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(共58张PPT)
项目三 直流电机及拖动
任务一 认识直流电机
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
任务三 直流电动机的机械特性
任务四 直流电动机的运行
任务五 直流电动机的试验、维护与检修
项目三 直流电机及拖动
学习目标
1.了解直流电机的结构和工作原理；
2.熟悉直流电机的机械特性和运行。
项目三 直流电机及拖动
（a）直流发电机 （b）直流电动机
直流发电机和直流电动机
项目三 直流电机及拖动
（a）电解铝车间 （b）电镀车间
直流发电机的作用是将机械能转换为直流电能，可以作为电解、电镀、电焊以及自动控制系统的直流电源
项目三 直流电机及拖动
（a）地铁列车 （b）城市电车 （c）电动自行车
直流电动机的作用是将直流电能转换成机械能，直流电动机结构较复杂，使用、维护较麻烦，价格也较贵，但是由于其启动、调速性能较好，仍广泛应用于轧钢机、高炉卷扬机、电力机车、城市电车、电动自行车、造纸和金属切削等工作负载变化较大、要求频繁地启动、改变方向、平滑地调速的生产机械上。
任务一 认识直流电机
直流电机 直流电机铭牌
一、直流电机的结构
任务一 认识直流电机
直流电机主要由定子和转子（电枢）两大部分构成，定子和转子之间的空隙称为空气隙。
直流电机的结构
任务一 认识直流电机
1.定子部分
（4）电刷装置
（3）换向磁极
（2）主磁极
（1）机座
主要作用是产生主磁场和作为机械支撑。包括机座、主磁极、换向磁极、端盖、轴承和电刷装置等。
机座一方面起导磁作用，作为电机磁路的一部分；另一方面起支撑作用，用来安装主磁极和换向磁极，并通过端盖支撑转子部分。
用来产生电机工作的主磁场，由主磁极铁芯和励磁绕组组成。
位于两个主磁极之间，又称附加磁极。作用是产生换向磁场，改善电机的换向。由换向磁极铁芯和换向磁极绕组组成。
它的作用是使旋转的电枢绕组与固定不动的外电路相连接，将直流电流引入或引出。由电刷、刷握、刷杆座和压力弹簧等组成。
任务一 认识直流电机
2.转子（电枢）部分
（1）电枢铁芯
（2）电枢绕组
（3）换向器
（4）转轴
（5）风扇
转子通常称为电枢，是产生感应电动势、电流、电磁转矩，实现能量转换的部件。由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和轴等组成。
是直流电机磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。
电枢绕组的作用是通过电流产生感应电动势和电磁转矩，从而实现能量转换。
作用是将电枢中的交流电动势和电流，转换成电刷间的直流电动势和电流，保证所有导体上产生的转矩方向一致。
用来传递转矩，一般用合金钢锻压加工而成。
用来降低运行中电机的温升。
任务一 认识直流电机
二、直流电机的基本工作原理
1.直流发电机的工作原理
直流电机模型
直流发电机的工作原理是：直流发电机在原动机拖动下旋转时，电枢上的导体切割磁力线产生交变电动势，再通过换向器的整流作用，在电刷间获得直流电压输出，从而实现了将机械能转换成直流电能的目的。
。
任务一 认识直流电机
2.直流电动机的工作原理
二、直流电机的基本工作原理
直流电动机的工作原理是：直流电动机在外加电压的作用下，在导体中形成电流，载流导体在磁场中将受电磁力的作用，由于换向器的换向作用，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的方向不变，使直流电动机能连续旋转，把直流电能转换为机械能输出。
直流电机模型
任务一 认识直流电机
二、直流电机的基本工作原理
3.直流电机的可逆性原理
同一台电机，既能作发电机运行，又能作电动机运行，称为直流电机的可逆原理。
当直流电机作为发电机运行时，外加转矩拖动转子旋转，线圈产生感应电动势，接通负载以后提供电流，从而将机械能转变成电能。当作为电动机运行时，通电的线圈导体在磁场中受力，产生电磁转矩并拖动机械负载转动，从而将电能转变成机械能。
