《電機運行維護與故障處理》課件第1章

任務一直流電機的認識

任務二直流電機的換向

任務三他勵直流電動機的應用

任務四直流電機的運行維護與故障處理

項目一直流電機

活動1直流發(fā)電機和直流電動機的基本工作原理

一、活動目標

(1)理解直流發(fā)電機的基本工作原理。

(2)理解并掌握直流電動機的基本工作原理。任務一直流電機的認識二、活動內(nèi)容

1.直流發(fā)電機的基本工作原理

直流發(fā)電機是利用電磁感應定律，將機械能轉換成電能的一種裝置。根據(jù)電磁感應定律可知，在磁感應強度為Bx的均勻磁場中，一根長度為l的導體以勻速v作垂直切割磁力線的運動時，就會在導體中產(chǎn)生感應電動勢e，e的大小為：

e

=

Bxlv(1-1)

圖1-1是一臺最簡單的直流發(fā)電機的工作原理模型。N和S為一對固定的磁極，兩磁極之間有一個可以轉動的圓柱體鐵芯(稱為電樞鐵芯)，在電樞鐵芯表面的槽內(nèi)安置了一個電樞線圈abcd，線圈的兩端分別焊接在兩個相互絕緣的半圓弧形銅片(稱為換向片)上，由換向片1和2就構成了最簡單的換向器，換向片分別與固定不動的電刷A和B保持滑動接觸，這樣，旋轉著的線圈就可以通過換向片、電刷與外電路接通，構成回路。圖1-1直流發(fā)電機工作原理模型圖

2.直流電動機的基本工作原理

直流電動機是利用電磁力定理，將電能轉換成機械能的一種裝置。若磁感應強度為Bx的磁場與長度為l的導體互相垂直，且該導體中通過的電流為i，則作用于載流導體即通電導體l上的電磁力f為：

(1-2)圖1-2是一臺最簡單的直流電動機的工作原理模型。通過觀察可知，直流電動機的工作原理模型實際上就是在直流發(fā)電機的工作原理模型中的A、B兩電刷之間施加一直流電源。在圖示位置中，電流從電源的正極流出，經(jīng)過電刷A及換向片1流入電動機線圈，電流方向是a→b→c→d，然后再經(jīng)過換向片2及電刷B流回到電源負極。根據(jù)電磁力定律，線圈邊ab和cd在磁場中受到磁場力的作用，其方向可用左手定則確定，如圖中所示。由眾多的電磁力形成的電磁轉矩施加在電動機軸上使電樞按逆時針方向旋轉。圖1-2直流電動機工件原理模型圖電樞轉過180°，電流流經(jīng)的路徑是通過電刷A、換向片2、線圈邊dc和ba，最后經(jīng)過換向片1及電刷B回到電源的負極。線圈中的電流方向為d→c→b→a。因此流經(jīng)線圈中的電流方向改變了，這樣導體所受的電磁力方向才能不變，從而保證電動機始終沿著一個固定的方向旋轉。

通過以上分析可知，一個線圈邊從一個磁極下轉到另一個相鄰的異性磁極下時，流過線圈的電流方向就改變一次，而電樞的轉動方向仍保持不變。改變線圈中的電流方向是由換向器和電刷來完成的。當線圈中通過電流時，處在磁場中的線圈因受到電磁力而轉動，眾多的電磁力形成電磁轉矩從而帶動整個電樞旋轉，通過轉軸便可帶動生產(chǎn)機械運轉。這就是直流電動機的基本工作原理。實際的直流電動機中，有許多線圈按一定的規(guī)律牢固地嵌在電樞鐵芯槽中。三、活動小結

直流電機的工作原理是建立在電磁感應定律和電磁力定律的基礎之上的。在不同的外部條件下，電機中能量轉換的方向是可逆的。如果從軸上輸入機械能，且當電樞繞組的感應電動勢大于電樞繞組的端電壓時，電機就運行于發(fā)電狀態(tài)，向外電路輸出電能；如果從電樞輸入電能，且當電樞繞組的感應電動勢小于電樞繞組的端電壓時，電機就運行于電動狀態(tài)，從軸上輸出機械能。四、活動回顧與拓展

(1)簡述直流發(fā)電機的基本工作原理。

(2)簡述直流電動機的基本工作原理。如何改變直流電動機的轉向？

(3)直流電機的換向器在直流發(fā)電機和直流電動機中各起什么作用？

(4)直流發(fā)電機和直流電動機中的電磁轉矩的作用是否相同？為什么？

(5)如何判斷直流電機是處于發(fā)電運行狀態(tài)還是處于電動運行狀態(tài)？

(6)查找相關資料或預習相關內(nèi)容，以熟悉直流電動機電磁轉矩的表達式?；顒?直流電機的基本結構

一、活動目標

(1)理解并掌握直流電機的基本結構和各主要部件的作用。

(2)理解銘牌數(shù)據(jù)的含義。二、活動內(nèi)容

1.直流電機的基本結構

直流電機由兩個主要部分組成：

(1)靜止部分，即定子；

(2)轉動部分，即轉子，通稱電樞。

在定子與轉子之間有一定的間隙，稱為氣隙。

圖1-3是一臺直流電機的半剖面結構圖，圖1-4是直流電機主要部件結構圖，圖1-5是直流電機的徑向剖面示意圖。下面分別介紹直流電機兩大組成部分和各主要部件的結構及其作用。圖1-3直流電機的半剖面結構圖(a)前端蓋(b)風扇(c)定子

(d)轉子(e)電刷裝置(f)后端蓋圖1-4直流電機主要部件結構圖圖1-5直流電機的徑向剖面示意圖

1)定子部分

(1)主磁極。主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極又由主磁極鐵芯和勵磁繞組兩部分組成。主磁極所產(chǎn)生的氣隙磁場分布如圖1-6所示。主磁極鐵芯一般用1mm～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，主磁極鐵芯的柱體部分稱為極身，靠近氣隙一端較寬的部分稱為極靴，極靴與極身交界處形成一個突出的肩部，用以支撐勵磁繞組；極靴沿表面處做成弧形，使極下氣隙磁通密度分布更合理。整個主磁極用螺桿固定在機座上。勵磁繞組通常用絕緣銅線或絕緣鋁線制成一個集中的線圈，套在磁極鐵芯外面。繞組與鐵芯之間墊有絕緣材料。圖1-6直流電機空載時的氣隙磁場分布圖

(2)換向極。換向極又叫附加極，是由換向極鐵芯和繞組組成的，換向極鐵芯通常用整塊鋼板疊制而成，大容量電機采用薄鋼片疊壓而成。換向極繞組的匝數(shù)較少，并與電樞繞組串聯(lián)，當換向極繞組通過直流電流后，所產(chǎn)生的磁場對電樞磁場產(chǎn)生影響，目的是改善換向，使電刷與換向器之間火花減少(詳見本項目的任務三)。故換向極通過的電流較大，一般采用較粗矩形截面的絕緣導線繞制而成，通常用螺桿將換向極安裝在相鄰兩個主磁極的中心線處，其極數(shù)一般與主磁極數(shù)相等。但當電機功率很小時，換向極可以減少為主磁極極數(shù)的一半，也可以不安裝換向極。

(3)電刷裝置。電刷裝置主要由電刷、壓緊彈簧、刷握、銅絲辮等零部件組成，如圖1-7所示。電刷的作用是把旋轉的電樞與固定不動的外電路相連，把直流電流引入或引出。電刷是用導電耐磨的石墨材料等做成的導電塊，放置在刷握內(nèi)，用壓緊彈簧以一定的壓力壓在換向器表面上，刷握固定在刷桿上，刷桿固定在圓環(huán)形的刷桿座上。借助于銅絲辮將電流從電刷引入或引出。在換向器表面上，各電刷之間的距離應該是相等的。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，整個電刷裝置可以移動，用以調(diào)整電刷在換向器上的位置。容量大的電機，同一刷桿上可并接一組刷握和電刷。一般刷桿數(shù)與主磁極數(shù)相等。由于電刷有正、負極之分，因此刷桿必須與刷桿座絕緣。圖1-7電刷裝置(4)機座。機座一般用鑄鐵、鑄鋼或鋼板焊接而成。機座中傳導磁通的部分稱為磁軛。機座的主要作用有三個：一是作為磁軛傳導磁通，是電機磁路的一部分；二是用來把主磁極、換向極和端蓋等零部件固定起來；三是借助機座的底腳把電機固定在基礎上。所以機座必須具有足夠的機械強度和良好的導磁性能。對于某些在運行中有較高要求的微型直流電機，通常將主磁極、換向極和磁軛用硅鋼片一次沖制疊壓而成，此時，機座只起固定零部件的作用。

