样章 直流电动机.docx

1、样章 直流电动机项目五 直流电动机的结构与运行在生产实践中，直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和良好的过载能力等优点，因此在起动和调速要求较高的生产机械中，仍然得到广泛的应用。如何控制一台或多台直流电动机，使之正常工作，完成控制要求，是非常有必要的。【项目教学目标】 知识目标 技能目标 掌握直流电动机分类及工作原理。 掌握他励直流电动机的起动与正反转工作原理、注意事项及其实现方法。 掌握他励直流电动机的制动与调速工作原理、注意事项及其实现方法。 掌握他励直流电动机工作的机械特性曲线原理及含义。 掌握串励直流电动机的工作方式、注意事项极其实现步骤。 能正确识别和选用直流电动机。 能理解

2、直流电动机降压起动、制动与调速的原理及种类，正确识读直流电动机降压起动控制电路与能耗制动控制电路，能绘制相应的电气原理图。 能根据他励直流电动机电枢串电阻降压起动及能耗制动的电路原理图，按工艺要求完成电路的安装接线与调试； 能对所接电路进行检查，根据检查结果判断电路的性能； 会排除简单的电气故障，根据直流电动机工作异常现象进行简单修理。 任务1并励直流电机的结构与运行有一辆电动汽车的直流牵引电动机（额定功率为180W，额定电压220V，额定电流1.2A，额定转速 1600r/min），请对它进行起动及正反转控制，并安装与调试。控制要求:采用按钮控制的形式实现起动及正反转运行过程，有转速显示和运

3、行指示灯。 图5-1 电动汽车一、直流电动机的结构、原理及选用1、直流电机概述 直流电机的运行时可逆的，即一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。当它作为发电机运行时，外加转矩拖动电机转子旋转，电机产生感应电动势，若这时接通负载，则可以为负载提供电源，实现机械能转化为电能。当它作为电动机运行时，通电线圈因为在磁场中会感应出电磁力，产生电磁转矩拖动负载运行，这时将电能转换为机械能。因此，直流电机按运行方式进行划分，可以分为直流发电机和直流电动机。在此，我们主要研究和使用直流电动机的工作原理及过程。2、直流电机的结构直流发电机与直流电动机的结构是一样的，都有旋转部分和静止部分。我们

4、将可以旋转的部分称之为转子，而静止部分称之为定子。图5-2为Z2系列直流电动机的结构图。主要组成如下：图5-2 直流电动机的结构1风扇;2机座;3电枢(铁芯和绕组);4主磁极铁芯;5电刷装置;6换向器;7接线板;8接线盒;9换向极;10端盖;11转轴(1)定子静止不动的部分称为定子，包括机座、前后端盖、主磁极、换向磁极及电刷等装置。1)机座机座一方面用来固定主磁极、换向磁极与端盖等部件，起机械支撑的作用；另一方面它还是电机主磁路的一部分，叫定子磁轭，起导磁作用，机座一般用导磁性能好的铸钢与厚钢片制成。2)主磁极主磁极简称主极，用来产生气隙磁场并在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁通

5、密度。永磁电动机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成。励磁电动机的主磁极绕组中通入直流电流，即可产生主磁场，主磁场以主磁极铁芯作为磁路。为减小涡流损耗及磁滞损耗，主磁极铁芯一般采用1.01.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用叠压或铆钉铆在一起，上面套上事先绕制好的励磁线圈，整个磁极用螺钉固定在机座内表面上，如图5-3所示。3)换向磁极换向磁极用来产生换向磁场以改善直流电机的换向功能，一般电机容量若超过1KW，应当考虑安装换向磁极。换向磁极是由换向极铁芯和套在铁芯上的换向绕组构成。如图5-4所示。大容量直流电机换向极铁芯由薄钢板叠成，中小容量直流电机换向极由整块钢构成，换向极铁芯比主磁极简单。换

