電機(jī)與電氣控制技術(shù) 課件 5-1直流電動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)與拆裝

項(xiàng)目五直流電動(dòng)機(jī)控制電路安裝與調(diào)試目錄任務(wù)一

直流電動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)與拆裝任務(wù)二

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性任務(wù)三

直流電動(dòng)機(jī)控制電路的安裝與調(diào)試任務(wù)一直流電動(dòng)機(jī)的認(rèn)識(shí)與拆裝任務(wù)描述

在電機(jī)發(fā)展歷史上，直流電動(dòng)機(jī)發(fā)明較早，它的電源是電池，后來才出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)明了三相交流電以后，交流電動(dòng)機(jī)得到了迅速發(fā)展，但是直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好，過載能力高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和易于控制等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域里仍然有使用。目錄直流電動(dòng)機(jī)的用途和分類直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的原理直流電動(dòng)機(jī)的銘牌直流電動(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，常應(yīng)用于對起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、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、大型機(jī)密機(jī)床和大型起重機(jī)等。

（a）地鐵列車（b）龍門刨床

礦井卷揚(yáng)機(jī)

造紙機(jī)

地鐵列車

龍門刨床1.他勵(lì)方式

直流電動(dòng)機(jī)的分類-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，分別由兩個(gè)不同的電源供電，電樞電壓與勵(lì)磁電壓彼此無關(guān)，接線圖如下圖所示。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)子電流無關(guān)，不受轉(zhuǎn)子回路的影響。這種勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)一般用于大型和精密直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。

勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁電流獲得的方式。直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式的不同可以分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)4種，其中復(fù)勵(lì)又分為短復(fù)勵(lì)和長復(fù)勵(lì)。直流電機(jī)采用不同的勵(lì)磁方式時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行性能差別很大。1.并勵(lì)方式

直流電動(dòng)機(jī)的分類-自勵(lì)方式并勵(lì)方式中，電樞繞組和勵(lì)磁繞組由同一個(gè)電源供電，接線圖如下圖所示。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性基本相同，但比他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)節(jié)省了一個(gè)電源。中、小型直流電動(dòng)機(jī)多為并勵(lì)。自勵(lì)方式又分為并勵(lì)方式、串勵(lì)方式和復(fù)勵(lì)方式。

2.串勵(lì)方式

直流電動(dòng)機(jī)的分類-自勵(lì)方式串勵(lì)方式中，電樞繞組和勵(lì)磁繞組串聯(lián)，接線圖如下圖所示。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，常用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求很大且轉(zhuǎn)速有較大變化的負(fù)載，如電瓶車、起貨機(jī)、起錨機(jī)、電車、電傳動(dòng)機(jī)車等。但其機(jī)械特性很軟，空載時(shí)有極高的轉(zhuǎn)速，因此禁止其空載或輕載運(yùn)行。3.復(fù)勵(lì)方式

直流電動(dòng)機(jī)的分類-復(fù)勵(lì)方式復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dāng)兩部分勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，稱為積復(fù)勵(lì)，反之稱為差復(fù)勵(lì)。直流電動(dòng)機(jī)若按結(jié)構(gòu)形式分類，還可分為開啟式、防護(hù)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(dòng)機(jī)的外觀圖直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)根據(jù)用途、環(huán)境等不同，種類多種多樣，下面通過一個(gè)普通小型直流電動(dòng)機(jī)的例子做簡要分析，其裝配結(jié)構(gòu)如下圖所示。

小型直流電機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)1-換向器；2-電刷裝置；3-機(jī)座；4-主磁極；5-換向極；6-端蓋；7-風(fēng)扇；8-電樞繞組；9-電樞鐵芯直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，這里我們不能詳細(xì)介紹，主要介紹一下它的主要結(jié)構(gòu)。直流電動(dòng)機(jī)主要由定子部分、轉(zhuǎn)子部分、氣隙、電刷裝置和風(fēng)扇等零部件組成。圖1所示是一臺(tái)常用的小型直流電機(jī)縱剖面示意圖，圖2所示是一臺(tái)兩極直流電機(jī)橫剖面示意圖。

