腳將電機固定在基礎上。同時，直流電機的機座是磁極間的磁通路徑（稱為磁軛），用導磁性好、機械強度較高的鑄鋼或厚鋼板制成，不能采用鑄鐵。把套有勵磁繞組的主磁極用螺栓安裝在機座內側，有換向極的電機把換向極安裝在兩個主磁極之間。4.電刷裝置

直流電動機的結構--定子部分電刷裝置由電刷、刷握、壓緊彈簧和刷辮等組成，如圖所示。電刷放在刷握上的刷盒內，用彈簧將電刷壓緊與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉動時電刷與換向器表面有良好的接觸。電刷裝置與換向器配合和靜止的外電路連通。1-刷握；2-電刷；3-壓緊彈簧；4-刷辮5.端蓋

直流電動機的結構--定子部分電動機中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定于機座上，其上放置軸承支撐直流電動機的轉軸，使直流電動機能夠旋轉。電刷與端蓋的連接安裝

直流電動機的結構--轉子部分

直流電動機的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機械支撐，它包括機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機主磁極的結構如圖所示。主磁極用來產生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵磁繞組的電流相等。

主磁極的結構1-主磁極鐵芯；2-勵磁繞組；3-機座

直流電動機的結構--定子部分直流電動機的轉子是電動機的轉動部分，又稱為電樞，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電動機轉軸和軸承等部分組成。

1.電樞鐵芯電樞鐵芯主要用來嵌放電樞繞組和作為直流電動機磁路的一部分。鐵芯表面有均勻分布的齒和槽，槽中嵌放電樞繞組。由于轉子在定子主磁極產生的恒定磁場內旋轉，因此，電樞鐵芯內的磁通是交變的，為減少渦流和磁滯損耗，通常用兩面涂絕緣漆的0.5mm硅鋼片疊壓而成，沖片上有均勻分布的嵌放電樞繞組的槽和軸向通風孔。電樞沖片形狀2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分電樞繞組是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件。容量較小的直流電機的電樞繞組用圓形電磁線繞制而成，而大多數(shù)直流電機的電樞繞組均用矩形絕緣導線繞制成定形線圈，然后嵌入電樞鐵芯的槽中。2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分在電動機中每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律地連接起來形成電樞繞組。繞制好的繞組或成型繞組放置在電樞鐵芯上的槽內，放置在鐵芯槽內的直線部分在電動機運轉時將產生感應電動勢，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電動機運行過程中不產生感應電動勢。為便于嵌線，每個元件的一個元件邊放在轉子鐵芯的某一個槽的上層（稱為上層邊），另一個元件邊則放在轉子鐵芯的另一個槽的下層（稱為下層邊），如圖所示。繪圖時為了清楚，將上層邊用實線表示，下層邊用虛線表示。繞組元件邊在槽中的位置2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分直流電動機轉子鐵芯上實際開出的槽叫實槽。直流電動機轉子繞組往往由較多的元件構成，但由于工藝等原因，轉子鐵芯開的槽數(shù)不能太多，通常在每個實槽內的上、下層并列嵌放若干個元件邊，如圖5-14所示。這樣把每個實槽劃分為μ個虛槽，而每個虛槽的上、下層有一個元件邊，這樣實槽數(shù)為Z，總虛槽數(shù)為Zi，則Zi=μZ。鐵芯與線圈之間以及上、下層線圈之間都必須妥善絕緣。為了防止電樞旋轉時離心力的作用，繞組在槽內部分用絕緣槽楔固定，而伸到槽外的端接部分則用非磁性鋼絲扎緊在支架上。

實槽與虛槽3.換向器

直流電動機的結構--轉子部分換向器又稱為整流子。在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電流轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變。在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向器結構通常如圖所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制V形套筒和V形云母環(huán)固定，再用螺母鎖緊。3.換向器

直流電動機的結構--轉子部分把換向器安裝在電樞轉軸上，把電樞繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。氣隙