任务一 认识直流电机
三、直流电机的铭牌、型号和额定值
1.铭牌
直流电机的铭牌
任务一 认识直流电机
2.型号
三、直流电机的铭牌、型号和额定值
（1）老型号 Z3—42
Z——产品代号，Z表示直流电动机
3——设计序号，表示第三次设计
42——规格代号，4号机座，2号铁芯。
（2）新型号 Z4—200—21
Z4——系列代号，直流电动机，第四次设计
200——电机中心高（mm）
2——电枢铁芯长度代号
1——端盖代号
任务一 认识直流电机
三、直流电机的铭牌、型号和额定值
3.额定值
（1）额定功率：指电机在额定情况下，长期运行所允许的输出功率。
（2）额定电压：指在额定运行状态下，电机出线端的电压值。
（3）额定电流：电机在额定运行时的电流值，对于发电机是指额定运行时供给负载的额定电流。
（4）额定转速：指电机在额定电压、额定电流和额定输出功率时转子旋转的速度，单位为r/min。
（5）励磁方式：是主极励磁绕组与电枢绕组的连接以及供电方式，有他励、并励、串励和复励等。
任务一 认识直流电机
三、直流电机的铭牌、型号和额定值
3.额定值
（6）额定励磁电压：指加在励磁绕组两端的额定电压，单位为V。
（7）额定励磁电流：指电机额定运行时所需要的励磁电流，单位为A。
（8）定额（工作方式）：电机在额定状态运行时能持续工作的时间和顺序。分为连续、短时和断续三种，分别用S1、S2、S3表示。
（9）温升：电机各发热部分的温度与周围冷却介质温度之差称为温升。
（10）绝缘等级：表示电机各绝缘部分所用的绝缘材料的等级。
任务一 认识直流电机
四、直流电动机的分类
1.永磁电机
2.他励电机
他励直流电动机
过去常用于录音机、录像机等所需功率很小、机械精度要求较高的场合，现在已应用到更广泛的范围。
任务一 认识直流电机
3.自励电机
四、直流电动机的分类
（1）并励电机
并励直流电动机
任务一 认识直流电机
（2）串励电机
四、直流电动机的分类
3.自励电机
串励直流电动机
任务一 认识直流电机
四、直流电动机的分类
3.自励电机
（3）复励电机
复励电机
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
一、直流电机的电枢电动势
根据电磁感应定律，导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电动势，其大小为：
直流电机的一条支路是由许多根有效导体串联而成的，用N表示有效导体总数，则一条支路串联的有效导体数为N/2a，其中a为并联支路对数。直流电机转速通常用n表示，而
式中： ——电枢的直径；
——极距
——极对数；
——导体切割磁力线的线速度；
——电机转速。
如果把磁密B用每个磁极下的平均磁密表示，则每极主磁通为：
由上述三个公式可得：
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
一、直流电机的电枢电动势
式中： ——电磁转矩；
——电动机转矩常数； 。
直流电机的电枢电动势对直流发电机和直流电动机都适用，对于直流发电机来讲，是电源电动势，向外电路供电，电流方向和电动势方向一致；对于电动机来讲，是反电动势，与外加电源电流方向相反，用来与外加电压相平衡。
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
二、直流电机的电磁转矩
该电磁转矩对于电动机来说是驱动转矩，是由电源供给电动机的电能转换来的，能够拖动负载运动；对发电机来讲是制动转矩，原动机必须克服电磁转矩才能使电枢转动而发出电能。
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
三、直流电机的电磁功率
电磁功率这个物理量，从机械角度讲是电磁转矩与角速度的乘积；从电的角度讲是电枢电动势与电枢电流的乘积。在实际中的直流电机因为存在功率损耗，所以电磁功率总是小于输入功率而大于输出功率。