小型直流電機(jī)縱剖面示意圖兩級(jí)直流電機(jī)橫剖面示意圖

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--定子部分

直流電動(dòng)機(jī)的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機(jī)械支撐，它包括機(jī)座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu)如圖所示。主磁極用來產(chǎn)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(lì)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(lì)磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵(lì)磁繞組的電流相等。

主磁極的結(jié)構(gòu)1-主磁極鐵芯；2-勵(lì)磁繞組；3-機(jī)座2.換向極

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--定子部分換向極也稱為附加極，用于改善直流電機(jī)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(dǎo)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(dòng)機(jī)一般不裝換向極；大多數(shù)電動(dòng)機(jī)容量超過1KW的小型或中、大型直流電動(dòng)機(jī)裝設(shè)換向極。3.機(jī)座

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--定子部分直流電機(jī)的機(jī)座用來固定主磁極、換向極和端蓋等，并借助底腳將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上。同時(shí)，直流電機(jī)的機(jī)座是磁極間的磁通路徑（稱為磁軛），用導(dǎo)磁性好、機(jī)械強(qiáng)度較高的鑄鋼或厚鋼板制成，不能采用鑄鐵。把套有勵(lì)磁繞組的主磁極用螺栓安裝在機(jī)座內(nèi)側(cè)，有換向極的電機(jī)把換向極安裝在兩個(gè)主磁極之間。4.電刷裝置

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--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(nèi)，用彈簧將電刷壓緊與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--定子部分電動(dòng)機(jī)中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定于機(jī)座上，其上放置軸承支撐直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使直流電動(dòng)機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)。電刷與端蓋的連接安裝

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分

直流電動(dòng)機(jī)的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機(jī)械支撐，它包括機(jī)座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機(jī)主磁極的結(jié)構(gòu)如圖所示。主磁極用來產(chǎn)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(lì)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(lì)磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵(lì)磁繞組的電流相等。

主磁極的結(jié)構(gòu)1-主磁極鐵芯；2-勵(lì)磁繞組；3-機(jī)座

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--定子部分直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，又稱為電樞，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子在定子主磁極產(chǎn)生的恒定磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此，電樞鐵芯內(nèi)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(fēng)孔。電樞沖片形狀2.電樞繞組

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。容量較小的直流電機(jī)的電樞繞組用圓形電磁線繞制而成，而大多數(shù)直流電機(jī)的電樞繞組均用矩形絕緣導(dǎo)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分在電動(dòng)機(jī)中每一個(gè)線圈稱為一個(gè)元件，多個(gè)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(nèi)，放置在鐵芯槽內(nèi)的直線部分在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。為便于嵌線，每個(gè)元件的一個(gè)元件邊放在轉(zhuǎn)子鐵芯的某一個(gè)槽的上層（稱為上層邊），另一個(gè)元件邊則放在轉(zhuǎn)子鐵芯的另一個(gè)槽的下層（稱為下層邊），如圖所示。繪圖時(shí)為了清楚，將上層邊用實(shí)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯上實(shí)際開出的槽叫實(shí)槽。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組往往由較多的元件構(gòu)成，但由于工藝等原因，轉(zhuǎn)子鐵芯開的槽數(shù)不能太多，通常在每個(gè)實(shí)槽內(nèi)的上、下層并列嵌放若干個(gè)元件邊，如圖5-14所示。這樣把每個(gè)實(shí)槽劃分為μ個(gè)虛槽，而每個(gè)虛槽的上、下層有一個(gè)元件邊，這樣實(shí)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(zhuǎn)時(shí)離心力的作用，繞組在槽內(nèi)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(shí)槽與虛槽3.換向器