6、向磁极安装在相邻的两个主磁极之间，并总是和主磁极串联在一起。 图5-3 主磁极的结构 图5-4 换向磁极的结构4)电刷装置电刷装置的作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条等零件组成。电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙，它放置在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上，刷握固定在与刷杆座相连的刷杆上，每个刷杆装有若干个刷握和相同数目的电刷，并把这些电刷并联形成电刷组，电刷组个数一般与主磁极的个数相同。随着电力电子技术的不断发展，无刷直流电机开始产生，采用半导体开关器件（如霍尔元件）来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的

7、接触式换向器和电刷，取代了以往的电刷装置。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。(2)转子转子通常被称为电枢，即电动机的转动部分，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器及风扇等组成。1)电枢铁芯将多片0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠装就成为电枢铁芯。这样可减少电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗。它也是电机主次路的一部分，其外缘有齿和槽，槽内嵌放电枢绕组。2)电枢绕组电枢绕组在发电机中用来感应电动势，在电动机中则用于产生电磁转矩，它是电机实现机电能量转换的关键部件。它由许多形状、尺寸相同的线圈（又称元件）按一定规律连接而成，组成一个或多个闭合回路。每个线圈用绝缘铜线绕制成单

8、匝或多匝，为便于下线，每个线圈的一条有效边嵌入电枢铁芯某槽的上层，另一有效边嵌入另一槽的下层。上下层导体间及导体与铁芯间应妥为绝缘。绕组端部用钢丝或玻璃丝带扎紧。每个元件的首端与末端分别连接到换向器的两片换向片上。3)换向器换向器也是直流电机的重要部分。在直流电动机中，换向器的作用是把电刷间的直流电流转换为绕组内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内的交流电动势转换为电刷间得到直流电动势。由于电枢绕组由许多元件组成，而每个元件的两个引出端需分别连接两片换向片，所以换向器是由许多彼此互相绝缘的铜换向片所组成的。4)气隙气隙并非结构部件，它是定子的磁极和转子的电枢之间自然形成的缝隙。但是，气隙是主

9、磁路的一部分，气隙中的磁场是电机进行机电能量转换的媒介。因此，气隙的大小对电机的运行性能有非常大的影响。小容量的直流电机的气隙大约是1-3mm，大容量电机的气隙可达几毫米。以上介绍了直流电机的主要部件，一些次要部件不再一一叙述。3、直流电动机的工作原理直流电机的运行是可逆的，即一台直流电机可作直流发电机运行，也可作直流电动机运行，下面先分析直流电动机的运行原理。按励磁方式的不同，直流电动机可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机4类。一般情况下，额定励磁电压与电枢电压相等，他励和并励直流电动机无实质性区别。他励直流电动机的工作原理如图5-5所示。电流从电源正极流入电

10、刷A，经导体ab到cd，从电刷B流出回到电源负极。由电磁力定律可知，导体ab、cd受力大小为，式中为导体中流过的电流。由左手定则可判定图中所示瞬间导体ab、cd受力方向相反，力乘以转子半径就是电磁转矩。若电磁转矩能够克服电枢上的负载转矩及阻转矩，电枢便逆时针方向旋转起来。当电枢转过180时，cd转到N极下，ab转到S极下，电流仍从A流入，经导体dc、ba，由电枢B流出，两根导体上受到的力仍然相反，产生的电磁转矩方向不变。 图5-5 直流电动机的工作原理由此分析可见，直流电动机的工作原理为：直流电动机在外加直流电源的作用下，在可绕轴转动的导体中形成电流，载流导体在磁场中因受到电磁力的作用而旋转，

11、由于换向器的作用，导体进入异性磁极时，导体中的电流方向也相应改变，从而保证了电磁转矩方向不变，使直流电动机能连续运行。4、直流电动机的励磁方式直流电动机主磁场的获得有两种方法：用永久磁铁作为主磁极获得主磁场，或者利用主磁极绕组通入直流电流产生主磁场。在通过对励磁绕组加直流电流获得主磁场的方式中，根据主磁极绕组与电枢绕组连接方式的不同，可以具体分为他励、并励、串励和复励四种，如图5-6所示。图5-6 直流电机的励磁方式(a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)、(e)复励1)他励电动机 他励电动机的电枢绕组和励磁绕组分别由两个独立直流电源供电，电枢电压与励磁电压无关。即励磁电流由其他直流电源单独