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
四、直流电动机的基本方程式
1.电动势平衡方程式
（a）结构示意图 （b）电路图
他励直流电动机结构示意图和电路图
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
2.功率平衡方程式
四、直流电动机的基本方程式
他励直流电动机的功率流程图
任务二 直流电机的电势、转矩和功率
3.转矩平衡方程式
四、直流电动机的基本方程式
式中 ——电动机电磁转矩;
——电动机轴上输出的机械转矩；
——空载转矩。
因为空载转矩通常为电动机额定转矩的2%～5%，所以在重载或负载下通常忽略不计，则负载转矩与电磁转矩近似相等。
任务三 直流电动机的机械特性
一、机械特性方程式
直流电动机的机械特性是指在稳定运行情况下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系。
任务三 直流电动机的机械特性
二、固有机械特性
固有机械特性特点
（1）对于任何一台直流电动机，只有唯一的一条固有机械特性曲线。
（2）由于电枢回路没有串联电阻，很小，则很小，即很小，因此机械特性曲线是一条略微下降的直线，所以固有机械特性为硬特性。
任务三 直流电动机的机械特性
三、人为机械特性
1.电枢回路串电阻时的人为机械特性
（1）理想空载转速保持不变；
（2）机械特性斜率随的增大而增大，特性曲线变软。如图3-16所示为不同时的一组人为机械特性曲线。
任务三 直流电动机的机械特性
2.改变电源电压时的人为机械特性
三、人为机械特性
（1）理想空载转速正比于电压，下降时，成正比例减小；
（2）特性曲线斜率不变，如图3-17所示为调节电压的一组人为机械特性曲线，是一组平行直线。
任务三 直流电动机的机械特性
三、人为机械特性
3.改变磁通时的人为机械特性
（1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通则升高；
（2）斜率与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。
任务四 直流电动机的运行
一、直流电动机的起动
直流电动机由静止状态加速达到正常运转的过程，称为起动过程或简称起动。生产机械对直流电动机的起动有下列要求：
（1）起动转矩要足够大，电动机才能顺利启动。
（2）起动电流不可太大。
（3）起动设备简单，启动时间短，运行可靠，成本低。
直流电动机的起动方法有：全压起动、降压起动和电枢回路串电阻起动三种。
任务四 直流电动机的运行
1.全压起动
一、直流电动机的起动
由于电枢回路电阻阻值很小，所以直接起动的电流很大，通常是额定电流的10~20倍，启动转矩也很大，过大的起动电流会引起电网电压下降，影响同一电网上的其他用户的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈火花，起动转矩过大将使生产机械和传动机构受到强烈冲击而损坏。因此，除小容量直流电动机外，不允许全压起动。一般规定启动电流不得超过额定电流的1.5~2.5倍。
任务四 直流电动机的运行
一、直流电动机的起动
2.降压起动
降压起动是指在起动前，降低加在电动机电枢绕组两端的电压，以减小起动电流，随着电动机转速的升高，逐步增加直流电压的数值，直到电动机起动完毕，加在电动机上的电压即是电动机的额定电压。
3.电枢回路串电阻起动
为了使起动电流限制在（1.5~2.5） 以内，则起动电压应为：
任务四 直流电动机的运行
二、直流电动机的反转
直流电动机反转的方法有以下两种：
（1）改变励磁电流的方向
保持电枢电流的方向不变，改变励磁电流的方向，从而使磁通方向改变。
（2）改变电枢电流的方向
保持励磁电流的方向不变，改变电枢电流的方向。
任务四 直流电动机的运行
三、直流电动机的调速
1.电枢回路串电阻调速
电枢回路串电阻调速的特点是：
（1）调速设备简单，投资少，操作方便。