2)轉子部分

(1)電樞鐵芯。電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，其作用是安放電樞繞組，并在電樞繞組通入電流后產(chǎn)生電樞磁場。由于電機運行時，電樞與氣隙磁場間有相對運動，鐵芯中就會產(chǎn)生感應電動勢而出現(xiàn)渦流和磁滯損耗。為了減少損耗，電樞鐵芯通常用厚度為0.5mm，表面涂絕緣的圓形硅鋼沖片疊壓而成。沖片圓周外緣均勻地沖有許多齒和槽，槽內(nèi)可安放電樞繞組，有的沖片上還沖有許多圓孔，以形成改善散熱的軸向通風孔。電機容量較大時，電樞鐵芯的圓柱體還分隔成幾段，每段間隔約10mm，以形成徑向的通風道。整個鐵芯固定在電機的軸上，與軸一起旋轉。

(2)電樞繞組。電樞繞組是直流電機電路的主要部分，它的作用是產(chǎn)生感應電動勢，形成電流，進而產(chǎn)生電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換。電樞繞組由許多線圈(又稱繞組元件)按一定的規(guī)律連接而成。線圈通常用高強度聚酯漆包圓銅線或扁銅線繞制而成，且當它的一條有效邊(線圈嵌入鐵芯槽中的直導線部分)嵌入某個槽的上層時，另一條有效邊則嵌入另一槽的下層，如圖1-8所示。每個線圈的兩個有效邊的引出端都分別有規(guī)律地焊接到換向器的換向片上。圖1-8線圈在槽內(nèi)安放示意圖電樞繞組線圈間的連接方法有疊繞組、波繞組等。不同連接規(guī)律的電樞繞組有不同的并聯(lián)支路數(shù)a，其中：

①單疊繞組是將所有主磁極下的電樞繞組線圈串聯(lián)起來組成一條支路，電機共有2p個主磁極，就有2p條支路，即p對支路，用公式表示為：a?=?p。

②單波繞組是將所有相同主磁極性下的電樞繞組線圈串聯(lián)起來組成一條支路，電機共有N、S兩種極性，故共有兩條支路，即一對支路，用公式表示為：a?=?1。單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少。單疊繞組可以通過增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)，一般適用于低電壓、較大電流的直流電機；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)與電機的磁極極對數(shù)無關，但每條并聯(lián)支路串聯(lián)的線圈數(shù)較多，故一般適用于較高電壓的小電流直流電機。

在實際的直流電機中，線圈與電樞鐵芯槽之間及上、下層有效邊之間均應絕緣，槽口處沿軸向打入絕緣材料制成的槽楔將線圈壓緊以防止它在旋轉時飛出。

(3)換向器。換向器的作用是與電刷一起將直流發(fā)電機電樞繞組中的交變電動勢轉換成輸出的直流電壓，或者是將直流電動機輸入的直流電流轉換成電樞繞組內(nèi)的交變電流。換向器是由許多彼此相互絕緣的、厚為0.4mm～1.2mm的云母片組成的。

(4)轉軸、支架和風扇。轉軸主要是對電樞起支撐作用，同時也是傳遞電磁轉矩和輸出能量的部件，因此要求具有足夠的強度和剛度。支架主要是對大、中容量電機的轉軸起支撐作用，以減輕重量和利于通風。風扇在電機中的主要作用是冷卻、通風，以防止電機溫升過高。

3)氣隙

氣隙是電機磁路的重要部分。它的路徑雖然很短，但由于氣隙磁阻遠大于鐵芯磁阻，對電機性能影響很大，因此在拆裝直流電機時，應予以重視。(一般小型直流電機的氣隙為0.7mm～5mm，大型直流電機的氣隙為5mm～10mm。)

2.直流電機的銘牌

銘牌的作用是向電機使用者簡要說明該電機的一些額定數(shù)據(jù)和使用方法，因此看懂銘牌，按照銘牌的規(guī)定去使用電機，是正確使用電機的先決條件。

根據(jù)電機的設計和試驗數(shù)據(jù)而規(guī)定電機在各種運行狀態(tài)下所對應的各種數(shù)據(jù)稱為電機的額定值。直流電機運行時，如果各量均為額定值，就稱電機工作在額定運行狀態(tài)，又稱為滿載運行狀態(tài)。在額定運行狀態(tài)下，電機利用充分、運行可靠并具有良好的性能。如果電機運行的電流小于額定電流，則稱為欠載運行；如果電機的運行電流大于額定電流，則稱為過載運行。當嚴重欠載運行時，電機利用不充分，效率低，不經(jīng)濟；過載運行時，則使電機溫升過高而縮短電機的使用壽命，甚至可能損壞電機。所以根據(jù)負載條件合理選用電機，使其接近額定值才既經(jīng)濟合理，又可以保證電機可靠地運行，并且具有優(yōu)良的性能。表1-1是一臺直流電動機的銘牌。表1-1直流電動機的銘牌

1)電機型號

型號表明該電機所屬的系列及主要特點。要求使用者能夠熟練掌握型號的含義，以便從相關的手冊及資料中查出該電機的其它相關技術數(shù)據(jù)。直流電機的型號由漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字組成。例如，Z2—72的型號含義如下：

2)額定值

直流電機的主要額定值如下：

(1)額定功率PN：指在規(guī)定的工作條件下，長期運行時允許輸出的功率，單位為kW。對于發(fā)電機來說，它是指正負電刷之間輸出的電功率；對于電動機來說，則是指軸上輸出的機械功率。

(2)額定電壓UN：指由電機電樞繞組采用的絕緣材料等級決定的、能夠安全工作的最大電壓值。對于發(fā)電機來說，它是指輸出電壓；對于電動機來說，則是指加在電動機兩端的直流電源電壓。

(3)額定電流IN：指直流電機正常工作時輸出或輸入的最大電流值。

對于發(fā)電機，有

對于電動機，有

其中，ηN表示額定效率。

(4)額定轉速：指電機在上述各項均為額定值時的運行轉速，單位為r/min。

(5)額定溫升：指電機允許的溫升限度。溫升高低與電機定子繞組使用的絕緣材料(即涂有絕緣漆的銅導線或鋁導線)的絕緣等級有關，電機的允許溫升與絕緣等級的關系如表1-2所示。表1-2電機允許溫升與絕緣等級的關系

(6)額定勵磁電流If：指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。

上述額定值一般標在電機的銘牌上，故又稱為銘牌數(shù)據(jù)。另有一些額定值，如額定轉矩TN、額定效率和額定溫升等不一定標在銘牌上，使用者可查產(chǎn)品說明書或由銘牌上的額定數(shù)據(jù)計算得到。

3)直流電機出線端子的標志

直流電機每個繞組的出線端子都有明確的標志，用字母標注在接線柱旁或引出導線的金屬牌上。直流電機出線端子標志如表1-3所示。表1-3直流電機出線端子標志

3.直流電機的主要系列

電機系列化的目的是為了產(chǎn)品的標準化和通用化。所謂系列電機，就是在應用范圍、結構形式、性能水平、生產(chǎn)工藝等方面有共同性，功率按某一系數(shù)遞增而成批生產(chǎn)的電機。我國常用直流電機的主要系列有：

(1)?Z和ZF系列：一般用途的中小型直流電機，其中“Z”為直流電動機系列，“ZF”為直流發(fā)電機系列。

(2)?Z2系列：一般用途的中小型直流電機。

(3)?ZZJ系列：冶金起重直流電動機，它具有快速啟動和承受較大過載能力的特性。

(4)?S、SY系列：直流伺服電動機。三、活動小結

直流電機的結構分為定子和轉子兩部分。定子主要用于建立磁場，轉子主要通過電樞繞組實現(xiàn)機電能量轉換。

直流電機的銘牌數(shù)據(jù)包括額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速、額定溫升及額定勵磁電流等，必須充分理解每個額定值的含義，因為它們是正確選擇和使用直流電機的依據(jù)。四、活動回顧與拓展

(1)直流電機有哪些主要部件？各起什么作用？

(2)直流電機銘牌上標注額定值的含義是什么？

(3)電機系列化的目的是什么？查找相關資料，了解直流電機還有哪些系列及其主要使用場所。活動3直流電機主要部件的故障檢查與處理

一、活動目標

(1)熟悉電樞繞組的故障檢查與處理方法。

(2)熟悉定子繞組的故障檢查與處理方法。

(3)熟悉換向器的故障檢查與處理方法。

(4)熟悉電刷裝置的故障檢查與處理方法。二、活動內(nèi)容

1．電樞繞組的故障檢查與處理

1)電樞繞組開路

(1)當電樞繞組開路時，開路繞組或元件會形成較大的點狀火花，換向片上將留下灼黑點。檢查時，可以根據(jù)灼黑點的位置初步判斷開路的元件，同時將該開路元件從換向片上拆下，進一步用萬用表電阻擋確定是否開路。查出開路元件后，再進一步確定開路的原因。具體的處理方法是：對于接線松脫或脫焊的開路元件，需重新焊牢；對于線圈內(nèi)部斷線的元件，需對線圈進行重繞。而對于需要立即恢復運行的電機來說，只需把開路元件所對應的換向片用導線焊上短接即可，但此時應注意把拆開的元件的兩端頭妥善包扎。