12、提供，与电枢绕组无任何关系，如图5-6(a)所示。图：附他励直流电机接线实物图及说明；2)并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一个电源供电，励磁电压与电枢电压相等，即，如图5-6(b)所示。其特点是励磁绕组匝数多，导线截面积较小，励磁电流只占电枢电流的一小部分。对并励电动机来说，与他励直流电动机么有本质区别。（附图：并励直流电机端口接线实物图及必要说明）3)串励电动机励磁绕组与电枢绕组组成串联回路，连接到直流电源上，这时电枢电流与励磁电流相等，即，如图5-6(c)所示。它的特点是励磁绕组匝数少，导线截面积较大，励磁绕组上的电压降很小。（附图：串励直流电机端口接线实物图及必要说明，尤其是要避免

13、飞车现象的错误接线）4)复励电动机复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组回路并联，称为并励绕组；一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。复励方式有两种接线方法：一是并励绕组与电枢绕组回路先并联后再与串励绕组相串联，如图5-6(d)所示；另一种是串励绕组与电枢绕组回路串联后再与并励绕组并联，如图5-6(e)所示。直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，广泛应用于电力牵引、轧钢机、起重设备以及要求调速范围较大的切削机床中。其中，他励直流电动机的性能更加显著，应用非常广泛。（附图：复励直流电机端口接线实物图及必要说明，用处较多，可以较详图述）5、直流电动机的铭牌及主要型号1)电机的铭牌电机

14、的铭牌数据主要包括：电机的型号、电机的额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流、励磁方式及电机出厂编号、出厂日期等，如下图所示：2)电机的型号型号表面该电机所属的系列及主要特点。以Z2-72为例说明如下：国产直流电机常见的产品系列如下：Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。ZD和ZF系列是一般用途的大、中型直流电动机系列和直流发电机系列。ZJD和ZJF系列是大型直流电动机和发电机系列。ZT系列是用于恒功率且调速范围较大的拖动系统的电动机。ZZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电机车的牵引电动机。ZH系列是船

15、舶用直流电动机。ZA系列是防爆安全型直流电动机，用于矿井和有易燃易爆气体的场所。ZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。其他产品型号系列直流电动机可以参阅其他有关书籍或工具书。二、他励直流电动机的起动控制原理及方式电动机接通电源后，转速不断增加，直到进入稳定运行状态，这一过程即为起动过程，简称启动。他励直流电动机起动时，必须先接通励磁回路，并保证励磁电流为额定值，即每极磁通为额定值。从生产过程的要求来看，一般要求起动时间尽量短。为缩短起动过程，需提高电动机的加速度，也就是提高电动机起动过程中的电磁转矩。他励电动机的电磁转矩与电枢电流成正比，因此电流要尽量大一些。但电流也不能太大，否则会使得

16、电机换向时火花太大，损坏电机；电流过大引起电磁转矩太大，会造成起动时的机械冲击，使机械部件受损。同时，电流太大，还会影响接在同一线路上的其他设备，这些都是不允许的.因此，他励直流电动机起动过程中.应使电枢电流尽量大一些，但不能超过其最大允许值。一般而言.最大允许电流为1.52倍额定值。他励直流电动机的起动有直接起动、降压起动和电枢回路串电阻起动三种方法。1、直接起动他励直流电动机加额定电压UN、电枢回路不串电阻，这种方法即直接起动。此时由于，n=0，因此反电势Ea =0，起动电流Ist=UN/Ra。对于一般电动机而言,Ra很小，故直接起动时，起动电流可达到1020倍IN，因此除了额定容量在几百