（2）属于恒转矩调速，转速只能由额定转速往下调。
（3）只能分级调速，调速平滑性差。
（4）低速时，机械特性很软，转速受负载影响变化大，电能损耗大，经济性能差。
2.降压调速
三、直流电动机的调速
降压调速的特点是：
（1）降压调速时，机械特性的斜率不变，即机械特性硬度不变，调速稳定性好。
（2）电压可连续变化，调速平滑性好，可达到无极调速，调速范围广。
（3）属于恒转矩调速，电动机电压不能超过额定值，只能由额定值向下调速，即只能减速。
（4）电源设备的投资费用较大，但电能损耗小，效率高。还可用于降压启动
任务四 直流电动机的运行
三、直流电动机的调速
3.弱磁调速
任务四 直流电动机的运行
弱磁调速的特点是：
（1）调速在励磁回路中进行，功率较小，故能量损耗小，控制方便。
（2）速度变化比较平衡，但转速只能向上调节。
（3）调速范围较窄，在磁通减少太多时，由于电枢磁场对主磁场的影响加大，会使电机火花增大、换向困难。
（4）弱磁调速时，如果负载转矩不变，电枢电流必然增大，要防止电流太大带来的问题例如发热、打火等
任务四 直流电动机的运行
四、直流电动机的制动
1.再生制动（又称为回馈制动、发电制动）
所谓制动就是在电动机上加上与原转动方向相反的转矩，使电动机迅速停转或限制电动机的转速。直流电动机的制动可分为机械制动和电气制动，其中电气制动又可分为能耗制动、反接制动和再生制动等。
当电动机车下坡或者吊车重物下降时，可能会使电动机的转速超过空载转速.此时电机处于发电机状态运行，电动机把机械能转换为电能，反送到电网中去，并产生制动转矩，从而限制了电动机转动的速度，这就是再生制动。
任务四 直流电动机的运行
四、直流电动机的制动
2.能耗制动
能耗制动
当电动机的电枢绕组脱离电源后立即接到一个制动电阻上，让主磁极绕组仍然接在电源上，产生恒定的主极磁通，此时电动机惯性旋转，电枢绕组切割主磁通产生感应电动势，该电动势在电阻上产生电流，使转子惯性旋转的机械能转变为电能，消耗在制动电阻上，这时，电枢电流与电动机状态时的电流方向相反，产生的电磁转矩为制动转矩，从而使电动机迅速停转，这就是能耗制动。
任务四 直流电动机的运行
四、直流电动机的制动
3.反接制动
（1）电枢反接制动
电枢反接制动
电枢反接制动的优点是制动转矩比较恒定，制动较强烈，操作比较方便。缺点是需要从电网吸取大量的电能，而且对机械负载有较强的冲击作用。一般应用在快速制动的小功率直流电动机上。
任务四 直流电动机的运行
四、直流电动机的制动
3.反接制动
（2）倒拉反接制动
倒拉反接制动
电动机进入倒拉反接制动状态，必须由位能性负载反拖动电动机，同时电枢回路中串入较大电阻。此时位能负载转矩成为拖动转矩，电动机电磁转矩称为制动转矩，正是这一制动转矩抑制了重物下放的速度，获得稳定速度下放，达到安全下放。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
1.直流电动机的启动准备
（1）用小于2.02×105Pa的压缩空气吹净附着于电机内外各部的灰尘、泥垢及去除不属于电机的任何物件，对于新电机应去掉在风窗处包装纸。
（2）检查轴承润滑脂是否洁净、适量，润滑脂占轴承室体积的三分之二为宜。
（3）用柔软、干燥而无绒毛的布块擦试换向器表面，并检视其是否光洁，如有油污，则可蘸少许汽油拭净。
（4）检查电刷压力是否正常均匀（1.47×104-2.45×104Pa±10%），刷握的固定是否可靠，电刷在刷握内是否太紧或太松，电刷与换向器的接触是否良好（接触面积应不小于75%）。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
1.直流电动机的启动准备
（5）检查在刷杆座上是否标有电刷位置的记号。
（6）用手转动电枢，检查是否阻塞或在转动时是否有撞击或磨擦之声。
（7）接地装置是否良好。
（8）用500V兆欧表测量绕组对机壳的绝缘电阻，如小于1MΩ，则必须进行干燥处理。
（9）电机出线与磁场变阻器，起动器等相互联接是否正确，接触是否良好。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