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分換向器又稱為整流子。在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電流轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)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(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--轉(zhuǎn)子部分把換向器安裝在電樞轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)--氣隙和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)起支撐作用，需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。為散去電機(jī)發(fā)出的熱量，還要在電樞轉(zhuǎn)軸上安裝風(fēng)扇，下圖是一個(gè)完整的直流電機(jī)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)軸定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是主磁路的一部分，其大小直接影響運(yùn)行性能。由于氣隙磁場由直流勵(lì)磁產(chǎn)生，因此，直流電機(jī)的氣隙要比異步電動(dòng)機(jī)大得多，小型直流電機(jī)為1～3mm，大型直流電機(jī)可達(dá)12mm。

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理--轉(zhuǎn)動(dòng)原理在直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈上加上直流電源，借助于換向器和電刷的作用，轉(zhuǎn)子線圈中流過方向交變的電流，在定子產(chǎn)生的磁場中受電磁力，產(chǎn)生方向恒定不變的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)稱為換向片的弧形銅片上，在換向片上放置固定不動(dòng)而與換向片滑動(dòng)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(shí)刻一

(b)時(shí)刻二

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理--轉(zhuǎn)動(dòng)原理此模型作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(fù)極加于電刷B，如圖（a）所示。線圈abcd中流過電流，在導(dǎo)體ab中，電流由a流向b；在導(dǎo)體cd中，電流由c流向d。導(dǎo)體ab和cd均處于N、S極之間的磁場當(dāng)中，受電磁力作用，導(dǎo)體、換向片隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁力的方向即直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向可用左手定則確定，經(jīng)判定該轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針。

(a)時(shí)刻一

(b)時(shí)刻二

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理--轉(zhuǎn)動(dòng)原理線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向仍是逆時(shí)針。即：電磁力方向或直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向可按左手定則判斷。電磁力式中，F(xiàn)—作用在線圈導(dǎo)體上的電磁力；B—線圈導(dǎo)體所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度；—線圈導(dǎo)體在磁場中的長度；L一線圈導(dǎo)體中的電流。

(a)時(shí)刻一

(b)時(shí)刻二

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理--可逆原理直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)工作原理模型的結(jié)構(gòu)完全相同，但工作原理又不同。（1）直流發(fā)電機(jī)。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載以后，就有電流流過負(fù)載，同時(shí)也流過線圈，其方向與感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同。根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd在磁場中會(huì)受力的作用，形成的電磁轉(zhuǎn)矩方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，與轉(zhuǎn)速方向相反。這意味著，電磁轉(zhuǎn)矩阻礙發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為此，原動(dòng)機(jī)必須用足夠大的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩來克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用，以維持發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)從原動(dòng)機(jī)中吸取機(jī)械能，轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載輸出。

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理--可逆原理（2）直流電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來后，導(dǎo)體ab和cd切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)勢是一個(gè)反電動(dòng)勢，它阻礙電流流入電動(dòng)機(jī)。所以，直流電動(dòng)機(jī)要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動(dòng)勢的阻礙作用，把電流送入電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)從直流電源中吸取電能，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。所以，直流電動(dòng)機(jī)要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動(dòng)勢的阻礙作用，把電流送入電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)從直流電源中吸取電能，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。

直流電動(dòng)機(jī)的銘牌直流電動(dòng)機(jī)制造廠在每臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)座的顯著位置釘有一塊標(biāo)牌，這塊標(biāo)牌就是直流電動(dòng)機(jī)的銘牌，銘牌上標(biāo)明了型號(hào)、額定數(shù)據(jù)等與直流電動(dòng)機(jī)有關(guān)的一些信息，供用戶選擇和使用直流電動(dòng)機(jī)時(shí)參考。1.型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)一般用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。其中漢語拼音字母是根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)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(hào)，1號(hào)為短鐵芯，2號(hào)為長鐵芯機(jī)座號(hào)，共有12號(hào)，1號(hào)最小設(shè)計(jì)序號(hào)，表示第二次設(shè)計(jì)產(chǎn)品代號(hào)，Z表示直流電動(dòng)機(jī)Z2—72

設(shè)計(jì)序號(hào)