直流電動機的結構--氣隙和轉軸轉軸在轉子旋轉時起支撐作用，需要有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。為散去電機發(fā)出的熱量，還要在電樞轉軸上安裝風扇，下圖是一個完整的直流電機轉子。轉軸定、轉子之間的氣隙是主磁路的一部分，其大小直接影響運行性能。由于氣隙磁場由直流勵磁產生，因此，直流電機的氣隙要比異步電動機大得多，小型直流電機為1～3mm，大型直流電機可達12mm。

直流電動機的工作原理--轉動原理在直流電動機的轉子線圈上加上直流電源，借助于換向器和電刷的作用，轉子線圈中流過方向交變的電流，在定子產生的磁場中受電磁力，產生方向恒定不變的電磁轉矩，使轉子朝確定的方向連續(xù)旋轉，這就是直流電動機的轉動原理。以下圖模型為例，N和S是一對固定的磁極，磁極之間有一個可以轉動的線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個稱為換向片的弧形銅片上，在換向片上放置固定不動而與換向片滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向片和電刷接通外電路。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--轉動原理此模型作為直流電動機運行時，電源加于電刷A和B。例如將直流電源正極加于電刷A，電源負極加于電刷B，如圖（a）所示。線圈abcd中流過電流，在導體ab中，電流由a流向b；在導體cd中，電流由c流向d。導體ab和cd均處于N、S極之間的磁場當中，受電磁力作用，導體、換向片隨轉軸一起轉動，電磁力的方向即直流電動機轉向可用左手定則確定，經判定該轉向為逆時針。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--轉動原理線圈逆時針旋轉180°，導體cd轉到N極下，ab轉到s極下，如圖（b）所示。由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a、從電刷B流出，用左手定則判斷，轉向仍是逆時針。即：電磁力方向或直流電動機的轉向可按左手定則判斷。電磁力式中，F(xiàn)—作用在線圈導體上的電磁力；B—線圈導體所在位置的磁感應強度；—線圈導體在磁場中的長度；L一線圈導體中的電流。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--可逆原理直流發(fā)電機和電動機工作原理模型的結構完全相同，但工作原理又不同。（1）直流發(fā)電機。當發(fā)電機帶負載以后，就有電流流過負載，同時也流過線圈，其方向與感應電動勢方向相同。根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd在磁場中會受力的作用，形成的電磁轉矩方向為順時針方向，與轉速方向相反。這意味著，電磁轉矩阻礙發(fā)電機旋轉，是制動轉矩。為此，原動機必須用足夠大的拖動轉矩來克服電磁轉矩的制動作用，以維持發(fā)電機的穩(wěn)定運行。此時發(fā)電機從原動機中吸取機械能，轉換成電能向負載輸出。

直流電動機的工作原理--可逆原理（2）直流電動機。當電動機旋轉起來后，導體ab和cd切割磁力線，產生感應電動勢，用右手定則判斷出其方向與電流方向相反，這意味著，此電樞電動勢是一個反電動勢，它阻礙電流流入電動機。所以，直流電動機要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動勢的阻礙作用，把電流送入電動機。此時，電動機從直流電源中吸取電能，轉換成機械能輸出。所以，直流電動機要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動勢的阻礙作用，把電流送入電動機。此時，電動機從直流電源中吸取電能，轉換成機械能輸出。

直流電動機的銘牌直流電動機制造廠在每臺直流電動機機座的顯著位置釘有一塊標牌，這塊標牌就是直流電動機的銘牌，銘牌上標明了型號、額定數(shù)據(jù)等與直流電動機有關的一些信息，供用戶選擇和使用直流電動機時參考。1.型號直流電動機的型號一般用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示。其中漢語拼音字母是根據(jù)直流電動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。以Z2—72為例說明。Z2—72

電樞鐵芯長度代號，1號為短鐵芯，2號為長鐵芯機座號，共有12號，1號最小設計序號，表示第二次設計產品代號，Z表示直流電動機Z2—72

設計序號