(2)新繞的電樞繞組一般完全開路的可能性較小，通常都是由線圈元件與換向片虛焊的故障造成的。檢查時，可采用如圖1-9所示的測相鄰換向片間電壓來確定開路元件的方法，對于某兩換向片間電壓降讀數(shù)升高超過10%(一般都大很多)，則可認為是電樞繞組在換向片上的焊接質量不好，而且讀數(shù)越大，說明開路現(xiàn)象越嚴重。具體的處理方法是重新焊接即可。圖1-9測相鄰換向片間電壓確定開路元件

2)電樞繞組短路

當某元件發(fā)生短路時，實際匝數(shù)就減少或為零，此時該元件兩端所接換向片之間的電壓也就減小或為零。檢查時，首先測量相鄰兩換向片之間的電壓，以找出短路元件，然后再確定短路是由于元件內(nèi)部匝間短路、不同元件間短路、元件錯接或錯焊短路還是換向片間短路等造成的。具體的處理方法是：更換電樞繞組、恢復絕緣等，應急措施是把相應的換向片短接。對于電樞繞組短路的檢查，通常使用直流壓降法來查找電樞繞組的短路線圈，該方法適用于檢查直流電機和交直流串勵電機的電樞繞組。檢查時在換向器相對位置接入直流電源。如圖1-10所示，用電壓表依次測量相鄰兩換向片間的電壓，正常時電壓表應有讀數(shù)(如讀數(shù)過小，可將限流電阻R值調(diào)小或增加電源電壓)；若讀數(shù)降低很多或為零，則說明這兩個換向片所接的線圈或換向片間短路。圖1-10直流壓降法查找電樞短路

3)電樞繞組接地

當電樞繞組某一點接地時，對電動機正常運行和換向影響不是很大，但可引起接地保護動作或報警。而當兩點接地時，將會導致繞組短路而燒毀，嚴重時將會燒壞電樞鐵芯，產(chǎn)生更大的危害。直流電樞繞組的接地多發(fā)生在槽口，也有發(fā)生在繞組端部而對支架和換向器內(nèi)部接地等。電樞繞組接地故障常用下列方法進行檢查。

(1)試燈或搖表檢查。用試燈(或搖表)的一個測棒接觸鐵芯，另一個測棒接觸換向器，如果試燈亮(或絕緣電阻為零)，則表明電樞有接地現(xiàn)象。此法只能確定有無接地故障，無法找出接地點。

(2)檢測電位查找接地點。將電池串聯(lián)的可調(diào)電阻接到相距較遠的換向片上，如圖1-11所示。用毫伏表一極接鐵芯，另一極在換向片上依次檢測，并向讀數(shù)減小的方向移動，當表中讀數(shù)下降到零時，則此換向片所接的線圈中有接地點。圖1-11檢測電位查找接地點示意圖

(3)分段接近查找接地點。在繞組約對半位置的換向片先分別拆開一片所接的線頭，如圖1-12所示。用搖表或試燈找出接地所在的一半繞組，從找出接地的一半繞組中再做第二次對半拆開，分別檢測后仍將余下的接地部分做第三次對半拆開檢測，這樣可逐漸接近故障點，最后便可確定接地的線圈。圖1-12分段接近法查找接地點示意圖

(4)兆歐表法。用兆歐表檢查繞組的接地情況，必要時可用萬用表測量它與機殼或轉軸的電阻值來進一步判定，并要區(qū)分是電樞繞組與換向器接地，還是換向極繞組、補償繞組或串勵繞組接地。電樞繞組接地故障發(fā)生在槽口、槽底及繞組引出線與換向片連接處，為具體判定接地部位，確定故障可疑點，用兆歐表(當絕緣電阻很低時可用萬用表)測量對地電阻有無變化，如有變化，即為接地故障點。先用500V兆歐表檢查繞組對機殼的絕緣電阻。當絕緣電阻為零時，可判定為接地，并拆除轉子進一步檢查。

(5)試燈法。用220V交流電源串入試燈，一端接轉軸，另一端在各換向片上移動。試燈最亮時，對應的換向片和繞組就存在接地。用此法檢查，還會在接地點出現(xiàn)火花、煙霧或聞到焦味，由此可發(fā)現(xiàn)接地點，如圖1-13所示。圖1-13試燈檢查電樞繞組接地

(6)冒煙法。將調(diào)壓器的一端用裸銅線在換向器上繞幾圈，另一端接到電樞轉軸上，通電以后，如果電壓逐漸上升，其電流通過接觸不良的故障點時，將形成弧光，將故障點絕緣材料燒損冒煙，從而找出故障點。

4)電樞繞組線圈與換向片接錯

(1)指南針法。在線圈左右兩端交叉接反，將直流電引入到徑向相對的兩換向片上，把指南針依次放到每個電樞鐵芯的槽上，當指南針與正常情況下相差180°時，即表示槽中線圈兩端接反，將兩端倒換，即可恢復正常。

(2)感應法。將全部電刷提起，在主磁極中通入直流電，在幾何中性線位置附近的相鄰兩換向片上接一個毫伏表，記錄通電瞬間所產(chǎn)生的感應電動勢方向，逐個檢查轉到中性線位置附近的各相鄰換向片。如果發(fā)現(xiàn)電動勢方向相反，即說明線圈兩端相反，此時調(diào)換兩端頭即可排除故障。

5)換向器式電樞繞組接錯

換向器式電樞繞組接錯的故障一般僅發(fā)生在散嵌軟繞組的直流電機和交直流兩用串勵電樞繞組中。通常使用檢測換向片間電阻，查找單疊繞組接錯的確切位置的方法。具體方法如下：用歐姆表(或萬用表歐姆擋)測相鄰換向片間的電阻值，設相鄰兩換向片間的正常電阻值為Rz，如果某相鄰兩換向片間的電阻值R1-2=2Rz，說明有接錯情況，再測R1-3=Rz，則接錯的情況如圖1-14(a)所示，即元件連接在2、3號片的引線接入換向器的位置接反了。一個元件(如2號片)短接另一個元件(如3號片)跳接的情況如圖1-14(b)所示。圖1-14換向器式電樞繞組接錯情況

2.定子繞組的故障檢查與處理

1)定子繞組匝間短路

當勵磁繞組匝間短路時，就會出現(xiàn)電動機空載轉速上升、勵磁繞組局部發(fā)熱、部分刷架下的換向火花加大等現(xiàn)象。當電動機繞組為多級疊繞組時，火花會非常嚴重。若換向極繞組與補償繞組的連線相碰可能引起極間短路，將會出現(xiàn)強烈的火花，嚴重時會產(chǎn)生環(huán)火。對于勵磁繞組的匝間短路，通常用交流壓降法檢查，具體的檢查方法是：將交流電通過調(diào)壓器加到勵磁繞組的兩端，分別測量各主磁極勵磁繞組的壓降，若出現(xiàn)在某磁極下的交流壓降比其它磁極下的小很多，說明該勵磁繞組有短路故障。對于上述故障的具體處理方法是：若是框架式勵磁繞組，如表面斷線或短路，可去掉損壞的幾匝，用同樣規(guī)格的導線對接上，補繞足夠的匝數(shù)，焊好引線片，再用玻璃絲帶扎緊，重新浸漆；若是線圈內(nèi)部短路，應拆除全部線圈，用同樣規(guī)格的銅漆包線重新繞制，并進行浸漆處理。

2)定子繞組接地

同電樞繞組接地故障一樣，定子繞組一點接地可引起接地保護動作或報警，兩點接地就會燒壞線圈，具體檢查方法有以下幾種。

(1)兆歐表法。將各線圈接頭拆開，用兆歐表逐點測量定子繞組(包括主磁極繞組、換向極繞組或補償繞組)的絕緣電阻，尋找故障處。

(2)電壓表法。在勵磁繞組兩端通入直流電(并勵繞組與串勵繞組應與電樞回路斷開)，將毫伏表一端接地，另一端依次與勵磁繞組極間連線接觸，當某線圈因兩端測得電壓接近零時，說明該線圈接地，其接地點在偏向電壓接近零的一端。

(3)冒煙法或試燈法。如果找到故障線圈后無法確定故障點，同時又確定不是灰、油導致絕緣電阻下降，此時可用冒煙法進行檢查，或用交流220V試燈法等進行檢查。通常短路點會出現(xiàn)放電聲、電火花或煙霧，根據(jù)這些現(xiàn)象可確定接地點。

3.換向器的故障檢查與處理

1)換向片凸出或凹下

當直流電機運行一段時間后，由于換向器擰緊螺栓的松弛而使換向器變形，從而使換向器外圓和徑向偏擺超過標準規(guī)定值、換向器片間絕緣被強烈火花燒壞、電刷與換向器滑動接觸的磨損程度不均勻，最終導致?lián)Q向片高低不平、個別換向片凸出或凹下等。如果出現(xiàn)上述情況，都應及時處理。