17、瓦以下的徽型直流电机(由于Ra相对较大)可以直接起动外，一般直流电机都不允许直接起动。为了限制起动电流，一般可以采用降压起动和电枢回路串电阻起动两种方法。2、电枢回路串电阻起动电枢回路串入电阻Rst后，起动电流为 （5-1）根据起动条件的要求，可确定所串入电阻Rst的大小，使电枢电流不超过允许值。但随着转速的上升，反电势增大，电流减小，导致电磁转矩减小，造成电机的加速度变小，千是起动过程变慢。因此，为了保持起动过程中电磁转矩持续较大及电枢电流持续较小，通常采用分级起动法，即把起动电阻总值Rst分成若干段，起动时依次分段断开。由于每段电阻的切除都需要有一个接触器控制，因此起动级数不宜过多，一般为

18、25级。起动开始时，接触器的触点S闭合，而S1、S2、S3断开，如图5-7所示，额定电压加在电枢回路总电阻R3()上，起动初电流为，此时起动电流Ist1和起动转矩Tst1均达最大。起动瞬间对应于图5-8所示他励直流电动机电枢串电阻起动的机械特性曲线中的a点，起动转矩Tst1TL，电动机开始加速，电动势Ea逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿曲线1箭头方向移动。当转速升到n1、电流降至Ist2、转矩减至Tst2(图中b点)时，触点S3闭合，切除电阻Rst3，Ist2称为切换电流，一般取，或。切除Rst3后，电枢回路电阻减小为，与之对应的是如图5-8所示机械特性曲线中的曲线2。在切除电阻

19、的瞬间，由于机械惯性，转速不会突变，因此电动机的工作点由b点沿水平方向跃变到曲线2上的c点。选择适当的各级起动电阻，可使c点的电流仍为Ist1，这样电动机又处在最大转矩Tst1下进行加速，工作点沿曲线2箭头方向移动至d点。再依次切除起动电阻Rst2、Rst3，电动机工作点将过渡到固有特性曲线4上，并加速到h点处于稳定运行，此时，。图5-7 他励直流电动机电枢串电阻起动电路图总之，在起动过程中，通常限制最大起动电流，,并尽量在切除电阻时，使启动电流能从回升到。图5-8所示为他励直流电动机电枢绕组串电阻三级起动时的接卸特性。起动时依次切除起动电阻、，相应的电动机工作点从a点到b点、c点、d点、最后

20、稳定在h点运行，起动过程结束。图5-8 他励直流电动机电枢串电阻起动的机械特性3、降低电源电压起动这种方式只能在电动机有专用电源时才能采用。起动时，通过降低电枢电压来达到限制起动电流的目的。为保证足够大的起动转矩，应保持磁通不变，待电动机起动后，随着转速的上升、反电动势的增加，再逐步提高电枢电压，直至电压恢复到额定值，电动机在全压下稳定运行。降压起动虽然需要专用电源，设备投资大，但它起动电流小，升速平滑，并且起动过程中能耗较低，因此应用也非常广泛。三、他励直流电动机的正反转控制原理在有些电力拖动设备中，由于生产的需要，常常需要改变电动机的转向。电动机中的电磁转矩是动力矩，因此改变电磁转矩T的方

21、向就能改变电动机的转向。根据电磁转矩公式，电磁转矩T的方向与磁通和电枢电流Ia这两个量相关，并且只需要改变这两个量中的一个就可以改变电磁转矩T的方向。因此，直流电动机的反转方法有两种：一种是改变励磁电流If的方向，另一种是改变电枢电流Ia的方向。但由于励磁回路存在电感以及磁滞效应，建立反向磁场过程非常缓慢，导致反转过程不能马上实现，反转效果不好，因此一般通过改变电枢电流Ia的方向来实现他励直流电动机的反转。他励直流电动机的正反转控制电路原理图如图5-9所示。图中，KM1、KM2分别是控制该直流电机正转与反转的接触器；SB2、SB3分别是控制电机正转与反转的起动按钮；SB1是控制电机停止的按钮。