2.直流电动机的启动
（1）检查线路情况（包括电源、控制器、接线及测量仪表的连接等），起动器的弹簧是否灵活，接触是否良好，转动臂是否在开断位置。
（2）在恒压电源供电时，需用起动器起动。闭合线路开关，在电动机负载下，开动起动器，在每个触点上停留约2S直至最后一点，转动臂被低压释放器吸住为止。
（3）电动机在单独的可调电源供电时，先将励磁通电达到满励磁电流，并将电源电压降低至最小，然后闭合电枢回路接触器，逐渐升高电压，达额定值或达所需转速。
（4）若为外通风电机，必需先将鼓风机开动。若为空水冷却器电机，必须先起动空水冷却器。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
2.直流电动机的启动
（5）电机与生产机械的联轴器先不要连接，输入额定电枢电压≤10%的电压，确定电机与生产机械转速方向是否一致，一致时表示接线正确。
（6）电动机换向端带测速机时，电机启动后，应检查测速机输出极性，该极性与控制屏极性应一致。若为替代电机，电机启动后应重新确定测速机的输出极性，将相同极性连接控制屏。
（7）电机启动完毕应观察换向器上有无火花，火花等级是否超标，火花等级在标准范围内即可放心使用。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
3.电动机的调速
（1）恒功率弱磁向上调速，可调节串联磁场调速器，直至转速达到所需值，但不得超过技术条件所允许的最高转速。
（2）自通风他励电动机，转矩随转速降低而减少，需先削弱磁场使电机转速升高，1500r/min电机升高至1700r/min，1000r/min电机升高至1200r/min 再降低电枢电压使转速达到所需之值。外通风（或空水冷却器）他励电动机，不需削弱磁场后，再向下调速，为恒转矩。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
一、直流电动机的使用
4.电动机的停机
（1）如为变速电动机，先将转速降到最低值。
（2）去掉电动机负载（除串励电动机外）后切断线路开关，此时起动器的转动臂应立即被弹至开断位置或打开主回路接触器。
（3）切断磁场回路，励磁绕组不允许在停车后长期通额定电流。
（4）带空水冷却器或外鼓风电机，则关闭冷却器或停止吹风。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
1.电动机的清洁
电动机周围应保持清洁干燥，其内外部均不应放置其他物件。电动机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应以压缩空气吹净内部的灰尘，特别是换向器、线圈连接线和引出线部份。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
2.换向器的保养
（1）换向器应是呈正圆柱形光洁的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。
（2）换向器在负载下经长期无火花运转后，在表面产生一层暗褐色有光泽的坚硬薄膜，这是正常现象，它能保护换向器的磨损，这层薄膜必须加以保持，不能用砂布磨擦。
（3）若换向器表面出现粗糙、烧焦等现象时可用“0”号砂布在旋转着的换向器表面上进行细致研磨。若换向器表面出现过于粗糙不平、不圆或有部份凹进现象时应将换向器进行车削，车削速度不大于1.5m/s，车削深度及每转进刀量均不大于0.1mm，车削时换向器不应有轴向位移。
（4）换向器表面磨损很多时，或经车削后，发现云母片有凸出现象，应用铣刀将云母片铣成1-1.5mm的凹槽。
（5）换向器车削或云母片下刻时，须防止铜屑、灰尘侵入电枢内部。因而要将电枢线圈端部及接头片盖复。加工完毕后用压缩空气作清洁处理。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
3.电刷的使用