(1)換向器表面處理。由于電刷的磨損，會使換向器表面產(chǎn)生許多碳粉，過多的碳粉積存在云母槽及電刷與刷握之間，有的還積存在升高片之間或進入電樞繞組端部，碳粉易造成片間短路和對地絕緣的降低，甚至還會發(fā)生環(huán)火。針對上述情況，具體的處理方法是：對換向器表面的污垢用棉紗蘸少量汽油擦除；對積存在云母槽中的碳粉，可用毛刷或舊牙刷順槽刷出；對靠近升高片的云母槽中的碳粉，則用剔刀或鋸片剔出。

(2)長期運行的換向器，表面會呈現(xiàn)出光滑磨損的溝通槽，較大火花下運行會造成換向器表面較深的燒痕。當溝通槽深度超過1mm，燒痕深度超過0.5mm時，要用車床對換向器進行車削修圓。對換向器表面進行處理時不要劃傷換向器表面呈暗褐色有光澤的氧化膜。

(3)換向器拆修。在換向器的外圓上包一層0.5mm～1mm厚的彈性紙作襯墊絕緣，再用直徑1.2mm～2mm的鋼絲分幾段繞一層扎緊。同時做好壓環(huán)與換向片間相對位置的標記，然后擰緊螺帽(如螺帽過緊擰不動，可加熱至50℃～70℃后再擰)，取出V形環(huán)。若V形環(huán)過緊，可用小榔頭墊層壓板均勻地輕敲V形環(huán)的端平面，松動后再拆下。接著把套筒和另一個V形環(huán)取出。進一步檢查換向片間、V形槽表面及云母環(huán)的故障所在處，根據(jù)不同故障分別進行處理。

2)換向器接地

換向器接地常見于V形云母環(huán)尖端在壓緊時受損，或者V形槽內(nèi)金屬屑未清除干凈等原因而被擊穿接地。具體的處理方法是：將擊穿損壞部分(斑點)、污物等清理干凈，沿邊切去這塊擊穿損壞的地方，然后用蟲膠漆貼上幾層云母片，在貼過的地方用無焊錫的熱烙鐵頭燙平，再切去多余干漆。

3)換向片間短路

換向片間短路是由于某些金屬屑沒有清除干凈，或者受到腐蝕性物質和碳粉的侵入，使云母片碳化而造成的，對此只要仔細清除金屬屑即可消除短路故障。若油類在換向器表面黏附銅粉或碳粉而形成短路，則表明云母片的絕緣性能被破壞，為此檢查后應將銅粉或碳粉刮掉，并在換向片間的縫隙中用酒精洗凈，然后涂上蟲膠漆。

如果以上方法還不能消除片間短路，就要拆開換向器進行相關處理，具體的處理方法是：

(1)做標記：把換向器放在平板上，在有故障的換向片上做好記號，再用橡皮筋把它扎緊。

(2)拆換云母片：拆除鋼絲，將磨成鋒口的闊鋸條的端頭插入故障片間，松動后抽出故障云母片，隨即插入與該云母片同樣厚度的墊板，并按原樣加工新的云母片。

(3)清垢：對于片間短路的換向片應檢查是否有毛刷或污物等，將它們清除掉，并用蘸有汽油的抹布把換向片擦干凈。

(4)更換：將換向片和云母片配在一起插入標記的原位。

(5)烘干并扎緊：換好云母片后，再用內(nèi)墊紙板的鐵環(huán)將換向器扎緊，拆去橡皮筋，把換向器送進烘房加熱到150℃，擰緊螺絲冷卻后檢查片間若不再短路，裝入套筒和壓環(huán)，再加熱到150℃，擰緊換向器上的壓緊螺母，最后把鐵環(huán)拆掉。

4.電刷裝置的故障檢查與處理

1)刷握、刷盒、彈簧及銅絲辮故障

刷握的故障往往是由刷盒磨損或彈簧損壞引起的，刷盒磨損往往是由換向器的振動引起的，而彈簧損壞是由銅絲辮脫落或松動，使彈簧流過不應當流過的電流造成的，并會導致刷盒內(nèi)表面被腐蝕。

在更換刷握時，若配不到新刷握，可按原尺寸自制。鉚接式的刷盒可以用青銅或黃銅板用鉚接的方法制作，壓鑄式的刷盒用同樣厚度的黃銅板用焊接的方法制作。制作出的半成品要用銼刀加工出符合電刷尺寸的矩形孔。電刷寬度方向上誤差不得超過0.15mm，而在長度方向上誤差不得超過0.25mm。

2)修理電刷時的注意事項

(1)處理前應根據(jù)換向器表面的擦痕，判斷電刷運行狀況。觀察換向器表面槽痕的深淺程度，決定是維修還是更換電刷。維修的步驟是，先找出產(chǎn)生槽痕的電刷，然后清除該電刷表面的硬砂粒，若換向器表面有若干細而深的槽痕，應先找出產(chǎn)生槽痕的電刷，清除該電刷表面的硬砂?；蚋鼡Q電刷。

(2)當電刷需要更換時，若無標準電刷，可按舊電刷的尺寸，用石墨塊制作新的電刷。具體做法是：先鋸成一個尺寸比舊電刷稍大的半成品(必須將石墨塊的寬度加工成電刷寬度)，然后在半成品上打通兩個直徑和銅絲辮相等的小孔，再把銅絲辮插入半成品電刷孔內(nèi)加熱，加熱到熔化焊錫的溫度時，將焊錫和松香由側面孔中灌入，直到銅絲辮端冒出焊錫為止，待冷卻后將半成品用銼刀和細砂紙打磨到舊電刷的尺寸，最后再進行研磨。

3)電刷的研磨方法

將電刷從刷握中取出，在光線明亮處觀察與換向器的接觸面；若接觸面被換向器磨光的面積小于70%，就必須對電刷進行研磨。研磨的方法如圖1-15所示。對單個電刷研磨時，把00號砂紙背靠換向器，砂面朝電刷，按圖1-15(a)所示的方向來回抽動砂紙，使電刷接觸面達80%以上。如果像圖1-15(b)所示的那樣抽動砂紙，則會磨去電刷棱邊，使接觸面減??；若所有電刷都要研磨(如換向器精車后)，可按圖1-15(c)所示的方法，首先取長度接近于換向器周長的砂紙條，然后用膠布把砂紙條的一端貼牢在換向器表面，砂紙的其余部分繞在換向器的表面，最后慢慢搬動電機轉軸，使電刷與換向器逐漸磨合，以電刷能在刷握中自由、上下活動，不卡不澀為宜。電刷與刷握的間隙應符合表1-4中所列的值。圖1-15電刷研磨方法表1-4電刷在刷握中的間隙三、活動回顧與拓展

1．換向片間短路的原因是什么?如何消除換向片間短路?

2．換向器的日常維護主要包括哪幾個方面？

3．研磨電刷的方法是什么?

4．如果電刷選擇、處理、調(diào)整不當會產(chǎn)生什么后果?

5．指南針法是如何判斷電樞繞組與換向片接錯的？活動直流電機的換向過程、影響換向的原因及改善換向的方法

一、活動目標

(1)了解直流電機的換向過程。

(2)熟悉影響換向的原因。

(3)掌握改善直流電機換向的方法。任務二直流電機的換向二、活動內(nèi)容

1.直流電機的換向過程

圖1-16表示直流電機一個單疊繞組元件的換向過程。圖中電刷是固定不動的，電樞繞組和換向器以速度va從右向左移動，且設電刷寬度等于一個換向片的寬度。圖1-16換向過程

2.影響換向的原因

1)電磁原因

在實際換向過程中，換向元件中存在著以下感應電動勢而會影響電流的換向。這也是影響換向的主要原因。

(1)電感電動勢ex。從圖1-16中可知，換向時換向元件中換向電流i的大小、方向發(fā)生急劇變化，因而會產(chǎn)生自感電動勢。同時進行換向的元件較多，除了元件各自產(chǎn)生自感電動勢外，各換向元件之間還會產(chǎn)生互感電動勢。自感電動勢和互感電動勢的總和稱為電感電動勢ex。根據(jù)楞次定律，電感電動勢ex具有阻礙換向元件中電流變化的趨勢，故電感電動勢的方向與元件換向前的電流方向一致，如圖1-16所示。

(2)電樞反應電動勢ea。在直流電機負載運行時，氣隙磁場是由主磁極磁場和電樞磁場共同建立的一個合成磁場。電樞磁場的產(chǎn)生必然對主磁極磁場產(chǎn)生影響，通常把電樞磁場對主磁極磁場的影響稱做電樞反應。直流電機負載運行時，電樞反應使主磁極磁場發(fā)生畸變，具體變化過程如圖1-17所示。從圖1-17中可以看出，由于電樞磁場對主磁極磁場的影響，使合成磁場的幾何中線性處磁場不為零。此時處在幾何中性線上的換向元件，就要切割處在幾何中性線處的電樞磁場的磁力線而產(chǎn)生一種旋轉電動勢，把該旋轉電動勢稱為電樞反應電動勢ea。在圖1-16中，用右手定則，可判斷出直流電機的電樞反應電動勢ea的方向也與元件換向前的電流方向一致。圖1-17直流電動機氣隙磁場分布示意圖

