电机与电气控制

南京大学出版社

主编

模块一 电机的使用与检修

• 项目 1 直流电机的使用与检修 • 项目 2 变压器的维护与检修 • 项目 3 三相异步电动机的使用与检修 • 项目 4 单相异步电动机的使用与检修 • 项目 5 控制电机的应用

项目 1 直流电机的使用与检修

学习目标

熟悉直流电动机的基本结构、工作原理、铭牌数据及分类方法。掌握直流电动机的工作特性和机械特性。掌握直流电动机调速特性及调速方法。掌握直流电动机起动、反转和制动的常用方法。掌握直流电动机常见故障的检修方法。

任务描述熟悉直流电动机基本结构和工作原理，了解其铭牌参数的意义；分析直流电动机的工作特性、机械特性及调速特性；熟悉直流电动机起动、反转和制动常用方法的特点；分析直流电动机可能出现的故障现象，并分析其故障产生的可能原因，提出故障处理的方法。

知识链接 一、直流电机的认知

（一）直流电机的结构

图 1-1 直流电机结构图 图 1-2 　直流电机径向剖面图1— 风扇　 2— 机座　 3— 电枢　 4— 主磁极 1— 极靴　 2— 电枢齿　 3— 电枢槽　 4— 励磁绕

组5— 刷架 6— 换向器　 7— 接线板　 8— 出线盒 5— 主磁极　 6— 磁轭　 7— 换向极　 8— 换向

极绕组9— 换向磁极　 10— 端盖 9— 电枢绕组　 10— 电枢铁心　 11— 底座

（一）直流电机的结构 1．定子部分

定子的作用是产生磁场和作为电机机械支撑。定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置、端盖等组成。 （ 1 ）机座 作用：固定主磁极、换向极、端盖等。机座是电机磁路的一部分，用以通过磁通的部分称为磁轭。机座上的接线盒内有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。材料：铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。 （ 2 ）主磁极 作用：产生工作磁场。 组成：主磁极包括铁心和励磁绕组两部分。主磁极铁芯柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴做成圆弧形，使空气隙中磁通均匀分布。极身上套有产生磁通的励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。改变励磁电流 If 的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。 材料：主磁极铁芯一般由 1.0 ～ 1.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。

（一）直流电机的结构 1．定子部分

图 1-3 　直流电机的定子 图 1-4 　电刷装置 1— 主磁极　 2— 换向极　 3— 机座 1— 导电绞线　 2— 加压弹簧　 3— 电刷　 4

— 刷盒

（一）直流电机的结构 1．定子部分

（ 3 ）换向极 作用：产生附加磁场，改善电机的换向性能，减少电刷与换向器之间的火花 组成：由铁心、绕组组成。换向极绕组与电枢绕组串联。 材料：铁芯用整块钢制成。如要求较高，则用 1.0 ～ 1.5mm 铜线绕制。安装位置：在相邻两主磁极之间。 （ 4 ）电刷装置 作用：连接外电路与电枢绕组，与换向器一起将绕组内交流电转换为外部直流电。 组成：由碳—石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。 安装位置：电刷固定在机座上（小容量电机装在端盖上），加压弹簧使电刷和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线连在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。（ 5 ）端盖 作用：支撑旋转的电枢。端盖内装有轴承。 材料：由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端。　

（一）直流电机的结构 2．转子部分

转子又称电枢，它的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件组成。 （ 1 ）电枢铁芯 作用：一是作为电机主磁路的一部分；二是作为嵌放电枢绕组的骨架。 组成：由 0.35 ～ 0.5mm 厚的彼此绝缘的硅钢片叠压而成。（ 2 ）电枢绕组 作用：作为发电机运行时，产生感应电动势和感应电流；作为电动机运行时，通电后受到电磁力的作用，产生电磁转矩。 组成：绝缘导线绕成的线圈（或称元件），放置于电枢铁心槽中，按一定规律和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。

（一）直流电机的结构 2．转子部分

图 1-5 　直流电机的电枢1— 风扇　 2— 绕组　 3— 电枢铁心 4— 绑带　 5— 换向器　 6— 轴

（一）直流电机的结构 2．转子部分

（ 3 ）换向器 作用：实现绕组中电流换向。 组成：换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用 0.4 ～1.2mm 的云母绝缘，装在电枢的一端。

（二）直流电机的基本工作原理 1．直流发电机的工作原理

两个磁极 N 、 S 建立恒定磁场，其磁感应强度沿圆周正弦分布。两极中间的电枢铁心（图中未画出）上固定着线圈 abcd ，ad 两端分别接在跟电枢铁心一起旋转的两片换向片上，电刷A 、 B 分别与这两个换向片接触而通向外电路。

（二）直流电机的基本工作原理 1．直流发电机的工作原理

线圈每转过一对磁极，其电动势方向就改变一次，但两电刷间的电流方向是不变的，只是大小在零与最大值之间变化。这种单线圈直流发电机，虽然可以获得恒定方向的电动势和电流，但它们的大小是脉动的，其电动势波形如图 1-8所示。为获得方向和量值均为恒定的电动势，则应使电枢铁心上的槽数和线圈匝数增加，同时换向器上的换向片也要相应增加。

图 1-8 一个线圈的肪动电动势

（二）直流电机的基本工作原理 2．直流电动机的工作原理

图 1-9 直流电动机的原理图

（二）直流电机的基本工作原理 2．直流电动机的工作原理

电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A 流入电枢绕组，从电刷 B 流出。电枢电流 Ia 与磁场相互作用产生电磁力 F ，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩 T ，使电动机电枢逆时针方向旋转，如图 1-9a所示。当电枢转到图 1-9b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流 Ia仍由电刷 A 流入绕组，由电刷 B

流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。

电枢转动时，切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势的方向（用右手定则判定）与电枢电流 Ia 和外加电压 U 的方向总是相反的，称为反电动势 Ea 。它与发电机的电动势 E 的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而 Ea 是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

（二）直流电机的基本工作原理 2．直流电动机的工作原理

直流电动机有以下几方面的优点： （ 1 ）调速范围广，且易于平滑调节； （ 2 ）过载能力强，起动 / 制动转矩大； （ 3 ）易于控制，可靠性高。 直流电动机的应用 ： 在调速要求较高的场所，如轧钢车、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到了广泛的应用。

（二）直流电机的基本工作原理 3．直流电机的可逆性

同一台直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行。当用原动机拖动转子旋转即输入机械功率时，在电刷两端就会输出直流电能，此时电机作发电机运行；当在电刷两端接直流电源即输入直流电能时，电机将通过转子拖动生产机械旋转从而输出机械能，电机又作电动机运行。以上所述就是直流电机可逆运转的原理。