（1）电刷与换向器工作面应有良好的接触，电刷压力正常为0.15-0.25Kgf/cm2。电刷在刷握内应能滑动自如，其与刷盒之间间隙应适量（0.15mm左右）。电刷磨损或损坏时，应以牌号及尺寸与原来相同的电刷替换，并且用"0"号砂布进行研磨，砂面向电刷，背面紧贴于换向器，研磨时随换向器作来回移动。
（2）电刷研磨后用压缩空气作清洁处理，再使电动机作空载运转，然后以轻负载（为额定负载的1/4-1/3）运转1小时，使电刷在换向器上得到良好的接触面（每块电刷的接触面积不小于75%）。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
4.轴承的保养
（1）轴承在运转时温度太高，或夹有不均匀有害杂声时，说明轴承可能损坏或有外物侵入，应拆下轴承清洗检查，当发现钢珠、钢粒或滑圈有裂纹损坏或轴承经清洗后使用情况仍未改变时，必须更换新轴承。用拉杆在冷态时从转轴上取下不良的轴承，新轴承要用汽油洗净，放在油槽内预热到80-90℃，然后套入转轴。轴承安装后，在轴承盖油室内填入约等于2/3空间的润滑脂。轴承工作2000-2500小时后应更换新的润滑脂，但每年不得少于一次，同时应防止异物夹入润滑脂。
（2）轴承在运转时须防止灰尘及潮气侵入，并严禁对轴承内圈或外圈的任何冲击。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
5.绝缘电阻
（1）应当经常检查电动机的绝缘电阻，如果绝缘电阻小于1MΩ时，应仔细清除绝缘上的脏物和灰尘，并用汽油、甲苯或冷的四氯化碳清除，待其干燥后再涂绝缘漆。
（2）必要时可采用热空气干燥法，用通风机将热空气（80℃）送入电动机进行干燥，开始绝缘电阻降低，然后升高，最后趋于稳定。
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
二、直流电动机的维护
6.通风系统
应经常检查定子温升，判断通风系统是否正常，风量是否足够，（或冷却器是否正常运行），如果温升超过允许值，应立即停车检查通风系统。自通风，强迫通风，或管道通风电机时进风温度应≤40℃；带空水冷却器的进水温度应≤32℃；带鼓风机强迫通风的电机，如果鼓风机上带过滤空气尘埃的过滤网灰尘太多，应清洗过滤网或更换。过滤网灰尘太多会造成电机运行时温度增高。空水冷却器的顶部不允许放置另外物件或覆盖，并应保持清洁。
故障 原因 排除措施
电刷火花过大 电刷接触面小 研磨电刷
电刷磨损过度 更换新电刷
电刷压力太大或太小 调整弹簧压力
换向器云母突出 下刻云母片
换向器表面有油污 清除换向器表面
换向器偏心或换向片突出 加工换向器外圆
电动机过负载 限制过负载
机械振动大 清除振源
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
三、直流电动机的主要故障与排除措施
换向极、补偿绕组接反或短路 改变接法或清除短路
电枢绕组焊接不良或开焊 补焊
电枢绕组匝间短路或换向片片间短路 消除短路
转速不正常 负载力矩大 减少负载力矩
起动器接触不良，电阻不适当 更换适当起动器
电刷不在中性位置 调整电刷到中性位置
励磁线圈断路、短断，接线错误 消除断路、短路；纠正接线
线圈过热 超负载运行 减小负载
电枢绕组短路 消除短路、加强绝缘
励磁线圈短路 消除短路、加强绝缘
冷却空气不足 增大通风量
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
三、直流电动机的主要故障与排除措施
任务五 直流电动机的使用、维护及检修
三、直流电动机的主要故障与排除措施
轴承过热 轴承内润滑脂太多 减少润滑脂
滚珠或滚柱磨损 更换轴承
机械振动大 基础不坚固或电动机在基础上固定不牢固 加强基础坚实性，牢固固定电动机
机组轴线不同心 调整同心度
电枢不平衡 重新校好电枢平衡
过载或过速 减少负载力矩或降低转速

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