2)機械原因

產(chǎn)生換向火花的機械原因有很多，主要原因是換向器偏離軸心、換向片間的云母絕緣凸出、轉子不平衡、電刷在刷握中松動、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的接觸面研磨不符合要求等。

3)化學原因

電機運行時，由于空氣中水蒸氣、氧氣以及電流通過時產(chǎn)生的熱和電化學的綜合影響，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較大的電阻值，能有效地限制換向元件中的附加換向電流ik，有利于換向。同時薄膜吸附的潮氣和石墨粉能起潤滑作用，使電刷與換向器之間保持良好接觸。電機運行時，由于電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經(jīng)常遭到損壞，而在正常使用環(huán)境中，新的氧化亞銅薄膜又能不斷生成，不會影響換向。如果周圍空氣干燥，氧氣稀薄或者電刷壓力過大時，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周圍環(huán)境中存在化學腐蝕性氣體破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。

3.改善換向的方法

(1)選用合適的電刷，增加電刷與換向器之間的接觸電阻。電刷的質量對換向有很大的影響，對某些換向不良的電機來說，只需要選用合適的電刷就能使換向得到改善。從限制換向電流以改善換向角度來看，應選用接觸電阻大的電刷。當接觸電阻大時，有利于換向，但接觸壓降將增大，電機發(fā)熱嚴重，電能損耗也增大，為此，在設計制造電機時，應綜合考慮兩方面的因素，選擇合適的電刷牌號。一般情況下，對于換向比較困難的電機，通常選用接觸電阻大的碳-石墨電刷；對于低壓大電流電機，則選用接觸壓降較小的青銅-石墨電刷或紫銅-石墨電刷。

(2)裝設換向極。改善直流電機換向的最佳方法是在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線處加裝換向極。裝設換向極的作用是要產(chǎn)生一個與電樞磁通勢方向相反的換向極磁通勢，它除了抵消處在幾何中性線處的電樞磁通勢外，同時會產(chǎn)生一個換向極磁場，在幾何中性線上的換向線圈切割該磁場，產(chǎn)生的旋轉電動勢——換向極電動勢ek與電感電動勢ex大小相等，方向相反，使ek+ex?≈?0，則附加換向電流ik近似為0，達到改善換向的目的。一般對于容量在1kW以上的直流電機均在主磁極之間的幾何中性線處加裝換向極，如圖1-18所示。圖1-18換向線圈中電動勢方向及換向極位置和極性

(3)裝設補償繞組。由于電樞反應還會使氣隙磁場發(fā)生畸變，因此就增大了某些換向片之間的電壓。在負載變化劇烈的大型直流電機內(nèi)，有可能出現(xiàn)環(huán)火現(xiàn)象，即正、負電刷之間出現(xiàn)電弧。若電機出現(xiàn)環(huán)火，在很短的時間內(nèi)將損壞換向器，甚至燒壞電樞繞組。防止環(huán)火最常用的辦法是加裝補償繞組。補償繞組嵌放在主磁極極靴上專門沖制出的槽內(nèi)，與電樞繞組串聯(lián)，可有效地改善氣隙磁密分布，從而避免出現(xiàn)環(huán)火，同時裝有補償繞組后，換向極所產(chǎn)生的磁通勢將大大減小。但裝設補償繞組會使直流電機的用銅量增加，結構復雜，因此這種方法一般應用于換向比較困難且負載經(jīng)常變化的大中型直流電機中。三、活動小結

換向是指繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷與換向器而進入另一條支路時，元件中電流方向改變的過程。按換向電磁理論分析，直流換向不會產(chǎn)生火花，延遲換向有可能出現(xiàn)火花，造成換向不良。為此，直流電動機一般都裝設換向極，讓換向極產(chǎn)生一個與電樞磁通勢方向相反的換向極磁通勢，以抵消電樞反應電動勢和換向元件的電感電動勢。四、活動回顧與拓展

(1)什么叫做換向？換向不良會產(chǎn)生什么后果？

(2)影響換向的原因有哪些？改善換向的方法有哪些？

(3)觀察運行中的直流電機后刷邊的換向火花的情況?；顒?他勵直流電動機的啟動和正反轉

一、活動目標

(1)熟悉他勵直流電動機啟動的概念。

(2)掌握他勵直流電動機的啟動方法。

(3)熟悉他勵直流電動機的正反轉原理及應用。任務三他勵直流電動機的應用二、活動內(nèi)容

他勵直流電動機是指勵磁繞組的電流由其它電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系的一種直流電動機。

1.他勵直流電動機的啟動概念及啟動要求

他勵直流電動機啟動時，首先要給勵磁繞組中通入額定勵磁電流，以便在氣隙中建立額定勵磁磁通，然后再給電樞繞組所在回路通入直流電流。當電動機接通電源后，轉子從靜止狀態(tài)開始轉動，轉速逐漸上升，直到穩(wěn)定運行狀態(tài)，把這一過程稱為直流電動機的啟動過程，簡稱啟動。電動機在啟動過程中，電樞電流Ia、電磁轉矩T和轉速n三個參量都隨時間的變化而變化，是一個過渡過程。開始啟動瞬間，慣性轉速等于0(把此時對應的電樞電流稱為啟動電流，用Ist表示，對應的電磁轉矩稱為啟動轉矩，用Tst表示)。

實踐經(jīng)驗證明，電動機能夠在短時間內(nèi)順利啟動，是保證電力拖動系統(tǒng)能夠安全、可靠、穩(wěn)定運行的前提條件?；诖?，生產(chǎn)機械對電動機的啟動有如下要求：

(1)啟動轉矩要足夠大(要求T?>?TL)，以便電動機能夠在重載情況下順利啟動，且啟動過程所用時間盡量短。

(2)啟動電流不能太大，應限制在允許的范圍之內(nèi)。

(3)啟動設備簡單，操作方便、可靠經(jīng)濟。圖1-19他勵直流電動機的全壓啟動

2．他勵直流電動機的啟動方法

1)全壓啟動

全壓啟動亦稱直接啟動，是把電源的額定電壓直接加在他勵直流電動機電樞繞組兩端，如圖1-19所示。啟動時的操作過程是，先合上勵磁電源的刀開關QS1，以建立磁場，然后合上電樞電源的刀開關QS2，施加全壓啟動。

啟動瞬間，電動機由于機械慣性，轉速n?=?0，電樞繞組電動勢，由電動勢平衡方程式可知，啟動電流

(1-3)

結合電磁轉矩公式以及式(1-3)得出啟動轉矩

(1-4)

2)降壓啟動

對于大容量的直流電動機不能采用全壓啟動，那么，采用什么方法實現(xiàn)對大容量直流電動機的啟動？對于一般的他勵直流電動機，為了限制啟動電流，可以采用降壓啟動的方法。啟動前，應將勵磁回路的可調(diào)電阻調(diào)至零，使勵磁電流最大，以保證勵磁磁通為最大值，這樣在電樞電流不太大時便能產(chǎn)生足夠大的啟動轉矩。

降壓啟動是指啟動時采取某種方法使加在電動機電樞繞組兩端的電壓降低，以減小啟動電流。但為了獲得足夠大的啟動轉矩，即Tst>TL，啟動時的啟動電流通常限制在(1.5～2)IN范圍內(nèi)，則此時對應的啟動電壓應為：

(1.5～2)INRa(1-5)為了保持Ist在(1.5～2)IN范圍內(nèi)，即保證有足夠大的啟動轉矩，啟動過程中電壓U必須不斷增大，直到電壓升到額定值UN。當電動機進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，啟動過程結束。

下面以電樞回路串電阻為例來介紹降壓啟動的具體實施方法。

電樞回路串電阻時，保持電樞繞組的端電壓為額定值不變，在電樞繞組回路中串接可調(diào)電阻Rst，該電阻Rst稱為啟動電阻。串聯(lián)啟動電阻的目的也是限制啟動電流在(1.5～2)IN范圍內(nèi)，則此時的啟動電阻為：

(1-6)圖1-20是他勵直流電動機電樞回路串四級電阻啟動的接線圖。Rst4、Rst3、Rst2、Rst1為各級串入的啟動電阻，KM以及KM1～KM4分別是各接觸器的主觸點，可以通過時間繼電器控制它們按要求依次閉合。當電動機勵磁繞組通電后，再接通KM，其它接觸器主觸點斷開，將電動機電樞繞組端接上額定電壓，此時電樞繞組回路串入全部電阻啟動，啟動電流Ist1?=?UN/R4(R4為電樞回路總電阻，R4=Ra+Rst1+Rst2+Rst3