22、需要注意的是，图5-9所示控制电路中，电机改变转向的过程中，需要先按下停止按钮，否则因为KM1与KM2之间形成了互锁，无法实现反转。 图5-9 他励直流电动机反转控制电路图1、按任务控制要求绘制他励(并励)直流电动机起动控制电气原理图，如图5-9所示。图5-9 直流电动机起动控制电气图 图5-10 直流电机起动控制接线图2、根据电动机型号和电气原理图，选择所需电器元件的型号和数量，并列出所用的工具、仪表、设备和材料清单，见表5-1。表5-1 元器件明细表序号名称型号与规格单位数量备注1他励(并励)直流电动机功率180W，额定电压220V，额定电流1.2A，额定转速1600r/min台1表中所列

23、设备、器材的型号与规格仅供参考，可根据实际情况自定2导轨、测速发电机、转速表天煌教仪DD03挂件台13直流电压、毫安、电流表电压表量程0300V，电流表量程02A套24可调电阻器01800变电阻3个，0180电阻变1个只45直流电源220v直流电源台26校正直流测功机功率355W，额定电压220V，额定电流2.2A，额定转速1500r/min台17按钮LAY39-11、LAY39-10各1只只28接触器CJ20-10，线圈电压220V，10A只19导线BVR1.0，1.0mm2 (黄、绿、红、黑)m若干10熔断器RT14-20，380V，24A套53、画出他励(并励)直流电动机起动控制接线图，

24、如图5-10所示。4、配齐所用电器元件，并进行质量检验。电器元件应完好无损，各项技术指标符合技术要求，否则应予以更换。（此处配详细图述）：图1：直流电动机、测功机，并附端口说明；图2：接触器端口及接线注意事项图述；图3：变阻器、按钮及其他低压器件图述说明；5、根据他励(并励)直流电动机起动控制接线图完成硬件连线。步骤如下（此处配详细图述）：步骤1：图4：附主电路电动机的实物接线图：步骤2：图5：附控制回路（按钮、接线图实物接线图）；6、通电前对硬件接线进行检查。7、检查无误后经教师同意再通电运行。步骤3：图6：附调节变阻器起动电机至额定状态实物图（或视频）；8、根据要求实施任务步骤：1）按图5

25、-10接线。校正直流测功机MG按他励发电机连接，在此作为直流电动机M的负载，用于测量电动机的转矩和输出功率。Rf1选用1800阻值。Rf2选用的900串联900共1800阻值。R1用的180阻值。R2选用的900串联900再加900并联900共2250阻值。（此处配详细图述）图7：附变阻器串并联实物连接图；2）将直流并励电动机M的磁场调节电阻Rf1调至最小值，电枢串联起动电阻R1调至最大值，接通控制电枢电源开关使其起动，其旋转方向应符合转速表正向旋转的要求。3）M开始起动后，逐步将其电枢串联电阻R1调至零，调节电枢电源的电压为220V，调节校正直流测功机的励磁电流If2为校正值（50mA或10

26、0 mA），再调节其负载电阻R2和电动机的磁场调节电阻Rf1，使电动机达到额定值：UUN，IIN，nnN。此时M的励磁电流If即为额定励磁电流IfN。他励直流电动机起动控制电路的识读（一）考核任务1、按原理图所示配齐所有电器元件并进行检验(1)电器元件的技术数据(型号、规格、额定电压额定电流)应完整并符合要求，外观无损伤。(2)检测可调电阻器的实际阻值范围是否满足实验标准。(3)检测电流表、电压表量程是否正确、能否正常工作、是否需要调零。(4)检测直流电源工作电压是否合格；按钮的功能是否正常。(5)用万用表检测电磁线圈的通断情况以及各触头的分合情况，以确定电器元仵的电磁机构动作是否灵活、有无衔

