電機運用與訓練電氣工程系自動化教研室李靖項目1：直流電機的運行與維護項目目標熟悉直流電機的基本工作原理與結構掌握直流電機的運行原理和運行特性掌握直流電動機電力拖動技術具備直流電機拆裝與維修能力具備直流電機故障檢測和排查的能力

單元1：直流電機的基本知識(1)

概述與異步電動機相比，直流電動機的結構復雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源。直流電機的優點：（1）調速性能好:調速范圍廣，易于平滑調節。（2）起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具各種電機

引進600MW汽輪發電機

國產300MW汽輪發電機國產200MW汽輪發電機定子國產200MW汽輪發電機定子鐵心現場運行的水輪發電機各行業廣泛使用電動機電機發展歷程1833年直流電機

1885年異步電動機

1889年三相系統

至今保留在美國麻省理工學院的由愛迪生發明的一種直流電動機☆

新能源技術風力發電波浪發電波浪能電站外景

波浪能電站內景

☆

新能源技術☆

機電一體化

如果用正在發展的新型永磁無刷直流電動機代替普通電動機,效果如下： 電冰箱：>1000萬臺/年，電量少15%洗衣機：>1100萬臺，噪音降低10分貝，節省電能50%，節水20%永磁直流無刷直流電動機外形圖1直流電機結構圖1、直流電機外殼；2、后端蓋；3、風扇；4、定子；5、轉子；6、電刷裝置；7、前端蓋一直流電機的基本工作原理和結構觀看直流電機的結構分解動畫2直流電機的主要結構主磁極：產生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機座和端蓋：起支撐和固定作用。定子轉子電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換轉軸軸承這是一臺直流電機的結構裝配圖和結構剖面圖。旋轉電機都是由定子和轉子兩大部分組成，每一部分也都由電磁部分和機械部分組成，以便滿足電磁作用的條件，換向極用來改善換向。定子：主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。主磁極

主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N，S極交替出現。

機座：機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋。換向極：換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。端蓋：端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。電刷裝置：電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，如圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調整電刷的位置。轉子:電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸、軸承、風扇等。

電樞鐵心

——電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。電樞繞組——電樞繞組由一定數目的電樞線圈按一定的規律連接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。換向器——前面已經指出，在直流發電機中，換向器起整流作用，在直流電機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環夾緊而構成。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。

3直流電機的工作原理直流發電機工作原理

右圖為直流發電機的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。直流發電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械。

當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉時同，線圈abcd將感應電動勢。如右圖，導體ab在N極下，a點高電位，b點低電位；導體cd在S極下，c點高電位，d點低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負。

當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉后，如右圖。

與電刷A接觸的導體總是位于N極下，與電刷B接觸的導體總是位于S極下,電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢。

導體ab在S極下，a點低電位，b點高電位；導體cd在N極下，c點低電位，d點高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負。

實際直流發電機的電樞是根據實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規律連接起來，構成電機的電樞繞組。磁極也是根據需要N、S極交替旋轉多對。直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械。

在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。

原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續逆時針方向旋轉。

與直流發電機相同，實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

當電樞旋轉到右圖所示位置時問題：直流電動機如何改變轉動方向？答：根據電磁力定律f＝Bil，改變直流電動機轉向的方法有兩種：一是改變磁場極性；二是改變電源的極性。改變電源極性改變磁場極性4直流電機的銘牌數據額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發電機指軸上輸出的機械功率電動機發電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電樞繞組的電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電樞電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速.對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。直流電動機的銘牌舉例電機型號：Z3--92含義Z一般用途的防護式中小型直流電機第三次改型設計機座號（共有12號，1號最小，12號最大;有時候標示出電機的中心高度,如Z3—200-2,中心高200mm）電樞鐵心長度（1號為短鐵心，2號為長鐵心）其它型號見課本11頁勵磁方式(勵磁繞組和電樞繞組的關系)(a)他勵電動機

(b)并勵電動機

(c)串勵電動機

(d)復勵電動機

此外，電機銘牌上還標有其它數據，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態。電機的運行電流小于額定電流——欠載運行；運行電流大于額定電流——過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態或額定狀態附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。1

直流樞繞組基本知識二直流電機的電樞繞組簡介

電樞繞組是直流電機的一個重要部分，電機中機電能量的轉換就是通過電樞繞組而實現的，所以直流電機的轉子也稱為電樞。元件：構成繞組的線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝兩種。所謂單匝元件，就是每個元件的元件邊（一個元件有兩個元件邊）里僅有一根導體。對多匝元件來說，一個元件邊里就不止一根導體了，左圖就是一個多匝元件。元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用表示。τnn.D:直徑P:磁極對數

雙層繞組一個電樞槽分為上下兩層。將一個線圈的兩個邊分別放在電樞槽的上層和下層而形成的繞組稱為雙層繞組。實槽線圈的兩邊都在電樞鐵芯表面的槽中：兩邊都能切割磁場而產生感應電勢。兩邊電勢相加：線圈的兩邊必須處于不同極性的極面下，線圈的跨距約等于一個極距。線圈對稱排列：當一線圈的一個邊在某槽中占有上層位置時，則該線圈的另一邊必須放在另一槽下層。虛槽概念在大型電機中,為了改善電機的性能，用更多的元件組成電樞繞組。但電樞鐵心不能開太多的槽，采用在每槽的上下層各放置若干元件邊。實槽=?虛槽=?Z表示實槽數C表示每個實槽里的虛槽個數Ze表示電樞總的虛槽數每一元件有兩個有效邊，每一換向片上接有兩個有效邊，每一虛槽內放置有兩個有效邊，元件數S等于換向片數K，也等于虛槽數

繞組節距：是指被聯接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的元件邊數或虛槽數或換向片數來表示。第一節距

第二節距

合成節距

換向節距

2.單疊繞組

單疊繞組的特點是相鄰元件(線圈)相互疊壓,合成節距與換向節距均為1,即：

單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里、構成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里(電樞沿軸向剖開展成平面)，展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極、換向片、電刷間的相對位置關系。第一節距：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。為了讓繞組感應出最大的電動勢,應使y1接近或等于極距。單疊繞組的節距e為正分數，將y1補成整數的一個正分數。存在整距繞組,短距繞組,長距繞組上層邊用實線,下層邊用虛線表示單疊繞組的節距第二節距：連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上