+Rst4)，產(chǎn)生的啟動轉矩Tst1>TL(設TL=TN)。隨著啟動過程的進行，轉速逐漸上升，啟動電阻依次切除。當轉速接近額定值時，所有電阻切除完畢，電動機在電樞繞組兩端施加全壓的情況下進入平衡且穩(wěn)定運行，啟動過程結束。圖1-20他勵直流電動機串四級電阻啟動

3.他勵直流電動機的正反轉原理

在生產(chǎn)實際中，有些生產(chǎn)機械要求電動機具有改變轉動方向的功能，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。而通過對直流電動機工作原理的學習我們知道，要想使直流電動機改變轉向，就必須改變電磁轉矩的方向，而電磁轉矩的方向是由磁通方向和電樞電流的方向決定的，所以，只要將磁通Φ?和電樞電流I中的任何一個改變方向，電磁轉矩即改變方向；電磁轉矩改變了方向，直流電動機也就改變了轉向。

4.他勵直流電動機實施正反轉的方法

1)改變勵磁電流的方向

保持電樞繞組兩端電壓的極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，從而改變磁通Φ?的方向，也就改變了直流電動機的轉向。

2)改變電樞繞組兩端電壓的極性

保持勵磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，使電樞電流改變方向，也會使直流電動機的轉向改變。三、活動小結

直流電動機啟動時，要求啟動轉矩Tst足夠大，Tst>TL，且啟動電流小，一般要求啟動電流Ist=(1.5～2)IN。因為啟動開始時，n?=?0，Ist?=?(10～20)IN，會損壞電動機和傳動機構，所以只有容量較小的直流電動機才允許采用全壓(直接)啟動，對于大容量的電動機采用降壓啟動或電樞回路串電阻啟動。他勵直流電動機的正反轉是通過改變電樞電壓極性或勵磁電流方向兩者中的任一個來實現(xiàn)的。四、活動回顧與拓展

(1)生產(chǎn)機械對直流電動機的啟動有哪些要求？

(2)他勵直流電動機的啟動方法有哪幾種？

(3)什么叫全壓啟動？他勵直流電動機為什么一般不能直接啟動？

(4)啟動他勵直流電動機時，為什么一定要先加勵磁？如果未加勵磁，而將電樞直接接通電源，會產(chǎn)生什么后果？

(5)什么叫降壓啟動？降壓啟動的目的是什么？

(6)他勵直流電動機改變轉向的目的是什么？

(7)改變他勵直流電動機轉向的方法有哪幾種？通常采用哪種方法？

(8)查找相關資料或到現(xiàn)場了解直流電動機在串勵、復勵及并勵運行情況下的特點?；顒?他勵直流電動機的調(diào)速

一、活動目標

(1)熟悉他勵直流電動機調(diào)速的概念和調(diào)速的目的。

(2)理解他勵直流電動機調(diào)速指標的含義。

(3)掌握他勵直流電動機的調(diào)速方法，熟悉三種調(diào)速方法各自的特點。二、活動內(nèi)容

1.調(diào)速指標

為了滿足生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求，在實際工程中規(guī)定了一些技術經(jīng)濟指標，作為電氣調(diào)速的依據(jù)。電動機的調(diào)速性能常用以下指標來衡量：

1)調(diào)速范圍D

調(diào)速范圍是指電動機在額定負載轉矩下所能達到的最高轉速與最低轉速之比，用系數(shù)D表示。即

(1-7)

2)調(diào)速的平滑性

調(diào)速的平滑性是指兩個相鄰調(diào)速級(如第i級和第i－1級)的轉速之比，用系數(shù)φ表示：

(1-8)

在允許的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，則每一級調(diào)節(jié)的數(shù)值越小，表明調(diào)速的平滑性就越好。顯然φ值越接近1，平滑性越好，當φ?≈?1時，可近似看做無級調(diào)速。不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速的平滑性要求不同。例如龍門刨床要求基本上為無級調(diào)速。

3)調(diào)速的容許輸出

調(diào)速時的容許輸出是指電動機在規(guī)定的正常使用條件及在電動機的能量得到充分利用的情況下，調(diào)速過程中軸上所能輸出的功率和轉矩。在電動機穩(wěn)定運行時，實際輸出的功率和轉矩是由負載的需要來決定的，故應使調(diào)速方法適應負載的要求。

4)調(diào)速的經(jīng)濟性

調(diào)速的經(jīng)濟性是指對調(diào)速設備的投資和運行過程中的電能損耗、維修費用等進行綜合比較，在滿足一定的技術指標下，確定調(diào)速方案以達到投資少、效率高。

2.電氣調(diào)速原理及方法

1)調(diào)速原理

根據(jù)他勵直流電動機電樞回路(見圖1-19)電壓方程式、電磁轉矩公式以及電樞電動勢公式，得出他勵直流電動機的機械特性方程式如下：

(1-9)

當式(1-9)中的電樞繞組端電壓U、電樞回路總電阻R、氣隙每極磁通Φ的數(shù)值不變時，轉速n與電磁轉矩T為線性關系，可用下式表示：電動機實際上空載運行時，由于T?=?T0?≠?0，所以實際空載轉速略小于理想空載轉速n0。

β為機械特性的斜率，在同樣的理想空載轉速下，β值越小，直線的傾斜度越小，機械特性越硬，即轉速隨電磁轉矩的變化越??；β值越大，直線傾斜度越大，機械特性越軟，即轉速隨電磁轉矩的變化越大。我們稱為轉速降。

當負載變化時，例如TL從零逐漸增大，則電動機的電磁轉矩T由零逐漸增大，電動機的轉速從n0逐漸下降，下降數(shù)值是Δn。β越大，傾斜度越大，轉速下降越快。

通過上述分析可以看出，他勵直流電動機的機械特性方程實際上是二元一次方程，因此他勵直流電動機的機械特性曲線是一條縱截距等于n0，斜率等于－β的直線，機械特性曲線如圖1-21所示，它是一條向下傾斜的直線。由此可得出，若人為地改變他勵直流電動機電樞繞組端電壓U、電樞回路總電阻R(R等于電樞繞組的電阻Ra與電樞回路所串電阻Rpa之和，具體連接方式如圖1-22所示)和氣隙每極磁通Φ中的一個、兩個或三個參數(shù)，都可以改變他勵直流電動機的轉速n。因此，他勵直流電動機的電氣調(diào)速方法有三種，即電樞回路串電阻調(diào)速、降壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。圖1-21他勵直流電動機的機械特性圖1-22他勵直流電動機接線圖

2)調(diào)速方法

(1)電樞回路串電阻的調(diào)速。該方法是在保持電樞繞組端電壓U和氣隙每極磁通Φ均為額定值的情況下，通過在電樞回路串接電阻Rpa進行的調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速時，電動機的機械特性方程式是：

對于不同的Rpa，可得到不同的機械特性曲線，若該電動機拖動一個恒轉矩負載，則他勵直流電動機電樞回路串電阻調(diào)速的機械特性曲線如圖1-23所示。從圖中可以看出，串入電阻越大，曲線越傾斜，機械特性越軟。圖1-23他勵直流電動機電樞串電阻調(diào)速的機械特性電樞回路串電阻調(diào)速的特點如下：

①串入電阻后轉速只能降低，由于機械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運行時，負載稍有變化，電動機的轉速波動大，因此調(diào)速范圍受到限制。一般D?=?1～3。

②調(diào)速電阻Rpa不易實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，只能分為有限的幾段調(diào)節(jié)，因此調(diào)速的平滑性不高。

③由于電樞電流Ia大，在調(diào)速電阻上消耗的能量較多，因此不夠經(jīng)濟。

④調(diào)速設備投資較少，方法簡單。

(2)降低電樞電壓的調(diào)速。降低電樞電壓的調(diào)速(由于受電動機絕緣強度的限制，改變電樞繞組端電壓時，電樞繞組端電壓只能從額定值UN的基礎上向下調(diào)，故稱降低電樞電壓的調(diào)速)是在保持勵磁磁通為額定值，電樞回路不串接附加電阻時的調(diào)速，降低電樞電壓調(diào)速的機械特性方程式是：

對于不同的U，可得到不同的機械特性曲線，若該電動機拖動一個恒轉矩負載，則他勵直流電動機降低電樞繞組端電壓的機械特性曲線如圖1-24所示。圖1-24他勵直流電動機降壓調(diào)速的機械特性在電壓降幅較大時，將成為回饋制動(將在后續(xù)內(nèi)容中講解)。

降壓調(diào)速的特點如下：

①機械特性硬度不變，靜差率較小，調(diào)速性能穩(wěn)定，調(diào)速范圍廣。

②電源電壓能平滑調(diào)節(jié)，故調(diào)速的平滑性好，可以達到無級調(diào)速。

③降壓調(diào)速是通過減小輸入功率來降低轉速的，低速時，損耗較小，調(diào)速經(jīng)濟性好。

④調(diào)壓電源設備較復雜，設備投資大。

降壓調(diào)速的性能優(yōu)越，廣泛應用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動系統(tǒng)中，如軋鋼機、精密機床等。