27、铁卡阻等。(6)接触器的线圈电压和电源电压是否一致。(7)对电动机的质量进行常规检查(电枢绕组与励磁绕组的通断、相对地绝缘)。2、理解并熟练掌握他励直流电机电枢串电阻降压起动方法(1)理解电气原理图中各元件的特点及表示方法，熟练绘制他励直流电动机电枢回路串电阻降压起动的电气原理图。(2)熟练掌握接线图中各部件的功能及特点，具备一定的组装及排除系统故障的能力。(3)熟练掌握电气原理图中电枢回路串电阻降压起动的原理，并了解该方式相比于其他形式的起动方法，有何区别。3、按接线图的走线方法进行硬件接线具体要求包括以下内容。(1)布线时，严禁损伤线芯，导线绝缘。(2)各电器元件接线端子引出导线的走向，以

28、元件的水平中心线为界线，在水平中心线以上的接线端子引出的导线，必须进入元件上面的走线槽；在水平中心线以下的接线端子引出的导线，必须进人元件下面的走线槽。任何导线都不允许从水平方向进人走线槽内。(3)各电器元件接线端子上引出或引入的导线，除间距很小和元件机械强度很差允许直接架空敷设外，其他导线必须经过走线槽进行连接。(4)进人走线槽内的导线要完全置于走线槽内，并应尽可能避免交叉，装线不要超过其容量的70%，以便于能盖上线槽盖，便于以后的装配及维修。(5)各电器元件与走线槽之间的外露导线，应走线合理，并尽可能做到横平竖直，变换走向要垂直。同一个元件上位置一致的端子和同型号电器元件中位置一致的端子上

29、引出或引入的导线，要敷设在同一平面上，并应做到高低一致和前后一致，不得交叉。(6)所有接线端子、导线接头上都应套有与线路图上相应接点线号一致的编码套管，并按线号进行连接，连接必须牢靠，不得松动。(7)在任何情况下，接线端子必须与导线截面积和材料性质相适应。当接线端子不适合连接软线或较小截面积的软线时，可以在导线端头穿上针形或叉形轧头并压紧。(8)一般一个接线端子只能连接一根导线，如果采用专门设计的端子，可以连接两根或多根导线，但导线的连接方式，必须是公认的、在工艺上成熟的各种方式，如夹紧、压接、焊接、绕接等，并应严格按照连接工艺的工序要求进行。（二）考核要求及评分标准任务检查与评价标准见表5-

30、2。表5-2 任务检查与评价标准主要内容评分标准配分小组代表汇报讲解（1）讲解不全面，扣110分（2）条理不够清晰，扣110分20原理图控制（1）主电路不符合标准，扣2 分（2）控制电路不符合标准，扣2 分（3）信号、照明等不符合标准，扣2 分10布置图、接线图的绘制（1）元件布置不整齐、不匀称、结构不合理，每处扣15分（2）尺寸标注不正确，每处扣1分（3）损坏元件，每只扣5分（4）线号标注不准确、不齐全，扣2分（5）走线不合理，扣2分15电器原件选用、检查和安装（1）元件选择不合理，每只扣15分（2）元件漏检或错检，扣5分（3）不按图安装，扣10分（4）元件安装不牢固，每只扣5分（5）元件安装不整齐、不匀称、不合理，每只扣4分（6）损坏元件，扣15分（7）本项目不得负分15接线质量（1）不按接线图接线，扣10分（2）布线不美观、不平直、不整齐、不紧贴敷设面，主电路、控制电路每处扣1分（3）接点松动、漏铜过长、压绝缘层，每处扣1分10通电前检测、通电试验（1）主电路测量不正确，扣5分（2）控制电路测量不正确，扣5分（3）一次试车不成功，扣10分（4）两次试车不成功，扣15分20安全文明生产、团队合作精神（1）小组分工不够良好，扣15分（2）违反安全文明生产过程，扣510分10备注各项扣分最高不超过该项配分