(3)降低磁通的調(diào)速(又稱弱磁調(diào)速)，因磁通只能從額定值往下調(diào)而得名。弱磁調(diào)速是在保持電動機的電樞繞組端電壓為額定值和電樞繞組回路不串接附加電阻的情況下，通過減小氣隙磁通而進行的調(diào)速。調(diào)節(jié)磁通的具體方法是：在他勵直流電動機勵磁回路中，串接磁場調(diào)節(jié)電阻Rpf，改變勵磁電流，從而改變氣隙磁通的大小便可調(diào)節(jié)轉速。弱磁調(diào)速時的機械特性方程式是：

對于不同的Φ值，可得到不同的機械特性曲線，若該電動機拖動一個恒轉矩負載，則他勵直流電動機降低氣隙磁通的機械特性曲線如圖1-25所示。與降壓調(diào)速類似，在突然增磁過程中，也會出現(xiàn)回饋制動。圖1-25他勵直流電動機弱磁調(diào)速的機械特性弱磁調(diào)速的特點如下：

①弱磁調(diào)速機械特性較軟，受電動機換向條件和機械強度的限制，調(diào)速幅度不大，調(diào)速范圍D?=?1～2。

②勵磁電流較小，能連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無級調(diào)速。

③在功率較小的勵磁回路中調(diào)節(jié)，能量損耗小。

④控制方便，控制設備投資少。三、活動小結

電動機的電氣調(diào)速方法有降低電樞電壓調(diào)速、電樞回路串電阻調(diào)速和弱磁調(diào)速三種。降低電樞電壓調(diào)速時，機械特性的硬度不變，調(diào)速穩(wěn)定性好，調(diào)速平滑，可達到無級調(diào)速；電樞回路串電阻調(diào)速時，機械特性較軟，靜差率變大，平滑性不好，調(diào)速范圍受限制；弱磁調(diào)速時，轉速僅限于上調(diào)，但不能太高，范圍受限制，特性變軟，調(diào)速平滑，可實現(xiàn)無級調(diào)速。四、活動回顧與拓展

(1)調(diào)速的目的、原理各是什么？

(2)什么叫做電氣調(diào)速？調(diào)速指標包括哪幾項？各有什么含義？

(3)他勵直流電動機的調(diào)速方法有哪幾種？各有什么特點？

(4)對他勵直流電動機的幾種調(diào)速方法進行比較，哪一種最好？為什么？

(5)為什么降壓調(diào)速只能從額定電壓向下調(diào)？

(6)降低磁通的調(diào)速又稱何種調(diào)速？為什么？這種調(diào)速方法在實際中要受到怎樣的限制？

(7)查找相關資料，熟悉他勵直流電動機機械特性的概念和電力拖動系統(tǒng)的概念、組成和穩(wěn)定運行的條件?；顒?他勵直流電動機的制動

一、活動目標

(1)熟悉他勵直流電動機制動的概念和制動的目的。

(2)掌握他勵直流電動機制動的基本方法。二、活動內(nèi)容

1．他勵直流電動機的制動原理

電動機制動的實質就是在電動機運行過程中，產(chǎn)生一個與其原旋轉方向相反的電磁轉矩，阻礙電動機的轉動，從而降低機械設備的運轉速度或者停車。

生產(chǎn)機械對電動機制動過程的要求是：制動迅速、平穩(wěn)、可靠，能量損耗少，制動電流不可太大，制動轉矩足夠大。電動機的運行狀態(tài)通常有兩種：一種是電磁轉矩的方向與電動機的轉速方向相同，稱此狀態(tài)為電動狀態(tài)，此時的電磁轉矩屬驅動性質的，機械特性曲線在坐標平面的第一和第三象限；另一種是電磁轉矩的方向與電動機的轉速方向相反，稱此狀態(tài)為制動狀態(tài)，此時的電磁轉矩屬制動性質的，機械特性曲線在坐標平面的第二和第四象限。電力拖動系統(tǒng)的制動通常采用機械制動和電氣制動兩種方法進行。機械制動是利用摩擦力產(chǎn)生阻轉矩來實現(xiàn)的，如電磁抱閘，但由于采用此法會嚴重磨損閘皮，增加維護的工作量，因此對頻繁啟動、制動和反轉的機械設備，一般不采用機械制動而采用電氣制動。若要使三相異步電動機在運行中快速停車、反向或限速，以滿足生產(chǎn)機械的需要，就要對三相異步電動機進行電磁制動。而電磁制動的實質是要產(chǎn)生一個與電動機轉子轉動方向相反的電磁轉矩。對電動機制動時的要求與啟動時的相似，即要限制制動電流，增大制動轉矩，使拖動系統(tǒng)有較好的制動性能。

常用的電氣制動方法有能耗制動、電源反接制動、倒拉反接制動和回饋制動四種，下面分別進行分析討論。

2.他勵直流電動機的制動方法

1)能耗制動

能耗制動是在保持勵磁繞組的電源電壓不變的情況下，將正在做電動運行的他勵直流電動機的電樞繞組的電源切除，并立即將電樞繞組與一個外加的制動電阻Rbk串聯(lián)，以構成閉合回路。能耗制動的控制電路如圖1-26所示。圖1-26能耗制動制動時保持氣隙磁通大小、方向均不變，接觸器KM1主觸點斷開，切斷電樞繞組電源，接觸器的輔助動斷觸點閉合，接入制動電阻，電動機進入制動狀態(tài)，如圖1-26所示。

電動機制動瞬間，由于機械慣性，轉速n保持與原電動狀態(tài)時相同的方向和大小，因此電樞電動勢Ea的大小和方向亦與電動狀態(tài)時相同。根據(jù)電動勢平衡關系式：

可得U?=?0，則

(1-10)在能耗制動時，電樞電動勢Ea與電樞電流Ia同方向，電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，但它又與一般的發(fā)電機有不同之處，表現(xiàn)在：

(1)沒有原動機輸入機械功率，其機械能是由系統(tǒng)從高速運轉到停車過程中所釋放的動能提供的；

(2)由動能轉換來的電功率沒有輸出，只是消耗在電樞回路的總電阻上。

能耗制動的控制線路比較簡單，制動過程中不需要從電網(wǎng)吸收電功率，比較經(jīng)濟、安全，常用于反抗性負載的電氣制動，有時也用于下放重物。

2)電源反接制動

電源反接制動是在制動時將電樞繞組的電源極性對調(diào)，并將其反接在電樞繞組兩端，同時在電樞繞組電路中串入限制制動電流的制動電阻Rbk，其控制電路如圖1-27(a)所示。當接觸器KM1主觸點閉合，KM2主觸點斷開時，電動機穩(wěn)定運行于電動狀態(tài)。為使生產(chǎn)機械能夠迅速停車或迅速反向運行，在斷開接觸器KM1主觸點的同時，閉合接觸器KM2主觸點，即將電樞繞組電源反接，而在電源反接的瞬間，由于慣性轉速n不能突變，電動勢Ea不變，但電源電壓U的方向改變，其值為負，故此時的電樞電流為：

(1-11)電源反接制動時，如果要求停車，就必須立即切斷電樞繞組兩端的電源，電動機停止轉動，制動過程結束。如果此時不將電樞繞組兩端的電源切除，電動機有可能堵轉(此時|T|<|TL|)，或者電動機將反向啟動運行(此時|T|>|TL|)，如圖1-27(b)中的c到n0段。

電源反接制動過程中，電動機的電樞繞組仍與電網(wǎng)連接，從電網(wǎng)吸取直流電能，同時隨著轉速的降低，系統(tǒng)儲存的動能減少，減少的動能轉換為電能，這些電能全部消耗在電樞回路的總電阻上。圖1-27電源反接制動

3)倒拉反接制動

倒拉反接制動是指電動機拖動位能性負載時，發(fā)生在電動機由提升重物轉為下放重物的過程中的制動。電動機提升重物時，接觸器KM主觸點是閉合的，電動機處于電動運行狀態(tài)，如圖1-28(a)所示。圖1-28倒拉反接制動下放重物時，接觸器KM主觸點斷開，電樞回路內(nèi)串接較大的制動電阻Rbk。由于所下放重物很重，因此有T<TL，在負載重物的作用下，電動機被倒拉而反轉過來，轉速n反向，重物下放。由于n反向(負值)，Ea也反向(負值)，電樞電流

(1-12)由上述分析可見，倒拉反接制動的特點是：

(1)下放重物的速度可以因串入制動電阻Rbk的大小不同而異，制動電阻越大，下放重物的速度越高。

(2)電動機進入倒拉反接制動狀態(tài)時必須有位能性負載反拖電動機，同時電樞電路要串入較大的制動電阻。

(3)在倒拉反接制動狀態(tài)時，位能負載轉矩是拖動轉矩，而電動機的電磁轉矩是制動轉矩，它抑制重物下放的速度，使之限制在安全的范圍之內(nèi)。

(4)倒拉反接制動所需設備簡單，操作方便，電樞電路串入的制動電阻較大，機械特性較軟，轉速穩(wěn)定性差，能量損耗較大。

4)回饋制動

回饋制動是指電動機在位能性負載下下放重物時，由于位能性負載轉矩的影響，使電動機加速至轉速高于理想空載轉速(即|n|>|n0|)，電樞電動勢|Ea|大于電樞電壓|U|，電樞電流Ia的方向與電動運行狀態(tài)時相反，因而電磁轉矩T也與電動運行狀態(tài)時相反，即T與n反向，是制動轉矩。此時，電動機向電源回饋電能，運行于回饋制動狀態(tài)，該制動又叫再生發(fā)電制動。三、活動小結

制動能夠使電動機快速停車或位能性負載勻速下放重物。電氣制動方法有能耗制動、電源反接制動、倒拉反接制動和回饋制動。能耗制動的控制設備簡單，制動平穩(wěn)可靠，制動效果不強烈，適于平穩(wěn)、準確停車和低勻速下放重物的場合；電源反接制動的制動轉矩大，制動強烈，但能量損耗大，轉速降為零時必須及時切斷電源，否則可能反向啟動，適用于迅速停車，并立即反轉的場合；倒拉反接制動的控制設備簡單，操作方便，但機械特性較軟，轉速穩(wěn)定性差，能量損耗大，適用于低勻速下放重物的場合；回饋制動的能量損耗小，比較經(jīng)濟，但轉速高于理想空載轉速，只適用于高速下放重物的場合。四、活動回顧與拓展

(1)他勵直流電動機制動的概念和目的各是什么？

(2)他勵直流電動機的電氣制動方法有哪幾種？各有何特點？

(3)查找相關資料，了解直流電動機進行能耗制動、電源反接制動和回饋制動時，制動電流的限制范圍及所串電阻Rbk的計算方法?；顒?直流電機的拆裝、檢查與嵌線

一、活動目的

(1)熟悉直流電機的拆裝方法和步驟。

(2)掌握直流電機的檢查和維護方法。

(3)了解直流電機絕緣等級與火花等級的含義。

(4)熟悉直流電機修理后的試驗內(nèi)容。

(5)熟悉直流電機其它部件的測定和檢查方法。

(6)熟悉電樞繞組重繞和嵌線的方法。任務四直流電機的運行維護與故障處理二、活動內(nèi)容

1．直流電機的拆裝

直流電機的內(nèi)部結構出現(xiàn)故障時，必須先拆開電機，待處理完故障后，再按原樣裝好。因此，當對直流電機進行檢查及故障處理時，首先要正確掌握直流電機的拆裝方法，否則，會損壞電機的零部件，嚴重時，會使直流電機不能正常使用。在拆卸直流電機前，要先用相關儀器對直流電機進行整機檢查，查明繞組對地以及繞組之間有無短路、斷路或其它故障。然后針對問題進行檢查處理。對裝有滾動軸承的中小型直流電機，其拆卸步驟如下：

(1)拆除所有外部連接線(注意要切斷電源，并用試電筆檢驗確認已斷電)并做好標記。直流電機的結構比交流電機的結構復雜，拆卸前應分別做好主磁極繞組、電樞繞組、換向極繞組等外部接線的對應標記。

(2)拆除換向器端的端蓋螺釘和軸承蓋螺釘，并取下軸承外蓋。

(3)打開端蓋通風扇，從刷握中取出電刷，再拆下接到刷桿的連接線，并做好對應標記。

(4)拆卸換向端的端蓋，并取出刷架?？衫脤ｉT用來拆卸端蓋的兩只頂絲來拆卸。

(5)用厚紙或棉布將換向器包好，防止污物落入或受到機械性損傷。

(6)拆除軸伸端的端蓋螺釘，并使其完全脫離機座，將連同端蓋一起的電樞從定子內(nèi)腔抽出或吊出。

(7)將連同端蓋的電樞放在木架上，拆除軸伸端的軸承蓋螺釘，取下軸承外蓋及端蓋。軸承只有在損壞的情況下才需要拆卸，如無特殊原因，不需要拆卸。

直流電機檢修后的裝配步驟與拆卸順序相反。直流電機檢修后裝配完畢，還需要經(jīng)過檢查、試驗后才能投入運行。

2．直流電機修后試驗

運行中的直流電機經(jīng)過拆裝、修理后必須經(jīng)過檢查、試驗后才能投入運行。直流電機檢修后的檢查、試驗方法一般有以下幾種。

1)一般檢查

檢查所有緊固螺釘是否擰緊，電機轉動是否靈活，換向器表面是否光滑，不得有凸凹、毛刺等缺陷，電刷的牌號、尺寸是否符合要求，壓力是否均勻，電機的內(nèi)部連接和外部出線與標號是否一致。

直流電機的連接線很多，而且都有一定的極性要求。為保證電機的正常運行，一定要根據(jù)規(guī)定連接正確。直流電機各繞組線端符號見表1-3。

2)直流電機繞組極性及其連接正確性的檢查

(1)檢查主磁極線圈連接的正確性。直流電機的主磁極總是成對的，因此，各主磁極勵磁繞組的連接，必須使相鄰主磁極的極性N極和S極的順序依次排列。

(2)檢查主磁極極性與換向極繞組連接的正確性。根據(jù)直流電機的電樞反應結果，主磁極與換向極的交替排列關系應順著電機旋轉的方向。在發(fā)電機中，每個主磁極后面裝的是極性相反的換向極；在電動機中，每個主磁極后面裝的是極性相同的換向極。通常用指南針來檢查極性。

(3)檢查換向極繞組和補償繞組對電樞繞組之間連接的正確性。檢查接線如圖1-29所示。換向極繞組和補償繞組與電樞繞組是串聯(lián)連接的，檢查時，分別將電池接至換向極繞組和補償繞組，如圖1-29(a)、(b)所示。毫伏表與電刷兩端相連，當開關QS合上瞬間，電樞繞組中產(chǎn)生感應電動勢，其方向可由毫伏表確定。如毫伏表指針向右偏轉，則表示兩繞組之間的連接是正確的，因為此時電樞繞組的磁通和換向極及補償繞組的磁通方向相反；反之，則可判斷接線是錯誤的。圖1-29換向極和補償極繞組對電樞繞組的極性檢查接線圖

(4)檢查串勵繞組對并勵繞組之間連接的正確性。檢查接線圖如圖1-30所示。將電池連接到串勵繞組，毫伏表接通到并勵繞組兩端，開關QS合上瞬間，如果毫安表指針向右偏轉，則表明D1、E1(或D2、E2)為同極性出線端子。根據(jù)所測得的同極性出線端，就可將串勵與并勵繞組正確地連接起來。圖1-30串勵繞組對并勵繞組極性檢查接線圖

3)確定直流電機電刷中性線位置

(1)對于大中型電機，試驗電流從主磁極繞組通入，其值應為額定勵磁電流的5%～20%，電壓一般為幾伏到十幾伏，將直流毫伏表或毫安表(最好用零點居中的檢流計)接到相鄰兩正負電刷間，試驗電路如圖1-31所示。試驗時，先把電刷移到主磁極中性線位置，當接通或斷開電源時，在電刷中性線位置，理論上感應電動勢應為零，表針無偏轉。而實際上受電刷接觸面的影響，還有一個很小的電壓存在。當關閉電源時電刷不在中性線位置，則表針明顯地向一側偏轉，而斷開電源時表針向另一方向偏轉。電刷離中性線位置偏移越大，表針偏轉幅度就越大。儀表的讀數(shù)建議以切斷勵磁繞組電源時的偏轉為準。圖1-31用感應法確定電刷中性線位置

(2)對于小型直流電機，可在電樞繞組上加上試驗電壓，測量勵磁繞組端的感應電壓。試驗時，如果電刷不在中性線位置，在切斷勵磁繞組電源時，記住表針的偏轉方向和大小，然后松開刷架固定螺釘，沿換向器圓周方向將電刷向任一方向移動。刷架移動時，如果表針偏轉方向不變，偏擺變小，則應繼續(xù)向同一方向移動；反之，直到表針指示的絕對值達到最小為止。此時的電刷位置即是中性線位置。然后緊固刷架固定螺釘，刷架固定后，應再重復檢查一遍。因為固定刷架時可能引起刷架位移。

4)絕緣電阻的測量

額定電壓500V及以下的直流電機，應使用500V搖表測量各繞組對外殼及其相互間的絕緣電阻，而500V以上的直流電機，應使用1000V搖表。對于額定電壓500V及以下的直流電機，在常溫下(10℃～30℃)，絕緣電阻一般不低于0.5MΩ；對于額定電壓500V以上的直流電機，在常溫下，絕緣電阻一般不低于1MΩ。

5)空載試驗和負載試驗

以上各項檢查、試驗合格后，可接上電源進行空載試驗。空載試驗的目的是檢查